KR100250453B1 - 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정 중 후공정 단계인 습식 식각 방법시 식각 과정을 모니터링하여 식각 속도와 식각 멈춤 단계에 대한 정보를 실시간으로 알아내는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 습식 식각 용액에 담겨진 시편에서 식각 과정 동안 레이저를 시편에 발사하여 반사되는 반사 빔의 강도를 컴퓨터로 측정하여 간섭에 의해 나타난 주기적 신호를 해석하여 식각 속도를 실시간으로 알아내는 방법이다. 레이저는 습식 식각시 시편에 열에너지를 제공하여 레이저가 닿는 시편 부위와 그렇지 않은 부위에 불균일한 식각 속도를 제공하는데 이는 적절한 초점 거리를 갖는 볼록 렌즈를 이용하여 시편 전체에 균일한 식각 속도를 갖도록 함으로서 문제점을 해결하였다.

Description

브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법
본 발명은 브래그 거울(distributed Bragg reflector ; 이하 DBR이라 칭함)의 식각을 실시간으로 감지하는 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정 중 후공정(post-process) 단계인 습식 식각(wet etching) 방법시 식각 과정을 모니터링하여 식각 속도와 식각 멈춤 단계에 대한 정보를 실시간으로 알아내는 방법에 관한 것이다.
화합물 반도체 소자의 제조 과정에서 박막 성장 후의 여러 가지 후공정 단계 중 식각 방법에 적용될 수 있는 기술로 본 발명은 습식 식각 방법은 물론 건식 식각 방법에도 적용될 수 있다.
종래에는 습식 식각시 식각하고자 하는 시편의 박막 두께와 식각 용액에 의한 식각 속도를 측정한 데이터를 이용하여 원하는 식각 시간의 자료로 참고하였다.그러나, 재료가 다양해지고 같은 재료에도 여러가지 식각 용액이 사용될 수 있어서 이를 데이터 베이스화 하는 것 자체가 큰 시간과 노력이 필요하다.
따라서 반도체 소자의 전공정(pre-process) 단계인 박막 성장 단계에서 널리 알려진 실시간 성장 측정법을 습식 식각 방법에 적용할 수 있게 되는데, 실시간 측정법은 기판 상에 굴절율이 다른 층이 성장될 동안, 성장되는 두께에 따라 반사되는 레이저 빔의 강도가 간섭에 의해 주기적인 모양을 갖음을 분석하여 성장 속도를 제어하는 방법이다. 이 방법을 습식 식각 방법에 적용한다면 식각에 의해 없어지는 박막의 두께에 따라 반사되는 레이저 빔의 세기도 간섭에 의해 주기적인 모양을 갖을 것이다. 이러한 원리를 이용하여 식각 용액에 관계없이 식각 속도를 즉시 알아낼 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
박막 성장은 진공이나 대기압하에서 기체 분위기인 매질을 통과하는 방법이므로 레이저 빔의 선택에 제한이 없는 반면, 습식 식각은 식각 용액이란 매질을 레이저가 통과해야 하며 대부분의 식각 용액이 특정한 파장을 통과시키지 않는 특성을 갖고 있으므로 레이저 파장의 선택에 제한이 있다. 또한 레이저 빔이 닿는 시편부위와 그렇지 않은 다른 부위는 식각 속도가 다르므로 이 문제를 해결해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하여 반도체 제조 공정 중 습식 식각 방법시 식각과정을 모니터링 하여 식각 속도와 식각 멈춤 단계에 대한 정보를 실시간으로 알아내는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법은, 식각 용액 속에 담겨있는 시편에 레이저 빔을 조사하되, 상기 시편의 표면 전체에 균일한 빔이 조사되도록 볼록 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 분산시켜 조사하는 단계와, 상기 시편에서 반사된 상기 레이저 빔을 볼록 렌즈를 이용하여 검출기로 입사되도록 하는 단계와, 상기 검출기에 연결된 컴퓨터를 통하여, 상기 검출기로 입사된 레이저 광의 주기적 신호를 해석하여 식각 속도를 실시간으로 감지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시간 반사율 측정 장치 구성도.
도 2는 시편에 와 닿는 레이저 빔의 모양을 확대한 구성도.
도 3(a) 및 도 3(b)는 식각 전후의 시편의 모양을 나타낸 단면도.
도 4는 식각이 진행되는 동안 검출기에 들어간 레이저 반사 빔의 강도를 시간에 따라 나타낸 그래프도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11 : 헬륨 네온 레이저 12 및 22 : 시편
13 및 26 : 검출기 14A, 14B, 23A 및 23B : 볼록 렌즈
15 및 24 : 그릇 16 및 25 : 식각 용액
17 : 컴퓨터 21 : 레이저 빔
31 : 기판 32 및 34 브래그 거울
33 : 활성층 35 : 마스크
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시간 반사율 측정 장치 구성도로써, 이러한 습식 식각 방법에 실시간 레이저 반사 빔 측정 장치를 부착한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 헬륨 네온 레이저(11)는 시편(12)으로 발사되며 시편(12)에서 반사된 레이저(11) 빔은 검출기(detector ; 13)에 도착하도록 구성한다. 헬륨 네온 레이저(11)를 사용하는 이유는, 식각 용액이 적외선 영역 이상의 장파장에서 매우 큰 흡수(absorption)율을 갖기 때문에 레이저 반사 빔을 쉽게 관찰할 수 없다. 따라서 가시광 영역의 파장을 갖는 레이저가 적당한데 가시광(visible) 영역의 파장을 갖는 레이저에는 아르곤 레이저와 헬륨 레이저가 있다. 아르곤 레이저는 파워가 크지만 부피가 크고 비싸기 때문에 본 발명과 같은 간단한 장치를 꾸미기에 부적합하고 비록 파워가 작을지라도 충분히 검출기로 검출할 정도의 파워는 갖고 있으며, 값이 싼 헬륨 네온 레이저(11)를 사용하였다. 레이저 빔의 외경은 볼록 렌즈(14A)에 의해서 분산된 후 입사되며, 반대편에서 다시 볼록 렌즈(14B)에 의해 집적된다. 시편(12)은 식각 용액(etching solution ; 16)을 채우고 있는 그릇(dewer ; 15)에 담겨지며 검출기(13)로 도달된 레이저 반사 빔의 강도는 컴퓨터(17)와 연결된 모니터에 표시된다.
도 2는 시편에 와 닿는 레이저 빔의 모양을 확대한 구성도이다. 레이저 빔(21)을 분산시키는 이유는 레이저가 닿는 시편(22)의 부위가 그렇지 않은 부위보다 식각 속도가 높게 측정되어 시편(22) 표면에 불균일한 면이 만들어지기 때문이다. 따라서 이를 분산시켜 시편(22) 표면 전체에 골고루 분산시키면 전체적으로 균일한 식각 속도를 얻을 수 있기 때문이다. 분산된 레이저 빔(21)의 외경은 시편(22)의 면적을 모두 가릴 정도로 초점 거리가 적당한 볼록 렌즈(23A)를 사용한다. 시편(22)은 식각 용액(25)을 채우고 있는 그릇(24)에 담겨지며 검출기(26)로 도달된 레이저 반사 빔(21)의 강도는 컴퓨터와 연결하여 모니터에 표시된다. 반사된 레이저 빔(21)은 분산된 모양이며 검출기(26)의 면적은 이보다 작으므로 다시 초점 거리가 적당한 볼록 렌즈(23B)를 이용하여 반사 빔(21)이 검출기에 닿을 거리에 초점이 모이도록 조정한다. 이렇게 하여 검출기(26) 검출 효율을 극대화 할 수 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 식각 전후의 시편의 모양을 나타낸 단면도이다. 도 3(a)와 같은 시편을 식각 용액에 담그면 시편 표면에 입힌 마스크(35)에 의해 보호되지 않는 부분은 도 3(b)와 같이 기판(31)이 보일 때까지 모두 식각 되어진다. 도면은 배율을 고려하지 않은 크기인데 실제 시편의 외곽 크기는 약 1 ㎝이며, 마스크의 외각 크기는 10 ㎛이므로 마스크의 면적은 시편의 면적보다 약 1 만 배 작다. 따라서 마스크에 의해 가려지는 레이저 빔은 거의 없다고 판단할 수 있다.
식각된 브래그 거울(top DBR, bottom DBR ; 32 및 34)은 표면 발광용 반도체 레이저 제작시 사용되는 구조로써, 활성층(33)을 사이에 두고 위, 아래에 브래그 거울(32 및 34)이 성장된 모양이다.
표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)는 반도체 기판(31)의 표면으로부터 레이저 빔이 발진 되는 소자로써, 기판 아래쪽과 성장된 박막 위쪽에 전극을 입힌 후 전류를 흘려주면 활성층(33)에서 광 에너지가 발생되며, 발생된 광 에너지는 위, 아래에 성장된 브래그 거울(32 및 34)에서 각각 반사되며 반복적인 왕복 운동을 한다. 반복적인 경로를 지나는 동안 공진(resonance)에 의해 큰 에너지를 얻게 되는 광 에너지는, 결과적으로 레이저 빔으로 변하며 반사율이 약간 작게 설계된 어느 한쪽 브래그 거울(32 및 34) 방향으로 튀어나오게 된다. 이때 필요한 공정(process)중 하나는 브래그 거울(32 및 34)을 포함하여 일정한 단면적을 갖는 기둥 모양으로 다른 부분과 격리하는 과정이다. 다른 부분과 격리한다는 의미는 전기적으로 절연 시키는 과정인데, 절연 방법으로는 원하는 부위 이외의 부분에 원자 스케일의 파괴를 가하는 방법과 아니면 원하는 부분만을 남기고 나머지 부분을 모두 없애버리는 방법이 있다. 본 발명에서는 원하는 부분을 남기고 모두 없애는 방법 중 습식 식각 방법을 선택하고 있으며 건식 식각 방법에도 적용될 수 있다. 참고로 건식 식각 방법이란 식각 기체를 이용한 식각 방법이며 주로 플로린(F)이나 클로린(Cl)를 사용하고, 이 식각 기체가 박막 원자와 결합 반응 하여 식각되는 원리를 이용한다. 습식 식각 방법은 산(acid)이나 알카리(alkali) 용액을 이용하여 박막의 원자를 분리시키는 식각 방법이다. 도 3(b)에 도시된 식각 후 남아있는 박막 부위는 다른 부위와 전기적으로 절연된 상태이므로 전극을 입혀서 전류를 흘려주는 소자 제조 단계가 준비된 상태이다.
도 4는 식각이 진행되는 동안 검출기에 들어간 레이저 반사 빔의 강도를 시간에 따라 나타낸 그래프도이다. 도 4에 도시된 것과 같이, 레이저 반사 빔이 주기적인 신호를 보이는 이유는, 박막이 식각되면서 두께가 작아질 경우 박막을 투과하여 기판에서 반사된 빔과 박막 표면에서 반사된 빔 간의 간섭(interference)에 의해 최대, 최소 신호가 주기적으로 나타나기 때문이다. 주기는 식각 속도와 관련된 인자이므로 이 값을 이용하여 식각 중 식각 속도를 즉시 알아낼 수 있다. 이때 주기적으로 나타나는 반사 신호의 주기를 T 라고 하고 측정하는 레이저의 파장을 λ라고 하면, T = λ / ( 2 n G )와 같은 관계 식을 얻을 수 있다. 여기서 n은 성장되는 박막의 유효 굴절율(effective index of refraction)이며 G는 박막의 식각 속도를 나타낸다. 브래그 거울이란 서로 다른 박막 두 개층이 한 주기를 이루고 이것이 여러 주기 성장된 구조이며, 도면에서 반사 강도가 주기적으로 진동하는 이유는 브래그 거울의 1주기가 식각될때 마다 굴절율 차에 의한 간섭에 의해서 강도가 최대 및 최소를 가지기 때문이다. 즉, 반사율 강도의 변화 1주기는 브래그 거울의 1주기와 같다. 반사율 주기를 관찰하여 해당되는 주기수 만큼 브래그 거울을 식각하고자 할 때 같은 수의 검출된 주기 신호가 보인 후 식각을 종료하면 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 브래그 거울을 포함한 구조를 성장하여 브래그 구조를 식각할 때 브래그층의 식각 속도를 즉시 실시간으로 알아낼 수 있다면 브래그층을 이루는 재료의 식각 용액에 대한 식각 속도를 사전에 측정할 필요가 없으므로 측정에 필요한 세부 공정을 생략할 수 있으며, 이에 들어가는 시간과 노력이 절감된다. 실시간 레이저 측정법에 의한 식각시 반사 빔 변화를 관찰하면 복잡한 구조를 이루는 박막에서 식각 과정의 진행 단계를 한눈에 알 수 있으므로 원하는 식각 멈춤 시간에 대한 정보도 동시에 알 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 식각 용액 속에 담겨있는 시편에 레이저 빔을 조사하되, 상기 시편의 표면 전체에 균일한 빔이 조사되도록 볼록 렌즈를 이용하여 레이저 빙을 분산시켜 조사하는 단계와,
    상기 시편에서 반사된 상기 레이저 빔을 볼록 렌즈를 이용하여 검출기로 입사되도록 하는 단계와,
    상기 검출기에 연결된 컴퓨터를 통하여, 상기 검출기로 입사된 레이저 광의 주기적 신호를 해석하여 식각 속도를 실시간으로 감지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편은 브래그 거울 구조가 형성된 표면 발광 레이저 소자인 것을 특징으로 하는 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주기적 신호는 1 주기가 상기 시편을 구성하고 있는 브래그 거울의 1 주기인 것을 특징으로 하는 브래그 거울의 식각을 실시간으로 감지하는 방법.
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