KR101826127B1 - 광학적 웨이퍼 검사 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 장치 영상 혹은 웨이퍼 영상을 획득하기 위하여 테이블 위에 놓인 웨이퍼에 대해 일정 위치에 놓여 웨이퍼 부분에 대한 영상광이 통과하도록 하는 광학계, 광학계 후방에 설치되어 광학계를 통과한 영상광을 각도를 조절하여 반사시키는 조절반사부, 조절반사부에서 반사된 영상광, 즉 반사영상이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하며, 광학계는 웨이퍼와의 상대 거리를 바꿀 수 있도록 설치되고, 조절반사부는 상대 거리 조절이 이루어질 때 반사영상의 방향이 조절되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치가 개시된다.
본 발명에 따르면, TSOM 기술을 적용하기 위하여 서로 다른 초점 위치의 대상물 영상을 획득하기 위해 대상물과 광학계 사이의 거리를 복수 회 바꾸는 과정에서 기계적 움직임에 의해 광축이 틀어지고 촬상소자에 대상물 영상이 맺히는 위치가 변이되는 것을 광경로상 광학계 뒤쪽에 있는 반사조절부를 통해 쉽게 보정할 수 있어서, 기존의 TSOM 기술을 적용한 웨이퍼 검사 장치를 이용하면서 적은 노력과 적은 비용으로 TSOM 기술을 적용한 웨이퍼 검사 장치의 정확도와 효용을 높일 수 있다.

Description

광학적 웨이퍼 검사 장치 {optical apparatus for inspecting pattern image of semiconductor wafer}
본 발명은 웨이퍼 검사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 회로가 형성된 웨이퍼 부분에 대한 영상을 얻고 이를 분석하여 결함 존재 여부를 검사할 수 있는 웨이퍼 검사 장치에 관한 것이다.
웨이퍼의 검사를 위한 하나의 방법으로서 웨이퍼의 부분에 대한 영상을 획득하고 검사하는 웨이퍼 검사 장치에서는 통상적으로 촬상을 위해 웨이퍼가 정해진 영역을 지나면서 웨이퍼의 해당 영역에 대해 일정 주기로 단일파장 펄스 조명광을 비추게 된다. 그리고 한 번의 펄스 조명에 의해 렌즈부가 영상을 얻을 수 있는 대상영역((FOV:Field Of View)이 비추어지고 대상영역의 반사광은 렌즈부를 통과하여 렌즈부 뒤쪽에서 스크린의 역할을 하는 촬상소자의 화소부에 웨이퍼의 촬상영역 영상이 맺히게 된다. 일단, 웨이퍼의 촬상영역에 대한 촬상이 이루어지면 다음 번 펄스 조명 시간에는 그 촬상영역에 인접한 다음 촬상영역이 촬상될 수 있도록 웨이퍼가 움직이게 된다.
웨이퍼 모든 영역을 촬상하기 위해서는, 펄스조명 시간은 매우 짧아 이 시간중에는 웨이퍼는 거의 움직이지 않는다고 전제하고, 촬상소자가 한번의 촬상으로 커버할 수 있는 촬상 대상 영역의 폭만큼씩 웨이퍼가 펄스조명 주기동안 폭방향으로 이동하는 방식을 취할 수 있다.
한편, 반도체 장치는 원래 소자 및 도선과 같은 회로 요소를 작은 크기로 평면에 집적시켜 회로장치를 형성하였고, 집적도를 높이기 위해 소자 및 도선 크기를 계속하여 줄이는 방법을 사용하였다. 그러나, 소자 집적도가 늘어나면서 소자와 도선의 크기를 줄이는 것은 반도체 장치를 만드는 공정상의 여러 가지 한계, 가령 포토리소그래피 공정의 광학적인 한계 등으로 어려워졌고, 또한 소자의 크기를 줄이는 것이 소자 기능의 문제를 가져올 수 있는 상태에 이루고 있다.
이런 상황에서 반도체 장치의 소자 집적도를 높이기 위해 반도체 장치의 복층화와 소자 구성의 입체화와 같은 3차원적 장치 구성이 많이 모색되고 이루어지고 있다.
고도로 정밀하고 복잡 다단한 공정 단계를 거쳐 반도체 장치의 생산이 이루어질 때 반도체 장치가 설계대로 정상적인 형태로 이루어져 제 기능을 발휘할 수 있는가를 확인하는 검사 작업은 공정 불량을 발견하고 문제점을 찾아 시정하여 공정의 효율 및 효과성을 높이는 데 매우 중요한 역할을 한다.
기존의 반도체 장치 검사 장비 가운데 영상을 이용한 검사 장비는 대상 반도체 장치의 일부에 대한 영상을 획득하여 그 영상이 정상적인가 여부를 판단하여 반도체 장치의 불량 여부를 확인하게 되는데, 반도체 장치의 3차원적 구성은 종래의 평면적인 반도체 장치의 검사 방식으로는 검사를 충분히 적절하게 할 수 없도록 만드는 문제를 발생시키고 있다.
가령, 패턴이 너무 작으면 조명 빔이 그 사이로 투입되어 도달하기 어렵고 광학현미경은 사용되는 빛의 파장 크기의 절반보다 더 큰 경우에만 의미 있는 해상도 결과를 주며, 반도체 장치 검사와 같은 작은 패턴 검사에서 현미경 사용자는 비슷한 패턴을 일정한 거리로 그룹을 지어 배열해 놓고, 빛이 얼마나 그 그룹 사이에서 분산되는지를 관측하여 크기를 결정하는 방법을 사용할 수 있는데 이런 방법에서는 반도체 장치의 새로운 3차원 구조를 측정하기에는 매우 많은 어려움이 존재한다는 것이다.
물론 비광학적인 측정 방법도 고려할 수 있지만 원자현미경(scanning probe microscopy)과 같은 비광학적 이미지처리 방식은 비싸고 느리므로 실용적인 검사장치로 사용되기는 어렵다.
최근 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 라비키란 아토타(Ravikiran Attota) 등은 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(Through focus Scanning Optical Microscopy: TSOM)을 이용하여 3차원적 미세 패턴을 측정할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.("TSOM method for semiconductor metrology", Proc.SPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 79710T ,April 20, 2011)
이 기술은 기존의 광학현미경을 사용하지만, 동일한 대상에 대해 서로 다른 초점 위치에서 2차원 이미지를 수집하여 대상에 대한 3차원적 영상 데이터 공간을 만드는 방법을 사용한다. 따라서, 얻어진 2차원 이미지들은 초점이 맞은 이미지(in-focus image)와 초점이 맞지 않는 초점 외 이미지(out-of-focus image)를 여럿을 포함한 쓰루 포커스 이미지(through-focus image)를 구성하게 된다. 이러한 3차원적 영상 데이터 공간에 대한 컴퓨터 처리가 이루어진다. 컴퓨터는 수집된 동일 대상에 대한 복수 개의 쓰루 포커스 이미지(through-focus image)로부터 휘도(brightness) 프로파일을 추출하고 초점 위치 정보를 이용하여 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM) 이미지를 만들게 된다.
쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM)이 제공하는 이미지는 통상의 사진과 달리 구체적으로 대상을 그대로 나타내는 것은 아니며, 약간 추상적이지만, 그들 이미지 사이의 차이는 측정된 대상 3차원 구조체의 미세한 모양 차이를 추론할 수 있도록 한다.
시뮬레이션 연구를 통해 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM)은 10나노미터 이하의 특성을 측정할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 미세한 3차원 구조체 형상 분석에 대한 가능성을 제시하고 있다.
도1은 이러한 방법을 구현하기 위한 광학적 웨이퍼 검사 장치의 일 예가 개시되어 있다. 여기서 대상물(Object)인 웨이퍼가 놓이는 테이블(XYZ stage)은 Z축 방향으로 이동하여 대물 광학계(objective lens)와의 거리가 달라지면서 초점 위치가 다른 영상이 촬상소자(CCD)에 의해 얻어지게 된다. 여기서 대물 광학계와 튜브 렌즈(Tube lens)로 이루어진 광학계 구성은 일종의 광학현미경과 대등한 구성으로 볼 수 있다. BS는 빔스프리터를 나타낸다.
그러나, 초점 위치를 달리하면서 대상물을 광학현미경을 통해 촬상하기 위해서는 대상물과 대물렌즈와 같은 광학계의 초점 방향의 위치를 단계적으로 바꾸면서 촬상을 해야하며, 위치 이동을 위해 기계적인 움직임이 필요하게 된다.
이런 위치 이동에는 기계적 이동에 따라 상당한 시간이 소요된다는 문제점과, 매우 작은 대상에 대해 촬상을 하게 되면서 기계적인 움직임에 따른 광축의 변이와 화상의 위치 불안정성도 커지는 문제점이 있었다. 아직 매우 작은 대상에 대하여 다수의, 초점 위치를 달리하는 광학 영상을 얻는 것은 시간이 많이 걸리는 작업이고, 광축의 변이와 화상 위치 불안정성은 기계적인 움직임에 따른 필연적인 측면이 있어서 기존에 이들 문제를 해결하여 실질적 반도체 장치 검사에 사용되는 방법은 아직 적당하게 제시되지 못하고 있다.
대한민국 특허공개 제10-2014-0019737호에는 TSOM 방법을 프로토타입으로 하면서, 초점에 따른 조사 대상의 기계적 스캐닝 없이 복수의 디포커스된 이미지를 얻고 처리하는 다른 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 파장을 달리할 수 있는 광선 소스의 사용 및 공간 스펙트럼 분해능을 가지는 광선 소스 사용을 기반으로 한다.
도2는 이러한 방법을 구현하기 위한 광학적 웨이퍼 검사 장치의 일 예가 개시되어 있다. 여기서 L1~L5는 렌즈, BS는 빔스프리터를 나타낸다.
그러나, 이러한 형태의 구성에서는 광축 방향의 대상물의 기계적 운동이 필요하지 않지만, 먼저 전체의 조명광 가운데 하나의 파장대를 선택하여 사용하므로 조명 광량이 매우 떨어지는 문제가 있다. 아울러, 축상 비대칭 수차(axial coma)와 같은 영상 광학상의 비색 축상 수차(non cromatic axial aberration)에 의하여 야기되는 불안정성이 존재한다.
더욱이, 이런 광학적 수차 및 광세기 프로파일은 측정 장비에 따라 변동되고, 촬상 시점마다 변이되며, 각각의 설정에 대한 새로운 TSOM 측정용 기준 이미지의 라이브러리를 갖추는 것은 시간이 매우 많이 들어가는 일이 된다.
결국, 현재의 시점에서 대한민국 특허공개 제10-2014-0019737호의 측정방법을 공정에 적용하는 것은 실질적이지 못한 것이 된다.
대한민국 특허출원 제10-2013-0146941호 대한민국 공개특허 제10-2014-0019733호
"TSOM method for semiconductor metrology", Proc.SPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 79710T (April 20, 2011)
본 발명은 상술한 종래의 TSOM 기술을 이용한 반도체장치 검사 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로, TSOM 기술을 적용하여 서로 다른 초점 위치의 대상물 영상을 획득하기 위해 대상물과 광학계를 이루는 대물렌즈 사이의 거리를 복수 회 바꾸는 과정에서 기계적 움직임에 의해 광축이 틀어지고, 촬상소자에 대상물 영상이 맺히는 위치가 변이되는 것을 보정할 수 있는 반도체 웨이퍼 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존의 TSOM 이미지를 획득하기 위한 구성에서 비교적 단순한 추가 구성에 의해 각 초점 위치에 대한 대상물 영상을 촬상소자의 정확한 위치에 맺을 수 있도록 하는 반도체 웨이퍼 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 검사 장치는,
반도체 장치 영상 혹은 웨이퍼 영상을 획득하기 위하여 테이블 위에 놓인 웨이퍼에 대해 일정 위치에 놓여 웨이퍼 부분에 대한 영상광이 통과하도록 하는 광학계, 광학계 후방에 설치되어 광학계를 통과한 영상광을 각도를 조절하여 반사시키는 조절반사부, 조절반사부에서 반사된 영상광, 즉 반사영상이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하며,
상기 광학계는 웨이퍼와의 상대 거리(광축상의 거리)를 바꿀 수 있도록 설치되고,
상기 조절반사부는 상기 상대 거리 조절이 이루어질 때 반사영상의 방향이 조절되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 조절반사부의 이후 촬상소자 이전의 광경로에는 빔스플리터와 같은 반사영상 분할수단이 설치되고, 분할된 빛의 적어도 일부는 광축의 어긋남을 감지하는 정위 센서로 투입되고, 정위 센서는 감지된 광축의 어긋남 정보를 조절반사부로 투입하여 반사영상의 방향이 정위치로 조절되도록 이루어질 수 있다. 가령, 반사영상은 촬상소자로 가는 경로에서 빔스플리터에 의해 나누어지고, 나누어진 반사영상은 사분위셀(quadrant cell)에 감지되고, 조절반사부에 그 결과값이 전달되어 오프셋을 위한 조절반사부의 반사방향의 조절이 이루어지도록 할 수 있다.
검사 장치의 전체적인 세팅 이후, 기계적 이동에 의한 광학계와 웨이퍼 사이의 거리 변화에 따른 광축의 어긋남이 일정한 관계를 형성하는 경우, 이 관계를 나타내는 관계식 혹은 추세에 따라 정위 센서의 감지 결과의 투입에 의한 조절반사부의 조절 없이 기계적 이동과 조절반사부의 조절량을 연동시켜 반사영상이 촬상소자의 정위치에 놓이도록 하는 것도 가능하다.
본 발명에서 조절반사부의 이후 촬상소자 이전의 광경로에는 빔스플리터와 같은 반사영상 분할수단이 설치되고, 분할된 빛의 적어도 일부는 샤크-하트만 센서와 같은 디포커스 측정 수단에 투입되도록 할 수 있다. 샤크-하트만 센서의 감지 결과는 파면 상태 혹은 위상을 알려줄 수 있고, TSOM을 위한 웨이퍼와 광학계의 광축상의 기계적 이동량과 디포커스량 사이의 연관을 측정하거나 확인하는 데 이용되거나 기계적 이동량 자체를 조절하는 데 이용될 수 있다.
이런 방식으로 기계적 이동량과 디포커스량 사이의 연관성이 확보되고, 앞서 언급된 기계적 이동량과 광축의 어긋남 사이에도 일정한 관계가 성립된다면, 이들 관계를 이용하여 디포커스량 측정값을 조절반사부에 입력하여 조절반사부의 반사영상 투사 각도 조절에 이용되는 것도 고려될 수 있다.
본 발명에서 조절반사부는 팁 틸트(tip-tilt) 거울로 이루어질 수 있고, 팁 틸트 거울은 4각형 반사거울과, 반사거울의 네 모서리에 설치되며 두께가 인가전압에 의해 가변될 수 있는 압전소자(piezoelectric element) 및 이들 소자에 대한 인가전압을 조절할 수 있는 회로부를 구비하여 이루어질 수 있으며, 조절반사부의 각도 조절은 주어진 신호에 의해 이들 압전물질 각각의 두께를 조절하여 반사거울이 향하는 방향을 바꾸는 것에 의해 이루어질 수 있다.
이때, 조절반사부의 반사거울은 반사거울이 이루는 평면의 두 개의 서로 수직한 중심축(x, y)을 기준으로 회전하면서 광학계를 거쳐 조절반사부에 닿는 영상광을 방향을 바꾸어 반사하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에서 촬상소자는 단순히 CCD나 CMOS와 같은 촬상용 장치만을 의미하는 것은 아니며, 좁은 의미의 촬상소자에 입력된 영상정보를 해석하거나 재구성하여 가시적인 영상을 만들어내고, 필요에 따라 이를 다른 자료와 연관하여 처리, 가공하거나, 기준 영상과 비교하는 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어를 모두 포함하는 개념으로 해석될 수 있는 것이다.
본 발명에서 조명장치에 대해 별도로 언급하지 않지만 기존에 알려진 조명장치도 본 발명에 당연히 결합되어 전체 검사 장치의 일부를 이룰 수 있다.
본 발명에서 광학계는 통상 하나 이상의 렌즈를 배열, 결합하여 형성되며, 여기서는 대상물인 웨이퍼와 조절반사부 사이의 광학요소 조합으로 이루어지는 것을 주로 의미하지만 렌즈 등의 광학요소는 조절반사부와 촬상소자 사이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도면에서와 같이 조절반사부와 촬상소자 사이에는 조절반사부의 반사영상을 촬상소자 크기에 맞도록 집속시켜주는 결상광학계를 구성하는 렌즈 등이 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, TSOM 기술을 적용하기 위하여 서로 다른 초점 위치의 대상물 영상을 획득하기 위해 대상물과 광학계 사이의 거리를 복수 회 바꾸는 과정에서 기계적 움직임에 의해 광축이 틀어지고 촬상소자에 대상물 영상이 맺히는 위치가 변이되는 것을 광경로상 광학계 뒤쪽에 있는 반사조절부를 통해 쉽게 보정할 수 있어서, 기존의 TSOM 기술을 적용한 웨이퍼 검사 장치를 이용하면서 적은 노력과 적은 비용으로 TSOM 기술을 적용한 웨이퍼 검사 장치의 정확도와 효용을 높일 수 있다.
도1은 종래의 TSOM 방식의 기본적 웨이퍼 검사 장치 구성의 일 예를 나타내는 구성개념도,
도2는 웨이퍼와 광학계 사이의 거리 변화를 위한 기계식 움직임을 없앤 종래의 TSOM 방식의 다른 웨이퍼 검사 장치 구성의 예를 나타내는 구성개념도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TSOM 방식의 웨이퍼 검사 장치 구성을 나타내는 구성개념도,
도4는 도3의 조절반사부 구성 및 사분위셀과의 결합관계를 보다 상세하게 나타내는 구성개념도,
도5는 본 발명의 일 실시예에서의 조절반사부의 반사거울 및 압전소자 구성을 보다 상세하게 나타내는 평면도이다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3의 실시예에 따르면, 검사 대상인 반도체 장치가 형성되어 있는 웨이퍼(1)가 테이블(220)에 안착된다. 테이블(220)은 여기는 3축(x, y, z 축) 방향으로 움직이는 테이블이며 실시예에 따라서는 평면(x-y 평면) 내에서 이동이 가능한 것일 수 있다. TSOM 방법에 의해 초점 위치가 서로 다른 영상을 얻기 위해 여기서는 테이블(220)을 Z축 방향으로 이동시키면서 정해진 Z축 위치에서 촬상을 하게 된다.
조명장치는 레이저(211)와 조명용 렌즈 어셈블리(213, 215, 217, 219))를 구비하여 이루어지며, 대물 광학계(230) 위쪽에 설치된 프리즘형 빔스플리터(BS)에서 반사되어 대상물인 웨이퍼(1)에 수직한 방향으로 조명광을 비추게 된다.
조명광이 웨이퍼에서 반사되어 생기는 반사광은 웨이퍼에 대한 영상을 포함하는 것으로 대물 광학계(230)를 통과하면서 파면이 기본적으로 광축에 수직한 평면인 평행광을 이루며 조명광 방향과 반대 방향으로 빔스플리터를 통과하여 조절반사부(300)로 진행한다. 이 평행광은 영상을 포함하여 영상광이라 할 수 있다. 여기서 대물 광학계(230)는 통상 복수의 렌즈를 배열, 결합하여 형성된다.
영상광은 조절반사부(300)에서 반사되어 반사영상을 이루어 촬상소자를 향하여 진행하게 된다. 조절반사부(300)는 팁 틸트(tip-tilt) 거울로 이루어지고, 팁 틸트 거울은 4각형 반사거울(310)과, 반사거울의 네 모서리에 설치되며 두께가 인가전압에 의해 가변될 수 있는 압전소자(piezoelectric element: 320) 및 이들 소자에 대한 인가전압을 조절할 수 있는 회로기판(330)을 구비하여 이루어진다.
조절반사부(300)의 각도 조절은 주어진 신호에 의해 이들 4 모서리의 압전소자(330) 각각의 두께를 조절하여 반사거울이 향하는 방향을 바꾸는 것에 의해 이루어질 수 있다. 반사거울(310)의 조절가능한 각도 변화 범위를 늘리기 위해 각 압전소자의 두께를 두껍게 하거나, 얇은 압전소자를 겹쳐 사용하는 방법도 고려할 수 있다.
조절반사부의 반사거울(310)은 반사거울이 이루는 평면의 두 개의 서로 수직한 중심축(x, y)을 기준으로 회전하면서 광학계를 거쳐 조절반사부(300)에 닿는 영상광을 방향을 바꾸어 반사영상으로 투사하도록 이루어질 수 있다. 도5를 참조하면, 반사거울(310)을 x축 중심으로 시계방향으로 회전시키려면 x축의 왼쪽에 있는 두 개의 압전소자(321, 324)에 인가되는 전압을 동일한 양만큼 늘려 압전소자의 두께가 줄어들도록 하며, y축 중심으로 회전시키려면 y축 위쪽의 두 개의 압전소자(323, 324)에 인가되는 전압을 동일한 양만큼 늘려 압전소자의 두께가 줄어들도록 한다. x축 및 y축 중심의 회전이 모두 필요할 때에는, 통상적으로 필요한 회전각도가 크지 않다는 전제 하에서, x축 중심의 회전에 필요한 각 압전소자의 전압인가량과 y축 중심의 회전에 필요한 각 압전소자의 전압인가량을 단순히 더하는 것으로 전압인가량을 결정할 수 있다.
여기서 조절반사부(300)의 평면상의 반사거울(310)은 기본적인 설정상태에서 대물 광학계(230)로부터 투입되는 영상광의 진행방향 혹은 광축과 45도 각도를 이루며, 영상광 중심이 반사거울 중심(O)에 놓이게 된다. 평면 반사거울 중심(O)은 Q반사거울의 한 쌍의 대변과 평행한 x축 및 다른 한 쌍의 대변과 평행한 y축이 교차하는 점이라고 할 수 있다.
이러한 조절반사부(300)의 조절 동작은 압전소자(320)를 이용하는 경우, 신호에 따른 조절이 매우 짧은 시간 내에 이루어질 수 있지만, 테이블(220)에서 Z축을 따라 기계적인 이동이 이루어질 때 동시적으로 이루어지는 것이 별도의 조절 시간을 필요로하지 않으므로 바람직하다.
반사영상은 튜브 렌즈로 표시된 결상 광학계(240)를 통해 촬상소자(250)에 도달하게 되는데, 그 과정에서 빔스플리터를 통해 일부 분할된 반사영상은 광축(반사영상의 진행 방향)의 어긋남을 감지하는 정위 센서로서 역할을 하는 사분위셀(quadrant cell: 400)에 투입된다. 도4에 다소 과장되어 도시되듯이 정위 센서는 기준상태일 때 반사영상이 맺히는 위치와, 테이블의 Z축 이동이 이루어지면서 감지된 반사영상의 위치 사이의 변화 혹은 광축의 어긋남을 감지하여, 신호(signal)선을 통해 그 정보를 조절반사부의 조절부(회로기판: 330)로 투입한다. 조절부는 그 정보에 따라, 분할된 반사영상이 맺히는 위치가 정위 센서에서의 원래 위치로 복귀되도록 압전소자에 걸리는 전압의 양을 조절하게 된다. 압전소자(320)에 걸리는 전압의 양은 빔스프리터와 정위 센서(사분위셀) 사이의 거리와 사분위셀 내에서의 정위치와 변동된 위치 사이의 각 축 방향 이격량, 압전소자의 전압에 따른 두께 변화, 각 압전소자의 위치 등을 고려하여 계산을 통해 얻어질 수 있으며, 이는 통상적인 계산의 영역이므로 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이런 조절은 한번에 이루어지기 보다는 피드백을 통해 지속적으로 이루어질 수 있다. 즉, 테이블(220)의 Z축 이동이 이루어지는 동안 짧은 시간 주기로 정위 센서는 원 위치에서의 이격량을 검출하고 조절반사부(300)의 조절부는 그에 따라 각 압전소자에 인가할 추가 전압을 계산하여 반사거울(310)의 지향 방향을 변화시킬 수 있다. 테이블의 이동은 기계적으로 이루어지고, 조절반사부의 반사거울 지향 방향 변화는 전기전자적 동작으로 이루어져 기계적 동작이 완료되면 이미 조절반사부는 반사거울의 방향수정을 완료한 상태가 될 수 있다.
검사 장치의 전체적인 세팅 이후, 기계적 이동에 의한 대물 광학계와 웨이퍼 사이의 거리 변화에 따른 광축의 어긋남이 일정한 관계를 형성하는 경우, 이 관계를 나타내는 관계식 혹은 추세에 따라 정위 센서의 감지 결과의 투입에 의한 조절반사부의 조절 없이 기계적 이동과 조절반사부의 조절량을 연동시켜 반사영상이 촬상소자의 정위치에 놓이도록 하는 것도 가능하다.
이런 경우, 세팅 이후 정위 센서 및 이를 위한 빔스프리터를 도3의 구성에서 제거하여 촬상소자에 도달하는 광량을 높이는 것이 가능하다.
본 실시예에서는 또한, 조절반사부(300)의 이후 촬상소자 이전의 광경로에서 빔스플리터가 설치되어 분할된 반사영상의 적어도 일부는 다시 빔스프리터에 의해 분할되어 샤크-하트만 센서(500)와 같은 디포커스(defocus) 측정 수단에 투입된다.
샤크-하트만 센서(500)의 감지 결과는 파면(wavefront) 상태 혹은 위상을 알려줄 수 있고, TSOM을 위한 웨이퍼(1)와 대물 광학계(230)의 광축상의 기계적 이동량과 디포커스량 사이의 연관을 측정하거나 확인하는 데 이용되거나 테이블의 z축 방향의 기계적 이동량 자체를 조절하는 데 이용될 수 있다.
이런 방식으로 기계적 이동량과 디포커스량 사이의 연관성이 확보되고, 앞서 언급된 기계적 이동량과 광축의 어긋남 사이에도 일정한 관계가 성립된다면, 이들 관계를 이용하여 디포커스량 측정값을 조절반사부에 입력하여 조절반사부의 반사영상 투사 각도 조절에 이용되는 것도 고려될 수 있다.
샤크-하트만 센서(500)는 또한, 사분위셀(400)과 마찬가지로 반사영상의 진행방향(광축)의 어긋남을 알려줄 수도 있다. 이런 경우, 사분위셀과 샤크-하트만 센서 가운데 하나만을 사용하여 조절반사부를 조절할 수 있으며, 보완적으로 둘을 모두 사용하는 것도 가능하다. 도시되지 않지만 샤크 하트만 센서의 감지 결과는 신호선을 통해 조절반사부로 입력되어 피드백 방식의 조절도 역시 가능하다.
이런 경우에도 세팅 이후 샤크-하트만 센서 및 이를 위한 빔스프리터를 도3의 구성에서 제거하여 촬상소자에 도달하는 광량을 높이는 것이 가능하다.
빔스프리터에서 일부 반사를 통해 분할되지 않고 직진하는 부분은 결상 광학계에서 집속되어 촬상소자에 투입된다. 촬상소자는 통상 CCD(charge coupled device) 혹은 CMOS(complimentary metal oxide semiconductor) 칩의 형태로 이루어지지만, 단순히 CCD나 CMOS와 같은 좁은 의미의 촬상소자만을 의미하는 것은 아니며, 좁은 의미의 촬상소자에 입력된 영상정보를 해석하거나 재구성하여 가시적인 영상을 만들어내고, 필요에 따라 이를 다른 자료와 연관하여 처리, 가공하거나, 기준 영상과 비교하는 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어를 모두 포함하는 개념으로 해석하기로 한다.
좁은 의미의 촬상소자는 투입되는 반사영상을 받아 발생하는 영상신호를 도시되지 않은 장치컴퓨터로 보내고, 장치컴퓨터의 프로세서는 영상신호를 전용프로그램에 의해 처리하여 반도체 웨이퍼의 대상 부분의 가시적 영상을 획득하고, 이를 처리하여 TSOM 영상을 획득하고, 불량 패턴의 검출할 수 있게 된다.
이때, 영상은 디포커스량에 따라 윤곽선이 뚜렷하지 않은 것이 대부분이므로 그 자체로서는 웨이퍼에 형성된 반도체 장치의 패턴상 불량을 바로 찾을 수 없으나, 서로 다른 디포커스량의 복수 영상을 TSOM 방법에 의해 처리하여 복합된 TSOM 영상을 얻고, 이를 기준 TSOM 영상과 비교하여 원래 패턴상의 불량을 검출하게 된다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
211: 레이저(광원) 213, 217, 219: 렌즈
215: 핀홀(pinhole) 220: 테이블(웨이퍼 스테이지)
230: 대물 광학계 240: 결상 광학계(tube lens)
250: 촬상소자 300: 조절반사부
310: 반사거울 320, 321, 322, 323, 324: 압전소자
330: 회로기판 400: 사분위셀(quadrant cell)
500: 샤크 하트만 센서(Shack Hartmann sensor)

Claims (5)

  1. 반도체 장치 영상 혹은 웨이퍼 영상을 획득하기 위하여 테이블 위에 놓인 웨이퍼에 대해 일정 위치에 놓여 웨이퍼 부분에 대한 영상광이 통과하도록 하는 광학계,
    광경로상 상기 광학계 후방에 설치되어 상기 광학계를 통과한 영상광의 진행 각도를 조절하여 반사시키는 조절반사부,
    상기 조절반사부에서 반사된 영상광인 반사영상이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하며,
    상기 광학계 및 상기 테이블은 상기 광학계와 상기 웨이퍼 사이의 상대 거리(광축상의 거리)를 바꿀 수 있도록 설치되고,
    상기 조절반사부는 상기 상대 거리의 조절이 이루어질 때 상기 반사영상의 방향이 조절될 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절반사부에서 상기 반사영상의 방향이 조절될 수 있도록
    상기 조절반사부의 후방이고 상기 촬상소자 전방인 광경로 상에 상기 반사영상을 분할할 수 있도록 설치되는 반사영상 분할수단,
    상기 반사영상 분할수단에서 분할된 빛의 적어도 일부가 투입되어 광축의 어긋남을 감지할 수 있도록 설치되는 정위 센서,
    상기 정위 센서에서 감지된 광축의 어긋남 정보를 상기 조절반사부로 투입할 수 있도록 설치되는 신호전달수단(신호선)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정위 센서는 사분위셀 및 샤크 하트만 센서 가운데 적어도 하나를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절반사부는 팁 틸트(tip-tilt) 거울로 이루어지고,
    상기 팁 틸트 거울은 4각 평면 반사거울과, 상기 반사거울의 네 모서리에 설치되며 두께가 인가전압에 의해 가변될 수 있는 압전소자(piezoelectric element) 및 상기 압전소자에 대한 인가전압을 조절할 수 있는 회로부(회로기판)를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 촬상소자는 CCD 혹은 CMOS로 이루어진 좁은 의미의 촬상소자와,
    상기 좁은 의미의 촬상소자가 받은 반사영상에 의한 신호를 처리하여 영상을 획득하도록 하드웨어와 소프트웨어를 포함하여 이루어지는 컴퓨터 장치를 구비하고,
    상기 컴퓨터 장치는 상기 광학계와 상기 웨이퍼 사이의 상대 거리(광축상의 거리)가 바뀌면서 얻어지는 복수의 영상을 통합하여 웨이퍼에 대한 TSOM 영상(TSOM image)을 얻을 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치.
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