KR101863752B1

KR101863752B1 - 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법 및 이를 이용한 tsom 영상 획득 방법

Info

Publication number: KR101863752B1
Application number: KR1020170050477A
Authority: KR
Inventors: 이준호
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2018-06-04

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 영상광이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하는 광학적 웨이퍼 검사 장치에서, 대상물 및 광학계를 고정시킨 상태에서 조절반사부의 거울 반사 각도를 조절하여 상기 촬상소자에서 영상광이 서브 픽셀 수준으로 촬상소자의 촬상 평면의 서로 다른 두 축 방향 가운데 적어도 한 축으로 일 회 이상 이동하면서 초기 위치와 각 이동 위치에서 1차적 대상물 영상을 획득하는 단계와, 각 위치마다 획득된 영상을 이용하여 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 통해 컴퓨터가 해상도가 강화된 결과 영상인 2차적 대상물 영상을 도출하는 단계를 구비하여 이루어지는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법 및 이를 이용한 TSOM 영상 획득 방법이 개시된다.
본 발명에 따르면, 기존의 광학적 검사 장치에서 광학적 영상의 해상도를 증가시킬 수 있고, 이를 통해 검사 작업을 보다 정확하고 효과적으로 할 수 있다.

Description

광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법 및 이를 이용한 TSOM 영상 획득 방법{method of enhancing resolution for optical apparatus for inspecting pattern image of semiconductor wafer and method of acquiring TSOM image using the same}

본 발명은 광학적 웨이퍼 검사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 회로가 형성된 웨이퍼 부분에 대하여 기존의 광학적 웨이퍼 검사 장치를 이용하여 해상력이 강화된 영상을 얻고 이를 이용하여 결함 존재 여부를 검사할 수 있는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법 및 이를 이용한 TSOM 영상 획득 방법에 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 광학적 영상을 이용한 검사 장비는 대상 반도체 장치의 일부에 대한 영상을 획득하여 그 영상이 정상적인가 여부를 판단하여 반도체 장치의 불량 여부를 확인하게 되는데, 한편으로 반도체 장치의 고집적화에 따른 CD의 축소는 광학적 검사 장치만으로 검사 대상에 대한 충분한 해상력을 가지지 못하게 하여 검사의 한계를 가져오는 문제가 있고, 다른 한편으로 반도체 장치의 3차원적 구성은 종래의 광학적 검사 장치에 의한 통상적인 검사 방식으로는 검사를 충분하고 적절하게 할 수 없도록 만드는 문제를 발생시키고 있다.

먼저, 기존 검사 장치의 광학적 해상력을 높이는 방법과 관련하여, 픽셀 서브 스탭핑에 의한 해상력 강화 기술이 알려져 있다.

통상적으로 광학적 해상도를 높이기 위해서는 CMOS나 CCD와 같은 검출기의 화소수를 늘리게 된다. 이는 같은 면적 내의 화소수, 즉, 화소밀도를 늘리는 것과 같은 화소밀도 하에서 검출기 면적을 늘리는 것을 포함하는 개념으로 이해할 수 있다.

그러나, 이는 장치를 만들기 위한 비용을 늘이고, 설치 공간을 늘리는 문제가 있으므로 쉽게 채택하기 어려운 측면을 가진다.

이런 어려움을 해결하기 위한 방법으로, 검출기에 맺히는 영상을 검출기의 화소 이하의 크기로 이동시켜 그 이동방향으로의 해상도를 높이는 기술이 픽셀 서브 스탭핑에 의한 해상력 강화 기술이다. 이는 천문학이나 현미경 분야에서 이용될 수 있음이 알려져 있고, 검출기의 화소 이하의 크기로 영상을 이동시키기 위한 구동장치로 압전소자 혹은 피에조 소자를 이용하는 피에조 구동 스캐닝 장치가 알려져 있다.

이런 방법에서는 이동되는 각 위치에서 얻어지는 영상들을 중첩 혹은 결합시켜 최종적으로 고해상도 최종이미지를 형성하기 위해 영상 데이터 프로세싱이 사용될 수 있는데, 이런 프로세스를 슈퍼 해상도 이미징(super resolution imaging)이라 한다.

도1은 픽셀 서브 스텝핑에 의한 해상도 강화 개념을 설명하기 위한 설명도이다. 도시된 바에 따르면, 촬상소자 자체가 평면상으로 움직임에 의해 찰상소자의 일군의 화소에 해당하는 영상 영역이 초기 위치(A1)에서 화소 이하 이동(픽셀 서브 스텝핑)을 통해 화소 크기의 1/2만큼 x축으로 이동한 A2 위치, 다시 화소 크기의 1/2만큼 -y축으로 이동한 A3 위치, 다시 화소크기의 1/2만큼 -x축으로 이동한 A4 위치로 이동하고, 각 위치마다 촬상소자는 1차적 대상물 영상을 획득하게 된다.

촬상소자가 다시 y축으로 화소크기의 1/2만큼 이동하면 촬상소자는 원위치에 오게 되며 이런 한 주기의 이동에서 4 개의 서로 다른 위치에서 각각 1차적 대상물 영상을 얻어 모두 4 개의 1차적 대상물 영상을 얻게 된다.

이런 픽셀 서브 스탭핑 기술을 실시하기 위해서는 영상을 담고 있는 광빔의 경로가 유지된 상태에서 영상이 맺히는 검출기가 원래의 위치에서 서브 픽셀 단위로 움직이는 동작을 하게 된다.

그러나, 이런 동작을 하는 검출기는 통상 매우 무거운 부속구조를 가지게 되고, 빠르고 정확하게 단속적으로 움직이는 것이 쉽지 않고, 이를 가능하게 하기 위해서 그만큼 설비 비용이 많이 발생하게 된다는 어려움이 있었다.

한편, 종래의 광학적 검사장치에서 패턴 영상을 획득하여 검사하는 경우, 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.

반도체 장치의 3차원적 구성에 의한 광학적 웨이퍼 검사 장치의 한계를 극복하기 위한 기술로서, 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.

도2은 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.

도3은 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.

이상에서 언급된 TSOM 기술과 픽셀 서브 스탭핑 기술은 광학적 장비를 이용한다는 점과 이를 이용하면 대상의 불량 위치 검출 등의 검사 방법에 사용될 수 있다는 점에서 공통점이 있지만 이들 기술은 원리적으로 전혀 다른 것으로, 다른 경로를 통해 상호 무관하게 발전해 온 기술이며, 별다른 상관 관계를 가지지는 않는다. 특히, TSOM 기술의 경우, 개념 자체가 직접 패턴 영상의 해상도를 높이기 위한 것이 아니므로 해상도 향상에 대해서는 별다른 고려가 이루어지지 않았다.

대한민국 특허출원 제10-2013-0146941호 대한민국 공개특허 제10-2014-0019733호

"http://www.pi-usa.us/blog/fast-piezo-scanning-stages-for-pixel-sub-stepping-image-resolution-enhancement-super-resolution-imaging-and-vibration-and-shake-suppression/" (인터넷 페이지 주소 : PI tech blog ; Fast Piezo Scanning Stage for Pixel Sub-Stepping, Image Resolution Enhancement, Super-Resolution Image and Vibration and Shake Suppression) "TSOM method for semiconductor metrology", Proc.SPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 79710T (April 20, 2011)

본 발명은 먼저 위에서 웨이퍼 검사를 위해 상술한 픽셀 서브 스텝핑에 의해 해상도를 강화하는 방법을 실시하면서 종래의 픽셀 서브 스텝핑에 있어서의 문제점을 경감할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 아울러, 상술한 종래의 TSOM 기술을 이용한 반도체장치 검사 방법의 문제점을 경감하기 위한 것으로, 픽셀 서브 스텝핑에 의한 해상도 강화 방법을 이용한 TSOM 영상 획득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이런 추가적 측면의 경우, 본 발명은 기존에 서로 독립적으로 발전하여 온 TSOM 기술과 픽셀 서브 스텝핑에 의한 해상도 강화 기술을 장치적인 공통요소에 기반하여 결합하고, 양 기술이 광학적 시스템을 이용하면서 그 광학적 시스템이 가지는 광학적 해상도를 넘는 미세한 크기의 결함을 발견할 수 있는 방법들이라는 공통점에 착안하여 기존의 TSOM 및 픽셀 서브 스텝핑 각각의 기술에 비해서도 같은 광학적인 장치를 통해 더욱 미세 결함 검사 능력을 높일 수 있는 반도체 장치 검사 방법의 기반을 제공하는 것을 또한 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법은,

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 구비하는 광학적 웨이퍼 검사 장치에서,

대상물(target, wafer, semiconductor device) 및 광학계를 고정시킨 상태에서, 즉, 같은 대상의 같은 영역을 촬상할 수 있는 상태에서, 상기 조절반사부의 회전변위 상의 위치 혹은 반사 각도를 조절하여 상기 촬상소자에서 영상광이 서브 픽셀(sub pixel: 화소 이하 크기) 수준으로 촬상소자의 촬상 평면의 서로 다른 두 축 방향(가령 서로 직교하는 x축 y축 방향) 가운데 적어도 한 축으로 일 회 이상 이동하면서 초기 위치와 각 이동 위치에서 영상(1차적 대상물 영상)을 획득하는 단계와,

각 위치마다 획득된 영상을 이용하여 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 통해 컴퓨터가 해상도가 강화된 결과 영상(2차적 대상물 영상)을 도출하는 단계를 구비하여 이루어진다.

본 발명에서 조절반사부의 각도 조절은 조절반사부에 후면에 설치된 피에조 소자를 이용하는 것일 수 있다. 가령, 본 발명에서 조절반사부는 팁 틸트(tip-tilt) 거울을 구비하여 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, 각도 조절 동작은 이동 프로그램에 의해 미리 정해진 것이며 슈퍼 해상도 이미징 프로그램과 연관시켜 이루어져 컴퓨터가 그 프로그램에 따라 주기적, 자동적으로 조절되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 조절반사부의 반사거울(mirror: 미러)은 반사거울이 이루는 평면의 두 개의 서로 수직한 중심축(x, y)을 기준으로 회전하면서 광학계를 거쳐 조절반사부에 닿는 영상광을 방향을 바꾸어 반사하도록 이루어질 수 있다.

이때 조절반사부 각도 조절에 의한 영상광이 검출기, 즉, 촬상소자에 맺히는 위치의 이동은 각도가 매우 작으므로 위상 변화나 각도에 따른 형상 변화는 무시할 수 있는 정도가 된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 TSOM 영상 획득 방법은,

본 발명의 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법을 이용하여 일정 초점 위치에 있는 해상도 강화된 결과 영상을 얻는 단계를 광학계나 타겟 위치를 조절하여 초점 위치를 달리하면서 각 초점 위치마다 반복하여 대상물에 대한 초점 위치별 해상도 강화 영상을 얻는 단계와,

초점 위치별 해상도 강화 영상을 처리하여 통합 TSOM 영상을 얻는 단계를 구비하여 이루어진다. 물론, 검사 장치로서 대상물의 결함을 검사한다는 측면에서는 이후 과정에서 이러한 TSOM 영상을 이용하고 해석하여 해당 영역(위치)의 반도체 장치 결함을 검출하는 단계가 더 구비될 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 대상물과 조절반사부 사이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 조절반사부와 촬상소자 사이에는 조절반사부의 반사영상을 촬상소자 크기에 맞도록 집속시켜주는 결상광학계를 구성하는 렌즈 등이 설치될 수 있다.

본 발명에서 초점 위치를 달리하는 구체적인 방법으로는 타겟 웨이퍼를 장착한 테이블의 거치대를 광축 방향으로 움직이거나, 광학계의 적어도 일부를 이루는 대물렌즈 시스템을 광축방향으로 움직이는 방법이 있고, 대물렌즈 시스템(통상 웨이퍼와 조절반사부 사이의 렌즈 등 광학요소 시스템을 의미하며 하나의 대물렌즈로 이루어지는 경우도 생각할 수 있음)을 움직이는 방법은 대물렌즈 시스템을 이루는 대물렌즈들 사이의 거리를 움직이는 방법과 대물렌즈 시스템 자체를 전체적으로 움직이는 방법을 포함할 수 있다.

웨이퍼가 놓이는 테이블이나 테이블 거치대를 기계적으로 움직이는 방법으로 역시 피에조 소자를 이용하여 피에조 소자에 걸리는 전압을 조절하는 방식으로 신속하게 거치대를 움직일 수 있다.

본 발명에서, 타겟을 광축 방향으로 움직이기 위해 테이블 거치대를 기계적으로 움직이는 과정에서는 기계적 동작상의 정확도 조절의 한계로 인하여 조절반사부가 움직이지 않은 상태에서도 촬상소자 표면 내의 영상의 위치가 변경될 수 있으며, 이런 원하지 않는 변경에 대한 보정은 추가적 구성을 통해 이루어질 수 있다.

가령, 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 반사 영상이 촬상소자의 정위치에 놓이도록 하는 것도 가능하다.

본 발명에서 조절반사부의 이후 촬상소자 이전의 광경로에는 빔스플리터와 같은 반사 영상 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 상대적 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 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. 조명광원이 펄스 방식 혹은 기타 단속적인 방식으로 광을 공급하는 경우, 조명 주기는 반사조절부의 미러 동작을 위한 이동 프로그램과 연동될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 조절반사부를 가지는 광학적 검사 장치에서 조절반사부를 움직이는 방법과 그 결과 영상을 처리하는 방법을 추가 혹은 수정하는 것에 의해 획득되는 광학적 영상의 해상도를 증가시킬 수 있고, 이를 통해 검사 작업을 보다 정확하고 효과적으로 할 수 있다.

본 발명의 추가적 측면에 따르면, 광학적 검사 장치를 TSOM 기술에 이용하여 웨이퍼(반도체 장치)를 검사할 때에도 각 초점 위치의 광학적 영상 자체의 해상도를 증가시키는 것에 의해 더 정확한 TSOM 영상을 획득하고, 이를 통해 반도체 장치의 공정 결함의 발견 등 다양한 검사에서 더 정확한 결과 도출 및 활용이 가능하게 된다.

이런 추가적 측면은 기존의 TSOM 기술에서 초점이 맞지 않는 위치에서의 광학적 영상에 대해서는 해상도가 다소 등한시되어 온 실정을 개선하여 비록 초점이 맞지 않는 영상이라도 해상도가 높을수록 더 많은 3차원적 정보를 포함할 수 있음을 고려하여 같은 광학적 검사장치로 TSOM 기술을 적용할 때에도 더 개선된 검사 결과를 거두도록 할 수 있다.

이런 추가적 측면은 조절반사부를 효과적으로 동작시키는 것에 의해 광학적 검사장비의 별다른 하드웨어적 변화 없이도 TSOM 기술 적용 및 픽셀 서브 스텝핑 기술 적용상의 기존의 문제를 공히 개선할 수 있도록 한다. 즉, 추가적 센서 시스템을 이용하면 TSOM 에서의 광축방향의 초점 위치의 상대적 이동시 기계적 물리적 동작에 따른 촬상소자에서의 원하지 않는 위치변화를 조절반사부 조절을 통해 보정할 수 있고, 한편으로 픽셀 서브 스텝핑을 위해 조절반사부의 의도된 방향 조절을 통해 촬상소자 내의 영상의 원하는 방향 및 크기의 미세 이동을 정확히 구현하여 정확한(해상도를 높인) 영상을 얻고 검사장치의 검사 능력을 높일 수 있다.

도1은 픽셀 서브 스텝핑에 의한 해상도 강화 개념을 설명하기 위한 설명도,
도2는 종래의 TSOM 방식의 기본적 웨이퍼 검사 장치 구성의 일 예를 나타내는 구성개념도,
도3은 웨이퍼와 광학계 사이의 거리 변화를 위한 기계식 움직임을 없앤 종래의 TSOM 방식의 다른 웨이퍼 검사 장치 구성의 예를 나타내는 구성개념도,
도4는 본 발명 방법의 일 실시예의 중요 단계들을 나타내는 흐름도이다.
도5는 본 발명 방법의 부가적 측면을 결합한 실시예의 중요 단계들을 나타내는 흐름도,
도6은 본 발명을 실시하기에 적합한 따른 웨이퍼 검사 장치 구성을 나타내는 구성개념도,
도7은 도6의 조절반사부 구성 및 사분위셀과의 결합관계를 보다 상세하게 나타내는 구성개념도,
도8은 본 발명을 실시하기에 적합한 웨이퍼 장치 구성 가운데 조절반사부의 반사거울 및 압전소자 구성을 보다 상세하게 나타내는 평면도이다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도4는 본 발명 방법의 일 실시예의 중요 단계들을 나타내는 흐름도이다.

본 발명 방법의 각 단계를 설명하기에 앞서 먼저 본 발명 방법을 실시하기 위한 웨이퍼 검사 장치의 기본적 구성을 개략적으로 살펴보면, 웨이퍼 검사 장치는 반도체 장치 영상 혹은 웨이퍼 영상을 획득하기 위하여 웨이퍼가 놓이는 테이블, 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 구비하여 이루어진다.

반사조절부는 한 예로서 미러 후방에 피에조 소자 복수 개가 분포되어 이루어지며, 이들 피에조 소자 각각에 적절한 전압을 인가하여 각 피에조 소자 길이 변화를 일으켜 전체적으로 미러의 각도 변화를 이루도록 설치된다. 피에조 소자의 분포는 영상광이 촬상소자 평면의 x축 y축과 같이 서로 직교하는 두 축 각각의 방향으로 이동하는 것이 용이하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 물론 변위 수단으로 피에조 소자 외에 스탭모터 등을 이용한 다른 미러 방향 조절 방법도 가능하며 이를 배제하는 것은 아니다.

웨이퍼 검사 장치의 보다 구체적 구성은 뒤에 실시예를 통해 다시 살펴보기로 한다.

다음으로 이 실시예 방법을 살펴보면, 먼저, 광학적 웨이퍼 검사 장치가 준비된다(S10). 이런 준비 과정에서 대상 웨이퍼가 테이블에 장착된다. 웨이퍼의 일 영역에 대한 촬상이 이루어질 수 있도록 테이블을 수평 방향으로 움직여 그 영역이 광학계의 대물렌즈 시스템 아래 위치하게 된다.

조명광은 광원에서 출발하여 스플리터에서 반사되어 대물렌즈 시스템을 통해 그 영역을 비추고, 그 영역에서 반사된 영상광은 역으로 대물렌즈 시스템 및 스플리터을 통과하여 반사조절부의 미러 표면에서 반사된다.

반사된 영상광은 결상렌즈 시스템을 통해 촬상소자 표면의 특정 화소 영역에 맺히게 되고, 촬상소자는 그 영상광에 의한 전기신호를 컴퓨터 혹은 기타 신호처리장치에 보내어 1차적 대상물 영상을 보다 정확하게는 영상 데이터를 획득하게 된다(S30).

다음으로 반사조절부 미러를 회전이동하여 촬상소자 내 영상광의 화소 이하 이동이 이루어진다(S60). 그리고 이동된 위치에서 S30과 같이 1차적 대상물 영상을 획득하는 과정이 반복된다. 이런 이동은 이동 프로그램에 의해 이루어지며, 이동 위치 마다 영상을 획득하는 과정의 반복은 도4의 S20, S40, S50과 같은 회수 증가와 중단을 위한 프로그램 상의 형식 논리 단계들을 통해 이루어질 수 있다. S50 단계의 NF는 이동 프로그램 작성시 입력을 통해 미리 주어질 수 있다.

반사조절부의 미러는 후면에 분포된 피에조 소자의 작용으로 미세하게 회전된다. 본 발명에서 반사조절부의 미러를 회전시키는 것은 반사조절부와 촬상소자부의 일반적 구성을 비교할 때 미러 부분을 조절하는 것이 종래와 같이 촬상소자를 촬상소자 평면에서 직접 평행이동하도록 하는 것에 비해 매우 간편하고 효과적이기 때문이다. 가령 피에조 소자는 인가전압에 따라 매우 미세하게 회전 각도를 조절할 수 있고, 미러와 좔상소자 사이의 거리를 조절하여 회전각도에 따른 촬상면 내에서의 영상광 이동 정도를 쉽게 조절할 수 있으므로 조금만 미러를 회전이동시켜도 촬상면 내에서 영상광을 각 축방향으로 큰 거리에서 작은 거리까지 쉽게 조절하면서 이동시킬 수 있다(조절 용이성). 또한, 미러 및 이를 구동하는 피에조 소자를 구비하여 이루어지는 반사조절부는 통상적으로 매우 작고 간단한 구조로 만들 수 있고, 구동에 매우 작은 전력만 소비할 수 있다. (구성의 간편성 및 경제성)

회전이동이 완료되면 조명에서는 펄스 조명이 방출된다. 조명이나 광학계, 타겟 및 촬상소자는 위치나 상태에 별다른 변화가 없는 상황에서 미러의 회전은 영상광이 촬상소자 평면에서 가령 화소 크기의 1/4 거리만큼 x축 방향으로 이동(쉬프트)하게 한다.

촬상소자는 쉬프트된 영상광을 감지하여 앞서와 같은 방식으로 그 쉬프트된 영상광에 의한 전기신호를 컴퓨터 혹은 기타 신호처리장치에 보내어 두번째 위치에서의 1차적 대상물 영상 데이터를 획득하게 된다.

다음번의 미러의 회전 동작은 반복적으로 영상광이 촬상소자 평면에서 화소 크기의 1/4 거리만큼 x축 방향으로 더 이동(쉬프트)하게 하거나, y축 방향으로 더 이동하게 하거나, 혹은 원위치로 돌아오게 하는 것도 가능하다. 가령, 도1과 같이 원위치에서 촬상한 후 x축으로 화소 1/2만큼 이동하도록 하고 두번째 촬상을 하고, 거기서 다시 y축으로 화소 1/2만큼 이동하도록 하고 세번째 촬상을 하고, 다시 x축으로 화소 -1/2만큼 이동하여 네번째 촬상을 하여 4 개의 1차적 대상물 영상을 1 세트로 하여 웨이퍼의 그 영역에 대한 촬상을 마칠 수 있다. 또한, x, y축 각각으로 한번 이동하는 거리를 화소의 1/4로 하면서 x축 방향으로 4구간, y축 방향으로 4 구간씩 16개의 위치에서 모두 16개의 1차적 대상물 영상을 얻어 이를 1 세트로 할 수 있다.

물론 이런 미러 회전 동작과 그에 따른 촬상소자 면에서의 영상광 이동은 컴퓨터에 내장된 이동 프로그램에 따라 일정 주기로 변화된 컴퓨터 신호를 반사조절부로 보내고 이에 따라 반사조절부의 피에조 소자 인가 전압을 변화시키면서 자동적으로 이루어질 수 있으며, 조명으로 펄스광을 이용하는 경우 펄스 주기도 이에 연동시킬 수 있다.

이렇게 이동 프로그램에 의해 정해진 위치로 이동하도록 미러를 변위시키면서 그 영역에 대한 복수의(1세트의) 1차적 대상물 영상을 획득하고, 이를 기존의 슈퍼 해상도 이미징 프로그램에 의해 처리하여 그 영역에 대해 해상도가 강화된 2차적 대상물 영상을 얻게 된다(S70).

해상도를 더 강화시키기 위해서는 영상광이 촬상소자 평면에서 한 번에 이동하는 거리를 더 줄이고 원위치로 복귀하기까지 각 이동마다 획득되는 1차적 대상물 영상의 갯수, 즉, 1 세트를 이루는 1차적 대상물 영상 갯수를 늘린 상태에서 슈퍼 해상도 이미징 프로그램에 의해 이들 영상을 연관 처리하여 해상도를 더 높이는 방법을 사용할 수 있다.

이런 슈퍼 해상도 이미징 프로그램은 이동 프로그램에 의한 이동 순서와 이동 위치를 고려하여 이루어지거나, 이동 프로그램과 더불어 하나의 통합 프로그램을 이루어 복수의 1차적 대상물 영상을 처리하게 되며, 이는 기존에 알려져 있는 것이므로 그 구체적 설명은 여기서는 생략하기로 한다.

도5는 본 발명 방법의 부가적 측면을 결합한 실시예의 중요 단계들을 나타내는 흐름도이다.

이 실시예에서는 TSOM 기술을 적용함에 있어서 도4의 방법이 하나의 요소를 이루어 적용되는 형태를 이룬다.

통상적 TSOM 기술을 먼저 살펴보면, 광학적 검사장비에서 테이블에 웨어퍼를 설치한 상태에서 해당 영역에 대해 특정 초점 위치에서 있도록 하고, 그 초점 위치에서 해당 영역에 대한 광학적 패턴 영상이 촬상소자에 맺도록 하여 기초 영상을 얻고, 이후에 초점 위치를 바꾸어가면서 각 초점 위치별로 그에 대한 광학적 패턴 영상을 기초 영상으로 얻은 뒤 이들 서로 다른 초점 위치에서의 기초 영상을 이미지 프로세싱 처리를 통해 결합하여 결과로서 TSOM 영상을 얻은 후 이 TSOM 영상을 정상 패턴에 대해 얻은 TSOM 기준 영상과 비교하여 해당 영역 패턴의 정상 여부를 판단하게 된다.

이때, TSOM 영상을 얻기 위한 기초자료로 얻는 기초 영상은 대개 광학적 관점에서 초점이 맞지 않는 것들로 이루어지고 이런 초점이 맞지 않는 영상에 대해서는 기존에는 해상도는 광학적 검사 장치에 의해 이미 결정된 요소이므로 별다른 관심의 대상이 되지 않는 것으로 취급되었다.

도5의 방법에서는 이런 통상적인 TSOM 기술을 실시함에 있어서 기초 영상을 획득하는 과정에서 도4의 실시예와 같은 해상도 강화 방법을 사용한다. 즉, 웨이퍼의 해당 영역에 대해 TSOM 기술 적용을 위해 초점 위치을 달리 하면서 각 초점 위치마다 초점이 맞지 않는 영상을 획득할 때에도 도4의 실시예에 개시된 것과 같이 화소 크기 이하의 이동 동작을 통해 1 세트를 이루는 복수의 1차적 대상물 영상들을 얻고, 이를 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 통해 처리하여 2차적 대상물 영상을 얻어 이를 TSOM 영상의 기초 영상으로 사용하고 있다.

도면을 참조하여 설명하면, 먼저, 광학적 웨이퍼 검사 장치가 준비된다(SS110). 이때, 테이블에 대상물(웨이퍼)을 놓고 대상물의 해당 영역이 대물렌즈 시스템 하부에 놓여 촬상 준비를 한다.

대물렌즈 시스템과 대상물 사이의 위치를 조절하여 특정 초점 위치를 이루도록 한다(SS130). 그리고, 앞서 살펴본 도4의 실시예의 단계 S20 내지 S70의 과정을 통해 그 초점 위치의 2차적 대상물 영상을 획득하게 된다. 즉, 해당 영역에 대한 촬상소자 평면 상의 위치를 화소 이하 거리만큼씩 x축, 혹은 y축 방향으로 이동하면서 위치마다 1차적 대상물 영상을 촬상소자를 맺히게 하여 촬상소자에서 컴퓨터로 전달하는 전기 신호(데이터)를 얻는다. 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 통해 1차적 대상물 영상을, 실질적으로는 관련 전기 신호(데이터)를 처리하여 해상도가 강화된 2차적 대상물 영상을 얻게 된다.

다음으로 초점 위치를 바꾸어 가면서(SS160) 앞선 S20 내지 S70의 과정을 되풀이한다. 이를 통해 그 초점 위치에서의 해당 영역에 대한 해상도가 강화된 2차적 대상물 영상을 얻게 된다. 이러한 초점 위치 변동을 정해진 만큼 수행하면서 각 초점 위치에서의 해당 영역에 대한 해상도가 강화된 2차적 대상물 영상을 얻는다. 이런 반복과정을 위해 초점 위치를 1에서 MF보다 작은 자연수인 M까지 순차적으로 증가시키는 SS120, SS140, SS150과 같은 회수 증가와 중단을 위한 프로그램 상의 형식 논리 단계들을 이용할 수 있다. 여기서도 MF는 자동적으로 웨이퍼와 광학계 사이의 변화를 통해 초점 위치를 변화시키도록 신호를 주고 기초 영상을 처리하여 TSOM 영상을 도출하는 컴퓨터와 TSOM 프로그램에 미리 입력을 하여 정해질 수 있다.

각 초점 위치의 2차적 대상물 영상은 TSOM 영상을 얻기 위한 기초 영상이 되어 이들을 TSOM 프로그램으로 처리하면 대상물 해당 영역에 대한 TSOM 영상을 얻게 된다(SS170).

TSOM 영상을 위해 N개의 기초 영상(2차적 대상물 영상)을 얻기 위해서는 특정 초점 위치에서 초점 위치를 수정하는 작업을 N-1번 하게 된다.

이후의 TSOM 영상 획득 작업은 기존에 알려진 TSOM 영상을 얻는 방법과 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 즉, TSOM 영상 획득을 위한 이미지 처리 프로그램을 가진 컴퓨터에서 이 이미지 처리 프로그램을 실행하여 N개의 서로 다른 초점 위치에서의 대상물 해당 영역에 대한 기초 영상을 처리하여 하나의 TSOM 영상을 얻는다.

이하 과정은 정상 패턴을 가진 웨이퍼 해당 영역에 대해 사전에 본 발명의 도5의 실시예를 적용하여 얻은 기준 TSOM 영상과 이상에서 얻은 하나의 TOSM 영상을 비교하여 해당 영역이 정상적인지 불량을 포함하는 지를 판정하게 된다. 물론, 이런 판정도 컴퓨터의 이미지 처리 프로그램을 통해 이루어질 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시에 적합한 웨이퍼 검사 장치의 구체적 구성을 설명한다. 아울러, 본 발명에서 대상물 해당 영역에 대하여 초점 위치를 달리하는 영상을 획득하기 위해서는 초점 위치가 달라져도 영상광이 같은 촬상소자 위치에 도달해야 기초 영상의 왜곡이 없고, 타당한 TSOM 영상을 얻을 수 있다는 점을 전제로 한다. 따라서, 설명 가운데에는 초점 위치를 달리할 때 대상물이나 광학계의 기계적 혹은 물리적 이동에 의해 영상광 위치가 달라지는 것을 방지, 보정하는 구성이나 방법에 대해서도 함께 언급한다. 아울러, 이런 정위치 보정 방법은 해상도 강화 영상을 얻는 단계에서 반사조절부의 미러 회전이동이 영상광의 촬상소자 평면 내에서의 화소 이하 이동(픽셀 서브 스텝핑)의 양을 정확하게 조절하는 데에도 사용될 수 있음을 고려하여야 한다.

도6 및 도7에는 본 발명 방법을 실시할 수 있는 웨이퍼 검사 장치의 예가 개시된다.

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.

도8를 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.

도7에 과장되게 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 도6의 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 투입되는 것으로 도시되어 있다.

샤크-하트만 센서는 파면을 측정하는 일종의 파면 센서로 디포커스 및 기울기(tip/tilt)를 동시에 모두 측정할 수 있고, 그러므로 샤크-하트만 센서가 있는 경우, 도시된 것과 같은 별도의 사분위 센서를 사용할 필요는 없지만 여기서는 편의상 같이 포함되는 것으로 도시하며, 일종의 가외적 구성을 이루도록 하였다.

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.

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 도6의 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 전용프로그램(슈퍼 해상도 이미징 프로그램)에 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

웨이퍼가 놓이는 테이블, 상기 테이블 위에 설치되며 상기 테이블에 놓인 대상물에 대한 영상광이 통과하도록 설치되는 광학계, 상기 광학계의 광경로상의 후방에 설치되어 상기 광학계를 통과한 영상광을 각도를 조절하여 반사시키는 조절반사부, 상기 조절반사부에서 반사된 영상광이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하여 이루어지는 광학적 웨이퍼 검사 장치에서
상기 웨이퍼 및 상기 광학계를 고정시킨 상태에서 상기 조절반사부의 각도를 조절하여 상기 촬상소자에서 영상광이 상기 촬상소자의 화소 크기 이하 수준으로 촬상소자 평면의 서로 다른 두 축 방향 가운데 적어도 한 축으로 일 회 이상 이동하도록 하여 상기 촬상소자 평면의 초기 위치와 각 이동 위치에서의 영상 복수 개를 획득하는 단계와
복수 개의 획득된 영상을 이용하여 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 내장한 컴퓨터가 해상도가 강화된 결과 영상을 도출하는 단계를 구비하여 이루어지는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조절반사부의 각도 조절 동작은 이동 프로그램에 의해 정해진 순서로 자동적으로 이루어지며,
상기 이동 프로그램은 상기 슈퍼 해상도 이미징 프로그램과 연관되고,
상기 조절반사부의 각도 조절 동작은 상기 컴퓨터가 상기 조절반사부에 전달하는 신호에 의해 주기적 자동적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광학적 웨이퍼 검사 장치의 상기 조절반사부에서 상기 영상광(반사영상)의 방향이 조절될 수 있도록 하기 위해 상기 조절반사부의 후방이고 상기 촬상소자 전방인 광경로 상에 상기 영상광을 분할할 수 있도록 설치되는 영상광 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 장치의 해상력 강화 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 정위 센서는 사분위셀 및 샤크 하트만 센서 가운데 적어도 하나를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법.
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 장치의 해상력 강화 방법.
웨이퍼가 놓이는 테이블, 상기 테이블 위에 설치되며 상기 테이블에 놓인 대상물에 대한 영상광이 통과하도록 설치되는 광학계, 상기 광학계의 광경로상의 후방에 설치되어 상기 광학계를 통과한 영상광을 각도를 조절하여 반사시키는 조절반사부, 상기 조절반사부에서 반사된 영상광이 도달되어 영상정보를 획득하는 촬상소자를 구비하여 이루어지는 광학적 웨이퍼 검사 장치에서
상기 웨이퍼 및 상기 광학계를 상호 제1 위치로 고정시켜 제1 초점 위치에 있도록 하는 제 1 단계,
상기 조절반사부의 각도를 조절하여 상기 촬상소자에서 영상광이 상기 촬상소자의 화소 크기 이하 수준으로 촬상소자 평면의 서로 다른 두 축 방향 가운데 적어도 한 축으로 일 회 이상 이동하도록 하여 상기 촬상소자 평면의 초기 위치와 각 이동 위치에서의 영상 복수 개를 획득하는 제2 단계와
복수 개의 획득된 영상을 이용하여 슈퍼 해상도 이미징 프로그램을 내장한 컴퓨터가 해상도가 강화된 결과 영상을 도출하여 현재의 초점 위치에 대한 기초 영상으로 하는 제3 단계를 구비하고,
상기 웨이퍼 및 상기 광학계를 상호 위치로 바꾸어 서로 다른 초점 위치에 있도록 하면서 각각의 서로 다른 초점 위치마다 상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 시행하여 상기 서로 다른 초점 위치에 대한 기초 영상을 얻는 제 4 단계,
상기 서로 다른 초점 위치에 대한 기초 영상을 처리하여 TSOM 영상을 얻는 제 5 단계를 구비하여 이루어지는 광학적 웨이퍼 검사 장치의 해상력 강화 방법을 이용한 TSOM 영상 획득 방법.
제 6 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 장치의 해상력 강화 방법을 이용한 TSOM 영상 획득 방법.