KR20040010225A - 웨이퍼 등의 기판의 정량적 품질 검사 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

웨이퍼 등의 기판의 정량적 평가를 위한 방법은, 각각의 제1 영역이 인접하는 영역과 겹치도록 다수의 연속적인 제1 영역을 규정한다. 제1 영역 각각의 면 데이터(예를 들어, 두께 데이터)는 제1 영역의 면 형상(예를 들어, 두께 변동)을 나타내는 법선 벡터를 결정하는데 사용된다. 그 다음에, 법선 벡터간의 각도 차는 인접하는 두 개의 제1 영역의 각각의 결합을 위해 결정된다. 이어서, 결정된 각도 차를 기준과 비교해서, 적어도 하나의 제1 영역을 포함하는 제2 영역, 예를 들어 칩 영역, 스트립 형태의 영역 및/또는 웨이퍼 전체의 품질을 평가한다.

Description

웨이퍼 등의 기판의 정량적 품질 검사 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR QUANTITATIVE QUALITY INSPECTION OF SUBSTRATE SUCH AS WAFER}

본 출원은 일본국 특허 출원 No.2002-206789의 권리를 주장하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로 추가되어 있다.

본 발명은 웨이퍼(wafer)와 같은 기판의 정량적 품질 검사를 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히, 기판의 두께 변화로 인한 결함의 정량적 검사를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

기판의 최대 두께와 최소 두께를 결정하기 위해서 기판의 면 변위 데이터를 구하여 기판의 정량적 검사 기술이 알려져 있으며, 반도체 제조 장치 및 재료 협회(SEMI; Semiconductor Equipment and Material International) M1-0701 경면 단결정 실리콘 웨이퍼 사양에도 그 방법이 통상 사용된다.

특히, 이 방법에 의하면, 다수의 측정점이 기판에서 정의된다. 그 다음에, 측정점 각각에 대하여 높이가 측정된다. 얻어진 높이 데이터를 사용해서 최소 제곱법으로 기판에 대한 가상 참조 레벨을 결정한다. 이어서, 참조 레벨로부터의 최대높이 편차 및 최소 높이 편차를 산출한다. 마지막으로 최대 편차와 최소 편차의 합을 이용해서 웨이퍼의 품질을 평가한다.

본 발명은 웨이퍼 등의 기판의 정량적 결함 검사를 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해서, 웨이퍼 등의 정량적 검사를 위한 방법은, 각각의 제1 영역이 인접하는 제1 영역과 중첩되도록 다수의 연속적인 제1 영역을 정의한다. 제1 영역 각각의 면 데이터, 예를 들어 두께 데이터는 제1 영역의 면 형상 즉, 두께 변화를 나타내는 법선 벡터를 결정하는데 사용된다. 그 다음에, 법선 벡터간의 각도 차는 인접한 두 개의 제1 영역의 각 결합(combination)을 위해 결정된다. 이어서, 결정된 각도 차를 기준과 비교해서 제1 영역 중 적어도 하나, 예를 들어 칩(chip) 영역, 스트립 타입 영역을 포함하는 제2 영역 및/또는 웨이퍼 전체의 품질을 평가한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 웨이터 정량적 검사를 위한 시스템을 나타내는 개략적인 측면도이다.

도 2는 웨이퍼 검사를 위한 처리 순서를 나타내는 순서도이다.

도 3은 실리콘 웨이퍼의 평면도이다.

도 4는 웨이퍼 일부를 확대한 것으로서 웨이퍼상에 정의된 다수의 측정점을 나타내는 도면이다.

도 5는 웨이퍼에 규정된 사이트와 서브 사이트의 개략적인 투시도이다.

도 6은 일련의 서브 사이트를 나타내는 개략적인 투시도이다.

도 7A는 도 6에 나타낸 법선 벡터를 투영함으로써 얻어지는, X-Z 평면의 성분 벡터를 나타내는 도면이다.

도 7B는 도 6에 나타낸 법선 벡터를 투영함으로써 얻어지는, Y-Z 평면의 성분 벡터를 나타내는 도면이다.

도 8은 인접한 사이트들의 경계에 규정된 일련의 서브 사이트를 나타내는 개략적인 투시도이다.

도 9는 다른 장치를 나타내는 개략적인 측면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 70 : 검사 장치12 : 지지 기구

14 : 웨이퍼16 : 척

18 : 회전 드라이브22 : 두께 측정 장치

24, 80 : 학 거리 센서26 : 이송 드라이브

28, 82 : 제어기78 : 펌프

도 1을 참조하면, 웨이퍼 등의 품질 검사 장치가 도시되어 있으며, 일반적으로 참조 부호 10으로 나타내었다. 검사 장치(10)는 일반적으로 참조 부호 12로 나타낸, 디스크 형태의 실리콘 웨이퍼(14) 등의 얇은 기판을 지지하여 회전시키기 위한 메카니즘을 구비한다. 이러한 목적을 위해서 지지 메카니즘(12)은 예를 들어 웨이퍼(14)의 주변 단부를 개방가능하게 쥐기 위한 척(chuck)을 구비한다. 척(16)은Z좌표를 따라서 나타낸 웨이퍼(14)의 중심축(20)에 대한 회전을 위해 회전 드라이브(18)상에 차례로 탑재된다. 또한, 검사 장치(10)는 일반적으로 참조 부호 22로 나타낸 두께 측정 장치를 구비한다. 상기 측정 장치(22)는 지지된 웨이퍼(14)의 반대쪽에 Z축과 평행한 방향으로 기정 거리 D를 두고 장착되는 한 쌍의 광학 거리 센서(24)를 구비한다. 바람직하게는, 쌍을 이루는 상기 거리 센서(24)는 2차원 좌표, 즉, X좌표와 Y좌표로 정의되는 웨이퍼(14)의 어떤 점에서의 웨이퍼 두께(D-d1-d2)를 산출하는데 사용되는 웨이퍼(14)의 반대면들로부터 각각의 거리 d1과 d2를 측정하도록 서로 대향한다. 상기 거리 센서(24)는 웨이퍼(14)의 중심을 가로질려 X 좌표에 평행한 X 방향으로 상기 거리 센서(24)를 이동시키기 위한 이송 드라이브(26)사이에 탑재된다. 회전 드라이브(18)와 이송 드라이브(26)는 웨이퍼(14)에 관한 상기 거리 센서(24)의 X좌표 및 Y좌표의 위치를 제어하기 위한 컴퓨터 또는 제어기(28)에 전기적으로 접속된다. 상기 거리 센서(24)는 또한 제어기(28)에 접속되고, 제어기(28)는 상기 거리 센서(24)로부터 거리 d1 및 d2를 나타내는 신호를 수신하여 웨이퍼(14)의 모든 측정점에서의 두께를 산출한다. 지지 및 드라이브 메카니즘을 위해 바람직하게 사용됨이 본 출원의 양수인에게 발행된 미국 특허 No.6,480,28b B1에 상세하게 설명되어 있으며, 그 내용을 여기서 참조로 추가하고 음을 주목해야한다.

제어기(28)에 설치된 검사 프로그램은 도2에 도시한 프로그램 흐름에 따라 설계되며, 아래에서 상세히 설명될 것이다. 이 프로그램에 있어서, 단계 #1에서는, 제어기(28)가 회전 드라이브(18)에 에너지를 가하여 웨이퍼(14)를 회전시킨 후, 이송 드라이브(26)에 에너지를 가하여 거리 센서(24)를 웨이퍼의 중심을 가로지르게 이동시키고, 거리 센서(24)는 2차원 좌표(즉, X좌표와 Y좌표)에서 일정한 간격으로 떨어져 있는 다수의 측정점에서 웨이퍼(14)의 표면으로부터의 각각의 거리 d1과 d2를 측정한다. 측정은 제어기(28)의 메모리에 저장된다.

다음으로 단계 #2에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이 웨이퍼(14) 표면이 다수의 큰 영역(제2 영역), 즉, 결과 칩 사이즈에 대응하는 일정한 간격 Lx와 Ly, 예를 들어, 25mm와 33mm, 또는 25mm와 25mm를 두고 X좌표와 Y좌표에 각각 평행한 가상의 수평선(30)과 수직선(32)에 의해 나누지는 사이트(34)로 규정된다. 그 다음에, 단계 #3에서는, 다수의 작은 영역(제1 영역), 즉 서브 사이트(36)가 수직의 스트립형 사이트 열(38) 각각의 내부에 규정된다. 예를 들어, 사이트(34)가 25mm의 수평 치수를 갖도록 규정된 경우, 종래의 노출 장치(exposure device)는 8mm ×25mm의 영역을 노광시키도록 설계되어 있기 때문에 각 서브 사이트(36)는 8mm가 되도록 규정된다(도 5 참조).또한, 도 6에 잘 나타나 있는 바와 같이, Y좌표에 평행한 Y방향에 있는 인접하는 두 개의 서브 사이트(36) 각각이 소정의 길이, 예를 들어 7mm의 중첩을 이루도록 서브 사이트들(36)이 배열된다. 본 출원에서는 직교좌표계를 사용해서 측정점의 좌표를 규정하며, 회전식 측정 시스템에 효과적으로 사용될 수 있는 극좌표계로 규정될 수도 있다는 점에 주목해야한다.

그 다음에, 단계 #4에서는, 그렇게 규정된 각각의 사이트(34)와 서브 사이트(36)는 거기에 포함된 관련 측정점 (Xi, Yi)을 가지고 있다. 다음으로 단계 #5에서는, 제어기(28)가, 제어기(28)에 저장된 거리 D, d1, d2를 사용해서 웨이퍼의 모든 측정점 또는 지정된 측정점에 대한 각각의 두께 Zi(Xi, Yi)를 산출한다. 산출된 두께 데이터가 제어기(28)에 저장된다.

이 두께 데이터를 사용해서, 웨이퍼(14)의 품질을 검사한다. 특히, 단계 #6에서는, 제어기(28)가 각 서브 사이트(36)와 관련된 두께 데이터 Zi(Xi, Yi)를 판독해서, 최소 제곱법을 사용해서, 도6에 나타낸 바와 같은 서브 사이트와 관련된 웨이퍼 부분의 두께 변화를 나타내는 도 5에 나타내는 바와 같은 3차원 법선 벡터 V(i)를 산출한다. 이 과정은 가장 왼쪽 사이트열의 가장 아래 단부 38(1)에 대하여 가장 먼저 수행되어, 그 작은 영역의 두께 변화를 나타내는 법선 벡터 V(1)을 얻는다. 그 다음에, 그 과정은 동일 사이트 열 38(1) 내에 있는 제1 서브 사이트 36(1)의 다음에 위치한 제2 서브 사이트 36(2)에 대하여 순차적으로 수행되어, 이 영역의 두께 변화를 나타내는 법선 벡터 V(2)를 얻는다. 상기 과정은 제1 사이트 열 38(1)에 있는 모든 서브 사이트(36)에 대하여 수행된다. 단계 #7에서, 상기 과정이 하나의 사이트 열 38(1)에 대하여 종료했음이 일단 결정되면, 상기 공정은 인접한 사이트 열 38(2)에 대하여 적용되어, 사이트 열 38(2)에 있는 모든 서브 사이트에 대한 법선 백터가 산출된다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 사이트 열 38(2)에서 그 과정이 화살표 40(1)과 40(2)로 나타낸 순서로 수행된다. 마지막으로 단계 #8에서 모든 사이트 열 38(1)-38(k)의 모든 서브 사이트 36(1)-36(n)에 대한 모든 법선 벡터 V(i)가 산출되었다고 결정되면, 프로그램은 단계 #9로 진행한다.

단계 #9에서는, 도 6 및 도 7A에 나타낸 바와 같이 법선 벡터 V(i)를 2차원의 X-Z 평면상에 투영하여 X-Z 성분 벡터 Vxz(i)를 산출한다. 동시에, 도 6 및 도7B에 나타낸 바와 같이, 다른 수직면인 2차원의 Y-Z 평면에 대하여도 투영하여 Y-Z 성분 벡터 Vyz(i)를 산출한다.

그 다음에, 단계 #10에서, 인접한 서브 사이트 각각에 대하여 Y-Z 평면에서 인접한 두 개의 투영 성분 벡터, Vyz(i)와 Vyz(i+1)의 각도 차 θyz(i)를 산출한다. 이 순간에, 제1 서브 사이트 36(1)에 대하여, 수평면에 관한 성분 벡터 Vxz(1), Vyz(1)의 초기 각도 θxz(0), θyz(0)도 산출된다. 이 산출된 각도 차는 제어기(28)의 메모리에 저장된다.

마지막으로, 단계 #11에서는, 투영된 성분 벡터간의 각도 차를 사용해서 각 사이트(34)에 대한 품질 검사가 이루어진다. 특히, 각 사이트 또는 칩에 대한 이러한 품질 검사에서는, 초기 각도 θxz(0), θyz(0)을 제외하고, 각 서브 사이트에 대한 각각의 각도 차 θxz(i), θyz(i)는 기준 각도 차 또는 임계치 θth와 비교된다. 이 임계 각도 차는 반도체 회로 패턴 또는 이미지를 웨이퍼상에 노광시키기 위한 노광의 틸팅 기구의 각도 응답성에 의해 결정될 수 있다. 그 때, 각도 차가 임계치보다 크다고 결정되면, 그 사이트에 결함이 있는 서브 사이트가 포함되어 있음을 나타내는 플래그가 생성되어 제어기(28)의 메모리에 저장되고, 그 플래그는 노출 과정에서 사용될 수 있다.

대안으로서는, 각 사이트에 대한 각각의 각도 차를 임계치와 비교하는 것보다도, 성분 벡터의 최대 각도 차가 각 사이트에 대하여 결정되고, 결정된 각도 차를 임계치와 비교해서, 사이트에 결함이 있는지 여부를 결정하도록 변경할 수 있다.

대신에, 인접하는 사이트들의 경계에서 품질을 검사할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 각 서브 사이트 36이 Y 방향으로 8mm의 길이를 가지며, 각 서브 사이트 36가 이 방향에서 후속하는 서브 사이트와 1.0mm 겹쳐지면, 인접하는 사이트 34(i)와 34(i+1)의 사이에서 X 좌표를 따라서 연장한 각각의 경계(42)는 7개의 서브 사이트 36(s)-36(s+6)에 의해 싸인다. 그 때, 이들 서브 사이트 36(s)-36(s+6)의 각도 차를 사용해서 인접하는 사이트들의 각 경계(42)를 검사한다. 특히, 이 검사에서는, 이들 서브 사이트들의 각각의 각도 차, 이들 각도 차 중에 최대값 및/또는 이들 서브 사이트의 평균 각도 차가 기정된 임계치와 비교된다.

앞에서 설명한 검사는 각 사이트에 대해서 뿐만 아니라 각 사이트 열 38에 대해서도 수행된다. 본 실시예에서, 사이트 열(38)의 각각의 각도 차, 이들 각도 차 중에서 최대값 및/또는 이들 서브 사이트의 평균 각도 차를 기정된 임계치와 비교해서 각 사이트 열(38)의 품질을 검사한다.

또한, 각도 차의 최대값을 복수의 기정의 기준과 비교하거나 또는 각도 차 분포를 사용해서 통계적으로 웨이퍼를 분류한다.

상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 검사 장치에 의하여, 웨이퍼, 각 사이트 및/또는 각 사이트 열의 품질이 정량적으로 평가되고 웨이퍼의 어떤 부분에 결함이 있는지 결정된다. 또한, 사이트의 최대 각도 차는 그 사이트가 노광에 앞서 반도체 칩에 대하여 사이트를 사용할 수 있는지 여부를 결정해서, 노광 장치가 이미지를 결함 사이트에 노광하는 것을 방지하여 전체 노광 처리를 감소된 시간에 수행하는데 사용될 수 있다.

앞서의 실시예에서는 회전식 검사 장치(10)를 사용하였지만, 도 9에 나타낸 다른 장치(70)로 대체할 수 있다. 검사 장치(70)는 진공 펌프(76)와 유동적으로 연결된 복수의 개구(76)을 갖는 상면(74)을 갖춘 테이블(72)을 구비한다. 선 센서 또는 거리 센서(80)는 테이블(72) 위에 탑재되고 도시하지 않은 이송 기구에 의해 지지되며, 제어기(82)에 전기적으로 접속된다.

동작에 있어서, 웨이퍼를 테이블(72)상에 놓기 전에, 거리 센서(80)가 테이블(72)의 상면(74)의 2차원 높이 변동을 검출하기 위해서 수평으로 이동한다. 그 다음에 웨이퍼(14)가 상면(74) 위에 놓이고 펌프에 의해 도입된 진공에 의해 빨려든다. 이어서, 거리 센서(80)는 그 높이 변동을 측정하기 위해서 웨이퍼(14)의 상면 전체를 스캔하기 위해서 수평으로 이동된다. 다음으로, 그 때 제어기(82)는 상면(74)의 제1 높이 변동과 웨이퍼 상면의 제2 높이 변동을 사용해서, 앞서의 실시예에서 규정된 측정점 (Xi, Yi)에 해당하는 각 점에서 제1 높이와 제2 높이간의 차, 즉, 두께를 산출한다. 이렇게 얻어진 두께 데이터는 앞에서 설명한 법선 벡터 및 결과 각도 차를 산출하는데 사용된다.

결론적으로 본 발명의 검사 방법 및 장치에 의하면, 노광 장치에 의해 이미지가 노광되는 노광 영역에 해당하는, 인접하는 서브 사이트간의 각도 차가 웨이퍼 전면에 대하여 얻어진다. 그 다음에, 웨이퍼의 각도 차를 사용해서, 웨이퍼 또는 웨이퍼 및/또는 모든 칩의 품질을 실제 제조와 유사한 조건하에서 사전에 평가한다. 또한, 실제 제조와 유사한 조건하에서 칩 단위를 기초로 칩의 어느 부분에 결함이 있는지를 사전에 평가할 수 있다. 게다가, 경계 근처의 웨이퍼 부분의 품질을실제 제조와 유사한 조건하에서 사전에 평가할 수 있다.

결론적으로 본 발명의 검사 방법 및 장치에 의하면, 노광 장치에 의해 이미지가 노광되는 노광 영역에 해당하는, 인접하는 서브 사이트간의 각도 차가 웨이퍼 전면에 대하여 얻을 수 있다. 웨이퍼의 각도 차를 사용해서, 웨이퍼 또는 웨이퍼 및/또는 모든 칩의 품질을 실제 제조와 유사한 조건하에서 사전에 평가할 수 있다. 또한, 실제 제조와 유사한 조건하에서 칩 단위를 기초로 칩의 어느 부분에 결함이 있는지를 사전에 평가할 수 있다. 게다가, 경계 근처의 웨이퍼 부분의 품질을 실제 제조와 유사한 조건하에서 사전에 평가할 수 있다.

Claims (16)

1. 웨이퍼 등의 기판의 정량적 평가 방법으로서,

   각각의 제1 영역이 인접하는 제1 영역과 겹치도록 연속적인 다수의 제1 영역을 규정하는 단계와,

   상기 제1 영역의 면 형상을 나타내는 법선 벡터를 결정하도록 상기 제1 영역 각각에 면 데이터를 사용하는 단계와,

   인접하는 두 개의 제1 영역의 각각의 결합을 위해서 상기 법선 벡터들간의 각도 차를 결정하는 단계와,

   적어도 하나의 상기 제1 영역을 포함하는 제2 영역의 품질을 평가하기 위해서 상기 결정된 각도 차를 기준과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 면 데이터는 두께 데이터인 것을 특징으로 하는 평가 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 면 형상은 두께 변동인 것을 특징으로 하는 평가 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 영역은 반도체 칩에 해당하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제2 영역은 기판의 두 개의 평행선 사이에 규정된 스트립 선 영역에 해당하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제2 영역은 떨어져 있는 수평선 및 수직선에 의해 기판에 규정된 사이트 일부의 경계를 둘러싸는 영역에 해당하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 영역은 상기 기판의 전면(全面)에 해당하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
8. 웨이퍼 등의 기판의 정량적 평가 방법으로서,

   각각의 제1 영역이 인접하는 영역과 겹치도록 연속적인 다수의 제1 영역을 규정하는 단계와,

   제1 영역의 면 형상을 나타내는 법선 벡터를 결정하기 위해 제1 영역 각각의 면 데이터를 사용하는 단계와,

   관련된 투영 성분 벡터를 결정하기 위해서 법선 벡터 각각을 평면에 투영하는 단계와,

   인접하는 두 개의 제1 영역의 각각의 결합을 위해서 투영 성분간의 각도 차를 결정하는 단계와,

   적어도 하나의 상기 제1 영역을 포함하는 제2 영역의 품질을 평가하기 위해서 결정된 각도 차를 기준과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 면 데이터는 두께 데이터인 것을 특징으로 하는 평가 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 면 형상은 두께 변동인 것을 특징으로 하는 평가 방법.
11. 웨이퍼 등의 기판의 정량적 평가 장치로서,

    각각의 제1 영역이 인접하는 제1 영역과 겹치도록 연속적인 다수의 제1 영역을 규정하기 위한 수단과,

    상기 제1 영역의 면 형상을 나타내는 법선 벡터를 결정하기 위해서 상기 각각의 제1 영역의 면 데이터를 사용하기 위한 수단과,

    인접하는 두 개의 제1 영역의 각각의 결합을 위해서 상기 법선 벡터간의 각도 차를 결정하기 위한 수단과,

    적어도 하나의 상기 제1 영역을 포함하는 제2 영역의 품질을 평가하기 위해서 상기 결정된 각도 차를 기준과 비교하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
12. 제11항에 있어서,

    면 데이터는 두께 데이터인 것을 특징으로 하는 평가 장치.
13. 제11항에 있어서,

    면 형상은 두께 변동인 것을 특징으로 하는 평가 장치.
14. 웨이퍼 등의 기판의 정량적 평가 장치로서,

    각각의 제1 영역이 인접하는 제1 영역과 겹쳐지도록 연속적인 다수의 제1 영역을 규정하는 수단과,

    상기 제1 영역의 면 형상을 나타내는 법선 벡터를 결정하기 위해서 상기 제1 영역의 면 데이터를 사용하기 위한 수단과,

    관련된 투영 성분 벡터를 결정하기 위해서 상기 각각의 법선 벡터를 평면에 투영하기 위한 수단과,

    인접하는 두 개의 제1 영역의 각각의 결합을 위해서 상기 투영 성분 벡터간의 각도 차를 결정하기 위한 수단과,

    적어도 하나의 상기 제1 영역을 포함하는 제2 영역의 품질을 평가하기 위해서 상기 결정된 각도 차를 기준과 비교하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 평가 장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 면 데이터는 두께 데이터인 것을 특징으로 하는 평가 장치.
16. 제14항에 있어서,

    상기 면 형상은 두께 변동인 것을 특징으로 하는 평가 장치.