KR20200010461A - 반사 표면의 곡률을 측정하기 위한 방법 및 관련 광학 디바이스 - Google Patents

반사 표면의 곡률을 측정하기 위한 방법 및 관련 광학 디바이스 Download PDF

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Abstract

반사 표면의 곡률을 측정하기 위한 방법 및 관련 광학 디바이스
요약서
본 발명의 분야는 물체의 반사 표면 (10) 의 변형을 측정하기 위한 방법들에 관한 것이다. 측정 디바이스는 광의 스폿들 (22) 을 포함하는 조명 패턴 (21), 카메라 (30, 31), 및 이미지 분석 디바이스 (40) 를 포함하고, 조명 패턴 및 카메라는, 측정 포지션에서, 조명 패턴의 가상의 또는 실제의 이미지 (23) 가 표면을 통해 카메라의 검출기에 보이도록 배열되고, 상기 이미지는 조명되는 영역 (11) 의 변형을 나타낸다. 상기한 바에 따른 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 광의 2 개의 스폿들의 이미지들 사이의 거리를 측정하는 단계;
- 이 측정된 거리와 기준 거리 사이의 비율을 계산하는 단계;
- 이 비율로부터, 정의된 방향에서의 확대를 계산하는 단계;
- 상기 정의된 방향에서의 반사 표면의 변형을 계산하는 단계.

Description

반사 표면의 곡률을 측정하기 위한 방법 및 관련 광학 디바이스
본 발명의 분야는 물체의 반사 표면들의 변형들을 측정하기 위한 광학 디바이스들에 관한 것이다. 이들 측정 디바이스들은 특히 반도체 웨이퍼들의 변형을 측정하기 위해서 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 측정 디바이스는 웨이퍼가 전자 컴포넌트들의 생성을 위해 필요한 재료의 층들을 디포짓하는 동안 검사되도록 허용한다. 측정 디바이스는 또한, 상기 웨이퍼들로 하여금 엑스 시츄로 모니터링되거나 검사될 웨이퍼의 변형을 초래하는 디포지션 (deposition) 또는 임의의 타입의 재료 프로세싱 후에 검사되도록 허용한다.
예를 들어 분자 빔 에피택시 (molecular beam epitaxy) 에 의해 반도체 웨이퍼 상에 재료 층들을 디포짓 (deposit) 하기 위해 진공 증착 (vacuum-deposition) 동작들이 수행 될 때, 증착된 층에서 응력이 발생하고 웨이퍼에서 기계적 응력을 유발한다. 일반적으로, 웨이퍼들은, 통상적으로 100 미크론에서 700 미크론 사이에서 변화하는, 매우 작은 두께들을 갖는다. 경험되는 응력의 효과 하에, 그것들은 다소 정도의 차이는 있지만 변형될 수도 있다. 이들 변형들의 지식은 따라서 응력의 규모, 성질 및 위치에 대한 정보를 제공하고, 진행 중인 증착이 정확하게 진행되고 있는지 또는 아닌지를 결정하는 것을 가능하게 하고, 그리고, 이들 응력을 야기하는 원자적 메커니즘들을 결정하는 것을 가능하게 한다.
웨이퍼들은 일반적으로 반사성 (reflective) 이다. 변형들을 측정하기 위해서, 이러한 특성이 사용되고 측정 디바이스들은 광학 디바이스들이다. 모든 이들 디바이스들은 알려진 기하학적 구조의 광원 및 수신기 (receiver) 를 포함한다. 광원 및 수신기는 그 광원에 의해 방출된 광이 반사 표면을 통해 수신기에 의해 관찰 가능하도록 배열된다. 수신기는 따라서 웨이퍼의 표면을 통해 광원의 이미지를 본다. 웨이퍼가 완벽한 평면형 거울인 경우에, 이 이미지는 측정 시스템의 불확정성 내로 변형되지 않는다. 웨이퍼가 응력의 작용 하에 변형되는 경우에, 광원의 이미지는 변형된다. 이 변형의 측정은 반사성 웨이퍼의 변형이 결정되도록 허용한다.
일반적으로, 사용되는 광원들은 단순한 기하학적 형상의 것이거나 알려진 기하학적 구조로 배열된 광의 스폿들 (spots) 로 이루어진다. 광의 스폿들은 예를 들어 평면형의 그리고 평행한 면들을 갖는 평판 내부에서 복수회 반사된 레이저 빔을 이용하여 생성될 수도 있다. 복수의 송신된 평행한 빔들은 조명 패턴 (lighting pattern) 을 형성한다. "Measurement of the curvature of a surface using parallel light beams" 라는 제목의 특허 US 5 912 738 호는 그러한 측정 디바이스를 기술한다. "Workpiece breakage prevention method and apparatus" 라는 제목의 특허 US 9 070 590 호는 웨이퍼들의 측정의 것과는 상이한 애플리케이션을 위한 다른 타입의 측정 디바이스, 열 응력을 측정하는 디바이스를 기술한다.
이 타입의 측정 디바이스에 대한 제약들 중 하나는 디포지션이 진공 반응기 내부에서 수행된다는 것이고, 그 진공 반응기 내부로는 광학 엘리먼트들을 도입하는 것이 물론 불가능하다. 이 경우에, 광은 반드시 투명 포트홀들을 통해 반응기 외부에서 방출되고 수신된다. 하지만, 웨이퍼는 큰 사이즈의 것일 수도 있다. 따라서, 직경이 250 밀리미터인 웨이퍼들이 존재하다. 이 사이즈의 웨이퍼를 검사하기 위해, 광원 및 수신기는 다양한 측정들을 수행하기 위해서 이동될 수 있을 것이지만, 디포지션 동작들이 그것들이 그러하여야만 하는 바와 같이 진행되고 있지 않은 경우에 조치를 취할 수 있도록 검사가 실시간으로 수행되어야만 한다는 사실에 비추어, 그 측정의 정확도 및 품질을 유지하는 것이 얼마나 어려운지 이해될 것이다. 또한, 대부분의 경우들에서, 작은 사이즈의 포트홀들 때문에 광원을 옮길 목적에서의 그러한 이동들은 달성이 어렵거나 불가능하다.
본 발명에 따른 측정 방법 및 관련 측정 디바이스는 이들 결점들을 갖지 않는다. 그것들은 반사 표면이 사이즈가 클 때에도, 수신기를 이동시킴이 없이, 반사 표면의 조명되는 영역 (lit region) 을 이동시키는 것이 가능하다는 사실에 기초한다. 보다 정확하게는, 본 발명의 제 1 주제는, 측정 디바이스를 사용하여 물체의 적어도 하나의 반사 표면 (reflective surface) 의 변형 (deformation) 을 측정하기 위한 방법으로서, 상기 측정 디바이스는 광의 스폿들을 포함하는 적어도 하나의 조명 패턴, 카메라, 및 이미지 분석 디바이스를 포함하고, 조명 패턴 및 카메라는, 상기 표면의 변형의 측정 포지션에서, 조명 패턴의 가상의 또는 실제의 이미지가 표면을 통해 카메라의 검출기에 보이도록 배열되고, 상기 이미지는 조명 패턴에 의해 조명되는 표면의 영역의 변형을 나타내고, 측정을 수행하기 위한 상기 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:
단계 1: 광의 2 개의 스폿들의 이미지들 사이의 적어도 하나의 거리를 측정하는 단계;
단계 2: 이 측정된 거리와 적어도 하나의 기준 거리 사이의 비율을 계산하는 단계;
단계 3: 이 비율로부터, 정의된 방향에서의 확대 (enlargement) 를 계산하는 단계;
단계 4: 그 정의된 방향에서의 반사 표면의 변형을 계산하는 단계.
유리하게는, 상기 방법은, 복수의 주어진 방향들에서의 확대를 측정하기 위해서 그리고 반사 표면의 변형의 이방성을 계산하기 위해서 복수의 광의 스폿들의 이미지들에 대해 단계 1 내지 단계 4 가 수행되는 제 5 단계를 포함한다.
유리하게는, 조명 패턴은 매트릭스 어레이 (matrix array) 로 분포된 광의 개별 스폿들의 세트를 포함한다.
유리하게는, 조명 패턴은 광의 적어도 하나의 원 또는 광의 적어도 하나의 타원을 포함하고, 측정은 이 광의 원에 또는 이 광의 타원에 속하는 스폿들의 이미지들에 대해 수행된다.
유리하게는, 상기 방법은 적어도 하나의 제 2 측정을 수행하는 단계를 포함하고, 그 제 2 측정은 제 2 조명 패턴을 방출하는 것을 포함하며, 상기 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단은, 제 1 측정과 연관된 제 1 조명 패턴이 제 2 측정과 연관된 제 2 조명 패턴에 의해 조명된 표면의 제 2 영역과는 상이한 표면의 제 1 영역을 조명하도록 배열되고, 카메라는 2 개의 측정들 사이에서 정적으로 유지된다.
본 발명의 제 2 주제는, 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 측정 디바이스로서, 상기 측정 디바이스는 광의 스폿들을 포함하는 적어도 하나의 조명 패턴, 카메라, 및 이미지 분석 디바이스를 포함하고, 조명 패턴 및 카메라는, 상기 표면의 변형의 측정 포지션에서, 조명 패턴의 가상의 또는 실제의 이미지가 상기 표면을 통해 카메라의 검출기에 보이도록 배열되고, 상기 이미지는 조명 패턴에 의해 조명되는 표면의 영역의 변형을 나타내고,
이미지 분석 디바이스는:
- 광의 2 개의 스폿들의 이미지들 사이의 적어도 하나의 거리를 측정하기 위한 수단;
- 이 측정된 거리와 적어도 하나의 기준 거리 사이의 비율을 계산하기 위한 제 1 계산 수단;
- 이 비율로부터, 정의된 방향에서의 확대를 계산하기 위한 제 2 계산 수단;
- 상기 정의된 방향에서의 상기 반사 표면의 변형을 계산하기 위한 제 3 계산 수단
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 그 디바이스는 적어도 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단을 포함하고, 각각의 측정은 조명 패턴을 방출하는 것을 포함하며, 상기 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단은, 제 1 측정과 연관된 제 1 조명 패턴이 제 2 측정과 연관된 제 2 조명 패턴에 의해 조명된 표면의 제 2 영역과는 상이한 표면의 제 1 영역을 조명하도록 배열되고, 카메라는 2 개의 측정들 간에 정적으로 유지된다.
유리하게는, 측정 디바이스는 조명 패턴을 이동, 변형, 또는 확대하기 위한 수단을 포함한다.
유리하게는, 측정들을 수행하기 위한 수단은 2 개의 측정들 사이에 정의된 평면에서 물체를 이동시키기 위한 수단 및 상기 이동을 측정하기 위한 수단을 포함한다.
유리하게는, 상기 평면에서 상기 물체를 이동시키기 위한 수단은 회전 또는 병진이동 (translating) 수단이다.
유리하게는, 측정 디바이스는 디스플레이 스크린 및 상기 조명 패턴을 상기 디스플레이 스크린 상에 생성하기 위한 그래픽 수단을 포함한다.
유리하게는, 조명 패턴은 광의 개별 스폿들의 매트릭스 어레이이다.
유리하게는, 조명 패턴은 광의 원 또는 광의 타원 또는 일련의 광의 원들 또는 광의 타원들이다.
유리하게는, 측정 디바이스는 조명 패턴을 형성하도록 배열된 개구들 (apertures) 을 포함하는 불투명 스크린 (opaque screen) 을 비추는 광원을 포함한다.
유리하게는, 측정 디바이스는 반은 (half-silvered) 평면형 빔 스플릿터 (beam splitter) 를 포함하고, 상기 빔 스플릿터는, 스폿들의 패턴의 이미지가, 상기 빔 스플릿터에 의한 투과 후에, 표면으로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터로부터의 반사가 카메라의 검출기 상에 형성되거나, 상기 빔 스플릿터로부터의 반사 후에, 표면으로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터에 의한 투과가 카메라의 검출기 상에 형성되도록 배열된다.
유리하게는, 측정 디바이스는 상기 표면의 변형의 완전한 맵 (map) 을 생성하기 위해 복수의 측정들을 수행하기 위한 수단을 포함한다.
유리하게는, 변형들의 곡률 (curvature) 의 로컬, 볼록 또는 오목, 반경은 수 밀리미터와 수십 킬로미터 사이에서 변화한다.
유리하게는, 물체는 반도체 웨이퍼이고, 반사 표면은 상기 웨이퍼의 측면들 중 하나이다.
본 발명은 또한, 오목 반사 표면을 측정하기 위해 상기 정의된 바와 같은 측정 디바이스의 사용에 관한 것으로서, 조명 패턴 및 카메라는, 오목 반사 표면에 의해 반사된 조명 패턴의 이미지가 카메라의 렌즈의 부근 (vicinity) 에 위치되도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 그 디바이스는 성장 반응기 (growth reactor) 에서의 물체의 반사 표면의 변형을 초래하는 프로세스를 모니터링하기 위해 사용되고, 측정들은 상기 반사 표면 상의 재료의 적어도 하나의 층의 디포지션 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
유리하게는, 디바이스는 반도체 웨이퍼들을 검사하기 위해 사용되고, 측정들은 적어도 2 개의 상이한 물체들에 대해 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
비한정적으로 주어지는 다음의 설명을 읽을 때, 그리고 첨부 도면들에 의해, 본 발명은 더 잘 이해될 것이며 다른 이점들이 명백하게 될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 측정 디바이스의 제 1 실시형태를 도시하고, 그 디바이스는 턴테이블을 포함한다.
도 2 및 도 3 은 웨이퍼의 변형들의 광학적 측정의 원리를 나타낸다.
도 4 는 본 발명에 따른 측정 디바이스의 제 2 실시형태를 도시하고, 그 디바이스는 조명 패턴에 의한 디스플레이 스크린을 포함한다.
도 5 는 본 발명에 따른 측정 디바이스의 제 2 실시형태의 변형을 도시한다.
도 6 및 도 7 은 본 발명에 따른 측정 디바이스의 제 3 실시형태 및 상기 실시형태의 변형을 도시한다.
도 8 은 제 4 실시형태를 도시한다.
도 9 는 오목 반사 표면들을 측정하기에 적합한, 본 발명에 따른 디바이스의 하나의 실시형태를 도시한다.
도 10 은 반사 표면의 곡률 반경의 함수로서의 확대에서의 편차들을 도시한다.
도 11 및 도 12 는 동심 원들을 포함하는 조명 패턴 및 굽어진 반사 표면에 의해 형성된 그것의 이미지를 도시한다.
전술된 바와 같이, 측정 디바이스는 물체의 반사 표면의 변형을 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 그것은 특히, 반도체 웨이퍼들의 변형을 측정하기에 아주 적합하다. 이하의 예들은 모두 이 기술 분양 관련되지만, 이것은 본 발명이 거기에 제한되는 것을 의미하도록 고려되어서는 아니된다.
제 1 비제한적 예로서, 도 1 은 웨이퍼 (10) 의 변형들을 측정하기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제 1 실시형태를 도시한다. 이 도면 및 이하의 도면들에서, 웨이퍼는 변형들을 나타내기 위해 두꺼운 원형 호에 의해 표현된다. 또한, 조명 패턴의 특정 스폿으로부터 출력되는 광선들의 경로는 미세 파선들로 표시되었고, 카메라의 대물렌즈에 의해 커버되는 필드는 큰 파선들에 의해 표시되었다.
일반적으로, 웨이퍼들은 100 미크론과 700 미크론 사이에 포함되는 두께를 갖는다. 그것들의 직경은 일반적으로 25 밀리미터와 250 밀리미터 사이에 포함된다. 측정 디바이스는, 그것의 구성에 적절한 변경들이 이루어지는 경우, 변형들을 측정할 수 있고, 곡률의 로컬, 볼록 또는 오목, 반경은 수 밀리미터와 수십 킬로미터 사이에서 변화한다. 이들 기판들은 예를 들어 갈륨 비소로 만들어진다.
측정 디바이스는 알려진 형태의 조명 패턴 (21) 이 형성되도록 허용하는 수단 (20) 을 포함한다. 불투명 스크린에 뚫린 투과 심볼들을 비추는 광원들과 같은 별개의 컴포넌트들을 사용하여 이 패턴을 생성 가능하다. 조명 패턴이 위에 디스플레이되는 디스플레이 스크린들을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에, 조명 패턴을 변경하거나 그것을 복제하거나 그것을 디스플레이 스크린 상에서 이동시키거나 심지어 그것의 밝기 또는 그것의 컬러를 변경하는 것이 용이하게 된다.
기생 광을 제한하고, 단색 또는 스펙트럼적으로 제한된 방사선을 사용하는 것이 유리할 수도 있다. 이 경우에, 감광성 수신기에는 방출된 방사선만을 투과시키는 스펙트럼 필터가 장착된다.
기하학적 조명 패턴은 일반적으로 매트릭스 어레이 형태로 구조화될 수도 있는 광의 스폿들에 의해 형성된다. 예로서, 도 3 은 3 개의 열들 및 3 개의 행들을 포함하는 매트릭스 어레이로 배열된 광의 9 개의 스폿들 (22) 을 포함하는 이 타입의 어레이를 도시한다. 도 3 에서, 광의 스폿들은 원반들에 의해 표현되었다. 광의 스폿들의 사용은 알 수 있듯이 신호의 프로세싱을 용이하게 한다. 더 높은 정밀도를 획득하기 위해서, 보다 많은 스폿들을 포함하는 매트릭스 어레이들을 사용하는 것이 가능하다. 광의 스폿들을 증가시키는 것은 측정들의 정밀도를 증가시키지만, 대응하여 이미지들의 프로세싱 시간도 증가시킨다. 하지만, 특정 애플리케이션들에서, 제한된 수의 광의 스폿들로 실시간으로 작업하는 것이 유리하다.
예를 들어, 광의 스폿들의 직경은 약 500 미크론이고, 2 개의 스폿들 사이의 거리는 대략 수 밀리미터이다.
측정 디바이스가 진공 챔버와 함께 사용될 때, 조명 패턴은 챔버 외부에 있다. 웨이퍼로부터 조명 패턴을 분리하는 거리는 대략 수십 센티미터이다. 측정 디바이스는, 조명 패턴의 중심과 조명되는 영역의 중심을 연결하는 직선과 웨이퍼의 표면에 대한 법선 사이의 기울기 의 다양한 각도들로 작업할 수도 있다. 하지만, 측정 디바이스가 수직 또는 거의 수직의 입사로 작업하게 하는 것이 바람직한 경우에, 수신 채널로부터 방출 채널을 분리하도록 설명의 나머지 부분에서 알 수 있듯이 그것을 변경할 필요가 있다.
본 발명에 따른 디바이스의 이점들 중 하나는 어느 기울기 각에서도 작업 가능하다는 것이다. 디바이스의 감도는 기울기 각 θ 과 함께 증가함에 유의하는 것이 중요하다. 그것은, 제 1 근사로, 낮은 곡률의 경우에 기울기 각의 코사인의 역과 함께 변화하고, 따라서 그레이징 입사 (grazing incidence) 에서 최대이다. 따라서, 큰 기울기 각도들을 사용하는 것이 유리하다. 유일한 제한은 기울기의 각도가 증가함에 따라, 반사 표면 상의 조명 패턴의 투사는 반사 표면의 점증적으로 큰 면적을 커버한다는 것이다. 통상적으로, 이러한 이점으로부터 혜택을 받기 위해서는, 기울기의 각도는 60 도와 89 도 사이에 포함되는 각도 범위에 있을 수도 있다.
웨이퍼는, 반사에 의해, 조명 패턴 (21) 의 이미지 (23) 를 형성하고, 그 이미지는 도 1 및 이하의 도면들에서 파선들로 그려졌다.
측정 디바이스는 또한 감광성 수신기 (30) 를 포함한다. 그것은 카메라의 문제다. 그것은 초점 길이가 수 센티미터인 대물렌즈 (31) 및 광 수신기들의 매트릭스 어레이 (이는 여러 도면들에서 도시되지 않는다) 를 포함한다. 예를 들어, 초점 길이가 50 밀리미터 또는 100 밀리미터인 대물렌즈를 사용하는 것이 가능하다. 이 대물렌즈의 개구는 관례적으로 필드 심도를 정의한다. 광 수신기들의 매트릭스 어레이가 높은 해상도를 가질 필요는 없다. 도 1 에서 알 수도 있는 바와 같이, 카메라의 광학 축은, 웨이퍼에 의해 반사되는 조명 패턴의 이미지 (23) 의 최종 이미지 (24) 가 카메라의 필드의 실질적으로 중심에 위치되도록 배열된다. 카메라는 따라서, 웨이퍼의 표면에 대한 법선에 대해, 조명 패턴의 것과 대칭인 포지션을 점유한다. 대물렌즈를 장착한 카메라의 시계는 패턴의 이미지의 전체가 보이도록 허용하여야만 한다. 상술된 바와 같이, 카메라의 광학은, 기생 광을 감소시키도록, 조명 패턴의 방출 스펙트럼 대역에 대해 적합한 스펙트럼 필터를 포함할 수도 있다.
도 2 에서 도시된 것과 같은 그리고 광의 9 개의 스폿들 (22) 을 포함하는 조명 패턴 (21) 에 대해, 광의 9 개의 스폿들 (22) 을 포함하는, 도 3 에서 도시된, 이미지 (24) 는 웨이퍼로부터의 반사 후에 마지막으로 획득되고, 대물렌즈 (31) 에 의해 포커싱된다. 그것은 원반들 (26) 에 의해 표현되는 광의 9 개의 스폿들을 포함한다.
웨이퍼가 완벽하게 평면형인 경우에, 이 이미지 (24) 는 파선들로 그려진 원반들 (25) 로 이루어질 것이다. 그것은 조명 패턴의 완벽한 이미지일 것이다.
웨이퍼가 변형되는 경우에, 이 이미지 (24) 는 변형되고, 그것은 굵은 선들로 그려진 원반들 (26) 로 이루어진다. 이미지 분석 수단 (40) 을 사용하여 이미지를 분석함으로써, 광의 각각의 스폿 (22) 의 각각의 이미지 (26) 의 중심들의 포지션들을, 광검출 매트릭스 어레이의 것보다 더 높게 높은 정밀도로 결정하는 것이 가능하다.
이를 위해서, 이미지의 해상도가 인위적으로 증가되도록 허용하는 소위 "업스케일링 (upscaling)" 기법들을 사용할 수 있다. 통상적으로, 업스케일링의 스케일 팩터 (scale factor) 는 이 타입의 애플리케이션에 대해 8 이다.
따라서, 2-차원 좌표 시스템 (X, Y) 에서, 도 3 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시간 t1 에서 광의 스폿들 (26) 사이의 거리들 X 에서의 x1 및 Y 에서의 y1 을 매우 정밀하게 결정하고, 그것들을 기준 표면 상에서 시간 t0 에서 광의 스폿들 (25) 사이에 획득된 거리들 x0 및 y0 에 대해 비교하는 것이 가능하다. 이들 거리들의 평균들 사이의 비율들은 정의된 방향들에서의 확대들이 액세스되도록 허용한다. 기하학적 광학의 원리들은 이들 확대들의 측정으로부터 변형드이 추론되도록 허용한다. 동일한 광학적 원리들을 이용하여, 복수의 방향들에서의 확대들의 연구는 변형의 이방성 (anisotropy) 이 추론되도록 허용한다. 입사 각에 따른 밝기의 불변의 특성을 부가함으로써, 조명 패턴과 웨이퍼의 표면에 대한 법선 사이의 어떤 각도에 대해서도 이들 원리들을 적용 가능하다.
이미지 프로세싱은, 계산 자원 면에서나 필요한 메모리 면에서나 현재 데스크탑 컴퓨터들로 달성가능한 성능과 완전하게 양립가능하고 실시간으로, 즉, 2 개의 측정들을 분리하는 시간 간격들, 즉, 수백 분의 일 초로 수행될 수도 있는 계산적 컴퓨팅 수단을 필요로 한다.
측정된 변형들은 조명 패턴에 의해 조명되는 웨이퍼의 영역 (11) 의 것들이다. 웨이퍼가 큰 치수를 가지는 경우에, 이 구역은 오직 부분적으로 웨이퍼 (10) 를 커버한다. 따라서, 본 발명에 따른 측정 디바이스는, 적어도 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단을 포함하고, 각각의 측정은 조명 패턴을 방출하는 것을 포함하며, 2 개의 측정들을 수행하기 위한 상기 수단은, 제 1 측정과 연관된 제 1 조명 패턴이 제 2 측정과 연관된 제 2 조명 패턴에 의해 조명된 웨이퍼의 제 2 영역과는 상이한 웨이퍼의 제 1 영역을 조명하도록 배열되고, 카메라는 그 2 개의 측정들 사이에서 정적으로 유지된다. 한 가지 대안은, 스크린의 전부를 커버하고 그것의 이미지가 연구되는 표면의 전체 면적을 커버하는 고정된 스폿들의 어레이를 사용하여 곡률을 맵핑하는 것이다.
본 경우에, 측정 디바이스는 웨이퍼 (10) 아래에 배치된 턴테이블 (50) 을 포함한다. 이 턴테이블의 회전의 축은 웨이퍼의 표면에 대한 법선에 대해 평행하다. 이러한 배열의 이점은, 디포짓되는 층들의 균일성으로 인해, 대부부의 진공 챔버들은 이 타입의 턴테이블을 포함한다는 것이다. 따라서, 웨이퍼의 완전한 맵을 생성하기 위해서, 웨이퍼의 회전의 다양한 각도들에 대응하는 일련의 측정들을 기록하는 것으로 충분하다. 웨이퍼의 변형이 균일하고 등방성인 경우에, 측정 디바이스는 회전에도 불구하고 변형이 정적인 웨이퍼로 획득된 것과 동일한 감도로 연속적으로 측정되도록 허용한다.
웨이퍼 상의 얇은 원자적 막들의 디포지션의 통상적인 조건들 하에서, 신호-대-노이즈 비를 최적화하기 위해서 측정을 채용하는 것임에도 불구하고 단분자층의 스케일로 감도를 유지하기 위해서, 카메라는 적어도 10Hz 의 획득 주파수를 가져야만 한다.
측정의 시간에서 웨이퍼의 포지션을 정밀하게 알 필요가 있다. 이 포지션을 결정하기 위해서 다양한 기법들이 사용될 수도 있다. 하나의 가능한 기법은 디포지션 전에 웨이퍼를 캘리브레이팅하는 것에 있다. 이 캘리브레이션 (calibration) 은 시스템의 결함들의 전부가 기록되도록 허용하는 이점을 갖는다. 따라서, 측정들 동안, 측정된 편차들은 단지 웨이퍼 상의 디포지션에 의해 유발된 변형들에만 대응한다.
예로서, 턴테이블이 12회전/분의 속도로 돌아가는 경우에 그리고 카메라가 초 당 30 레코딩의 레이트로 측정들을 수행하는 경우에, 2.4 도만큼 분리된 영역들에 대응하는 일련의 레코딩들이 따라서 획득된다. 이들 영역들은 각도적으로 가깝기 때문에, 그것은 그 다음에, 2 개의 연속적인 각도들 사이의 내삽 (interpolation) 에 의해, 턴테이블의 회전의 임의의 각도에서의 곡률을 완벽하게 참조하는 것이 가능하다. 후속하여 수행되는 임의의 측정은, 그것이 수행되는 각도의 지식 덕분에, 내삽으로부터 추론된, 동일한 각도에서의 기준 값에 대해 비교되는 것이 가능할 것이다.
웨이퍼의 회전 이동은 "인-시츄 (in-situ)" 특성화, 즉, 웨이퍼 상에 층들의 디포지션 동안의 특성화에 잘 맞다.
웨이퍼의 완전한 특성화를 수행하도록 그것의 평면에서 웨이퍼의 병진 이동을 수행하는 것 또한 가능하다. 다시 한번, 웨이퍼의 이동의 직접적 측정에 의해서 또는 이전의 특성화들에 의해서 중 어느 일방에 의해서, 웨이퍼의 선형 이동을 완벽하게 아는 것으로 충분하다. 선형 이동에 의한 측정은, 디포지션 전에 미처리 웨이퍼들의 평탄도를 결정할 목적으로 미처리 웨이퍼들의 특성화 또는 디포지션 후에 완료된 웨이퍼들의 표면 마감을 검사할 목적으로 완료된 웨이?르의 특성화 중 어느 일방에 잘 맞다. 이 기법의 주요 이점들 중 하나는, 진공 챔버들의 것보다 훨씬 덜 제약적인 환경에서 진공 챔버들의 외부에서 "엑스 시츄 (ex situ)" 로 측정들이 수행될 수도 있다는 것이다.
측정들을 연속적으로 수행하는 것의 이점들 중 하나는, 웨이퍼의 상당한 변형들의 경우에 패턴의 이미지가 매우 변형되는 경우에도, 이 변형의 변화를 추종하는 것이 항상 가능하여, 측정된 포인트들에서 어떠한 임의의 모호성도 존재하지 않는다는 점이다.
제 2 비제한적 예로서, 도 4 는 웨이퍼 (10) 의 변형들을 측정하기 위한 본 발명에 따른 디바이스의 제 2 실시형태를 도시한다. 도 1 에서 사용되었던 것과 동일한 기호들이 도 4 에서 사용되었다. 사용된 카메라는 동일 성질의 것이다. 이 제 2 실시형태에서, 웨이퍼 (10) 는 정적으로 유지된다. 측정 영역들의 이동을 획득하기 위해서, 조명 패턴이 이동된다. 패턴의 이러한 이동을 달성하는 다양한 방식들이 존재한다. 가장 단순하고 가장 재현가능한 방식은 디스플레이 스크린에 걸쳐 패턴을 이동시키는 것에 있다. 이 이동은 도 4 에서 2 개의 상이한 축들을 따라 배열된 V자형들에 의해 심볼화된다. 따라서, 이 구성에서, 아무런 기계적 부품도 이동가능하지 않다. 더욱이, 조명 패턴을 쉽게 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라 그것을 복제하거나 그것을 확대하거나 그것을 수정하는 것이 또한 가능하다. 조명 패턴이 형성되는 광의 스폿들의 디스플레이 스크린 상의 포지션들을 완벽하게 아는 것이 또한 용이하다. 오늘 날의 디스플레이 스크린들의 밝기 및 해상도는 작은 사이즈의 조명 패턴들을 생성하기에 충분하다. 예로서, 스폿들의 밝기는 200 cd/m2 와 500 cd/m2 사이에 포함되고, 스크린의 평균 회전은 100 및 500 도트 퍼 인치 (DPI) 사이이다.
다시 한번, 일련의 측정들을 수행함으로써, 웨이퍼의 변형들의 완전한 맵이 결정된다.
도 5 에서 도시된 하나의 변형에서, 예를 들어 디포지션 동작들의 재현성의 검사를 수행하기 위해서, 주어진 일련의 측정들에서 복수의 웨이퍼들 (10a, 10b 및 10c) 을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 타입의 검사는 보다 우호적인 환경적 조건들 하에서 엑스 시츄로 보통 수행된다.
도 1, 도 4 및 도 5 에서 볼 수도 있는 바와 같이, 방출된 빔들의 입사 각 θ 이 예를 들어 몇 도 더 높은 특정 값을 유지한다면, 조명 패턴을 생성하는 부분은 자연스럽게 수신 카메라로부터 분리된다. 이 입사 각 θ 이 작거나 제로일 때, 즉, 측정들이 웨이퍼 상에서 수직 또는 거의 수직 입사로 수행될 때는, 동일하게 적용되지 않는다.
이 문제를 해결하기 위해서, 측정 디바이스는 도 6 및 도 7 에서 볼 수도 있는 바와 같이 반은 평면형 빔 스플릿터를 포함한다. 이 스플릿터 (60) 는, 스폿들의 패턴의 이미지가, 빔 스플릿터에 의한 투과 후에, 웨이퍼로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터로부터의 반사가 카메라의 검출기 상에 형성되도록 배열된다. 조명 패턴과 카메라를 반전시키는 것도 가능하다. 이 경우에, 상기 빔 스플릿터로부터의 반사 후에 스폿들의 패턴의 이미지는, 웨이퍼로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터에 의한 투과가 카메라의 검출기 상에 형성되도록 배열된다.
물론, 이러한 셋업으로, 도 7 에서 도시된 바와 같이 디스플레이 스크린 상의 조명 패턴의 이동들을 통해서 또는 웨이퍼의 이동 또는 회전을 통해서 중 어느 일방을 통해서 측정 영역의 이동들을 획득하는 것이 가능하다.
도 8 에서 나타낸 바와 같이, 많은 수의 조명 스폿들을 포함하고 큰 치수인 조명 패턴의 조명 디바이스를 이용하여 복수의 웨이퍼들을 동시에 검사하고 즉시적인 변형의 맵을 획득하는 것도 또한 가능하다.
평면형 또는 약하게 변현된 표면들의 경우에, 입사 각을 증가시킴으로써 디바이스의 감도를 증가시키는 것이 가능하고, 감도는 그레이징 입사에서 심해짐을 알았다. 반사 표면이 곡선을 이룰 때에는, 디바이스의 감도를 증가시키는 두 번째 방법이 존재한다. 본 발명에 따른 측정 디바이스는 반사 표면의 곡률이 이 표면을 통해 물체의 이미지의 변형을 관찰함으로써 측정되도록 허용한다. 이를 위해서, 조명 패턴의 이미지와 조명 패턴 그 자체 사이의 확대가 측정된다. 반사 표면의 주어진 변형에 대해, 확대에서의 변화들이 더 클수록, 측정 디바이스의 감도는 더 높다. 따라서, 확대에 대한 최선의 감도가 획득되도록 허용하는 구성들을 찾는 것이 유리하다. 이들 구성들은 패턴의 이미지가 카메라의 광학계 부근에 위치될 때 획득된다. 이러한 조건은 오직 오목한 반사 표면들에 대해서만 획득될 수 있다. 이 경우에, 패턴으로부터 반사 표면의 중심까지의 거리가 d 로 표시되고, 카메라의 렌즈로부터 동일한 중심까지의 거리가 d' 으로 표시되며, 표면의 곡률 반경이 R 로 표시되는 경우에, 확대에 대한 감도가 최대가 되기 위해, 거리들 d 및 d' 에 대해 다음과 같은 식의 관계가 필요하다:
d.d’/(d+d’) = R/2
이러한 확대에 대한 높은 감도가 획득되도록 허용하는 간단한 구성은 조명 패턴이 반사 표면의 곡률의 중심에 놓이는 것이다. 이러한 배열은 도 9 에 도시된다. 이 도면에서, 사용되는 참조부호들은 이전 도면들에서 사용된 것들과 동일하다. 이 경우에, 거리 d 는 반사 표면 (10) 의 반경 R 과 동일하고, 거리 d' 은 또한 동일한 반경 R 과 동일하다. 반사 표면 (10) 에 의해 반사된 광선들로부터 패턴에 의해 방출된 광선들을 분리하기 위해서, 도 6, 도 7 및 도 8 의 이전 디바이스들에서와 같이 반은 거울 (60) 이 사용된다.
도 10 의 곡선은 1 미터와 동일한 거리 d 및 d' 에 대한 표면의 곡률 κ 의 함수로서 확대에서의 편차들 γ 을 나타낸다. 도 10 에서, 곡률 κ 는 -5 와 +5 사이의 확대에서 -4 와 +4 사이에서 변화한다. 표면의 곡률 κ 가 1 미터와 동일할 때, 즉, 그것의 곡률 반경이 1 미터와 동일할 때, 이전의 식이 관계되고, 확대 γ 은 도 10 에서 볼 수 있는 바와 같이 벗어난다. 그 다음에 최대 감도가 획득된다. 이 값 주위에서의 곡률 반경에서의 임의의 편차는 확대에서의 매우 큰 변동을 초래할 것이다.
이 마지막 배열은 오직 오목 반사 표면에서만 작용한다. 반도체 웨이퍼들의 경우에, 원하는 곡률을 획득하도록 프리스트레스될 평면형 웨이퍼를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 후면에 디포지션을 수행하여 이것이 웨이퍼를 굽게 할 것이므로 이러한 응력을 획득하는 것이 용이하게 가능하다. 곡률 반경에서의 작은 변화를 도입하는 전면 디포지션은 카메라에 의해 보이는 확대에서의 상당한 변화를 초래할 것이다.
일반적으로, 발광체와 카메라가 반사 표면으로부터 더 멀리 떨어질수록, 측정 디바이스의 감도는 더 양호하다.
반사 표면의 곡률은 반드시 모든 방향에서 동일할 필요는 없다. 이것은 특히 결정성 막이 반도체 웨이퍼 상에 디포짓되는 경우에 특히 그러하다. 예를 들어, 이방성 재료의 결정성 성장 동안, 이방성 변형이 관찰되고, 하나의 방향에서 다른 방향에서보다 더 굽는다. 조명 패턴이 도 2 내지 도 8 에서 도시된 바와 같은 광의 분리된 스폿들로 구성되는 경우에, 이방성 정보는 각각의 분석된 이미지에 대해 2 개의 직교 방향들에서 동시에 획득된다. 하지만, 이방성의 축들을 결정하기 위해 단일 이미지로는 불충분하다. 이방성의 축들을 결정하기 위해 그것의 축 주위로 웨이퍼의 완전한 회전을 수행할 필요가 있다.
이방성 정보를 결정하기 위해서, 광의 스폿들의 매트릭스 어레이보다 더 적합한 조명 패턴을 사용하는 것이 필요하다. 따라서, 패턴으로서, 광의 원 또는 광의 타원 또는 심지어 일련의 동심 원들 또는 일련의 동심 타원들이 사용되는 경우에, 단일 이미지에 의해, 모든 웨이퍼 변형 정보를 결정하는 것이 가능하게 된다. 도 11 은 광의 9 개의 동심 원들로 구성된 이 타입의 조명 패턴 (21) 을 도시하고, 도 12 는 반사성 웨이퍼로부터의 반사 후의 이들 동심 원들의 이미지를 도시한다. 원들의 타원형 변형 및 타원들의 축들의 기울기는 반사성 웨이퍼의 이방성을 나타낸다.
이들 특별한 원형 또는 타원형 조명 패턴들을 생성하는데 특별한 문제점들은 없다.

Claims (21)

  1. 측정 디바이스를 사용하여 물체의 적어도 하나의 반사 표면 (10) 의 변형을 측정하기 위한 방법으로서,
    상기 측정 디바이스는 광의 스폿들 (22) 을 포함하는 적어도 하나의 조명 패턴 (21), 카메라 (30, 31), 및 이미지 분석 디바이스 (40) 를 포함하고, 상기 조명 패턴 및 상기 카메라는, 상기 표면의 변형의 측정 포지션에서, 상기 조명 패턴의 가상의 또는 실제의 이미지 (23) 가 상기 표면을 통해 상기 카메라의 검출기에 보이도록 배열되고, 상기 이미지는 상기 조명 패턴에 의해 조명되는 상기 표면의 영역 (11) 의 변형을 나타내고,
    측정을 수행하기 위한 상기 방법은:
    1. 광의 2 개의 스폿들의 이미지들 사이의 적어도 하나의 거리를 측정하는 단계;
    2. 이 측정된 거리와 적어도 하나의 기준 거리 사이의 비율을 계산하는 단계;
    3. 이 비율로부터, 정의된 방향에서의 확대를 계산하는 단계;
    4. 상기 정의된 방향에서의 상기 반사 표면의 변형을 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 복수의 주어진 방향들에서의 확대를 측정하기 위해서 그리고 상기 반사 표면의 변형의 이방성을 계산하기 위해서 복수의 광의 스폿들의 이미지들에 대해 단계 1 내지 단계 4 가 수행되는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 패턴은 매트릭스 어레이로 분포된 광의 개별 스폿들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 패턴은 광의 적어도 하나의 원 또는 광의 적어도 하나의 타원을 포함하고, 상기 측정은 이 광의 원에 또는 이 광의 타원에 속하는 스폿들의 이미지들에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 하나의 제 2 측정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 측정은 제 2 조명 패턴을 방출하는 것을 포함하며, 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단은, 제 1 측정과 연관된 제 1 조명 패턴이 상기 제 2 측정과 연관된 상기 제 2 조명 패턴에 의해 조명된 상기 표면의 제 2 영역과는 상이한 상기 표면의 제 1 영역을 조명하도록 배열되고, 상기 카메라는 상기 2 개의 측정들 사이에서 정적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 물체의 적어도 하나의 반사 표면의 변형을 측정하기 위한 방법.
  6. 물체의 적어도 하나의 반사 표면 (10) 의 변형을 측정하기 위한 측정 디바이스로서,
    상기 측정 디바이스는 광의 스폿들 (22) 을 포함하는 적어도 하나의 조명 패턴 (21), 카메라 (30, 31), 및 이미지 분석 디바이스 (40) 를 포함하고, 상기 조명 패턴 및 상기 카메라는, 상기 표면의 변형의 측정 포지션에서, 상기 조명 패턴의 가상의 또는 실제의 이미지 (23) 가 상기 표면을 통해 상기 카메라의 검출기에 보이도록 배열되고, 상기 이미지는 상기 조명 패턴에 의해 조명되는 상기 표면의 영역 (11) 의 변형을 나타내고,
    상기 이미지 분석 디바이스는:
    - 광의 2 개의 스폿들의 이미지들 사이의 적어도 하나의 거리를 측정하기 위한 수단;
    - 이 측정된 거리와 적어도 하나의 기준 거리 사이의 비율을 계산하기 위한 제 1 계산 수단;
    - 이 비율로부터, 정의된 방향에서의 확대를 계산하기 위한 제 2 계산 수단;
    - 상기 정의된 방향에서의 상기 반사 표면의 변형을 계산하기 위한 제 3 계산 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디바이스는 적어도 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단을 포함하고, 각각의 측정은 조명 패턴을 방출하는 것을 포함하며, 상기 2 개의 측정들을 수행하기 위한 수단은, 제 1 측정과 연관된 제 1 조명 패턴이 제 2 측정과 연관된 상기 제 2 조명 패턴에 의해 조명된 상기 표면의 제 2 영역과는 상이한 상기 표면의 제 1 영역을 조명하도록 배열되고, 상기 카메라는 상기 2 개의 측정들 간에 정적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는상기 조명 패턴을 이동, 변형, 또는 확대하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정들을 수행하기 위한 수단은 2 개의 측정들 사이에 정의된 평면에서 상기 물체를 이동시키기 위한 수단 (50) 및 상기 이동을 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 평면에서 상기 물체를 이동시키기 위한 수단은 회전 또는 병진이동 수단인 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 디스플레이 스크린 (20) 및 상기 조명 패턴을 상기 디스플레이 스크린 상에 생성하기 위한 그래픽 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 조명 패턴은 광의 개별 스폿들의 매트릭스 어레이인 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 조명 패턴은 광의 원 또는 광의 타원 또는 일련의 광의 원들 또는 광의 타원들인 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  14. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 조명 패턴을 형성하도록 배열된 개구들을 포함하는 불투명 스크린을 비추는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  15. 제 6 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 반은 (half-silvered) 평면형 빔 스플릿터 (60) 를 포함하고, 상기 빔 스플릿터는, 상기 스폿들의 패턴의 이미지가, 상기 빔 스플릿터에 의한 투과 후에, 상기 표면으로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터로부터의 반사가 상기 카메라의 상기 검출기 상에 형성되거나, 상기 빔 스플릿터로부터의 반사 후에, 상기 표면으로부터의 반사와 상기 빔 스플릿터에 의한 투과가 상기 카메라의 상기 검출기 상에 형성되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  16. 제 6 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 디바이스는 상기 표면의 변형의 완전한 맵을 생성하기 위해 복수의 측정들을 수행하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  17. 제 6 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형들의 곡률의 로컬, 볼록 또는 오목, 반경은 수 밀리미터와 수십 킬로미터 사이에서 변화하는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  18. 제 6 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물체는 반도체 웨이퍼이고, 상기 반사 표면은 상기 웨이퍼의 측면들 중 하나인 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  19. 제 6 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오목 반사 표면을 측정하기 위해서, 상기 조명 패턴 및 상기 카메라는, 상기 오목 반사 표면에 의해 반사된 상기 조명 패턴의 이미지가 상기 카메라의 렌즈의 부근에 위치되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  20. 제 6 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    성장 반응기에서의 물체의 상기 반사 표면의 변형을 초래하는 프로세스를 모니터링하기 위해서, 상기 측정들은 상기 반사 표면 상의 재료의 적어도 하나의 층의 디포지션 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
  21. 제 6 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반도체 웨이퍼들을 검사하기 위한 디바이스이고,
    상기 측정들은 적어도 2 개의 상이한 물체들에 대해 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 측정 디바이스.
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