KR101253916B1

KR101253916B1 - 비 진동 접촉 전위차 센서를 이용한 패터닝된 웨이퍼 검사 시스템

Info

Publication number: KR101253916B1
Application number: KR1020117017506A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 슐츠; 준 리우; 제프리 알란 호손
Original assignee: 큐셉트 테크놀로지스 인크.
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2013-04-16
Also published as: CN102292804B; WO2010090914A3; TW201035559A; EP2394294B1; EP2394294A2; CN102292804A; JP5536805B2; KR20110106906A; US8275564B2; TWI443342B; WO2010090914A2; JP2012517103A; US20100198389A1; EP2394294A4

Abstract

상대적 일함수의 반복되는 패턴을 갖는 물질의 표면을 검사하기 위한 방법 및 시스템. 상기 방법 및 시스템은 센서 데이터를 처리하여, 반복도는 패턴의 데이터 특성을 식별할 수 있으며, 그 후, 센서 데이터가 추가로 처리되어, 반복되는 데이터의 데이터 특성을 제거함으로써, 물질 표면의 불균일부의 특정을 도출한다.

Description

비 진동 접촉 전위차 센서를 이용한 패터닝된 웨이퍼 검사 시스템{PATTERNED WAFER INSPECTION SYSTEM USING A NON-VIBRATING CONTACT POTENTIAL DIFFERENCE SENSOR}

이 출원은 2009년02월03일자 미국 가특허출원 제61/149,605호를 기초로 우선권 주장한다. 상기 미국 가특허출원의 내용은 본원에서 참조로서 인용된다.

본 발명은 표면 및 물질(가령, 반도체 표면 및 반도체 물질)을 검사하기 위한 방법과 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은, 일함수 변화의 반복되는 패턴을 포함하는 표면 상에서, 비 진동식 접촉 전위차 센서(non-vibrating contact potential difference sensor)를 이용하여, 표면 또는 표면 아래(subsurface) 불균일부(non-uniformity) 및/또는 전하를 검출하고 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

반도체 장치의 기능, 신뢰도, 및 성능은, 깨끗하고 균일한 반도체 물질 및 표면의 이용에 따라 달라진다. 반도체 물질을 제조하고 가공하기 위한 시스템 및 공정을 개발하고, 특징짓고, 최적화하기 위해 수십억 달러와 셀 수 없는 인력이 소비되고 있다. 이러한 활동의 1차 목표는, 극도로 깨끗하며, 전체 웨이퍼에 걸쳐 균일한, 또는 균일하게 변하는, 또는 프로그래밍된 방식으로 변하는 지정된 희망 속성을 갖는 물질 및 표면의 제조이다. 공정 및 공정 결과 물질을 특징짓고, 최적화하기 위해, 표면 또는 벌크 청정도 및 균일도, 또는 전체 표면에 걸친 속성의 정밀한 변화를 검사하고 측정할 수 있는 것이 필요하다. 실시간 공정 제어를 위해, 표면에 걸쳐 고속으로 복수 번 측정을 하며, 이러한 측정은 반도체 표면을 손상 또는 오염시키지 않는 방식으로 이뤄질 수 있는 것이 필요하다.

패터닝된 웨이퍼를 검사하는 데 이용 가능한 기술은 매우 제한적이다. 가장 일반적인 방법 및 시스템은, 입자, 스크래치, 또는 그 밖의 다른 유형의 물리적 결함에 대해 검사하기 위해, 광학 기법, 즉 빛을 기반으로 하는 기법을 이용한다. 이들은, 광대역, 협대역 또는 레이저 광을 이용하여 표면을 조명하고, 광소자(optics)를 이용해 산란 또는 반사된 광을 집광하고, 포토센서(photosensor)(가령, CCD(Charged Coupled Device), TDI(Time Delay Integration) 센서, 또는 PMT(Photo Multiplier Tube))를 이용해 이미지를 획득함으로써 동작한다. 그 후, 이들 시스템은 상기 이미지를 처리하여, 물리적 결함(가령, 입자 및 스크래치)을 검출한다. 또는, 웨이퍼를 고진공(high vacuum) 하에 두고, 웨이퍼 표면 쪽으로 전자를 가속시키며, 상기 표면으로부터 산란된 전자를 수집하며, 신틸레이터(scintillator) 및 PMT를 이용해 이미지를 획득하는 전자빔 기술(e-beam technology)이 사용될 수 있다. 그러나 이러한 유형의 시스템은 웨이퍼 표면에서 서브-단분자막(sub-monolayer) 화학적 불균일부를 검출할 수 없고, 웨이퍼에 걸쳐 발생하는 기존 전하 변화를 검출할 수 없다. 작은 화학적 변화를 검출할 수 있는 기법은, 전체 웨이퍼를 검사하기 위한 속도나 분해능을 갖지 않거나, 파괴적 기법이거나, 유의미한 물질과 기하학적 변화를 포함하는 복합적 표면에서 사용되기에 적합하지 않기 때문에, 패터닝된 웨이퍼의 검사에 적합하지 않다. 예를 들어, 표면의 화학적 조성을 특징짓기 위해, TOF-SIMS(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)가 종종 사용되지만, 상기 TOF-SIMS는 웨이퍼의 넓은 영역을 이미징하기엔 너무 느리고, 하나 이상의 포인트의 분석을 위해 주로 사용된다. 상기 기법은 이러한 단점 때문에 상업적으로 유용하지 않다. 베어 웨이퍼 또는 블랭킷 웨이퍼의 표면상의 선택된 포인트에서 금속을 검출하기 위해 TXRF(Total Reflection X-ray Fluorescence)가 종종 사용되지만, 상기 TXRF는, 패터닝된 웨이퍼 표면을 이미징하기 위한 속도와 분해능을 갖지 않는다. 덧붙여, 패터닝된 웨이퍼에서 발생하는 표면 화학반응의 변화에 의해 결과들이 뒤섞인다. 일반적으로, 이러한 유형의 비-광학적 도구는, 시험 구조물의 특징을 파악하거나, 광학적 도구에 의해 검출된 결함을 검토하기 위해 사용된다. 그러나 반도체 소자 성능 또는 수율에 상당히 영향을 미칠 수 있는 화학적 또는 대전 불균일부를 검출하기 위해 전체 패터닝된 웨이퍼를 검사하기 위한 어떠한 실용적인 기법도 없다. 따라서 표면(가령, 반도체 웨이퍼) 상에 존재하는 불균일부 또는 결함의 빠르고 정확한 분석 방법이 요구된다.

본 발명의 이러한 방법에서, 비 진동 접촉 전위차 센서가 사용된다. 비 진동 접촉 전위차 센서는, 표면에 가까이 위치하고 표면에 전기적으로 연결되는 전도성 프로브로 구성된다. 프로브와 표면은 커패시터를 형성한다. 프로브 탐침과 표면의 물질의 일함수의 차이, 또는 표면 전위의 차이로 인해, 프로브 탐침과 표면 사이에 전기 전위가 형성된다. 이러한 두 표면 사이의 전기 전위를 접촉 전위차, 또는 표면 전위차라고 부른다. 프로브 탐침이 표면에 평행하게 병진 운동하거나, 표면이 프로브 아래에서 병진 운동한다. 프로브 탐침의 일함수는 변하지 않지만, 표면의 여러 다른 포인트에서의 일함수 또는 표면 전위의 변화가 표면과 프로브 탐침 간의 접촉 전위차의 변화를 초래한다. 이러한 전기 전위 변화에 의해, 전기 전류가 센서 프로브 탐침으로, 또는 센서 프로브 탐침 밖으로 흐를 수 있다. 이 전류가 증폭되고, 전압으로 변환되며, 샘플링되어, 측정 표면에 걸친 전위 변화를 나타내는 데이터의 연속 스트림을 형성할 수 있다. 비 진동 접촉 전위차 센서는 초당 100,000샘플 이상의 샘플링율의 데이터의 연속 스트림을 제공할 수 있다. 높은 데이터 획득 레이트로 인해, 단지 몇 분만에 전체 반도체 웨이퍼의 고해상도 이미지가 얻어질 수 있다.

본 발명에서 기재된 시스템 및 방법은, 상대적 일함수 값의 반복되는(또는 그 밖의 다른 미리 프로그래밍된) 패턴을 포함하는 표면의 빠른 이미징 및 표면 상의 일함수 불균일부의 검출을 가능하게 하는 비 진동 접촉 전위차 검사 시스템의 개선된 적용을 제공한다. 이러한 기능은 특히, 제조 공정 동안, 패터닝된 반도체 웨이퍼 상의 화학적 결함 또는 전하 관련 결함의 검출, 또는 그 밖의 다른 미리 프로그래밍된 패턴 배열에 유용하다.

바람직한 실시예에서, 웨어퍼와 센서가 서로에 대해 운동하여, 스캔되는 웨이퍼 표면의 접촉 전위차 신호 특성을 생성할 수 있다. 그 후, 이러한 측정된 신호가 통합(integrate)되어, 일함수의 변화가 아닌 상대적 일함수의 측정치가 제공될 수 있다. 이러한 변환은 이점을 제공하는데, 가령, 통합된 이미지의 신호 레벨은 웨이퍼 표면에 대한 센서 프로브 탐침 속도에 따라 변하지 않는다는 점과, 임의의 특정 관심 특징부의 외형이 웨이퍼 주변의 위치에 따라 더 이상 변하지 않는다는 점이다. 통합이 완료되면, 최종 데이터는, 방사형 스캐닝법을 위해, 방사형 좌표(radial coordinate)에서 선형 수직 좌표, 즉 카테시안 좌표로 변환되는 것이 바람직하다. 그 후, 이러한 변환에 의해, 데이터 분석을 수행하는 것이 더 쉬워진다.

바람직한 실시예의 또 다른 양태에서, 불균일부 또는 바람직한 웨이퍼 표면으로부터의 이탈의 분석을 가능하게 하도록, 기본적인 반복 패턴을 제거하도록 다양한 억제 기법이 사용될 수 있다.

본 발명의 그 밖의 다른 특징 및 이점이, 첨부된 도면과 함께 이뤄진 바람직한 실시예에 대한 다음의 기재를 통해 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 시스템을 도시한다.
도 2는 비 진동 접촉 전위차 센서를 이용해 패터닝된 웨이퍼를 방사 방향으로 스캐닝함으로써 얻어진 이미지를 도시한다.
도 3은 도 2의 상단 우측 모서리, 웨이퍼의 에지에 가까운 곳의 다이(200)를 확대한 이미지를 도시하고, 스캐닝된 이미지는 차이 데이터, 즉, 특징부의 에지에서 발생된 신호를 보여준다.
도 4는 도 3의 다이(200)의 통합 단계 후를 도시하고, 통합된 이미지가 상대적 일함수의 영역을 나타낸다.
도 5는 도 2의 상단 우측 모서리, 웨이퍼의 중심에 가까운 곳의 다이(200)를 확대한 이미지를 도시한다.
도 6은 도 5의 다이(200)의 통합 후를 도시하고, 통합된 이미지는 도 4와 유사한 상대적 일함수의 영역을 보여준다.
도 7은 도 2의 이미지의 하단 좌측 모서리, 웨이퍼의 에지 가까운 곳의 다이(200)를 확대한 이미지를 도시한다.
도 8은 도 7의 다이(200)의 통합 후를 도시하며, 통합된 이미지는 도 4 및 6과 유사한 상대적 일함수 영역을 보여준다.
도 9는 통합 후의 도 2의 전체 웨이퍼 이미지를 도시하며, 통합된 이미지는 상대적 일함수의 영역을 보여준다.
도 10은 다이(200)간 빼기 동작을 수행한 후의 도 9의 통합된 웨이퍼 이미지를 도시한다.
도 11은 도 10의 웨이퍼 이미지의 스레숄딩 후를 도시한다.
도 12는 비 진동 접촉 전위차 센서를 이용하여 제 2 패터닝된 웨이퍼를 방사 방향으로 스캐닝함으로써 얻어진 이미지를 도시한다.
도 13은 도 12의 이미지의 통합 후를 도시하고, 통합된 이미지는 상대적 일함수의 영역을 나타낸다.
도 14는 도 13의 통합된 웨이퍼 이미지의 다이(200)간 빼기 동작을 수행한 후를 도시한다.
도 15는 도 14의 웨이퍼 이미지의 스레숄딩 후를 도시하며, 설정 임계치 이상의 모든 이미지 값은 적색으로 나타난다.
도 16은 카테시안 좌표로의 변환 후의 도 13의 이미지의 2차원 푸리에 변환을 도시한다.
도 17은 도 13에 도시된 이미지를 위한 일반적인 주파수 영역 필터를 도시한다.
도 18은 도 17에 도시된 필터를 적용한 후 도 16의 주파수 영역 이미지에 역 푸리에 변환을 적용하는 결과를 도시한다.
도 19는 도 18의 웨이퍼 이미지의 스레숄딩 후를 도시한다.

본 발명의 다양한 방법을 수행하기 위한 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다. 이 시스템(100)은 웨이퍼(106)를 검사하도록 사용된다. 본원에서, 시스템(100)에 의한 검사의 대상이 되는 물질을 일반적으로 “웨이퍼(wafer)”라고 지칭된다. 본 발명은, 위치설정 조립체(107)에 부착되며 프로브 탐침(102)으로 연결되어 있는 하나 이상의 센서(101)를 포함한다. 상기 위치설정 조립체(107)는, 비 진동 접촉 전위차 측정을 할 수 있는 센서(101)의 위치설정을 가능하게 한다. 시스템(100)이 센서 프로브 탐침(102)을 웨이퍼(106)로 전기적으로 연결하는 동안, 상기 시스템(100)은 고정기(fixture, 103)를 이용해 웨이퍼(106)를 기계적으로 고정한다. 상기 시스템은 센서 프로브 탐침(102)의 위치를, 웨이퍼 표면 위의 일정 거리로, 설정하고, 센서 프로브 탐침(102)이 웨이퍼 표면에 실질적으로 평행하게 운동하도록 프로브 탐침(102)과 웨이퍼 표면 간 상대적 횡운동을 발생시킬 수 있다. 상기 시스템(100)은 컴퓨터/디스플레이 시스템(110)을 이용하고, 센서(101)의 스캐닝을 제어하며, 센서(102)로부터의 출력 신호를 획득 및 처리하여, 웨이퍼 불균일부를 식별 및 분류할 수 있다. 이하에서 상세히 설명하겠지만, 시스템(100)은 반복되는 패턴(또는 그 밖의 다른 미리 프로그래밍된 패턴)에 의해 생성된 신호를 제거하기 위해 결과 데이터를 처리하기 위한 방법을 수행하고, 이러한 반복되는 패턴(또는 그 밖의 다른 미리 프로그래밍된 패턴)의 일부분이 아닌 일함수 불균일부를 검출한다. 본원에서, 웨이퍼(106) 상의 반복되는 패턴(또는 그 밖의 다른 미리 프로그래밍된 패턴)은 “다이(200)”라고 지칭될 것이지만(도 2-18 참조), 이러한 패턴은, 테스트 패턴, 다이, 레티클 필드(reticle field) 또는 이들 내의 서브 구조물 등의 구조물을 나타낼 수 있다.

비 진동 접촉 전위차 센서의 한 가지 중요한 특징은, 상기 비 진동 접촉 전위차 센서는 차이(differential) 데이터를 생성한다는 것이다. 이는 센서(101)가, 측정 표면에 걸친 표면 전위나 일함수의 차이(또는 변화)를 나타내는 데이터를 생성함을 의미한다. 센서의 출력은, 표면에 대한 센서 프로브 탐침의 이동 방향으로의 표면 전위의 변화만 나타내며, 센서 출력의 크기는 측정 표면에 대한 프로브 탐침(102)의 속도에 비례한다. 따라서 스캔된 이미지에서 불균일부의 외형은, 센서 프로브 탐침(102)이 웨이퍼(106)의 측정 표면 상의 특징부를 횡단할 때, 상기 센서 프로브 탐침(102)의 이동 방향과 속도에 따라 다르다.

비 진동 접촉 전위차 센서(101)는 신호를 발생시키기 위해 프로브 탐침(102)과 측정 표면 간의 상대적 운동을 필요로 한다. 신호를 발생시키기 위해, 센서 프로브 탐침(102)을 웨이퍼 표면에 평행하게 운동시키는 동작은 스캐닝(scanning)이라고 일컬어진다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 스캐닝 동작을 발생시키기 위한 한 가지 옵션은, 센서 프로브 탐침(102) 아래에서 웨이퍼(106)를 회전시키고, 센서(101) 또는 웨이퍼(106)를, 웨이퍼(106)의 반경을 따라 운동시켜, 웨이퍼 중심으로부터 서로 다른 반경에서 일련의 동심 원형 트랙(112)을 얻는 것이다. 그 후 이들 동심 트랙(112)은 스캔 대상 표면의 하나의 이미지로 합쳐질 수 있다. 프로브 탐침(102)이 웨이퍼(106)의 반경을 따라 이동하기 때문에, 이러한 유형의 스캐닝 동작은 종종 방사형 스캐닝(radial scanning)이라고 지칭된다.

방사형 스캐닝을 이용하여, 웨이퍼(106)의 스핀 운동이, 래스터(raster)의 전후방 스캐닝 동작에 의해 요구되는 큰 가속 및 감속 없이 프로브 탐침(102)과 측정 표면 간의 상대적 운동을 제공한다. 방사형 스캐닝을 이용해, 웨이퍼(106)가 고정된 또는 천천히 변하는 속도로 스핀-운동할 수 있으며, 센서(101)는 작은 가속도를 갖고, 하나의 방사 트랙에서 다음 번 방사 트랙까지 짧은 거리를 이동할 수 있다. 따라서 래스터 스캐닝에 비해, 훨씬 더 적은 진동과 훨씬 더 낮은 소모 전력을 갖고, 훨씬 더 짧은 시간 주기 동안 웨이퍼 표면이 스캐닝될 수 있다.

집적 회로 제조 공정 동안, 하나의 원형 웨이퍼(106) 상에서 복수의 동일한 소자가 제조된다. 상기 소자는 행렬로 배열되어, 웨이퍼 표면에 걸쳐 반복되는 패턴을 형성할 수 있다. 각각의 소자는 다이(200)라고 지칭된다(예를 들어, 도 1 및 본원에서 기재된 모든 예시들 참조). 제조 동안, 다양한 물질이 이러한 반복되는 패턴으로 증착, 제거, 또는 그 밖의 다른 방식으로 변형되어, 웨이퍼(106) 상에 존재하는 복수의 다이(200)를 생성할 수 있다. 상이한 물질 및 공정이 상이한 일함수를 갖는 표면을 생성한다. 비 진동 접촉 전위차 센서(101)에 의해 스캐닝될 때, 일함수의 이러한 차이가 신호를 생성한다. 가능한 제조 결함을 나타내는 일함수 불균일부에 대해 이들 표면을 검사하기 위해, 반복되는 다이(200) 패턴, 또는 그 밖의 다른 이러한 웨이퍼 패턴으로부터 도출되는 신호를 감소 또는 제거하는 것이 필요하다.

비 진동 접촉 전위차 센서(101)의 방사형 스캐닝에 의해 생성된 이미지에서 반복되는 패턴을 제거하는 것은 몇 가지 문제점을 나타낸다. 이러한 문제점은, 데이터가 차이 데이터이고, 센서 프로브 탐침(102)이 웨이퍼 표면 상의 여러 다른 포인트에서 여러 다른 방향 및/또는 여러 다른 상대 속도로 움직인다는 사실 때문에 나타난다. 따라서 웨이퍼(106) 상의 하나의 위치에서의 다이(200) 패턴이, 웨이퍼(106) 상의 또 다른 위치에서의 동일한 다이(200) 패턴과 매우 다르게 나타날 수 있다. 또한, 방사형 스캐닝 동작으로부터 도출된 데이터의 속성은 방사형이다, 즉, 데이터 포인트가 지정 반경 및 각도에 위치함으로써, 단위 면적당 데이터 포인트의 개수가 반경에 따라 달라진다는 것이다. 반도체 웨이퍼(106) 상에서 다이(200)는 수평 및 수직 방향에서 지정 간격을 갖고 행렬로 배열된다. 따라서 하나의 다이(200)에서의 데이터 샘플의 개수와 위치는 다음 번 다이에서의 데이터 샘플의 개수 및 위치와 다르다.

반복되는 패턴의 외관이 웨이퍼 표면 상의 패턴의 위치에 따라 달라질 수 있다는 사실이, 패턴의 일부가 아닌 불균일부를 식별하기 위해 패터닝된 웨이퍼 이미지를 처리하는 데 상당한 문제점을 발생시킨다. 이는 특히, 프로브 탐침(102)의 방향과 속도가 웨이퍼(106) 상의 위치에 따라 달라지는 방사형 스캐닝 방법을 이용하여 얻어진 이미지에 대해 그러하다. 웨이퍼에 걸쳐 앞서 언급된 반복된 패턴을 검사하는 것이 추가로, 일부 경우에서, 웨이퍼(106)는, 미리 프로그래밍된 패턴 배열을 알고 있는 적정 균일성에 대해 검사될 수도 있는 비대칭 패턴 배열을 가질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 시스템(100)은 다음과 같이 동작한다. 웨이퍼(106)는 고정기(103)에 기계적으로 고정되며, 프로브 탐침(102)은 웨이퍼 표면으로부터 지정 거리만큼 위에 위치한다. 여러 다른 수단들(가령, 진공, 또는 정전기적 인력, 또는 웨이퍼(106)의 에지 잡기(gripping)) 중 하나를 이용해, 웨이퍼(106)는 고정기(103)에 고정될 수 있다. 프로브 탐침(102)과 웨이퍼 표면 간에 상대적 운동이 발생되어, 프로브 탐침(102)이 웨이퍼 표면에 평행하게 이동된다. 웨이퍼 표면을 따라 발생하는 표면 전위 변동 또는 일함수 변동이 프로브 탐침(102)과 웨이퍼 표면 간의 전기 전위 변화를 야기하고, 이로 인해, 센서 프로브 탐침(102)으로의 전류, 또는 센서 프로브 탐침(102)으로부터의 전류가 야기된다. 이러한 전류는 전압으로 변환되고, 샘플링되어, 센서 프로브 탐침(102)의 이동 방향에서의 일함수 변화를 나타내는 디지털 데이터가 생성될 수 있다. 센서(101)를 웨이퍼 표면의 여러 다른 영역에 걸쳐 이동시킴으로써, 컴퓨터/디스플레이(110)를 이용하여 데이터가 발생되고, 웨이퍼(106)의 하나의 이미지로 조합될 수 있다. 덧붙여, 컴퓨터/디스플레이(110)의 컴퓨터 메모리에 임베디드된 컴퓨터 소프트웨어에 의해, 종래의 분석적 방법을 이용하는 다양한 컴퓨터 프로그램이 실행되어 본 발명의 방법이 수행될 수 있다.

센서(101)와 웨이퍼(106)를 이동시켜 웨이퍼 표면의 일부 또는 전부를 커버하는 데이터를 발생시키기 위한 다양한 방법이 존재한다. 이는 종종, 연속적인 데이터 포인트의 복수의 세트를 획득하는 과정을 포함하며, 여기서, 연속 포인트들로 구성된 각각의 세트를 트랙(track)이라고 지칭한다. 본원에서 기재될 때, 웨이퍼 표면을 스캐닝하는 한 가지 가능한 방법은 웨이퍼(106)를 스핀-운동시키고, 센서(101)가 웨이퍼(106)의 반경을 따라 이동하도록 센서(101) 또는 웨이퍼(106)를 이동시키는 과정을 포함한다. 이는, 웨이퍼 표면의 동심 원 영역에 대응하는 복수의 데이터 트랙, 또는 웨이퍼(106)의 에지에서 중심으로의 나선에 대응하는 단일 데이터 트랙을 도출한다. 어느 경우라도, 웨이퍼(106)가 지정 속도로 스핀-운동한다면, 프로브 탐침(102)과 회전 중심 간의 거리가 감소할수록, 웨이퍼 표면에 대한 프로브 탐침(102)의 속도가 감소할 것이다. 이는 웨이퍼 표면 상의 여러 다른 포인트들에서의 신호 강도의 변화를 야기한다. 또한, 프로브 탐침(102)이 원형 패턴으로 이동하기 때문에, 프로브 탐침(102)의 이동 방향은, 웨이퍼 표면에 대한 프로브 탐침(102)의 위치에 따라 달라진다. 따라서 특징부의 외형이 웨이퍼 표면 상의 위치에 따라 달라질 것이다.

비 진동 접촉 전위차 센서(101)를 이용해 웨이퍼 표면이 스캐닝된 후, 각각의 트랙이 통합(integrate)된다. 이는, 트랙 내 데이터 포인트 각각을, 상기 트랙의 모든 이전의 데이터 포인트와 상기 데이터 포인트의 합으로 대체함으로써, 이뤄진다. 예를 들어, 트랙 내 제 1 데이터 포인트가 변경되지 않고, 제 2 데이터 포인트가 상기 제 1 데이터 포인트와 제 2 데이터 포인트의 합으로 대체되며, 트랙 내 제 100 데이터 포인트가 제 1 내지 제 100 데이터 포인트들의 총 합으로 대체된다. 그 후, 통합된 트랙 내 각각의 포인트에 상수가 더해져서, 상기 트랙의 평균 레벨이 확립될 수 있다. 때때로, 이는, 트랙 내 각각의 데이터 포인트에서 트랙 내 모든 데이터 포인트들의 평균을 뺌으로써 이뤄지지만, 적정 레벨을 확립하기 위해, 더 정교한 알고리즘을 이용하여 이뤄질 수도 있다.

통합(integration)에 의해, 일함수의 변화가 아닌 상대적 일함수를 나타내는 데이터가 도출된다. 이러한 통합된 데이터는 두 가지 이상의 이점을 제공한다. 첫째, 데이터 샘플링율(sampling rate)이 지정된 한, 통합된 이미지에서의 신호 레벨은, 웨이퍼 표면에 대한 프로브 탐침(102)의 속도에 따라 변하지 않는다. 이는 데이터 포인트 밀도가 신호 강도의 역으로 변하도록, 데이터 포인트들 간 간격이 프로브 속도에 따라 선형으로 변하기 때문이다. 따라서 프로브 탐침(102)과 웨이퍼(106) 간의 상대적 속도에 관계없이, 통합 후의 각각의 데이터 포인트가 특정 트랙(112) 내 올바른 상대적 일함수 값을 나타낸다. 둘째, 특징부의 외형이 웨이퍼(106) 주변의 위치에 따라 더 이상 변하지 않는다. 이제 데이터가 상대적 일함수를 나타내기 때문에, 동일한 일함수 값을 갖는 특징부가, 웨이퍼 표면 상의 특징부의 위치에 독립적으로, 통합된 이미지에서 동일한(또는 거의 동일한) 값을 가질 것이다.

통합 후, 데이터가 방사 좌표에서 수직 선형 좌표(이른바 카테시안 좌표)로 변환된다. 이는, 평행한 선형 데이터 트랙을 도출하는 스캐닝 동작에게는 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나 방사형 스캐닝 방법이 사용되는 경우, 데이터 포인트의 개수와 위치는 수평 및 수직 방향에서 일정하지 않다. 이로 인해, 반복되는 패턴을 감소시키거나 억제하기 위한 추가적인 이미지 처리가 매우 어려워지는데, 이는 다이(200)가 일정하게 이격된 수평 및 수직 행렬로 배열되기 때문이다. 신호에서 반복되는 패턴을 억제하기 위한 한 가지 방법은 상기 패턴과 연계된 주파수를 걸러내는 것이다. 이는, 공간 데이터를 주파수 영역으로 변환하고, 패턴과 연계된 주파수를 제거하며, 데이터를 다시 공간 영역으로 변환시킴으로써, 이뤄진다. 주파수 영역에서 패턴과 연계된 피크(peak)를 식별하고 제거하는 것은, 공간 데이터가 패턴의 반복 속성에 대해 고르게 분포될 것을 필요로 한다. 즉, 데이터가 수평 및 수직 방향으로 고르게 분포될 것을 필요로 한다. 반복되는 패턴을 억제하는 또 하나의 방법은, 각각의 다이(200)에서, 이웃하는 다이(200)의 통계적 평균, 또는 웨이퍼(106) 상의 모든 다이(200)의 통계적 평균을 빼는 것이다. 데이터의 밀도와 위치가 웨이퍼(106) 상의 각각의 다이(200)에 대해 모두 동일한 경우, 이러한 동작은 크게 촉진된다. 방사 좌표를 이용해 데이터를 획득하기 위해 방사형 스캐닝이 사용되는 경우, 데이터의 밀도와 위치가 개개의 다이(200)에 대해 서로 다르다. 방사형 데이터를, 수평 및 수직축을 따라 고르게 이격되어 있는 카테시안 좌표로 변환함으로써, 이러한 유형의 패턴 억제가 촉진된다.

데이터가 통합되고 카테시안 좌표로 변환된 후, 다양한 알고리즘들 중 하나가 사용되어, 웨이퍼 이미지 내의 반복되는 패턴을 억제할 수 있다. 이러한 처리는 많은 형태를 취할 수 있는데, 본원에서는 그 중 세 가지가 설명된다.

첫 번째 패턴 억제 옵션은 어떠한 결함도 없는 “골든(golden)” 웨이퍼 이미지 표준의 생성을 필요로 한다. 검사될 각각의 웨이퍼(106)의 이미지가 정렬되고, “골든” 웨이퍼 이미지로부터 빼진다. 두 웨이퍼 이미지 모두가 공유하는 특징부가 제거되어, 공통 패턴으로부터의 신호를 크게 감소시킨다. 선택사항으로서, 웨이퍼(106)들 간 실질적 패턴 신호 레벨 변동이 존재하는 경우, 빼기 전에, 각각의 웨이퍼 이미지의 신호 레벨이 “골든” 웨이퍼 이미지의 신호 레벨에 매칭될 수 있다. 이러한 패턴 억제 기법은 방사형 데이터와 함께 사용될 수 있으며, 이미지가 카테시안 좌표로 변환될 것을 필요로 하지 않는다.

두 번째 패턴 감소 처리 옵션은, 2차원 푸리에 변환을 이용하여 카테시안 이미지를 주파수 영역으로 변환하는 것이다. 사용자에 의해 특정된 필터, 또는 사용자에 의해 특정된 파라미터를 기초로 계산된 필터를 이용해 이 주파수 영역 이미지가 필터링된다. 이 필터는 반복되는 패턴과 연계된 주파수를 제거하도록 설계된다. 그 후, 필터링된 이미지가 추가 처리를 위해 공간 영역으로 다시 변환된다.

반복되는 패턴과 연계되는 신호를 감소시키는 세 번째 옵션은, 각각의 다이(200)의 이미지를 하나 이상의 이웃하는 다이로부터 빼고, 최종 차이를 분석하여 결함을 식별한다. 이러한 분석은 많은 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 최종 차이의 통계적 평균이 계산되거나, 차이들의 중앙값(median value)이 계산될 수 있다. 각각의 경우, 다이 이미지를, 웨이퍼 상의 하나 이상의 다른 다이의 통계적 합성값과 비교함으로써, 각각의 다이의 패턴 억제된 버전이 계산된다. 이러한 작업은 반복되지 않은 불균일부에 미치는 영향을 최소화하면서, 반복되는 패턴을 최소화한다.

비 진동 접촉 전위차 센서(101)를 이용한 스캐닝, 통합(integration), 카테시안 좌표로의 변환 및 패턴 억제 등의 단계들을 진행한 결과, 반복되는 패턴의 일부가 아닌 웨이퍼 불균일부가 대부분인 이미지가 도출된다. 그 후, 이 이미지는, 이미지에서 의도하지 않은 불균일부를 나타내는 특징부(결함)를 식별하도록 처리된다. 이는 보통, 결함을 나타내는 신호 레벨의 범위를 선택하고, 이미지를 스레숄딩(thresholding)하여 이들 영역을 식별함으로써, 이뤄진다.

다음의 예시들이 본 발명의 다양한 형태를 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 예시들이 반도체 웨이퍼로 국한되어 있지만, 본 발명의 방법은 표면 불균일부 분석 및 배경 패턴 제거가 중요한 임의의 물질에도 적용될 수 있다.

예시 Ⅰ

일상적으로 반도체 등급 시작 웨이퍼를 생성하는 상업적 공급체로부터, 패턴을 갖는 표준 실리콘 테스트 웨이퍼(106)가 획득되었다. 이 웨이퍼는, 화학 기계 평탄화 공정을 이용해 생성된 반복되는 테스트 패턴 다이로 구성되어 있었다. 상기 패턴은 구리와 유전체 물질로 구성되었다. 그 후, 제트 인쇄 공정(jet printing process)을 이용하여, 화학적 오염물질의 점적이 웨이퍼의 반경을 따라 증착되었다. 이 웨이퍼(106)는 시스템(100)에 의해 검사되어, 도 2에 도시된 이미지(300)가 제공되었다. 이 이미지(300)는 비 진동 접촉 전위차 센서(101)에 의해 패터닝된 웨이퍼(106)를 방사 방향으로 스캐닝함으로써 얻어졌다. 개별 다이(200)를 나타내는 그래픽 디스플레이가 이미지 상에 겹쳐진다. 웨이퍼 표면 상의 다이(200)의 위치에 따라 다이 변화의 외형이 달라진다. 스캐닝 프로브 탐침의 이동 방향에 따라 패턴 에지의 극(밝음 또는 어두움)이 변하며, 프로브 탐침(102)이 중심에 더 가까이 이동할수록 신호 크기는 감소한다.

예시 Ⅱ

도 3은 도 2의 이미지의 상단 우측 모서리의 다이(200)를 확대한 이미지를 도시하며, 스캐닝된 이미지가 차이 데이터, 즉, 특징부의 에지에서 발생되는 신호를 나타낸다.

예시 Ⅲ

도 4는, 도 3의 다이와 동일한 다이(200)의 통합 단계 후를 도시하며, 통합된 이미지는 상대적 일함수의 영역을 나타낸다.

예시 Ⅳ

도 5는 웨이퍼(106)의 중심과 가까운 도 2의 이미지의 상단 우측 모서리의 다이(210)를 확대한 이미지를 도시한다.

예시 Ⅴ

도 6은 도 5의 다이와 동일한 다이(210)의 통합 후를 도시하고, 통합된 이미지는 도 4에 유사한 상대적 일함수 영역을 나타낸다.

예시 Ⅵ

도 7은 웨이퍼(106)의 에지와 가까운 도 2의 이미지의 하단 좌측 모서리의 다이(220)를 확대한 이미지를 도시한다.

예시 Ⅶ

도 8은 도 7의 다이와 동일한 다이(220)의 통합 후를 도시하며, 통합된 이미지는 도 4 및 6과 유사한 상대적 일함수 영역을 나타낸다.

예시 Ⅷ

도 9는 통합 후의 도 2의 전체 웨이퍼 이미지를 도시하고, 통합된 이미지는 상대적 일함수의 영역을 보여준다.

예시 Ⅸ

도 10은 도 9의 통합된 웨이퍼 이미지의 다이(200)간 빼기 동작을 수행한 후를 도시한다.

예시 Ⅹ

도 11은 스레숄딩(thresholding) 후의 도 10의 웨이퍼 이미지를 도시한다.

예시 ⅩⅠ

도 12는 비 진동 접촉 전위차 센서(101)를 이용해 제 2 패터닝된 테스트 웨이퍼(106)를 방사 방향으로 스캐닝함으로써 얻어진 이미지를 도시한다. 이 웨이퍼는, 연속적인 티타늄 막의 상면 상의 패터닝된 크롬 필름을 이용하여 제조되었다. 제조 공정의 일부로서 여러 다른 크기의 특징부가 반복되는 패턴에 포함되었다.

예시 ⅩⅡ

도 13은 도 12의 이미지의 통합 후를 도시하며, 통합된 이미지는 상대적 일함수의 영역을 보여준다.

예시 ⅩⅢ

도 14는 도 13의 통합된 웨이퍼 이미지의 다이(200)간 빼기 작업을 수행한 후를 도시한다.

예시 ⅩⅣ

도 15는 스레숄딩 후의 도 14의 웨이퍼 이미지를 도시하며, 설정 임계치 이상의 모든 이미지 값은 적색으로 나타난다.

예시 ⅩⅤ

도 16은 카테시안 좌표로의 변환 후 도 13의 이미지의 2차원 푸리에 변환을 도시한다.

예시 ⅩⅥ

도 17은 도 13에 도시된 이미지에 대한 통상의 주파수 영역 필터를 도시한다.

예시 ⅩⅦ

도 18은 도 17에 도시된 필터를 적용한 후, 도 15의 주파수 영역 이미지에 역 푸리에 변환을 적용한 결과를 도시한다.

예시 ⅩⅧ

도 19는 스레숄딩 후의 도 18의 웨이퍼 이미지를 도시한다.

Claims

상대적 일함수(relative work function)의 반복 패턴을 포함하는 물질의 표면을 검사하여 상기 반복 패턴에서 불균일부(non-uniformity)를 검출하는 방법에 있어서, 상기 방법은
표면을 갖는 물질을 제공하는 단계와,
센서 프로브 탐침을 갖는 비 진동 접촉 전위차 센서를 제공하는 단계와,
상기 센서 프로브 탐침을 상기 물질의 표면으로부터 지정 거리만큼 위에 위치시키는 단계와,
상기 프로브 탐침이 물질의 표면에 평행하게 이동하도록 상기 표면과 비 진동 접촉 전위차 센서를 서로에 대해 운동시키는 단계와,
물질의 표면에 대한 센서 프로브 탐침의 움직임으로부터 비 진동 접촉 전위차 센서 데이터를 발생시키는 단계로서, 센서 데이터는 센서 프로브 탐침과 물질의 표면 간의 접촉 전위차의 변화를 나타내는 단계와,
상대적 접촉 전위차 값을 제공하도록 센서 데이터를 처리하는 단계와,
반복 패턴의 상대적 접촉 전위차 데이터 특성을 식별하는 단계와,
반복 패턴의 상대적 접촉 전위차 데이터 특성의 영향을 감소시키도록 상기 상대적 접촉 전위차 데이터를 처리하고, 최종 데이터를 제공하는 단계와,
반복 패턴의 일부가 아닌 일함수 불균일부를 식별하기 위해 상기 최종 데이터를 처리하여, 물질의 표면 상의 불균일부의 존재 여부를 검출하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상대적 접촉 전위차 값을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 센서 데이터를 처리하는 단계는 센서 데이터를 통합(integrate)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 반복 패턴의 상대적 접촉 전위차 데이터 특성의 영향을 감소시키도록 상기 상대적 접촉 전위차 데이터를 처리하는 단계는, 주파수 영역에서 최종 데이터 이미지를 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 반복 패턴의 상대적 접촉 전위차 데이터 특성의 영향을 감소시키도록 상기 상대적 접촉 전위차 데이터를 처리하는 단계는, 최종 차이 데이터를 제공하기 위해 반복 패턴의 인스턴스 각각을, 물질의 표면 상의 타 위치의 반복 패턴의 하나 이상의 인스턴스로부터 빼는 단계와, 반복 패턴의 일부가 아닌 특징부를 식별하기 위해, 상기 최종 차이 데이터를 조합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 반복 패턴의 일부가 아닌 특징부를 식별하기 위해, 최종 데이터를 처리하는 단계는, 특정 값 이상인 상대적 일함수, 또는 상기 특정 값 이하인 상대적 일함수, 또는 상기 특정 값 이상인 상대적 일함수와 상기 특정 값 이하인 상대적 일함수 모두를 식별하기 위해 최종 데이터에 임계치(threshold)를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 랜덤 노이즈 또는 계통 노이즈(systematic noise)가 감소되도록 센서 데이터가 처리되는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 센서 프로브 탐침의 크기에 대해 보정하기 위해 센서 데이터가 처리되는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 센서의 센서 일렉트로닉스(sensor electronics)의 시간 상수에 대해 보정하기 위해 센서 데이터가 처리되는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 2 항에 있어서, 물질 상의 이웃하는 데이터 트랙의 평균 표면 전위 변화로부터 야기된 아티팩트(artifact)를 감소시키도록 최종 데이터가 처리되는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 센서 프로브 탐침 아래에서 물질을 회전시키고 물질 표면의 일련의 동심 원 영역들로부터 데이터를 획득함으로써, 센서 프로브 탐침과 물질 간의 상대적 운동이 발생되며, 상기 일련의 동심 원 영역들은 물질의 표면의 회전 중심으로부터 증가하는 반경, 또는 감소하는 반경에 위치하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 10 항에 있어서, 통합된 방사 데이터(integrated radial data)가 카테시안(Cartesian) 형태로 변환되는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서, 반복 패턴의 일부가 아닌 검출된 일함수 불균일부는 물질의 표면 상에 위치하는 화학적 불균일부, 또는 물질의 표면 상에 위치하는 전하를 포함하는 것을 특징으로 하는 불균일부를 검출하는 방법.
상대적 일함수(relative work function)의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은
센서 프로브 탐침을 갖는 비 진동 접촉 전위차 센서(non-vibrating contact potential difference sensor)와,
물질의 스캔을 개시하고, 물질의 스캔이 완료될 때까지 연속적으로 스캔하고, 센서 프로브 탐침에 대해 횡방향으로 물질을 스캐닝하여, 접촉 전위차 값의 변화를 나타내는 센서 데이터를 제공하는 스캐닝 조립체와,
반복 패턴의 상대적 접촉 전위 데이터 특성을 식별하도록 센서 데이터를 분석하고, 반복 패턴의 상대적 접촉 전위 데이터 특성의 영향을 감소시키고 반복 패턴의 일부가 아닌 일함수 불균일부(non-uniformity)를 식별하도록 반복 패턴의 상대적 접촉 전위 데이터 특성을 처리하기 위해 실행 가능한 컴퓨터 소프트웨어 프로그램이 기록된 메모리를 갖는 컴퓨터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 컴퓨터 소프트웨어는 상대적 접촉 전위차 값 데이터를 제공하도록 센서 데이터를 통합하는 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 공간 데이터의 수직 및 수평 방향에서의 일정한 간격을 촉진하기 위해, 상대적 접촉 전위차 값을 카테시안 좌표 데이터로 변환하는 컴퓨터 소프트웨어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 컴퓨터 소프트웨어는, 상대적 접촉 전위차(CPD) 데이터를 주파수 영역으로 변환하고, 반복 패턴과 연계된 주파수를 제거하며, 상기 CPD 데이터를 다시 공간 영역으로 변환함으로써, 반복 패턴을 억제하기 위한 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 컴퓨터 소프트웨어는, 주파수 영역에서 최종 데이터의 필터링 단계를 수행함으로써, 반복 패턴의 전위차 데이터 특성의 영향을 감소시키는 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 컴퓨터 소프트웨어는 반복 패턴의 상대적 접촉 전위 데이터 특성의 영향을 감소시키는 프로그램을 포함하고, 반복 패턴의 각각의 인스턴스를, 물질의 표면 상의 타 위치에서의 패턴의 하나 이상의 인스턴스로부터 빼는 단계를 수행하는 프로그램을 포함하며, 반복 패턴의 일부가 아닌 특징부를 식별하도록 최종 차이 데이터를 조합하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.
제 13 항에 있어서, 컴퓨터 소프트웨어는, 반복 패턴의 일부가 아닌 일함수 불균일부를 식별하는 프로그램을 포함하고, 특정 값 이상의 상대적 일함수, 또는 상기 특정 값 이하의 상대적 일함수, 또는 상기 특정 값 이상의 상대적 일함수와 상기 특정 값 이하의 상대적 일함수 모두를 식별하기 위해, 최종 데이터에 임계치(threshold)를 적용하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 상대적 일함수의 반복 패턴을 갖는 표면을 갖는 물질을 검사하기 위한 시스템.