KR101296015B1 - 실리콘 웨이퍼의 결함 검사 장치 및 그 결함 검사 방법 - Google Patents

실리콘 웨이퍼의 결함 검사 장치 및 그 결함 검사 방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 웨이퍼의 결함 검사 장치는, 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 광량을 조절하여 상기 실리콘 웨이퍼를 조명하는 적외광 조명과, 적외광에 대하여 감도를 갖는 라인 센서 어레이로 구성되어 상기 실리콘 웨이퍼를 촬상하는 촬상부를 구비한다.
적외광 조명, 라인 센서 어레이, 비저항, 투과량, 웨이퍼, 투과광량 측정부, 화상 처리부, 화상 휘도

Description

실리콘 웨이퍼의 결함 검사 장치 및 그 결함 검사 방법{DEFECT INSPECTION DEVICE AND DEFECT INSPECTION METHOD FOR SILICON WAFER}
본 발명은, 실리콘 웨이퍼의 결함 검사에 관한 것으로, 특히, 표면 혹은 내부에 있는 결함을 투과광 조명에 의해 검출하는 결함 검사에 관한 것이다.
반도체 제조에 이용되는 실리콘 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)의 검사에서, 웨이퍼 표면의 결함을 검사하는 표면 검사는 중요하여, 불량율을 제로로 하기 위해서 세심한 주의로 행해지고 있다. 한편, 웨이퍼 내부의 결함에 대해서는, 종래에는 그다지 고려되어 오지 않았다.
웨이퍼를 제조할 때에, 잉곳 내에 존재하는 수십㎛∼수백㎛의 결함(크랙, 핀홀 혹은 기포)은, 슬라이스될 때에 웨이퍼의 표면 혹은 내부에 그대로 남겨지는 경우가 있다. 이들 결함이 표면에 나타나 있는 경우에는, 표면용의 결함 검사 장치에 의해 검출할 수 있지만, 이들 결함이 웨이퍼 내부에 남겨지는 경우에는, 표면 검사용의 결함 검사 장치로 검출할 수 없다.
이와 같은 웨이퍼 내부에 존재하는 크랙, 핀홀 혹은 기포 등의 결함에 의해 반도체 장치의 성능에 영향을 미칠 가능성이 있어, 웨이퍼 내부의 결함을 검사할 수 있는 투과 검사가 요구되고 있다.
<발명의 개시>
일반적으로 웨이퍼의 투과 검사는 적외광 조명을 이용하여 행해진다. 1100㎚ 이상의 파장의 적외광을 웨이퍼에 투사하면, 그 광은 웨이퍼를 투과하고, 그 투과광에 의해 웨이퍼의 내부에 있는 결함을 검사할 수 있다.
그러나, 비저항의 값이 1Ω·㎝ 이하로 되는 저저항 웨이퍼에 대해서는, 비저항의 값에 따라서 투과하는 적외광의 양이 변화한다. 이 때문에, 촬상에 필요한 투과광을 얻기 위해서는 저저항 웨이퍼의 비저항을 고려하여 필요한 투과광의 양을 확보하도록 적외광 조명을 구성할 필요가 있다.
한편, 웨이퍼 내부의 결함을 검사하기 위한 촬상부로서는, 에리어 센서 카메라를 이용하여 웨이퍼의 내부의 결함을 검사하는 장치가 알려져 있다. 이 장치는, 에리어 센서 카메라에 있어서 충분한 분해능이 얻어지도록 하는 에리어 센서 카메라의 촬상 범위를 단위 영역으로 한다. 그리고, 웨이퍼의 내부 결함의 영역을 그 단위영역마다 분할하고, 그 촬상 위치를 순차적으로 이동시킴으로써 복수의 촬영 화상을 얻음으로써, 웨이퍼 전체의 결함을 검사하고 있다.
그러나, 에리어 센서를 이용하여 촬상을 행하는 경우, 단위 영역의 전역에 걸쳐 균일한 조명을 실시하는 것이 어렵다. 촬상 영역의 중심부와 외단부에서 촬상 화상에 불균일이 생겨, 정확한 화상을 촬상하는 것이 곤란하다. 또한 복수의 영역으로 분할하여 촬상하여 검사하므로, 정밀도 및 재현성의 점에서 문제가 있다. 또한 소영역으로 분할하여 촬상하여 검사를 행하므로, 검사 시간이 길어져, 검사 공정의 고속화에 대응할 수 없다.
본 발명의 임의의 양태에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 결함 검사 장치로서, 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 광량을 조절하여 상기 실리콘 웨이퍼를 조명하는 적외광 조명과, 적외광에 대하여 감도를 갖는 라인 센서 어레이로 구성되어 상기 실리콘 웨이퍼를 촬상하는 촬상부를 구비하는 결함 검사 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 결함 검사 방법으로서, 적외광 조명의 광량을 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 조절하고, 상기 적외선 조명에 의해 상기 실리콘 웨이퍼를 조명하고, 적외광에 대하여 감도를 갖는 라인 센서 어레이로 구성되는 촬상부에 의해 상기 실리콘 웨이퍼를 촬상하는 결함 검사 방법이 제공된다.
본 발명의 실시 형태, 본 발명의 이점에 대해서는, 첨부된 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 결함 검사 장치의 정면도.
도 2는 결함 검사 장치의 평면도.
도 3은 결함 검사 장치의 측면도.
도 4는 웨이퍼 재치대의 단면도.
도 5A, 도 5B는 각 촬상부의 촬상 영역을 설명하는 도면.
도 6은 비저항 측정부의 구성을 설명하는 도면.
도 7은 투과광량 측정부의 구성을 설명하는 도면.
도 8은 비저항과 화상 휘도의 관계를 도시하는 그래프.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명의 기술적 범위는 실시 형태의 구체적 구성에 한정되지 않는다.
도 1∼도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 결함 검사 장치(1)의 정면도, 평면도 및 측면도이다. 결함 검사 장치(1)는, 촬상부(2), 띠 형상의 적외광을 조사하는 라인형 라이트 가이드 출사구(「적외광 조명」에 대응. 이하, 「조명」이라고 함)(3), 웨이퍼 재치대(4) 및 화상 처리부(12)를 구비한다. 웨이퍼(9)는 도 4에 도시한 바와 같이 웨이퍼 재치대(4)에 수평으로 유지된다.
촬상부(2)는 촬상 소자로서 라인 센서 어레이를 구비한다. 촬상부(2)는, 도 1에 도시한 바와 같이 웨이퍼 재치대(4)에 재치되어 있는 웨이퍼(9)의 상방에 배치된다. 본 실시 형태에서 사용하는 라인 센서 어레이는, 높은 해상도를 갖는 소자를 채용하여, 미세한 손상이나 결함이라도 검출할 수 있도록 구성된다.
라인 센서 어레이는, 화소를 직선 형상으로 배열하여, 주사 기능을 갖는다. 라인 센서 어레이에 의해 2차원의 화상을 얻기 위해서는, 라인 센서 어레이의 주사 방향(화소를 배열한 방향)과 직교하는 방향으로 검사 대상물을 이동시킬 필요가 있다. 도 1에서, 촬상부(2)에 탑재되어 있는 라인 센서 어레이의 주사 방향은 지면에 평행한 방향이므로, 리니어 스테이지(5)에 의해 검사 대상물인 웨이퍼(9)를 지면에 수직한 방향(도 2에서의 화살표 A방향)으로 이동시키면, 라인 센서 어레이에 의해 2차원 화상을 얻을 수 있다.
라인 센서 어레이에 의해 촬상 가능한 범위는 한정되어 있으므로, 그것을 초 과하는 범위의 화상을 촬상하기 위해서는, 촬상 영역을 복수의 영역으로 분할한다. 그리고, 각각의 영역을 촬상하는 촬상부(2)를 배치하고, 각각의 촬상부(2)가 구비하는 라인 센서 어레이에 의해 각각의 영역을 촬상한다. 본 실시 형태에서는 도 5A, 도 5B에 도시한 바와 같이 2개의 영역(우영역과 좌영역)으로 나누어 각각의 촬상 영역에 촬상부(2)를 배치하고, 웨이퍼(9)의 전체면의 촬상 화상을 취득한다.
촬상부(2)의 광학계로서는 텔레센트릭 광학계를 이용할 수 있다. 텔레센트릭 광학계를 채용하면, 촬상 대상과 광학계의 거리가 변하여도 촬상되는 상의 크기는 변하지 않으므로, 결함의 위치와 크기를 정확하게 파악할 수 있다.
웨이퍼(9)는 가시광을 투과하지 않으므로, 가시광을 이용한 통상의 조명에서는 투과 관찰을 행할 수 없지만, 1100㎚보다 긴 파장(적외광)이면 웨이퍼(9)를 투과하여, 투과 관찰을 행할 수 있다. 따라서, 광원(7)으로서는, 1100㎚보다 긴 파장을 주로 발광하는 적외광 광원을 이용한다.
조명(3)은, 검사 대상인 웨이퍼(9)의 촬상 범위를 띠 형상으로 조명한다. 광원(7)으로부터 발하여진 1100㎚보다 파장이 긴 적외광은, 광 파이버(8)를 경유하여 조명(3)으로부터 웨이퍼(9)에 조사된다. 본 실시 형태에 사용되는 조명(3)은, 촬상부(2)의 촬상 영역을 조명하는 데에 충분한 길이와 폭을 가짐과 함께, 렌즈를 이용하여 집광함으로써, 촬상에 충분한 강도의 조명광이 얻어지도록 구성된다.
도 8은 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 대하여 웨이퍼(9)를 투과한 적외광을 촬상하였을 때의 휘도(이하, 「화상 휘도」라고 함)를 도시하고, 조명(3)으로부터 조사되는 조명광량(이하, 「광량」이라고 함)을 변화시킨 경우의 웨이퍼(9)의 화상 휘도를 도시한다. 도 8에서는 웨이퍼(9)의 화상 휘도의 값이 90 이상이고 130 이하인 경우에 웨이퍼(9)의 내부를 적절하게 촬상 가능하므로, 웨이퍼(9)의 화상 휘도가 이 범위로 되도록 조명(3)의 광량을 조절한다.
본 실시 형태의 조명(3)은, 웨이퍼(9)의 비저항에 대하여 웨이퍼(9)가 촬상에 적절한 화상 휘도로 되도록 자동적으로 광량을 설정할 수 있는 구성으로 되어 있어, 웨이퍼(9)의 비저항에 따라서 적절한 광량으로 설정된다.
웨이퍼 재치대(4)는 도 1∼도 3에 도시한 바와 같이, 리니어 스테이지(5) 및 슬라이드 가이드(6)에 의해 화살표 A방향으로 이동 가능하게 형성된다. 리니어 스테이지(5)는, 정밀하게 가공된 레일과 이것에 조합하는 리니어 가이드 베어링에 의해 가이드됨과 함께, 정밀하게 위치 결정 가능한 구동부를 구비하고, 웨이퍼 재치대(4)를 일정 속도로 이동시킨다. 슬라이드 가이드(6)는 슬라이드 부시(61)와 슬라이드 샤프트(62)로 구성된다. 슬라이드 가이드(6)는, 웨이퍼 재치대(4)의 하중을 지지함과 함께, 그 스무즈한 이동을 실현한다. 즉, 본 실시 형태의 웨이퍼(9)의 이동 기구는, 웨이퍼 재치대(4)와 리니어 스테이지(5)와 슬라이드 가이드(6)로 구성된다.
이 실시 형태는, 촬상부(2)와 조명(3)에 대하여 웨이퍼(9)를 이동시키는 구성이지만, 이 구성에 한정되지 않고, 예를 들면, 촬상부(2)와 조명(3)을 웨이퍼(9)에 대하여 이동 가능하게 구성하고, 고정된 웨이퍼 재치대(4)에 재치되는 웨이퍼(9)를 조명하면서 촬상하는 구성으로 함으로써, 웨이퍼(9) 전체를 스캔하는 구성으로 하여도 된다.
도 6은 조명(3)의 광량을 조절할 때에 사용하는 웨이퍼(9)의 비저항을 측정하는 비저항 측정부(10)의 구성을 도시한다. 웨이퍼(9)의 표면에 측정 프로브(10a)로 웨이퍼(9)의 비저항을 측정한다. 이 측정값에 기초하여 광원(7)의 강도를 조절함으로써 조명(3)의 광량을 조절하여, 웨이퍼(9)를 투과하는 광량이 웨이퍼(9)의 결함의 촬상에 최적의 광량으로 되도록 한다.
또한 본 실시 형태에서는, 촬상부(2)의 감도가 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 따라서 조절 가능하게 구성되어 있다. 예를 들면, 조명(3)의 조절만으로는 적절한 화상의 촬상에 필요한 투과광량이 부족한 경우에는, 촬상부(2)의 감도를 조정함으로써 적절한 화상의 촬상을 실현한다. 즉 비저항 측정부(10)에서 측정한 비저항의 값을 이용하여 조명(3)의 광량과 촬상부(2)의 감도를 함께 조절함으로써, 결함의 촬상에 적합한 웨이퍼(9)의 화상 휘도를 얻을 수 있다.
다음으로 본 실시 형태에 따른 결함 검사 장치(1)의 기능과 검사를 행하는 공정에 대하여 설명한다.
도시하지 않은 반송 장치에 의해 웨이퍼(9)를 반송하고, 웨이퍼 재치대(4)에 웨이퍼(9)를 옮겨 싣는다. 본 실시 형태의 웨이퍼 유지 구조는, 웨이퍼(9)를 파지 장치 등에 의해 잡는 구조가 아니라, 웨이퍼(9)의 엣지에 설치되는 테이퍼부 혹은 결함 검사에 영향을 주지 않는 범위의 엣지부로써 웨이퍼(9)를 지지하는 구조이다.
조명(3)은 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 따라서 광량을 조절하도록 구성된다. 비저항 측정부(10)에 의해 측정된 비저항의 값에 따라서 광원(7)의 출력을 변경함으로써, 조명(3)의 광량이 촬상에 적절한 투과광량이 얻어지도록 조절된다.
웨이퍼(9)의 비저항의 값은, 도 6에 도시한 비저항 측정부(10)에 의해 측정된다. 웨이퍼(9)를 웨이퍼 재치대(4)에 재치한 상태에서 비저항 측정부(10)를 근접하여 배치하여 측정하여도 되고, 웨이퍼 재치대(4)에 재치하기 전에 비저항 측정부(10)를 갖는 다른 재치대에 웨이퍼(9)를 재치하고, 웨이퍼(9)의 비저항을 측정하여도 된다.
비저항 측정부(10)에 의해 측정한 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 따라서 광원(7)의 강도를 변경하여 조명(3)의 광량을 조절한다. 웨이퍼(9)를 투과하는 투과광량이 촬상부(2)의 촬상에 충분한 양으로 되도록 조명(3)의 조명광이 조절된다.
웨이퍼(9)는 리니어 스테이지(5)에 의해 일정 방향으로 일정 속도로 이동하고, 2대의 촬상부(2)에 의해 웨이퍼(9)의 투과광에 의한 영상의 촬상이 행해진다. 촬상부(2)에 탑재되어 있는 촬상 소자는 화소를 선 형상으로 배열한 라인 센서 어레이이므로, 각 촬상 소자가 배열되는 주주사 방향으로 주사를 행함과 동시에 부주사 방향(도 2의 화살표 A의 방향)으로 웨이퍼(9)를 이동시키면서 주사를 반복함으로써, 2차원의 화상이 얻어진다.
촬상부(2)의 라인 센서 어레이가 촬상 가능한 범위에는 한계가 있다. 이 때문에, 예를 들면 직경이 300㎜인 웨이퍼에 대해서는, 도 5A, 도 5B에 도시한 바와 같이 2개의 촬상 범위로 분할하고, 각각 대응하는 촬상부(2)에 의해 촬상을 행한다.
촬상에 최적으로 광량이 조절된 조명(3)으로부터 발하여진 조명광은, 웨이퍼(9)를 투과하여 촬상부(2)에 설치되어 있는 라인 센서 어레이에 도달한다. 웨이 퍼(9)의 표면 혹은 내부에 크랙 혹은 기포가 존재하면, 그 위치에서 투과광은 굴절하여 라인 센서 어레이의 촬상 화상에 농담의 차가 생긴다. 웨이퍼(9)의 표면 혹은 내부에 크랙이 존재하는 경우에는 선 형상, 기포가 존재하는 경우에는 원 형상 혹은 원환 형상의 화상이 얻어진다. 화상 처리부(12)는, 그들 형상 및 농도의 정보에 기초하여 결함의 판별을 행한다.
조명(3)의 광량을 조절하는 방법은, 전술한 비저항 측정부(10)에 의해 측정된 비저항의 값에 따라서 조정하는 방법에 한정되지 않는다. 전 공정에서 비저항이 측정되어 있는 경우에는, 그 값을 웨이퍼마다 데이터화하여 기억해 놓고, 그 값에 따라서 조명(3)의 광량을 조절하는 구성으로 하여도 된다. 예를 들면, 결함 검사 장치(1)에 반송되어 오는 웨이퍼(9)의 비저항의 값을 도시하지 않은 기억 장치에 기억해 놓고, 결함 검사 장치(1)로 옮겨 실어질 때에 그 웨이퍼(9)의 값을 기억 장치로부터 취출하고, 그 값에 기초하여 광원(7)의 출력을 조절하여, 웨이퍼(9)를 투과하는 웨이퍼(9)의 결함의 촬상에 최적의 광량으로 되도록 조명(3)의 광량을 조절한다.
이 방법에서는, 결함 검사 장치(1) 내에 비저항 측정부(10)를 설치할 필요가 없다. 또한, 웨이퍼(9)를 옮겨 실을 때에 이미 조명(3)의 광량을 촬상에 최적으로 설정해 둘 수 있어, 검사에 요하는 시간을 단축할 수 있다고 하는 이점이 있다.
또한, 촬상부(2)의 감도를 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 따라서 조절 가능하게 구성해 놓고, 미리 측정된 비저항의 값을 이용하여 조명(3)의 광량과 촬상부(2)의 감도를 함께 조절함으로써 결함의 촬상에 적합한 웨이퍼(9)의 화상 휘도를 얻을 수 있다.
또한, 조명(3) 등의 적외광 조명부에 의해 조명되었을 때에 웨이퍼(9)를 투과하는 투과광의 양을 측정하는 투과광량 측정부(11)를 설치한 예를 도 7에 도시한다. 투과광량 측정부(11)에서 측정한 투과광량은 웨이퍼(9)의 화상 휘도와 밀접한 관계가 있어, 투과광량이 크면 웨이퍼(9)의 화상 휘도는 높고, 투과광량이 작으면 웨이퍼(9)의 화상 휘도는 낮다. 이것으로부터 웨이퍼(9)를 투과하는 광량의 값을 이용하여 조명(3)의 광량을 조절하는 구성으로 하여도 된다. 그 때에 사용하는 적외광 조명으로서 조명(3)을 이용할 수 있지만, 이 구성에 한정되지 않고, 투과광량 측정용을 위한 전용의 조명을 설치하여도 된다.
또한, 촬상부(2)의 감도를 웨이퍼(9)의 비저항의 값에 따라서 조절 가능하게 구성해 놓고, 웨이퍼(9)의 투과광량의 값을 이용하여 조명(3)의 광량과 촬상부(2)의 감도를 함께 조절함으로써 결함의 촬상에 적합한 웨이퍼(9)의 화상 휘도를 얻을 수 있다.
또한, 조명(3)의 광량을 조절하는 방법으로서는, 전용으로 설치한 비저항 측정부(10)의 측정값에 의한 방법, 미리 측정된 비저항의 값을 이용하는 방법, 적외광의 투과량에 의한 방법에 대하여 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 형태에서는, 2대의 촬상부(2)에서 웨이퍼(9) 전체면을 커버하는 구성으로 하고 있지만, 촬상부(2)의 수는 이에 한정되지 않는다. 다수대의 촬상부(2)를 일렬로 배치하여 분해능을 올려, 더욱 고정밀한 검사 화상을 얻는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 결함 검사 장치(1)는, 적외광에 감도를 갖는 라인 센서 어레이를 촬상 소자로서 이용함으로써, 웨이퍼(9) 전체를 동일한 검사 조건에서 행하는 것을 가능하게 함과 함께, 검사 공정의 고속화에 대응할 수도 있다. 또한, 웨이퍼(9)의 비저항의 값을 취득하고, 조명(3)의 광량을 취득한 비저항의 값에 따른 값으로 설정함으로써 결함의 촬상에 적절한 조명을 얻을 수 있다. 그 결과, 종래 투과 검사가 곤란하였던 큰 직경의 저저항 웨이퍼에 대하여 전체면에 걸쳐 균일하고 또한 고속으로 결함 검사를 행하는 것이 가능하게 된다.
본원은 2008년 6월 27일에 일본 특허청에 출원된 일본 특원 2008-192829에 기초하는 우선권을 주장하고, 일본 특원 2008-192829의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 인용된다.

Claims (6)

  1. 실리콘 웨이퍼의 표면에 대치시켜 설치한 적외광 조명 수단과,
    상기 적외광 조명 수단의 적외광에 감도를 갖는 라인 센서 어레이를 구비하는 촬상 수단과,
    상기 촬상 수단의 화상으로부터 상기 실리콘 웨이퍼의 표면 혹은 내부에 있는 결함을 검출하는 화상 처리 장치
    로부터 구성되는 웨이퍼 결함 검사 장치로서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값을 미리 취득하고,
    상기 적외광 조명 수단은, 상기 취득한 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 조도를 조절함과 함께,
    상기 촬상 수단은, 상기 취득한 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 적외광에 대한 감도를 조절하는
    것을 특징으로 하는 웨이퍼 결함 검사 장치.
  2. 실리콘 웨이퍼의 표면에 대치시켜 설치한 적외광 조명 수단과,
    상기 적외광 조명 수단의 적외광에 감도를 갖는 라인 센서 어레이를 구비하는 촬상 수단과,
    상기 실리콘 웨이퍼를 투과하는 적외광의 투과량의 값을 미리 측정하는 투과광량 측정 수단과,
    상기 촬상 수단의 화상으로부터 상기 실리콘 웨이퍼의 표면 혹은 내부에 있는 결함을 검출하는 화상 처리 장치
    로부터 구성되는 웨이퍼 결함 검사 장치로서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값을 미리 취득하고,
    상기 적외광 조명 수단은, 상기 취득한 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값에 따라서 조도를 조절함과 함께,
    상기 촬상 수단은, 상기 측정한 상기 실리콘 웨이퍼를 투과하는 적외광의 투과량의 값에 따라서 적외광에 대한 감도를 조절하는
    것을 특징으로 하는 웨이퍼 결함 검사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 비저항의 값을 측정하는 비저항 측정 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 웨이퍼 결함 검사 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촬상 수단은, 상기 조명 수단의 조절만으로는 상기 실리콘 웨이퍼의 내부를 촬상 가능한 투과량을 얻을 수 없는 경우에 적외광에 대한 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 결함 검사 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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