KR101542468B1 - 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대물렌즈의 광학계를 효율적으로 형성하여 대물렌즈의 크기를 최소화 시킨, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치에 관한 것이다.

Description

반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치{A thermal characteristic apparatus for semiconductor wafer device}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 및 전자소자 등의 시료에서 방사되는 극소량의 적외선 광자를 검출하여 열 특성을 검출하는 장치에 사용되는 대물렌즈부에 있어서, 대물렌즈부의 광학계를 효율적으로 구성하여 장치의 크기 및 제조단가를 최소화한 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화, 미세화 및 제조공정의 복잡함으로 인하여 소자의 동작에 문제를 발생시키는 다양한 불량이 발생하고 있다.
이러한 불량의 발생은 반도체 소자의 성능저하 및 수율 감소의 원인으로 작용하고 있어 반도체 소자 제조 기업들은 이를 해결하기 위한 많은 노력을 실행하고 있는 실정이다.
일반적으로 알려진 불량의 원인으로는 마이크 오정렬, 불순물 농도, 박막두께 등 웨이퍼 내부의 불균일성, 웨이퍼 내의 미소결함 등이 있고, 불량 종류로는 금속배선 단락, 국부적 저항 증가, 컨택 저항 이상, 산화막의 마이크로 플라즈마 누설, 산화막 브레이크다운, 소자 래치업 등이 있다.
따라서, 최근 반도체 소자의 미세 패턴화 및 고집적화로 인하여 약 1㎛ 이하의 크기를 갖는 내부 결함, 공정 불량, 패턴 결함에 의해서도 커다란 수율감소가 발생하여 수율개선을 통한 생산량 증가 및 생산원가 절감을 위해 불량분석의 중요성이 대두되고 있다.
또한, 상기와 같은 이유로 발생되는 다양한 종류의 불량은 국부적인 발열(hot spot)을 야기 시킨다. 따라서 반도체 결함에서 발생되는 국부적 발열에 의한 적외선 열방사를 적외선 파장측정 장비를 이용하여 검사하는 기술이 반도체 제조 공정에 사용되고 있다.
도 1에서는 상기와 같은 국부적 발열을 측정하는 발열 분포 측정용 광학계에 관하여 도시하고 있다.
도 1을 참조하여 설명하면 상기 발열 분포 측정용 광학계는, 물체측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하고 상측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 갖는 제1 렌즈와, 제1 렌즈의 후방에 배치되되 물체측에 음의 굴절력을 갖는 비구면의 오목면을 형성하고 상측에 양의 굴절력을 갖는 볼록면을 형성하며 전체적으로 양의 배율을 갖는 제2렌즈와, 제1렌즈와 제2렌즈의 사이에 배치하되 제1렌즈에 근접되게 밀착 배열하며, 제1렌즈로부터 입사되는 빛을 선택적으로 수렴하는 조리개를 포함하여 이루어 진다.
상기와 같은 종래의 발열 분포 측정용 광학계는 광학계를 구성하는 대물렌즈의 길이를 최소화 하기 위하여 복수개의 비구면 렌즈를 서로 대칭으로 배치하여 사용하였다.
그러나, 상기와 같은 광학계는 광학계를 구성하는 비구면 렌즈가 복수개 사용됨에 따라 제작 비용이 커지고, 미세한 위치 변화에도 큰 오차가 발생한다.
따라서, 서로 대칭 되는 비구면 렌즈의 광학 정렬이 용이하지 못하기 때문에 조리개에 광학 초점을 맞추는 작업이 어렵다는 단점을 가진다.
상기와 같은 발열 분포 측정용 광학계의 문제점을 해소하고자, 사용이 어렵고 비용 소모가 큰 비구면 렌즈의 사용을 최소화한 광학계의 필요성이 대두되고 잇다.
한국공개특허 제2008-0037175호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 열분포가 측정되는 시료에서 방출되는 빛을 적외선 카메라로 이동시키는 광학계를 최소화 시켜 제작에 드는 비용을 감소시키며 좁은 공간에도 설치가 가능한, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치의 대물렌즈부(100)는, 검사대상(2)으로부터 방출되는 빛을 반사시켜 집광하는 포물선 거울(110); 상기 포물선 거울(110)로부터 반사된 빛을 반사하는 평거울(120); 및 상기 평거울(120)에서 반사된 빛을 모아 광점을 만드는 제1 비구면 렌즈(130A);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대물렌즈부(100)는, 상기 평거울(120)과 제1 비구면 렌즈(130A) 사이에 분광기(140)가 더 구비되어 상기 평거울(120)로부터 상기 제1 비구면 렌즈(130A)로 이동하는 빛에서 가시광선을 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대물렌즈부(100)는, 상기 검사대상(2)의 중심축과 상기 포물선 거울(110)의 중심축이 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 대물렌즈부(100)는, 상기 검사대상(2)과, 상기 포물선 거울(110)과, 상기 평거울(120), 및 상기 제1 비구면 렌즈(130A)가 'Z'구조로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는, 외부 자극이 없는 상기 검사대상(2)이 방출하는 빛을 이용하여 상기 검사대상(2)의 열특성을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는, 상기 검사대상(2)을 자극하여 상기 검사대상(2)에서 방출되는 빛을 증가시키는 외부 에너지원(200)이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 에너지원(200)은, 상기 검사대상(2)에 열 에너지를 전달하는 열 전달장치(210)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 에너지원(200)은, 상기 검사대상(2)에 전류를 입력하는 전류 입력장치(220)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 에너지원(200)은, 상기 검사대상(2)에 빛을 가하는 광학 장치(230)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는, 검사 대상에서 입사되는 빛이 이동하는 광학계를 다양한 형상의 렌즈를 효율적으로 배치하여 구성함으로써, 집광에 사용되는 렌즈 및 렌즈가 배치되는 광학계를 소형화 하였다.
따라서, 광학계를 구성하는데 소요되는 비용을 감소 시켰으며, 렌즈가 구비되는 대물렌즈부의 크기를 소형화하여 좁은 공간에서도 사용이 용이하다는 장점을 가진다.
따라서, 비용 및 공간의 문제로 종래의 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치 사용이 어려웠던 의학, 생물학, 재료학, 고고학, 환경학과 같은 다양한 분야에 사용이 가능하다는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 발열 분포 측정 장치의 시스템을 나타낸 개념도.
도 2는 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치의 시스템을 나타낸 개념도.
도 3은 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치의 대물렌즈 광학계를 나타낸 개념도.
도 4는 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치의 대물렌즈 광학계를 나타낸 개념도.(분광기 구비 시)
도 5는 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치의 대물렌즈 광학계를 나타낸 개념도.(검사대상의 중심축과 포물선 거울의 중심축을 어긋나게 배치 시)
이하, 상기와 같은 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하여 설명하면 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는 측정하고자 하는 검사대상(2)이 위치하는 스테이지(300)와, 상기 스테이지(300)에 구비된 상기 검사대상(2)에서 방출되는 빛을 집광하는 대물렌즈부(100)와, 상기 대물렌즈부(100)에서 집광된 빛을 데이터로 전환하는 적외선 센서(400)와, 상기 적외선 센서(400)에서 이미지화된 데이터를 광학적 상관관계를 이용하여 판독하는 비교 판독부(500)와, 상기 비교 판독부(500)에서 판독된 출력되는 디스플레이 장치(700)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 적외선 센서(400)에서 측정하는 적외선 영역의 전자기파는 열을 가진 모든 물체들이 방출하므로 상기 적외선 센서(400)는 상기 검사대상(2)에 별도의 에너지를 가하지 않은 상태에서 검사대상(2)의 열적 특성을 분석할 수 있다.
또한, 검사대상(2)의 열적 특성을 명확하게 측정하기 위하여 검사대상(2)에 외부 에너지원(200)인 열, 전기적신호, 빛 중 선택되는 어느 하나 이상을 가해 줌으로써 검사대상(2)의 열적 특성을 더욱 명확하게 측정하는 것이 가능하다. 상기 외부 에너지원(200)에 관한 내용은 아래에서 후술하도록 하겠다.
종래의 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는 상기 검사대상(2)서 방출되는 빛의 축 방향을 변화시키지 않고 상기 적외선 센서(400)로 입력하기 위하여 빛의 축을 일정하게 유지하는 on-axis 방법을 이용 하였다.
그러나, 상기와 같은 on-axis 방법은 광학계를 구성하는 렌즈가 동일 축상에 위치해야 하기 때문에 광학계에 사용되는 렌즈의 크기가 커져 상기 대물렌즈부(100)가 커지는 단점을 야기 시켰다.
이하 에서는, 도 3내지 도 5를 참조하여 상기와 같은 단점을 해소하기 위하여 빛을 서로 반사시켜 반사되는 빛이 서로 다른 축을 가지는 off-axis 구조로 구성된 상기 대물렌즈부(100)의 광학계에 대하여 설명하도록 하겠다.
[실시예 1]
도 3을 참조하여 설명하면, 상기 대물렌즈부(100)의 광학계는 상기 검사대상(2)으로부터 방출되는 빛을 반사시켜 집광하는 포물선 거울(110)과, 상기 포물선 거울(110)로부터 반사된 빛을 반사하는 평거울(120), 및 상기 평거울(120)에서 반사된 빛을 모아 광점을 만드는 제1 비구면 렌즈(130A)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 포물선 거울(110)은 상기 검사대상(2)에서 방출되는 빛을 집광하기 위하여 검사대상(2)과 마주보는 일측면이 기울어진 포물선 형태로 이루어진다.
상세히 설명하면, 평면 위에서 한 정점과 이 점을 지나지 않는 한 정직선까지의 거리가 같은 점들의 자취를 포물선이라고 하고, 이 정점을 포물선의 초점 이라고 하면 정직선을 포물선의 준선 이라고 한다. 또한 초점을 지나고 준선에 수직인 직선을 포물선의 축이라 하며, 상기 포물선의 축을 중심으로 포물선을 회전시켜 얻은 면을 포물선 면이라고 한다.
이때, 상기 포물선 거울(110)의 준선과 상기 검사대상(2)의 중심축이 동일선상에 위치할 경우 포물선 거울(110)의 일측 면에서 반사된 빛이 집광되는 광점이 검사대상(2)으로부터 포물선 거울(110)로 이동하는 빛의 진행경로 상에 형성되어, 포물선 거울(110)로부터 반사된 빛이 모이는 광점에 맞춰 센서(400) 설치 시 검사대상(2)의 형상을 명확하게 측정할 수 없게 된다.
따라서, 상기 포물선 거울(110)의 준선과 검사대상(2)의 중심축을 어긋나도록 포물선 거울(110)을 기울어지게 배치하는 것이다.
또한, 상기 포물선 거울(110)에서 반사된 빛을 제1 비구면 렌즈(130A)로 보내기 위하여 방향을 제어하기 위한 상기 평거울(120)이 더 구비된다.
이때, 상기 평거울(120)은 포물선 거울(110)에서 반사된 빛의 방향을 제어하는 기능 외에도, 평거울(120)에서 반사되 상기 제1 비구면 렌즈(130A) 까지 이동하는 빛의 이동 경로를 연장하여 포물선 거울(110)에 반사되는 빛의 반사각을 최소화함으로써, 상기 적외선 센서(400)에 측정되는 상기 검사대상(2)의 열적 특성을 명확히 측정 가능하다는 장점을 가진다.
또한, 상기 평거울(120)로부터 반사된 빛은 집광되며 상기 제1 비구면 렌즈(130A)로 입사된다.
이때, 제1 비구면 렌즈(130A)는 입사된 광을 제어하여 상기 적외선 센서(400)가 상기 검사대상(2)의 열적 특성을 측정하기 용이하도록 광점을 만들어 준다.
아울러, 상기 대물렌즈부(100)의 광학계를 구성하는 상기 포물선 거울(110)과 상기 평거울(120) 및 상기 제1 비구면 렌즈(130A)는 다양한 구조로 배치되어 광학계를 형성할 수 있지만, 상기 광학계의 크기를 최소화 하여 대물렌즈부(100)를 소형화 하기 위하여 각각의 개체가 서로 대칭 배치되어 'Z'자 형태의 구조로 이루어 지는 것을 권장한다.
[실시예 2]
도 4에서는, 상기 평거울(120)에 반사된 빛이 상기 제1 비구면 렌즈(130A)로 입사되는 빛의 경로에 가시광선 영역의 빛을 분리하는 분광기(140)가 구비된 것을 도시하였다.
상세히 설명하면, 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는 상기 적외선 센서(400)가 상기 검사대상(2)에서 방출되는 적외선을 측정하여 상기 디스플레이화 장치(700)에서 검사대상(2)의 열적 특성을 분석한다.
따라서, 상기 평거울(120)에서 반사된 빛이 상기 제1 비구면 렌즈(130A)로 입사되는 빛의 경로에 가시광선 영역의 빛 파장을 분리하는 상기 분광기(140)를 설치하여 육안으로 검사대상(2)의 형상을 측정하는 것이 가능하다.
이때, 상기 분광기(140)에서 분리된 가시광선을 이용하여 검사대상(2)의 형상을 디스플레이화 하는 과정에서 검사대상(2)의 상을 명확하게 하기 위하여 분광기(140)에서 분리된 가시광선을 모아 광점을 만드는 제2 비구면 렌즈(130B)가 더 구비되는 것을 권장한다.
아울러, 상기 분광기(140)를 통하여 상기 검사대상(2)의 형상을 육안으로 확인 함으로써 상기 스테이지(300)를 제어하여 검사대상(2)과 대물렌즈부(100)의 배치를 제어하는 작업을 용이하게 할 수 있다는 장점을 가지게 된다.
[실시예 3]
도 5에서는 상기 검사대상(2)의 중심축과 상기 포물선 거울(110)의 중심축이 어긋나게 배치된 것을 도시하였다.
상세히 설명하면, 상기 평거울(120)은 상기 검사대상(2)에서 방출되어 상기 포물선 거울(110)에서 반사되는 빛의 이동경로 외부에 구비 되어야 한다.
따라서, 상기 포물선 거울(110)의 원주방향 일측 단부와 상기 평거울(120)의 원주방향 타측 단부까지의 거리(L)가 길어지게 되어 상기 대물렌즈부(100)의 광학계가 커지게 된다.
즉, 상기 대물렌즈부(100)의 광학계가 커짐에 따라 대물렌즈부(100)의 외부 하우징이 커지게 되어 장치의 전반적인 크기가 커지는 것이다.
이때, 상기 검사대상(2)에서 방출되어 상기 포물선 거울(110)에 반사되는 빛의 경로가 비스듬하게 이루어지도록 상기 검사대상(2)의 중심축과 상기 포물선 거울(110)의 중심축이 어긋나게 상기 포물선 거울(110)을 배치하면, 포물선 거울(110)의 원주방향 일측 단부와 평거울(120)의 원주방향 타측 단부의 거리를 줄이더라도 평거울(120)이 검사대상(2)에서 포물선 거울(110)로 이동하는 빛의 경로를 침범하지 않는다.
도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 검사대상(2)이 위치되는 상기 XYZ스테이지(300)의 일면을 'XY평면'이라 정의하고, 상기 XY평면과 수직을 이루는 직선을 'Z축'이라고 정의할 시, 도 5에서 서로 인접한 상기 포물선 거울(110)의 원주방향 일측 단부를 Z축과 평행하게 연장한 선과, 상기 평겨울(120)의 원주방향 타측 단부를 Z축과 평행하게 연장한 선이 XY 평면과 접하는 점을 연결한 선의 길이(L)가 0에 근접하게 되어 상기 대물렌즈부(100)의 광학계를 최소화하여 대물렌즈부(100)를 소형화 할 수 있는 것이다.
[실시예 4]
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명인 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는, 상기 검사대상(2)의 열적 특성을 명확하게 측정하기 위하여 주변 환경과 검사대상(2)의 특성에 맞춰 다양한 외부 에너지원(200)을 이용할 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 외부 에너지원(200)을 이용하는 방법은 상기 검사대상(2)을 지지하는 상기 스테이지(300) 상단에 검사대상(2)에 열을 가하는 열 방출부(200C)가 구비되어 검사대상(2)에 열에너지를 전달할 수 있고, 검사대상(2)과 연결된 전기신호 출력부(200B)를 이용해 검사대상(2)에 전기적 신호를 보낼 수 있으며, 외부에서 검사대상(2)으로 빛을 방출하는 광 출력부(200A)를 이용해 검사대상(2)에 직접적으로 빛을 가하는 등의 다양한 방법이 가능하다.
이때, 상기 외부 에너지원(200)은 상기 제어부(600)에 의해 제어되며, 상기 제어부에서 상기 외부 에너지원(200)로 입력되는 데이터값은 상기 비교 판독부(500)를 통하여 상기 디스플레이 장치(700)로 출력된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
2 : 검사대상
100 : 대물렌즈부
110 : 포물선 거울
120 : 평거울
130A : 제1 비구면 렌즈 130B :제2 비구면 렌즈
140 : 분광기
200 : 외부 에너지원 200A : 광 출력부
200B : 전기신호 출력부 200C : 열 방출부
300 : 스테이지
400 : 적외선 센서
500 : 비교 판독부
600 : 제어부
700 : 디스플레이화 장치

Claims (10)

  1. 대물렌즈부(100)를 구비하는 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치에 있어서,
    상기 대물렌즈부(100)는,
    검사대상(2)으로부터 방출되는 빛을 반사시켜 집광하는 포물선 거울(110);
    상기 포물선 거울(110)로부터 반사된 빛을 반사하는 평거울(120); 및
    상기 평거울(120)에서 반사된 빛을 모아 광점을 만드는 제1 비구면 렌즈(130A);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈부(100)는,
    상기 평거울(120)과 제1 비구면 렌즈(130A) 사이에 분광기(140)가 더 구비되어 상기 평거울(120)로부터 상기 제1 비구면 렌즈(130A)로 이동하는 빛에서 가시광선을 분리하는 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈부(100)는,
    상기 검사대상(2)의 중심축과 상기 포물선 거울(110)의 중심축이 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는,
    상기 검사대상(2)이 위치되는 스테이지(300)의 일면을 'XY평면'이라 정의하고, 상기 XY평면과 수직을 이루는 직선을 'Z축'이라고 정의할 시,
    서로 인접한 상기 포물선 거울(110)의 원주방향 일측 단부를 Z축과 평행하게 연장한 선과, 상기 평거울(120)의 원주방향 타측 단부를 Z축과 평행하게 연장한 선이 서로 이격된 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈부(100)는,
    상기 검사대상(2)과, 상기 포물선 거울(110)과, 상기 평거울(120), 및 상기 제1 비구면 렌즈(130A)가 'Z'구조로 배치된 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는,
    외부 자극이 없는 상기 검사대상(2)이 방출하는 빛을 이용하여 상기 검사대상(2)의 열특성을 분석하는 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치는,
    상기 검사대상(2)을 자극하여 상기 검사대상(2)에서 방출되는 빛을 증가시키는 외부 에너지원(200)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 외부 에너지원(200)은,
    상기 검사대상(2)에 빛을 가하는 광 출력부(200A)인 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 외부 에너지원(200)은,
    상기 검사대상(2)에 전류를 입력하는 전기신호 출력부(200B)인 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 외부 에너지원(200)은,
    상기 검사대상(2)에 열 에너지를 전달하는 열 방출부(200C)인 것을 특징으로 하는, 반도체 웨이퍼 열특성 분석 장치.
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KR100838662B1 (ko) 2006-10-25 2008-06-16 현동훈 비구면을 이용한 초소형 열감지장치용 광학계
KR101265436B1 (ko) 2011-08-31 2013-05-16 (주)토핀스 비냉각 열화상카메라용 연속줌 렌즈모듈
KR101412192B1 (ko) 2010-04-13 2014-07-02 지멘스 악티엔게젤샤프트 서모그래피에 의해 물체를 평가하기 위한 장치 및 방법

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