KR20020024684A - 결함 검출장치 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼가 놓여지는 XYZ-스테이지, 그 끝부분에 탐침을 갖는 캔틸레버를 포함하고 웨이퍼 상의 결함 형태를 측정하기 위해 웨이퍼의 표면을 따라 탐침을 스캐닝하는 원자현미경, 웨이퍼를 관찰하기 위한 전하결합소자(CCD) 카메라, 및 웨이퍼에 소정의 입사각으로 레이저 광선을 조사하기 위한 레이저 광원을 갖는 결함 검출장치가 개시되어 있다. CCD 카메라에 다크 필드를 설치하여 다크 상태에서 웨이퍼를 관찰하고, 레이저 광원은 주기적인 신호에 따라 레이저 광선을 발산한다. 웨이퍼 상의 결함 검출에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있다.

Description

결함 검출장치{Defect detection apparatus}
본 발명은 결함 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 스캐터링광학 시스템과 원자현미경(atomic force microscopy; AFM)이 융합된 결함 검출장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 집적도가 증가함에 따라, 입자(particle) 뿐만 아니라 실리콘 격자로부터 야기되는 결함(defect)들이 소자의 작동에 치명적인 영향을 미치게 되었다. 따라서, 수율 관리 측면에서 실리콘 웨이퍼 표면의 결함조사(defect review)의 중요성이 증가하고 있는 실정이다.
소자의 디자인-룰이 0.25㎛ 이하로 감소되어 현재 0.18㎛에 이르고 있는데, 소자의 작동에 치명적인 영향을 미치는 결함의 크기는 그 소자의 디자인-룰의 절반 이상이 된다.즉, 0.18㎛의 디자인-룰을 갖는 소자의 경우, 0.09㎛의 크기를 갖는 결함이 소자의 작동에 영향을 미칠 수 있다. 고배율 결함조사 장치인 주사전자현미경(scanning electro microscopy; SEM)으로는 0.1㎛ 이하의 결함을 판독할 수 없을 뿐만 아니라 결함의 형태가 어떤 것인지를 인식하는 것도 매우 어렵다. 따라서, 이러한 미세 크기의 결함을 판독할 수 있는 새로운 계측장비의 필요성이 대두되고 있는데, 원자 단위의 고배율 영상을 3차원적으로 얻을 수 있는 원자현미경(AFM)이 이러한 미세 결함을 조사하는데 크게 기여할 수 있다.
원자간의 상호작용력을 이용하여 시료 표면의 형상을 원자단위로 측정하는 원자현미경은 10여년 전에 발명된 이래 주로 연구용 분석기기로 사용되어왔다. 근래에는 반도체 표면의 계측(metrology), 결함조사, 그리고 콤팩트 디스크나 자기 디스크에 쓰인 비트(bit)의 모양새 검사 등에 원자현미경을 사용하고 있으며, 평판 디스플레이(flat panel display; FPD)의 공정 개발에도 원자현미경이 중요한 역할을 하고 있다.
원자현미경의 핵심 부품은 마이크로머싱으로 제조된 캔틸레버(cantilever)이다. 캔틸레버는 길이가 100㎛, 폭이 10㎛, 두께가 1㎛의 아주 작은 실리콘 막대로서, 미세한 힘에 의해서도 위아래로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 또한, 캔틸레버의 끝 부분에는 높이 5㎛ 정도의 뾰족한 탐침(tip)이 달려 있으며, 이 탐침의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기(즉, 수 ㎚)로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료의 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다. 탐침 끝과 시료 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 탐침의 높이를 조정하면서 캔틸레버를 좌우, 전후로 스캐닝(scanning)해가면 탐침이 시료의 높낮이를 따라가게 된다. 이때, 각 지점에서 탐침의 끝부분이 전기적 또는 광학적으로 움직인 값을 기록하여 얻어진 수치를 컴퓨터 화면에서 밝기로 나타내면, 이것이 시료의 표면 형상을 나타내는 3차원 영상(image)이 된다.
원자간에 상호 작용하는 힘은 시료의 전기적 성질에 관계없이 항상 존재하므로, 원자현미경은 도체나 부도체 모두를 높은 분해능으로 관찰할 수 있으며, 일단 AFM 영상이 얻어지면 모폴로지(morphology) 뿐만 아니라 각 부위의 단면도 및 입체도 등을 얻을 수 있다.
그러나, 원자현미경은 기계적인 스캔을 행하기 때문에 그 스캐닝 속도가 느리다. 또한, 최대 시야면(field of view)이 좁아서 0.1㎛ 이하의 결함이 검출될 확률이 낮다. 이에 따라, 최근에는 레이저 스캐터링 광학 시스템과 원자현미경이 융합된 새로운 결함 검출장치가 도입되었다.
도 1은 레이저 스캐터링과 원자현미경이 융합된 종래의 결함 검출장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 광원(16)으로부터 발산된 광선은 웨이퍼(10)에 θ의 각도로 입사되고, 이 광선은 웨이퍼 표면의 결함(14)으로부터 스캐터링된다. 스캐터링된 광선(a)의 영상은 광학 현미경(22)과 전하결합소자(charge coupled device; CCD) 카메라(20)에 의해 검출된다. 스테이지(12)를 이동시켜 스캐터링 광선(a)의 영상 발생 부위를 광학 현미경(22)의 광축 아래에 가져온 다음, 원자현미경(18)의 광축을 향해 스테이지(12)를 이동시킨다. 그러면, 웨이퍼 표면의 결함(14)이 캔틸레버(24)의 바로 아래에 위치하게 된다. 이어서, 캔틸레버(24)를 스캐닝하면서 탐침 끝부분의 움직임을 측정하면, 결함(14)의 형태(morphology)를 나타내는 3차원 영상이 얻어진다.
그러나, 상술한 종래방법에 의하면, 실제로 0.1㎛ 이하의 미세 결함을 갖는 웨이퍼 상에 레이저 광선을 조사할 때 결함의 크기가 너무 작기 때문에 웨이퍼 표면의 결함으로부터 스캐터링된 광선의 영상과 결함 이외의 부위로부터 스캐터링된 광선의 영상을 구별하기가 매우 어렵다. 따라서, 결함에 의한 스캐터링 광선의 영상 발생 부위를 정확하게 찾아내지 못하므로, 결함 모폴로지를 스캐닝하여 조사할 수 없게 된다.
상술한 문제점을 감안하여 본 발명의 목적은 레이저 스캐터링 광학 시스템과 원자현미경을 이용하여 미세 결함을 정확하게 검출할 수 있는 결함 검출장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 결함 검출장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 결함 검출장치의 개략도이다.
도 3은 결함으로부터 스캐터링된 광선이 도 2의 CCD 카메라에서 밝은 점의 형태로 나타나는 것을 도시한 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 웨이퍼102 : 지지대
104 : XYZ 스테이지106 : 결함
108 : 레이저 광원110 : PSPD 검출기
112 : CCD 카메라114 : 광학 현미경
116 : 스캐너118 : 캔틸레버
120 : 다크 필드122 : 원자현미경
124 : 레이저 스캐터링 광학 시스템
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 웨이퍼가 놓여지는 XYZ-스테이지, 그 끝부분에 탐침을 갖는 캔틸레버를 포함하고 상기 웨이퍼 상의 결함 형태를 측정하기 위해 상기 웨이퍼의 표면을 따라 상기 탐침을 스캐닝하는 원자현미경, 상기 웨이퍼를 관찰하기 위한 전하결합소자(CCD) 카메라, 및 상기 웨이퍼에 소정의 입사각으로 레이저 광선을 조사하기 위한 레이저 광원을 갖는 결함 검출장치에 있어서, 상기 전하결합소자 카메라에 다크 필드(dark field)를 설치하여 다크 상태에서 상기 웨이퍼를 관찰하고, 상기 레이저 광원은 주기적인 신호에 따라 상기 레이저 광선을 발산하는 것을 특징으로 하는 결함 검출장치를 제공한다. 상기 웨이퍼 상에 입사되는 상기 레이저 광선의 입사각을 변화시킨다. 이를 구현하기 위해 서로 다른 입사각으로 레이저 광선을 발산하는 두 개의 레이저 광원을 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼를 관찰하기 위한 CCD 카메라에 다크 필드를 설치하여 웨이퍼 상의 결함으로부터 스캐터링된 광선의 영상을 다크 상태에서 검출하므로 밝은 상태에서 웨이퍼를 관찰하는 것에 비해 검출에 대한 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다.
또한, 레이저 광선을 주기적인 신호에 따라 조사하면 웨이퍼에서의 스캐터링이 불규칙하게 발생하므로, 스캐터링이 웨이퍼 상의 결함으로부터 일어났는지 또는 결함 이외의 부위로부터 일어났는지를 알 수 있다.
따라서, 웨이퍼 표면의 결함으로부터 스캐터링된 광선의 영상과 결함 이외의부위로부터 스캐터링된 광선의 영상을 정확하게 구별할 수 있으므로, 0.1㎛ 이하의 미세 결함을 효과적으로 검출할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 의한 결함 검출장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서 사용되는 결함 검출장치는 레이저 스캐터링 광학 시스템(124)과 원자현미경(122)을 구비한다.
레이저 스캐터링 광학 시스템(124)은 레이저 광원(108), 광학 현미경(114) 및 고감도 전하결합소자(CCD) 카메라(112)를 구비한다. 또한, 도시하지는 않았으나, CCD 카메라(112)에는 고감도의 영상 검출 제어기 및 영상 디스플레이 장치가 차례로 연결된다.
본 실시예에서, CCD 카메라(112)에 다크 필드(120)가 설치된다. 다크 필드(120)는 투명 아크릴이나 유리에 투과성 막을 코팅하여 형성되며, 필터와 유사한 역할을 한다. 즉, CCD 카메라(112)에 다크 필드(120)를 설치하면, 도 3에 도시한 바와 같이 스캐터링 광선의 영상 발생 부위만이 밝은 점(bright spot)으로 보이게 되므로, 결함 검출에 대한 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다.
웨이퍼(100)는 지지대(102)를 통해 XYZ-스테이지(104) 위에 놓여진다.
원자현미경(122)은 압전 세라믹으로 만들어진 스캐너(116)에 연결된 캔틸레버(118)로 구성된다. 캔틸레버(118)는 길이가 100㎛, 폭이 10㎛, 두께가 1㎛의 아주 작은 실리콘 막대로서, 미세한 힘에 의해서도 위아래로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 또한, 캔틸레버(118)의 끝 부분에는 높이 5㎛ 정도의 뾰족한 탐침(tip)이 달려 있으며, 이 탐침의 끝은 원자 몇 개 정도의 크기(즉, 수 ㎚)로 매우 첨예하다. 이 탐침(118)을 웨이퍼(100)의 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 웨이퍼(100) 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 인력이나 척력이 작용한다.
접촉 모드(contact mode)의 원자현미경에서는 척력을 사용하는데, 그 힘의 크기는 1∼10nN 정도로 아주 미세하지만, 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 조사하고 캔틸레버의 윗면에서 반사된 광선의 각도를 PSPD(position sensitive photo detector; PSPD) 검출기로 검출한다. 이렇게 하면 바늘 끝이 0.01㎚ 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정할 수 있다.
비접촉 모드(non-contact mode)의 원자현미경에서는 원자간의 인력을 사용하는데, 그 힘의 크기가 0.1∼0.01nN 정도로 접촉 모드의 경우보다 훨씬 작아 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자간 인력의 크기가 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도를 직접 잴 수 없기 때문에, 캔틸레버를 고유진동수 부근에서 기계적으로 진동시킨다. 즉, 시료 표면에 접근하면 원자간 인력에 의해 고유진동수가 변하게 되어 진폭와 위상에 변화가 생기는데, 이 변화된 양을 록-인 증폭기로 측정한다.
레이저 광원(108)은 θ1의 각도, 예컨대 10°의 각도로 웨이퍼(100) 상에 입사되는 제1 레이저 광선과 θ2의 각도, 예컨대 40°의 각도로 웨이퍼(100) 상에 입사되는 제2 레이저 광선을 방출한다. 바람직하게는, 두 개의 레이저 광원(108a, 108b)을 사용하여 서로 다른 입사각을 갖는 레이저 광선을 방출한다. 또한, 하나의 레이저 광원에 두 개로 분리되어진 광 섬유를 이용하여 서로 다른 입사각을 갖는 레이저 광선을 방출할 수도 있다.
웨이퍼(100) 상의 울퉁불퉁한 표면 위로 입사되는 광선의 입사각이 변하면 그 부위로부터 스캐터링되는 광선의 세기가 변하게 된다. 즉, 오목한 결함 위로 입사되는 광선의 입사각이 증가하면 스캐터링 광선의 세기가 감소하게 된다. 반면에, 볼록한 결함에 대해서는 스캐터링 광선의 세기가 증가한다. 따라서, 웨이퍼(100)의 표면에 입사되는 레이저 광선의 입사각을 변화시키면서 광학 현미경(114)으로 관찰되는 스캐터링 광선의 세기 변화를 측정하면, 웨이퍼(100) 표면의 결함(106)이 오목한지 볼록한지를 알 수 있다.
본 실시예에서, 레이저 광원(108)은 연속적으로 레이저 광선을 방출하지 않고 주기적인 신호로 레이저 광선을 방출한다. 즉, 펄스 레이저 광선을 방출한다. 펄스 레이저 광선이 웨이퍼(100) 상에 입사하면, 웨이퍼(100)에서의 스캐터링이 불규칙하게 발생하여 스캐터링이 웨이퍼 상의 어떤 부위에서 일어났는지를 알 수 있다. 따라서, 본 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이 0.1㎛ 이하의 미세 결함을 검출하는데 매우 효과적이다.
이하, 본 발명에 의한 결함 검출방법에 대해 설명하고자 한다.
먼저, 레이저 광원(108a, 108b)으로부터 발산된 레이저 광선은 웨이퍼(100)에 각각 θ1및 θ2의 각도로 입사되고, 이 광선은 웨이퍼 표면의 결함(106)으로부터 스캐터링된다.
스캐터링된 광선은 PSPD 검출기(110)에 의해 검출되어 영상으로 변환되며, 그 영상이 광학 현미경(114)과 CCD 카메라(112)에 의해 관측된다. XYZ-스테이지(104)를 이동시켜 스캐터링 광선의 영상 발생 부위를 광학 현미경(114)의 광축 아래에 가져온 다음, 원자현미경(122)의 광축을 향해 스테이지(104)를 이동시킨다.
그러면, 웨이퍼 표면의 결함(106)이 캔틸레버(118)의 바로 아래에 위치하게 된다. 이어서, 캔틸레버(118)가 감지한 웨이퍼(100) 표면과의 거리를 스캐너(116)로 피드백(feedback)하여 탐침 끝과 웨이퍼(100) 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 탐침의 높이를 조정하면서 캔틸레버(118)를 좌우, 전후로 스캐닝하면 탐침이 웨이퍼(100)의 높낮이를 따라가면서 상하로 움직이게 된다.
이와 동시에, 레이저 광선을 캔틸레버(118)의 탐침에 조사하면, 상하로 움직여진 탐침으로부터 반사된 광선이 PSPD 검출기(110)에 검출되어 영상으로 변환된다. 따라서, 캔틸레버(118)를 스캐닝하면서 탐침 끝부분의 움직임을 측정하면, 결함(106)의 형태를 나타내는 3차원 영상을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 웨이퍼를 관찰하기 위한 CCD 카메라에 다크 필드를 설치하여 웨이퍼 상의 결함으로부터 스캐터링된 광선의 영상을 다크상태에서 검출하므로 밝은 상태에서 웨이퍼를 관찰하는 것에 비해 검출에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 레이저 광선을 주기적인 신호에 따라 조사하면 웨이퍼에서의 스캐터링이 불규칙하게 발생하므로, 스캐터링이 웨이퍼 상의 어떤 부위에서 일어났는지를 알 수 있다.
따라서, 웨이퍼 표면의 결함으로부터 스캐터링된 광선의 영상과 결함 이외의 부위로부터 스캐터링된 광선의 영상을 정확하게 구별할 수 있으므로, 0.1㎛ 이하의 미세 결함을 효과적으로 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 웨이퍼가 놓여지는 XYZ-스테이지, 그 끝부분에 탐침을 갖는 캔틸레버를 포함하고 상기 웨이퍼 상의 결함 형태를 측정하기 위해 상기 웨이퍼의 표면을 따라 상기 탐침을 스캐닝하는 원자현미경, 상기 웨이퍼를 관찰하기 위한 전하결합소자 카메라, 및 상기 웨이퍼에 소정의 입사각으로 레이저 광선을 조사하기 위한 레이저 광원을 갖는 결함 검출장치에 있어서,
    상기 전하결합소자 카메라에 다크 필드를 설치하여 다크 상태에서 상기 웨이퍼를 관찰하고,
    상기 레이저 광원은 주기적인 신호에 따라 상기 레이저 광선을 발산하는 것을 특징으로 하는 결함 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 상에 입사되는 상기 레이저 광선은 서로 다른의 입사각을 갖도록 복수개의 레이저 광선을 사용하는 것을 특징으로 하는 결함 검출장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 광선은 서로 다른 입사각으로 레이저 광선을 발산하는 두 개의 레이저 광원으로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 결함 검출장치.
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