KR20020062586A - 폴리실리콘막 평가 장치 - Google Patents

폴리실리콘막 평가 장치 Download PDF

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KR20020062586A
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Abstract

형성된 폴리실리콘막의 상태를 객관적으로, 비접촉으로, 정밀도 양호하게 자동적으로 평가할 수 있는 폴리실리콘막 평가 장치를 제공한다. 그러므로, 폴리실리콘막이 형성된 기판(W)이 탑재되는 스테이지(25), 가시광을 스테이지 상의 기판(W)에 조사(照射)함으로써 기판(W) 상의 폴리실리콘막의 표면 화상을 촬상(撮像)하여 오토포커스하는 가시광 관찰 광학계(4, 8, 12, 40a), 자외광을 스테이지 상의 기판에 조사함으로써, 상기 가시광 관찰 광학계를 사용하여 오토포커스된 기판의 폴리실리콘막의 표면 화상을 얻는 자외광 관찰 광학계(6, 10, 40b), 및 자외광 관찰 광학계에 의해 얻어진 폴리실리콘막의 표면 화상으로부터 폴리실리콘막의 막 표면의 공간 구조의 직선성 및 주기성을 평가하고, 이 직선성 및 주기성의 평가 결과에 따라, 상기 폴리실리콘막의 상태를 평가하는 평가 수단(51)을 포함하는 폴리실리콘막 평가 장치를 제공한다.

Description

폴리실리콘막 평가 장치 {APPARATUS FOR EVALUATING POLYSILICON FILM}
본 발명은 비정질(非晶質) 실리콘에 대하여 어닐 처리를 하여 생성한 폴리실리콘막의 상태를 평가하는 폴리시리콘막 평가 장치에 관한 것이다.
최근, 채널층에 폴리실리콘막을 사용한 박막 트랜지스터의 실용화가 진행되고 있다. 채널층에 폴리실리콘을 사용하면, 박막 트랜지스터의 전계 이동도가 매우 높아지기 때문에, 예를 들면, 액정 디스플레이 등의 구동 회로로서 사용한 경우에는, 디스플레이의 고정세화, 고속화, 소형화 등을 실현할 수 있게 된다.
또, 엑시머 레이저 어닐 장치를 사용하여 비정질 실리콘을 열처리하여 폴리실리콘막을 형성하는, 이른바 저온 다결정화 프로세스도 최근 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 저온 다결정 프로세스를 박막 트랜지스터의 제조 프로세스에 적용함으로써, 유리 기판에의 열 손상이 낮아져, 내열성이 대면적이며 염가의 유리 기판을 사용할 수 있다.
그런데, 저온 다결정 프로세스에서 사용되는 엑시머 레이저 어닐 장치는 그 출력 파워가 불안정하기 때문에, 형성되는 폴리실리콘의 입자 사이즈가 크게 변동된다. 그러므로, 엑시머 레이저 어닐 장치를 사용하여 형성된 폴리실리콘막은 항상 양호한 입자 사이즈로는 되지 않고, 불량으로 되는 경우도 있다.
그래서, 일반적으로, 이와 같은 엑시머 레이저 어닐 장치를 사용하여 어닐 처리를 실행하는 경우에는, 폴리실리콘막의 다결정화 공정이 종료된 단계에서, 그 가장 위의 표면에 형성되어 있는 폴리실리콘막의 결정(結晶) 상태를 전수(全數) 검사하거나, 또는 제품을 무작위로 발취(拔取)하여 결정 상태를 검사함으로써, 제조한 제품이 이 단계에서 불량품인지 여부를 판단하는 것이 실행된다. 또, 엑시머 레이저 어닐 장치로부터 폴리실리콘막에 주어진 에너지의 정보를 엑시머 레이저 어닐 장치에 피드백하여, 최적의 레이저 파워 설정이 실행된다.
그러나, 폴리실리콘막을 평가하는 데에는, 종래, 가시(可視) 현미경이나 주사형 전자 현미경 등을 사용하여 표면 화상을 촬상(撮像)하고, 그 표면 화상을 눈으로 보아 결정 상태를 판단한다고 하는 감상적인 방법 밖에 없어, 비접촉이며 객관적으로 판단할 수 없었다. 또, 이와 같은 방법은 시간적, 비용적으로 비효율이어서, 인프로세스(in-process)로 사용하는 것은 곤란했다. 또, 분광(分光) 일립소그래피(ellipsography)에 의한 평가법도 있지만, 정량성(定量性)이 부족하다고 하는 문제도 있었다
도 1 (A)는 폴리실리콘막의 입자 사이즈와 엑시머 레이저 어닐로 주어지는 에너지와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 (B)는 폴리실리콘막에 주어지는 에너지에 대한 자기 상관값(自己相關値)의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 (C)는 폴리실리콘막에 주어지는 에너지에 대한 AC값 및 입자 사이즈의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 (A)는 레이저 파워를 최적값으로서 엑시머 레이저 어닐을 실행했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상이다.
도 2 (B)는 최적값보다 적은 파워로 엑시머 레이저 어닐을 실행했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상이다.
도 2 (C)는 최적값보다 큰 파워로 엑시머 레이저 어닐을 실행했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상이다.
도 3은 도 4의 폴리실리콘막 평가 장치의 요부를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 폴리실리콘막 평가 장치의 광학계의 상세 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 4의 폴리실리콘막 평가 장치 전체를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4의 폴리실리콘막 평가 장치의 조이스틱의 레이아웃을 나타내는 확대 시야도이다.
도 8은 종래의 조이스틱의 레이아웃예를 나타내는 확대 시야도이다.
도 9는 도 10에 대응하는 종래의 형태를 나타내는 모식도이다.
도 10은 자외용 대물 렌즈의 WD를 의도적으로 크게 설정하여 대물 렌즈와 기판과의 간섭을 방지하는 수단을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 스테이지에 로드되는 기판과 스테이지와의 간섭을 방지하는 충돌 방지 수단의 개념도이다.
도 12는 도 11에 대응하는 종래의 형태를 나타내는 개념도이다.
도 13은 도 4의 폴리실리콘막 평가 장치의 광학계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 조명광량을 제어하는 제어 기구를 나타내는 개략도이다.
도 15 (A) 내지 15 (C)는 검사 개시 WD로부터 정량 피치로 동일 방향으로 WD를 스테이지의 상하 방향에서 변화시켜 얻어진 데이터의 콘트라스트 그래프이다.
도 16 (A) 내지 16 (C)는 폴리실리콘막의 표면 화상 상에 휘도를 중첩한 도면이다.
도 17은 도 16 (A) 내지 16 (C)의 화면 상에 휘도 변화의 비율을 중첩한 도면이다.
본 발명은 상기 사정을 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 것은 형성한 폴리시리콘막의 상태를 객관적으로 비접촉이며, 정밀도 양호하게 자동적으로 평가할 수 있는 폴리실리콘막 평가 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 비정질 실리콘막을 어닐 처리함으로써 형성된 폴리실리콘막을 평가하는 폴리실리콘막 평가 장치에 있어서, 폴리실리콘막이 형성된 기판이 탑재되는 스테이지와, 가시광을 상기 스테이지 상의 기판에 조사함으로써 기판 상의 폴리실리콘막의 표면 화상을 촬상하여 오토포커스하는 가시광 관찰 광학계와, 자외광을 상기 스테이지 상의 기판에 조사함으로써, 상기 가시광 관찰 광학계를 사용하여 오토포커스된 기판의 폴리실리콘막의 표면 화상을 얻는 자외광 관찰 광학계와, 상기 자외광 관찰 광학계에 의해 얻어진 폴리실리콘막의 표면 화상으로부터 폴리실리콘막의 막 표면의 공간 구조의 직선성 및 주기성을 평가하고, 이 직선성 및 주기성의 평가 결과에 따라, 상기 폴리실리콘막의 상태를 평가하는 평가 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 형성한 폴리실리콘막의 상태를 객관적으로 비접촉이며, 정밀도 양호하게 자동적으로 평가할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 한 실시 형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 한 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치는, 예를 들면, 보텀 게이트 구조를 가지는 박막 트랜지스터(보텀 게이트형 TFT)의 제조 공정 중에 형성되는 폴리실리콘막의 검사에 사용된다. 그리고, 보텀 게이트형 TFT는, 예를 들면, 유리 기판 상에 게이트 전극, 게이트 절연막, 폴리실리콘막(채널층)이 하층으로부터 차례로 적층된 박막 트랜지스터이다. 즉, 보텀 게이트형 TFT는 채널층이 되는 폴리실리콘막과 유리 기판 사이에 게이트 전극이 형성된 TFT이다.
그런데, 폴리실리콘막의 전계 이동도를 결정하는 중요한 요소는 폴리실리콘의 입자 사이즈라고 일컬어지고 있다. 그 입자 사이즈는 엑시머 레이저 어닐 처리 시에 있어서, 폴리실리콘막에 주어지는 에너지에 크게 의존한다. 그러므로, 엑시머레이저 어닐 처리 시에 있어서의 레이저 파워의 제어나 그 안정화가, 완성된 보텀 게이트형 TFT의 특성이나 수율에 크게 영향을 미치게 된다.
그러나, 엑시머 레이저 어닐 처리에서 사용되는 엑시머 레이저 어닐 장치는 출사하는 레이저 파워의 출력 변동이 비교적 크다. 그러므로, 엑시머 레이저 어닐 장치를 사용하여 엑시머 레이저 어닐을 실행한 경우, 양호한 입자 사이즈가 얻어지는 에너지의 허용 범위(폴리실리콘막의 제조 마진)에 대하여, 폴리실리콘막에 주어지는 에너지의 변동이 커져 버려, 폴리실리콘막을 안정적으로 제조하는 것이 어렵다.
따라서, 동일한 조건으로 엑시머 레이저 어닐을 실행한 경우라도, 폴리실리콘막의 입자 사이즈가 크게 변동되어, 예를 들면, 레이저 파워가 너무 커진 경우에는, 실리콘 결정이 미(微)결정화되어 버려, 이른바 선형(線形) 불량으로 되고, 또 레이저 파워가 너무 작아진 경우에는, 충분히 큰 입자 사이즈가 얻어지지 않는, 이른바 기록 불량이 되어 버린다.
또한, 보텀 게이트형 TFT는 게이트 전극이 폴리실리콘막의 하층에 위치하고 있기 때문에, 레이저 어닐을 실행한 경우에서의 열의 도망이 유리 기판 상(소스/드레인 영역 상)의 폴리실리콘막보다, 게이트 전극 상의 폴리실리콘막 쪽이 높아진다. 그러므로, 엑시머 레이저 어닐 장치로부터 주어지는 레이저 파워가 동일해도, 게이트 전극 상의 폴리실리콘막과, 유리 기판 상(소스/드레인 영역 상)의 폴리실리콘막으로 상승 온도가 상이하게 되고, 그 영향으로부터 입자 사이즈가 쌍방에서 상이하게 되어 버린다. 구체적으로는, 레이저 파워가 동일한 경우에는, 폴리실리콘막상에 형성되는 입자 사이즈는 유리 기판 상(소스/드레인 영역 상)보다 게이트 전극 상 쪽이 작아져 버린다.
그러므로, 보텀 게이트형 TFT에서는, 게이트 전극 상의 폴리실리콘막 및 유리 기판 상의 폴리실리콘막 쌍방이 함께 양호한 입자 사이즈가 얻어지는 에너지를 엑시머 레이저에 의해 주어야 하기 때문에, 폴리실리콘막의 제조 마진이 매우 좁아져 버린다.
그러나, 전술한 것과 같이, 엑시머 레이저 어닐 처리에서 사용되는 엑시머 레이저 어닐 장치는 출사하는 레이저 파워의 출력 변동이 매우 크다. 따라서, 게이트 전극 상의 폴리실리콘막 및 유리 기판 상의 폴리실리콘막의 쌍방이 모두 양호한 입자 사이즈를 얻도록 그 레이저 파워를 제어하는 것은 어렵다.
그래서, 일반적으로, 이와 같은 엑시머 레이저 어닐 장치를 사용하여 어닐 처리를 실행하는 경우에는, 폴리실리콘막의 다결정화 공정이 종료된 단계에서, 그 가장 위의 표면에 형성되어 있는 폴리실리콘막의 결정 상태를 전수 검사하거나, 또는 제품을 무작위로 발취하여 결정 상태를 검사함으로써, 제조한 제품이 이 단계에서 불량품인지 여부를 판단하거나, 또 폴리실리콘막에 주어진 에너지의 정보를 엑시머 레이저 어닐 장치에 피드백하여 레이저 파워의 설정이 실행된다.
본 실시 형태의 폴리실리콘막 평가 장치는 이와 같은 폴리실리콘막의 다결정화 공정이 종료된 단계에서, 형성된 폴리실리콘막의 평가를 실행하여, 제조된 제품이 이 단계에서 불량품인지 여부를 판단하거나, 또 엑시머 레이저 어닐 장치에 정보를 피드백하여 레이저 에너지의 설정을 실행하기 위해 사용되는 것이다.
여기에서, 본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치를 구체적으로 설명하기 전에, 이 평가 장치에 의한 폴리실리콘막의 평가 원리에 대하여 간단히 설명한다.
전술한 것과 같이, 제조한 박막 트랜지스터의 이동도는 폴리실리콘의 입자 사이즈가 크게 영향을 미친다. 충분한 이동도를 얻기 위해서는, 폴리실리콘의 입자 사이즈는 큰 쪽이 바람직하다.
폴리실리콘막의 입자 사이즈는 엑시머 레이저 어닐로 주어진 에너지에 크게 의존한다. 폴리실리콘막의 입자 사이즈는 도 1 (A)에 나타나는 것과 같이, 주어진 에너지가 증대되면, 그것에 따라 증대되지만, 어느 소정의 에너지(도면 중 L의 위치: 이 때의 에너지를 허용 최저 에너지(L)라고 함) 이상이 되면, 변화가 적어져 안정화된다. 또한, 에너지를 증대시켜 가면, 입자 사이즈의 변화가 커지고, 그리고 어느 임계값(도면 중 H의 위치)을 경계로 하여 폴리실리콘이 미결정립으로 되어 버린다(이 때의 에너지를 허용 최고 에너지(H)라고 함).
따라서, 통상, 엑시머 레이저 어닐을 실행하는 경우에는, 입자 사이즈가 안정화되기 시작하는 허용 최저 에너지(L)로부터 미결정립화되기 직전의 허용 최고 에너지(H)까지의 범위가 되도록, 조사하는 레이저 파워를 제어함으로써, 충분한 크기의 입자 사이즈를 얻도록 한다. 그리고, 이와 같은 범위의 에너지를 부여하는 레이저 파워의 레이저광을 비정질 실리콘막에 조사함으로써, 완성된 박막 트랜지스터의 이동도를 충분히 크게 하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 레이저 파워를 최적값으로 하여 엑시머 레이저 어닐을 실행했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상과, 최적값보다 적은 파워로 했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상과, 최적값보다도 큰 파워로 했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상을 비교한다.
도 2 (A) 내지 도 2 (C)에 각각의 경우의 화상을 나타낸다. 도 2 (A)가 최적값보다도 적은 레이저 파워로 했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상을 나타내는 도면이고, 도 2 (B)가 최적값의 레이저 파워로 했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상을 나타내는 도면이고, 도 2 (C)가 최적값보다도 큰 레이저 파워로 했을 때의 폴리실리콘막의 막 표면의 화상을 나타내는 도면이다. 그리고, 이 도 2에 나타내는 각 화상은 자외선광을 사용한 현미경 장치에 의해 촬영한 화상이지만, 이 현미경 장치에 대한 상세는 후술한다.
도 2에서, 엑시머 레이저 어닐의 레이저 주사 방향은 도면 중 X 방향으로 되어 있다. 그리고, 비정질 실리콘막에는, 조사면이 선형으로 된 레이저 빔이 조사되고, 그 주사 방향은 레이저 빔의 조사면 형상의 길이 방향으로 직교하는 방향이다.
여기에서, 엑시머 레이저 어닐 시에 있어서의 레이저 파워를 최적값으로 했을 때의 도 2 (B)의 화상과, 그 이외의 도 2 (A) 및 2 (C)에 나타내는 화상을 비교하면, 이하와 같은 특징이 나타나고 있다.
먼저, 레이저 파워를 최적값으로 했을 때의 폴리실리콘막의 표면 화상(도 2 (B))은 레이저 파워가 최적으로 되어 있지 않은 폴리실리콘막의 표면 화상(도 2 (A) 및 2 (C))과 비교하여, 직선성이 나타난 화상으로 되어 있다. 구체적으로는, 레이저의 주사 방향(도 2 중의 X 방향)에 대하여, 직선성이 나타난 화상으로 되어있다. 즉, 레이저 파워를 최적값으로 했을 때의 폴리실리콘막의 표면은 그 공간 구조에 직선성이 나타나는 규칙적인 형상으로 되는 특징이 있다.
또, 레이저 파워를 최적값으로 했을 때의 폴리실리콘막의 표면 화상(도 2 (B))은 레이저 파워가 최적으로 되어 있지 않은 폴리실리콘막의 표면 화상(도 2 (A) 및 2 (C))과 비교하여, 주기성이 나타난 화상으로 되어 있다. 구체적으로는, 레이저의 주사 방향과 직교하는 방향(도 2 중의 Y 방향)으로, 주기성이 나타난 화상으로 되어 있다. 즉, 레이저 파워를 최적값으로 했을 때의 폴리실리콘막의 표면은 그 공간 구조에 주기성이 나타나는 규칙적인 형상으로 되는 특징이 있다. 광학적으로는, 이 주기 구조를 광학 현미경으로 관찰하기 위해, 광원의 자외선 파장이 이 주기에서 광학계의 대물 렌즈의 NA를 곱한 값보다도 짧은 파장인 것이 필요하게 된다.
따라서, 본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치에서는, 이상과 같은 특징을 이용하여 폴리실리콘막의 상태를 평가하고 검사한다. 즉, 본 실시 형태의 폴리실리콘막 평가 장치에서는 엑시머 레이저 어닐을 실행한 후의 폴리실리콘막의 표면 화상을 수치 해석하여, 폴리실리콘막의 표면 공간 구조에 직선성이 나타나 있는가, 또는 폴리실리콘막의 표면 공간 구조에 주기성이 나타나 있는가, 또는 폴리실리콘막의 표면 공간 구조에 직선성 및 주기성이 나타나 있는가를 평가하고, 보텀 게이트형 TFT의 폴리실리콘막의 상태를 검사한다.
구체적으로는, 폴리실리콘막의 표면 화상으로부터 자기 상관(自己相關)을 사용하여 주기성을 수치화한 값(AC값)을 구하고, 폴리실리콘막의 표면 공간 구조의직선성 및 주기성을 평가하여, 폴리실리콘막의 상태 평가를 실행한다.
평가의 처리 순서는, 먼저, 폴리실리콘막의 막 표면의 화상 수용 처리를 실행하고, 계속해서, 수용한 화상으로부터 자기 상관 함수의 계산을 실행한다. 계속해서, 화상 좌표 상의 (0, 0)을 포함하는 정렬(整列) 방향과 수직면의 베어 내기를 실행한다. 계속해서 베어 낸 면에서의 자기 상관 함수의 피크값과 사이드 피크값을 산출하고, 이 피크값과 사이드 피크값과의 비를 취해 AC값을 구한다. 계속해서, 이 AC값에 따라, 폴리실리콘막의 평가를 실행한다.
AC값은 도 1 (B)에 나타나는 것과 같이, 엑시머 레이저 어닐에 의해 폴리실리콘막에 주어지는 에너지가 어느 에너지 EB1로 되었을 때부터 그 값이 비례적으로 상승하여, 어느 에너지 ET에서 그 값이 최대로 된다. 그리고, AC값은 이 최대로 되는 에너지 ET에서 피크값을 맞이하고, 그 후 그 값이 비례적으로 감소되어, 어느 에너지 EB2에서 그 감소가 종료되고, 그 값이 최소값으로 된다. 이와 같이 AC값은, 주어지는 에너지에 대하여 피크 특성을 가지고 있다.
이와 같은 AC값의 피크 특성을 도 1 (A)에서 나타낸 폴리실리콘막의 입자 사이즈의 변화 특성에 중합하여 보면, 도 1 (C)에 나타내는 것과 같이 된다. 이 도 1 (C)에 나타내는 것과 같이, AC값의 피크 특성을 나타내는 그래프의 최대값이 폴리실리콘막의 입자 사이즈가 적정하게 되는 에너지 범위 내로 들어오는 것을 알 수 있다. 또한, AC값이 비례적으로 상승을 개시하는 에너지 EB1이, 폴리실리콘막에 부여하여 입자 사이즈가 적정하게 되는 허용 최저 에너지 L보다 낮아진다. 또, AC값의 비례적인 감소가 정지되어 최저값으로 되었을 때의 에너지 EB2가 폴리실리콘막의 결정 입경이 미결정화되는 임계값의 에너지인 허용 최대 에너지 H와 일치된다.
따라서, 이와 같은 피크 특성을 가지는 AC값으로부터 폴리실리콘막의 입자 사이즈가 양호한 것인지 여부를 평가하는 경우에는, AC값이 도 1 (C) 중 굵은 선으로 나타낸 범위의 값에 들어가 있는지 여부를 판단하면 되게 된다.
이와 같은 특성을 가지는 AC값을 평가하여, 폴리실리콘막이 양품인지 여부의 검사를 실행하는 경우에는, 예를 들면, 검사 대상이 되는 기판의 AC값이 허용 최저 에너지 L을 부여했을 때 구해지는 ACL을 임계값으로 하고, 이 임계값보다도 크면 양품이라고 판단함으로써 검사가 가능하다. 또, 검사한 기판의 AC값이 이 임계값 ACL보다도 낮은 경우라도, 어떠한 특성을 관찰함으로써, AC값이 최대로 되는 에너지 ET보다도 높은 에너지를 부여하고 있는 것을 알 수 있으면, 양품이라고 판단하는 것이 가능하다.
또, 이와 같은 특성을 가지는 AC값을 평가하여, 엑시머 레이저 어닐 장치로부터 출사되는 레이저 파워를 최적으로 설정하는 경우에는, 예를 들면, 엑시머 레이저의 레이저 파워를 변동시키면서, 복수개의 기판에 대하여 레이저 어닐 처리를 실행한다. 그리고, 각 레이저 파워에 대응시킨 AC값의 특성도를 그리고, 구체적으로는, 도 1 (B)에 나타내는 것과 같은 특성도를 그리고, 이 특성도로부터 최적의 레이저 파워를 구하면 된다.
계속해서, 전술한 평가 원리를 사용하여 폴리실리콘막의 상태를 평가하여 검사하는 폴리실리콘막 평가 장치의 구성에 대하여, 이하 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치는 파장 266nm의 자외광 레이저를 사용한 현미경 장치에 의해 보텀 게이트형 TFT의 제조 기판(비정질 실리콘막에 엑시머 레이저 어닐을 실행함으로써 폴리실리콘막이 형성된 직후 상태의 기판)을 촬상하고, 촬상된 화상에 따라, 형성된 폴리실리콘막의 상태를 평가한다.
도 3에는 본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치의 요부 구성이 모식적으로 나타나 있다. 도시하는 것과 같이, 폴리실리콘막 평가 장치는 기판(W)이 탑재되는 가동 스테이지(25)와, 자외선 고체 레이저 광원(10A)과, 고감도 저잡음의 자외광용 CCD 카메라(6)와, 광 파이버 프로브(80)와, 다이크로익 미러(19)와, 복수의 대물 렌즈를 구비한 리볼버(42)와, 제어 장치(51)를 구비하고 있다. 그리고, 제어 장치(51)는 화상 처리용 컴퓨터(51A)와 제어용 컴퓨터(51B)로 이루어진다.
광 파이버 프로브(80)는 자외선 레이저광의 도파로(導波路)이며, 자외선 고체 레이저 광원(10A)으로부터 출사된 자외광 레이저를 UV 조명부(10B)로 인도하고 있다. UV 조명부(10B)를 나온 자외선 레이저는 편광 빔 스플리터(21) 및 1/4 파장판(14)을 통해 다이크로익 미러(19)로 인도된다.
다이크로익 미러(19)는 자외선 고체 레이저 광원(10A)으로부터의 자외선 레이저광을 반사하고, 이 레이저광을 리볼버(41)의 하나의 대물 렌즈를 통해 가동 스테이지(25) 상의 기판(W)에 조사하는 동시에, 기판(W)으로부터 반사된 반사광을 투과하여 자외광용 CCD 카메라(6)에 입사시킨다. 즉, 다이크로익 미러(19)는 자외선고체 레이저 광원(10A) 등의 조사광 광학계의 광로와, CCD 카메라(6)에의 반사광 광학계의 광로를 분리하기 위한 레이저광 분리기이다.
또, 리볼버(42)에 설치된 복수의 대물 렌즈는 기판(W)으로부터의 반사광을 확대하여 검출하기 위한 광학 소자이다. 이들 대물 렌즈는, 예를 들면, NA가 0.9이며, 파장 266nm로 수차(收差) 보정된 것이다. 또, 이들의 대물 렌즈는 다이크로익 미러(19)와 가동 스테이지(25) 사이에 배치되어 있다.
제어용 컴퓨터(51B)는 자외선 고체 레이저 광원(10A)의 레어저 광 점등 제어나, 가동 스테이지(25)의 이동 위치 제어, 또는 사용하는 대물 렌즈를 전환하기 위해 리볼버(42)를 회전시키는 전환 제어 등을 실행한다. 한편, 화상 처리용 컴퓨터(51A)는 CCD 카메라(6)에 설치되어 있는 이미지 센서에 의해 촬상한 기판(W)의 화상을 수용하여 해석하고, 기판(W) 상에 형성되어 있는 폴리실리콘막 상태의 평가를 실행한다.
이상과 같은 구성의 폴리실리콘막 평가 장치에 의하면, 자외선 고체 레이저 광원(10A)으로부터 출사된 자외광 레이저는 광 파이버 프로브(80)와 다이크로익 미러(19)와 리볼버(42)의 대물 렌즈를 통해 기판(W)에 조사된다. 기판(W)에 조사된 자외광 레이저는 이 기판(W)의 표면에서 반사되고, 그 반사광은 리볼버(42)의 대물 렌즈와 다이크로익 미러(19)를 통해 CCD 카메라(6)에 입사된다. 그리고, CCD 카메라(6)는 그 입사된 반사광을 CCD 이미지 센서에 의해 촬상하고, 촬상하여 얻어진 폴리실리콘막의 표면 화상 정보를 화상 처리용 컴퓨터(51A)에 공급한다. 그리고, 화상 처리용 컴퓨터(51A)는 후술하는 것과 같이, 수용된 폴리실리콘막 화상 정보에따라, 폴리실리콘막의 상태를 평가한다. 그리고, 그 평가 결과에 따라, 폴리실리콘막을 생성하기 위한 엑시머 레이저 어닐 시에 있어서의 레이저 파워의 설정값을 구하거나, 또 그 기판(W) 상에 형성된 폴리실리콘막이 양품인가 또는 불량품인가의 판별을 실행한다.
다음에, 도 4 및 도 5를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치의 구성을 더욱 상세히 설명한다.
도 4 및 도 5에 나타내는 것과 같이, 본 실시 형태에 관한 폴리실리콘막 평가 장치(1)는 자외광을 공급하는 광학계 이외에, 가시광을 공급하는 광학계를 가지고 있다. 이것은 자외광용 대물 렌즈가 일반적으로 오토포커스에 사용되는 가시 레이저광의 파장 영역에 대하여 색수차(色收差)를 가져 오토포커스를 실행하는 것이 곤란하기 때문이다. 구체적으로는, 장치(1)는 가시광 조명부(8)와 자외광 조명부(10)를 구비하는 동시에, 리볼버(42)에 가시용 대물 렌즈(40a)와 자외용 대물 렌즈(40b)를 가지고 있다. 그리고, 가시광에 의해 오토포커스를 실행한 후, 리볼버(42)를 회전시켜 대물 렌즈의 사용을 가시용 대물 렌즈(40a)로부터 자외용 대물 렌즈(40b)로 전환하고, 그 상태에서 자외광을 사용한 폴리실리콘막의 촬상을 실행한다. 가시 광학계를 가짐으로써 가시광에 의한 현미경 관찰도 가능하게 된다.
그리고, 본 실시 형태에서의 오토포커스 방식으로서는, 예를 들면, 나이프 에지법, 비점 수차법(非点收差法), 이축법(離軸法) 등의 광학 검출 방식이나, 화상 그것의 콘트라스트를 검출하여 포커스를 거는 화상 처리 검출 방식(콘트라스트 검출 방식)을 채용할 수 있다. 또, 상기 화상 처리 검출 방식으로서는, 콘트라스트의최대 및 최소를 사용하여 포커스를 실행하는 변조도법(變調度法)이나, 콘트라스트의 표준 편차를 사용하여 포커스를 실행하는 표준 편차법이 있다. 또, 광이 아니고 근접한 물체끼리의 정전(靜電) 용량의 상위로 포커스를 거는 정전 용량 검출 방식을 채용해도 된다.
도 5에 상세하게 나타내는 것과 같이, 가시광에 의해 오토포커스를 실행하는 가시광 관찰 광학계는 고신뢰성 할로겐 램프로 이루어지는 파이버 광원(85)과, 가시광 조명부(8)와, 파이버 광원(85)으로부터의 가시광을 가시광 조명부(8)에 공급하는 라이트 가이드(86)와, 오토포커스 유닛(12)과, 결상 렌즈(18)와, 가시광용 CCD 카메라(4)와, CCD 카메라(4)에 의해 촬상된 상에 따라 오토포커스 유닛(12)을 제어하는 오토 포커스 컨트롤러(84)를 구비하고 있으며, 공지의 형태로 오토포커스를 실행한다.
한편, 자외광을 사용한 폴리실리콘막의 촬상을 실행하는 자외광 관찰 광학계는 자외선 고체 레이저 광원(UV 광원부)(10A)와, 자외광 조명부(UV 조명부)(10B)와, 자외광 결상부(UV 결상부)(70)를 구비하고 있다.
자외선 고체 레이저 광원(10A)은 자외선 고체 레이저 유닛(60)과, ND부(61)로 이루어진다. 자외선 고체 레이저 유닛(60)은 파장 266nm의 자외광 레이저 광원이며, 예를 들면, Nd : YAG 4배파 전(全) 고체 레이저가 사용된다. 그리고, 이 자외선 레이저 광원으로서는, 최근, 파장 157nm 정도의 것도 개발되어 있고, 이와 같은 것을 광원으로서 사용해도 된다.
또, ND부(61)는 UV 렌즈(63)와 자외선 고체 레이저 유닛(60)으로부터의 자외광을 UV 렌즈로 향해 반사하는 UV 미러(66)와, 자외선 고체 레이저 유닛(60)과 UV 미러(66) 사이의 광로 중에 설치된 UV 셔터(67)와, UV 렌즈(63)와 UV 미러(66) 사이의 광로 중에 설치되고, 또한 자외광 관찰 시의 밝기를 조정하기 위한 가변식 ND 필터(64)를 가지고 있다. 이 경우, UV 셔터(67)는 플런저 어셈블리(68)에 의해 공지의 형태로 작동된다. 또, 가변식 ND 필터(64)도 스테핑 모터(65)에 의해 공지의 형태로 작동된다(개구율의 조정).
또, 자외광 조명부(10B)는 자외선 고체 레이저 광원(10A)으로부터의 자외광을 받는 확산판(74)과, 개구 스톱(75), 시야 스톱(76)을 가지고 있다. 확산판(74)은 DC 브러시레스 모터(77)에 의해 공지의 형태로 작동된다. 또, 개구 스톱(75)도 스테핑 모터(78)에 의해 공지의 형태로 작동된다.
그리고, 자외선 고체 레이저 광원(10A)으로부터의 자외광은 자외선 고체 레이저 광원(10A)의 ND부(61)의 커플링(62)과 자외광 조명부(10B)의 커플링(73)을 연결하는 파이버(80)에 의해, 자외광 조명부(10B)에 전송된다.
자외광 결상부(UV 결상부)(70)는 자외광용 CCD 카메라(6)와, 배율 렌즈계(72)를 가지고 있다. 배율 렌즈계(72)는, 예를 들면, 400배용 렌즈와 100배용 렌즈를 가지고 있으며, 스테핑 모터(71)에 의해 렌즈의 전환이 실행되도록 되어 있다. CCD 카메라(6)는 자외광에 대하여 고감도화된 카메라이며, 내부에 촬상 소자로서 CCD 이미지 센서를 구비하고, 이 CCD 이미지 센서에 의해 기판(W)의 표면을 촬상한다. 또, CCD 카메라(6)는 본체를 냉각함으로써, CCD 이미지 센서 등에서 발생하는 열잡음, 판독 잡음, 회로 잡음 등을 억압하고 있다.
그리고, 도 4 및 도 5 중, (16)은 자외광용의 결상 렌즈이며, (21)은 빔 스플리터이며, (14)는 빔 스플리터(21)와 다이크로익 미러(19) 사이의 광로 중에 설치된 파장판이며, (22)는 스테이지(25) 상의 기판(W)을 밀어 올리기 위해 스테이지(25) 상에 승강 가능하게 설치된 핀이며, (23)은 스테지(25) 상에서의 기판(W)의 위치 결정 상태를 검지하는 기준 검출 센서이다. 또, (83)은 대물 렌즈의 사용을 가시용 대물 렌즈(40a)와 자외용 대물 렌즈(40b) 사이에서 전환하기 위해, 리볼버(42)를 회전시키는 리볼버 컨트롤러이다. 또, 기판(W)은, 예를 들면, 600mm ×720mm인 직사각형의 대형 액정 기판이며, 도시하지 않은 대기 위치에 하나씩 반송되어 여기에서 대기되는 동시에, 로봇 암(38)에 의해 1매씩 스테이지(25) 상으로 로드된다.
또, 가동 스테이지(25)는 피검사물로 되는 폴리실리콘막이 성막된 기판(W)을 지지하는 동시에, 이 기판(W)을 소정의 검사 위치로 이동시키는 기능을 구비하고 있다. 구체적으로는, 가동 스테이지(25)는 X축 방향으로 스테이지(25)를 이동시키기 위한 X 스테이지(26)와, Y축 방향으로 스테이지(25)를 이동시키기 위한 Y 스테이지(28)와, Z축 방향으로 스테이지(25)를 이동시키기 위한 Z 스테이지(15)에 의해 동작 가능하게 지지되어 있다. 즉, 가동 스테이지(25)는 X 스테이지(26)와 Y 스테이지(28)에 의해 기판(W)을 서로 직교하는 방향으로 이동시켜, 기판(W)을 소정의 검사 위치에 위치 결정한다. 또, 가동 스테이지(25)는 Z 스테이지(15)에 의해 그 높이가 조정되어, 포커스 동작에 기여한다. 또, XYZ 스테이지(15, 26, 28)는 테이블(30) 상에 고정적으로 세트되어 있다. 또, 테이블(30)은, 예를 들면, 공기 스프링으로 이루어지는 댐퍼(진동 방지 장치)(32)를 통해 서포트(34)에 장착되어 있다.
또, 전술한 가시광 관찰 광학계 및 자외광 관찰 광학계는 그 메인티넌스가 용이하게 되도록, 서로 일체로 이루어지는 하나의 유닛으로서 구성되고, 장치 본체(2)에 장착 및 분리 가능하게 탑재되어 있다. 이 상태가 도 6에 명확하게 나타나 있다. 도 6에 나타내는 것과 같이, 장치(1)는 가시광 관찰 광학계 및 자외광 관찰 광학계를 구비한 광학 부분(110)과, 스테이지(25) 및 그 구동계(15, 26, 28)를 구비한 장치 본체(2)로서의 메커니컬 부분(112)으로 이루어지고, 메커니컬 부분(112)에 광학 부분(110)이 장착 및 분리 가능하게 탑재된 구조를 이루고 있다. 즉, 장치(1)는 상부에 광학계가 배치되고, 하부에 XYZ 동작 기계가 배치된 구조로 되어 있다. 이와 같은 구조를 이루고 있으면, 다른 장소에서 광학계의 조립(얼라인먼트 등)을 실행할 수 있는 동시에, 광학계를 장치 본체(2)(메커니컬 부분(112))에 내장할 때에는, 단지 기계적인 정밀도에 의해 광학 부분(110)을 메커니컬 부분(112)에 장착하면 된다. 또, 광학계의 그 후의 메인티넌스도 광학 부분(110)을 메커니컬 부분(112)으로부터 분리하는 것만으로 되기 때문에 작업 효율이 양호하게 된다.
도 4에 나타내는 것과 같이, 장치 본체(2) 내를 강제 배기하기 위해, 장치 본체(2)에는 배기관(36)이 접속되어 있다. 또, 장치 본체(2)는 검사 영역에 인접하여, 제어 타워를 가지고 있다. 이 제어 타워에는 조작 디스크(92)와, 화상 표시 모니터(41)와, 조작 패널(터치 디스플레이)(47)과, XYZ 스테이지(15, 26, 28)를 조작하는 조이스틱(45)과, 제어 장치(51)가 설치되어 있다. 조작 디스크 상에는, 조작용 키보드(49)가 설치되어 있다.
또, 조이스틱(45)은 장치 본체(2)에 형성된 리세스(recess)(43) 내에 위치하여 외부에 돌출하지 않도록 되어 있다. 즉, 도 7에 확대하여 나타내는 것과 같이, 조이스틱(45)은 장치 본체면으로부터 돌출하지 않도록 판금 굽힘 등에 의해 장치 본체(2)에 형성된 리세스(43) 내에 레이아웃되어 있다. 비교를 위해, 종래의 조이스틱의 레이아웃을 도 8 (A) 및 8 (B)에 나타낸다. 도시하는 것과 같이, 종래의 조이스틱(P, Q)은 조작 디스크 상에 돌출한 상태로 레이아웃되어 있다. 그러므로, 뜻하지 않은 접촉에 의한 오작동이 발생하거나, 조작 디스크의 스페이스가 조이스틱(P, Q)에 의해 점유된다고 하는 결점이 있다. 이에 대하여, 본 실시 형태에서는, 도 7에 나타내는 것과 같이 레이아웃되어 있기 때문에, 조이스틱(45)에 접촉함에 따른 오작동을 방지할 수 있는 동시에, 스페이스 절약화가 도모되고, 또 조이스틱(45)을 수송 시에 분리하여 별도 포장한다고 하는 수고가 불필요하게 되기 때문에, 수송 공정수의 삭감을 도모할 수 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 리세스(43)의 저면이 경사지어 있기 때문에, 조이스틱(45)의 조작성이 양호하게 된다. 그리고, 이와 같은 리세스(43)를 이용한 레이아웃은 XYZ 스테이지를 조작하는 조이스틱(45)에 한정되지 않고, 조그 다이얼, 트랙 볼, 터치 패드, 키보드 등에도 적용할 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 테이블(30)을 서포트(34)에 접속하는 댐퍼(32)가 외부 진동 등에 의해 동요되었을 때, 기판(W)과 대물 렌즈(특히, 워킹 디스턴스가 미소한 자외용 대물 렌즈(40b))가 서로 충돌하여 손상되는 것을 방지하는 제1 충돌방지 수단이 설치되어 있다. 이 제1 충돌 방지 수단은 기판(W)의 Z 방향의 이동을 광학적으로 검지하여 규제하는 것이다. 즉, 이 제1 충돌 방지 수단은 도 4 및 도 6에 나타내는 것과 같이, 스테이지(25)의 Z 방향의 이동 경로의 상한 위치를 끼워 넣도록 대향하는 2개의 센서부 사이에서 레이저광을 흐르게 하는 기판 플로트 센서(20)를 가지고 있다. 제1 충돌 방지 수단은 이 센서(20)의 레이저 광에 스테이지(25)가 걸리면(스테이지(25)가 Z 방향의 상한 위치에 달한 것을 레이저광에 의해 검지하면), Z 스테이지(15)의 구동을 강제적으로 정지시키고, 또는 경보를 발한다.
또, 기판(W)과 대물 렌즈(특히 워킹 디스턴스가 미소한 자외용 대물 렌즈(40b))와의 간섭에 관련하여, 본 실시 형태에서는 Z 스테이지(15)의 상한 위치를 XY 스테이지(26, 28)에서의 XY 좌표의 함수로 하고 있다. 즉, Z 스테이지(15)의 상한 위치를 XY 평면 상의 위치에 따라(XY 평면도에 따라) 변화시키고 있다. 구체적으로는, 소프트웨어 테크닉에서의 Z 방향의 리미트(limit) 정지 위치의 설정값이 XY 스테이지(26, 28)의 좌표 위치에 의해 자동적으로 전환되도록 되어 있고, 그러므로, 미리 측정된 스테이지(25) 상면의 기복 상태에 따라, 상기 설정값을 매핑(mapping)하고 있다. 스테이지(25)의 운동 성능의 재현성은 염가의 메커니컬 가이드를 사용한 것이라도 0.01mm 이하이기 때문에, 이 기능에 의해, 리미트 위치의 설정 마진을 확보하는 것이 가능하게 된다. 이에 대하여, 종래에는 기판(W)과 대물 렌즈가 접촉하는 것을 피하기 위해, 접촉 직전 위치에 근접 동작을 정지시키는 리미트 스위치가 하드웨어 또는 소프트웨어 테크닉에 의해 설치되어 있지만, 관찰하는 기판(W)의 크기가 커지는 데 따라, 이것이 탑재되는 스테이지(25)의 탑재면의 XY 전 영역의 평행 평면도가 나빠지면, NA가 크고 워킹 디스턴스(WD)가 작은 고배율 대물 렌즈(40b)를 사용한 현미경 관찰에서는, 설정할 수 있는 범위가 매우 작아진다. 예를 들면, WD = 0.2mm, 평행 평면도 = 0.1mm의 사례에서는, 거의 여유를 얻을 수 없다. 따라서, 이 경우에는, 평행 평면도를 엄격하게 한 고가의 XY 스테이지가 필요하게 된다. 그러나, 본 실시 형태와 같이, Z 스테이지(15)의 상한 위치를 XY 스테이지(26, 28)에서의 XY 좌표의 함수로 하고, Z 스테이지(15)의 리미트 정지 위치를 설정하면, 이와 같은 문제가 없어진다.
또, 기판(W)과 대물 렌즈(특히, 워킹 디스턴스가 미소한 자외용 대물 렌즈(40b))와의 간섭에 관련하여, 본 실시 형태에서는, 다시, 이하와 같은 대책이 강구되고 있다. 즉, 본 실시 형태와 같이 리볼버(42)에 WD가 상이한 복수의 대물 렌즈(40a, 40b)를 설치하면, 도 9에 나타내는 것과 같이, WD가 큰 가시용 대물 렌즈(40a)(예를 들면, L = 2mm∼, 초점 거리 h)로 초점을 근방 Z2(도면 중 Z1은 원방(遠方))에 맞춘 상태에서, 리볼버(42)를 회전시켜 대물 렌즈의 사용을 전환했을 때에 WD가 작은 자외용 대물 렌즈(40b)(예를 들면, L이 대략 0.1mm, 초점 거리 H(=h))가 기판(W)과 충돌할 우려가 있다. 그러므로, 본 실시 형태에서는, 도 10에 나타내는 것과 같이, 자외용 대물 렌즈(40b)의 WD가 의도적으로 δ만큼 크게 설정되어 있다. 도 10 (A)는 가시용 대물 렌즈(40a)로 초점을 근방 Z2에 맞춘 상태를, 또 도 10 (B)는 가시용 대물 렌즈(40a)로 초점을 원방 Z1에 맞춘 상태를 각각 나타내고 있지만, WD의 큰 가시용 대물 렌즈(40a)가 기판(W)에 근접해도, 거리 δ만큼의 여유가 있기 때문에, 자외용 대물 렌즈(40b)와 기판(W)과의 충돌을 피할 수 있다.
또, 본 실시 형태와 같이 테이블(30)과 서포트(34)를 댐퍼(32)에 의해 접속한 구성에서는, 댐퍼(32)가 외부 진동 등에 의해 동요했을 때에, 스테이지(25)가 진동되어, 로봇 암(38)에 의해 반송되는 기판(W)과 스테이지(25)가 충돌될 우려가 있다. 그러므로, 본 실시 형태에서는, 이와 같은 위험성을 회피하기 위해, 제2 충돌 방지 수단이 설치되어 있다. 이 제2 충돌 방지 수단은 도 6에 명확히 나타내는 것과 같이, 서포트(34)에 고정된, 예를 들면, 에어 실린더(100)를 가지고 있다. 이 에어 실린더(100)의 신축 로드(100a)는 테이블(30)에 접속되어 있다. 또, 테이블(30)과 서포트(34) 사이에는 스토퍼(102)가 설치되어 있다.
이와 같은 제2 충돌 방지 수단의 사용 형태가 도 11에 나타나 있다. 먼저, 로봇 암에 의해 기판(W)을 스테이지(25) 상에 로드하는 경우(언로드하는 경우도 동일)에는, 공기 스프링으로 이루어지는 댐퍼(32)의 공기를 빼내고, 댐퍼(32)의 상측에 위치하는 테이블(30)을 에어 실린더(100)에 의해 아래 쪽으로 잡아 당긴다. 이에 따라, 테이블(30)의 하면이 스토퍼(102)에 맞닿아 테이블(30)의 위치가 고정된다. 그리고, 이 고정 위치가 도시하지 않은 검지 수단에 의해 검지되면, 로봇 암(38)이 스테이지(25) 상에 기판(W)을 로드한다(또는, 암(38)에 의해 기판(W)이 스테이지(25) 상으로부터 언로드된다). 스테이지(25) 상에 기판(W)이 탑재된 후에는, 댐퍼(32)에 재차 에어를 보내주어 댐퍼 기구를 기능하게 한다. 즉, 스테이지(25)는 스테이지(25)의 진동을 방지하는 댐퍼(진동 방지 수단)(32)를 통해 서포트(34)에 장착되어, 댐퍼(32)에 의한 진동 방지 작용이 일어나는 제1 상태와,서포트(34)측에 고정되어 진동 방지 작용이 일어나지 않는 제2 상태 사이에서 전환 가능하게 되어 있다. 이와 같은 제2 충돌 방지 수단을 설치하지 않으면, 도 12에 나타내는 것과 같이, 스테이지(25)에 대한 기판(W)의 수도(受渡) 시에 댐퍼(32)가 진동하여, 암(38) 상의 기판(W)이 스테이지(25)와 충돌할 위험이 있다.
이와 같이, 제2 충돌 방지 수단에 의하면, 댐퍼(32)의 진동을 억제할 수 있어, 안전한 기판(W)의 수도를 실행할 수 있다. 또, 통상의 공기 스프링의 공기를 개방하는 것만으로는, 테이블(30)이 스토퍼(102)에 닿을 때까지의 시간이 길어지지만, 본 실시 형태와 같이 실린더(100)를 사용하여 테이블(30)을 적극적으로 잡아 당기면, 택트(tact) 시간을 단축할 수 있어, 결과적으로 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 도 4 내지 6 및 13에 명확히 나타나 있는 것과 같이, 가시광 관찰 광학계의 광축과 자외광 관찰 광학계의 광축이 동축으로 되어 있고, 이에 따라, 가시광 관찰 광학계에 장비된 오토포커스 기능을 사용하여 자외광 관찰 시의 초점 맞춤을 용이하게 실행할 수 있도록 되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 리볼버(42)를 사용하여 동일 초점 상에서 가시용 대물 렌즈(40a)와 자외용 대물 렌즈(40b)와의 교환을 실행할 수 있도록 되어 있고, 그 결과, 가시광 관찰 광학계로 오토포커스를 실행하고, 그 후, 리볼버(42)의 전환 조작을 실행하는 것만으로, 자외광 관찰 광학계의 초점 맞춤을 용이하게 실행할 수 있다. 이에 대하여, 종래와 같이, 가시 또는 적외역의 레이저광을 사용한 반사 액티브형의 오토포커스에서는, 이것을 자외광 관찰 광학계에 적용하려고 하면, 자외용 대물 렌즈(40b)가 가지는 색수차에 의해 적절한 성능이 얻어지지 않는다. 그리고, 이 경우, 자외~가시역까지 색수차를 보정한 렌즈를 사용하는 것도 가능하지만, 이와 같은 렌즈는 매우 고가이며, 또 제조 상 사용되는 접착제의 영향에 의해 자외광 조사에 의한 열화(劣化)가 문제로 된다. 열화 문제가 되지 않을 정도의 색지움 대물 렌즈가 사용되면 고가이기는 하지만, 가시부와 자외부의 광학계를 각각 독립적으로 구성할 수 있다. 오토포커스 기구도 각각 독립적으로 가진다. 자외부의 대물 렌즈는 하나뿐이기 때문에 리볼버 기구는 가시부만으로 된다. 그 결과, 자외부는 대물 렌즈를 피에조(piezo) 액추에이터로 구동할 수 있게 된다. Z의 미조정(微調整)을 아래의 베이스에서 실행하는 경우와 비교하여 피에조로 대물 렌즈를 구동하는 방식은 관성(慣性) 모멘트가 작아져 오토포커스의 택트 타임을 빠르게 할 수 있게 된다.
또, 본 실시 형태에서는, 도 13에 나타내는 것과 같이, AF 광 파장을 제거하는 필터(27)가 가시광용 CCD(4)와 결상 렌즈(18) 사이에 끼웠다 뺏다 할 수 있게 설치되어 있다. 이 경우, 필터(27)의 빼고 끼우기 동작은 필터 이동 기구(23)에 의해 실행된다. 구체적으로는, 포커스를 걸 때에는 필터(27)를 걸고(필터(27)를 광로 중에 위치시키고), 화상을 볼 때에는 필터(27)를 광로 중에서 제거하도록 한다. 이와 같이, 포커스 동작 후에 필터(27)를 제거하고 정지 관찰하면, 풀컬러(full-color)의 화상 관찰이 얻어진다. 이에 대하여, 종래와 같이, 가시광역 파장의 광(예를 들면, 660nm 적(赤))을 사용한 반사 액티브형의 오토포커스를 실행하면, 조명광에 의한 포커스 정밀도에의 영향을 받기 때문에, 포커스 광의 파장을 컷하는 필터를 관찰 조명용의 광축 상에 삽입할 필요가 있다. 이 경우, 조명광의 적 성분이컷되기 때문에, 관찰 화상은 푸른기를 띤 화상으로 되어, 풀컬러의 관찰을 실행할 수 없게 된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, 필터(27)로서 구동계를 갖지 않은 액정 가변 필터를 사용하는 것도 가능하다. 또, 도 13에 나타내는 것과 같이, 자외광용 CCD(6)와 빔 스플리터(21) 사이의 광로 중에 컬러 필터(50)를 삽입해도 된다.
또, 본 실시 형태에서는, 리볼버(42)에 5개의 대물 렌즈를 장착할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 리볼버(42)의 5개의 렌즈 장착부 중, 4개의 렌즈 장착부에만 대물 렌즈가 세팅되어 있다. 구체적으로는, 2개의 가시용 대물 렌즈(40a)와 2개의 자외용 대물 렌즈(40b)가 리볼버(42)에 세팅되어 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 기판(W)에 조사되는 조명광의 광량을 모니터하여 조정하는 광량 제어 기구가 설치되어 있다. 이 광량 제어 기구는 도 14에 나타내고 있는 것과 같이, 대물 렌즈에 입사되는 조명광을 반사하는 반사 미러(123)와, 반사 미러(123)에 의해 반사된 광을 빔 스플리터(21)의 반사 작용에 의해 받는 CCD(125)와, CCD(125)에 의해 촬상된 화상에 따라, 예를 들면, 조명 광학계를 구성하는 광원의 전기 소자(예를 들면, 가변 저항)(127)의 저항값을 변화시켜 소정의 조사량이 되도록 조명광을 조정하는 조사량 제어부(129)로 이루어진다. 이 경우, 반사 미러(123)는 대물 렌즈가 장착되어 있지 않은 리볼버(42)의 나머지 하나의 빈 렌즈 장착부(121)에 세팅되어 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 매우 초점 심도가 얕은 광학계(자외용 대물 렌즈(40b))를 사용하고 있기 때문에, 자외용 CCD 카메라(6)에 의해 베스트 포커스의 화상을 얻기 위해, 베스트 포커스 근방의 포커스가 상이한 복수의 화상을 수용하여 평가할 필요가 있다. 그러므로, 장치(1)는 처리 시간을 단축하기 위해, 될 수 있는 한 적은 화상으로 베스트 포커스 화상을 발견하는 학습 기능을 가지고 있다. 피검사물(기판(W))이 전(前)공정에서 동일 로트로 배치(batch) 처리되어 있는 경우, 동일 로트 내 패턴의 경향이 근사하기 때문에, 이와 같은 학습 기능은 유효하다. 이하, 상기 학습 기능의 구체적인 학습 순서에 대하여 설명한다. 먼저, 동일 개소, 동일 영역의 그레이값(Gray value)의 분포로부터 표준 편차값을 산출한다. 상이한 디포커스의 화상을 복수 수용했을 때, 표준 편차의 가장 큰 화상이 가장 콘트라스트가 높고, 자기 상관 계수값(AC값)이 가장 높아지는 것이 실험에 의해 알려져 있다. 본 실시 형태의 폴리실리콘막 평가 장치(1)는 고정밀도로 WD를 설정할 수 있는 구조를 가지고 있으며, 검사 개시 WD로부터 정량 피치로 동일 방향으로 WD를 스테이지(25)의 상하 방향에서 변화시켜 데이터를 얻는다. 얻어진 데이터의 표준 편차의 그래프가 도 15 (A)에 나타나 있다. 이 데이터로부터 피크 위치의 화상을 베스트 포커스 화상으로 하여 이후의 해석에 사용한다.
도 15 (A)의 그래프에서, 가로축이 Z 방향에서의 각 디포커스 위치를 표시하고, 세로축이 표준 편차, 즉 콘트라스트를 표시한다. 목적으로 하는 최고 표준 펀차값의 전후 측정은 피크값을 구하기 위한 예비 검사이지만, 이 예비 검사는 될 수 있는 한 적은 쪽이 측정 효율 상 바람직하다. 이 피크값을 P로 하여 구하는 최단로(最短路) 알고리즘(algorithm)이 상기 학습 기능이라고 일컫는 것이다.
측정 스타트 위치, WD의 주사폭, 주사 총회수, 피크를 결정하는 조건은 결정의 4 요소이다. 먼저, 수동 작업에 의해 피크의 위치를 얻는다. 이 때에는 회수는불문으로 하고, 첫 회의 피크를 추출한다. 2회째 이후에 대해서는, 피크를 중심으로 한 전후 N회와 이를 위한 스타트 위치로부터 측정을 개시하여 표준 편차를 계산한다. 이 결과, 이하의 4 종류의 상태가 발생한다.
a. 피크가 얻어진 상태;
b. 커브 상승으로 피크가 없는 상태(도 15 (B) 참조);
c. 커브 하강으로 피크가 없는 상태; 및
d. 복수의 피크가 나타난 상태(도 15 (C) 참조).
포커스 주사의 회수를 N으로 하면, 앞의 케이스에서 피크가 얻어진 경우, 그 피크가 몇번째로 얻어졌는가를 계산하고, 다음에는 전 주사폭의 중앙에 피크가 오도록 스타트 위치를 변경하여 포커스 주사한다. 동시에 주사 회수도 대폭 줄여 주사한다.
오른 쪽 상승으로 피크가 없는 케이스의 경우(도 15 (B) 참조)에는, 1/2 N폭만큼 스타트를 오른 쪽으로 시프트하여 포커스 주사한다. 한편, 왼 쪽 하강으로 피크가 없는 케이스의 경우에는, 1/2 N폭만큼 스타트를 왼 쪽으로 시프트하여 포커스 주사한다. 복수 피크가 나타난 케이스(도 15 (C) 참조)에서는, 표준 편차가 큰 쪽의 피크를, 또 피크를 검출해도 인접 포인트로부터의 표준 편차의 변화가 규정값 이상인 것을 조건으로, 경우에 따라서는 2번째, 3번째 피크의 탐사로 주사를 진행한다. 또, 이상의 알로리즘으로 반드시 성공하는 것은 아니기 때문에, 반복의 회수에 제한을 걸어둔다. 이와 같은 알고리즘으로 그 때마다 시퀀스를 변화시키면서 측정을 계속해 가면, 전체의 효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 초점 맞춤은 장치(1)에서 자동적으로 실행되지만, 실제로는 수동으로 포커스를 실행하고 싶은 경우나, 실제로 장치(1)가 포커스를 정확하게 실행하고 있는지 여부를 확인하고 싶은 경우가 있다. 그러므로, 본 실시 형태에서는 강도 분포를 모니터(41) 상에 표시할 수 있도록 되어 있다. 구체적으로는, 도 16에 나타내는 것과 같이, 파선으로 나타나는 위치의 주사선 상의 휘도를 그래프로 하여 폴리실리콘막의 표면 화상 상에 중첩한다. 이들의 그래프를 보아, 예를 들면, 에지 S(도 16 (B) 참조)의 각도가 가장 급해지는 점을 결정해 두면, 재현성 양호하게 초점 맞춤을 실행할 수 있다.
또, 휘도를 다시 1회 미분(微分)한 것을 다시 겹쳐 표시해도 된다. 그 표시 형태의 예가 도 17에 나타나 있다. 도면 중, F는 휘도이며, F'는 휘도 변화의 비율이다. 이 경우, 최대 H를 초점 레인지로 간주해도 된다.
이상 설명한 것과 같이, 본 발명의 폴리실리콘막 평가 장치에 의하면, 형성된 폴리실리콘막의 상태를 객관적으로 비접촉이며, 정밀도 양호하게 자동적으로 평가할 수 있다.

Claims (9)

  1. 비정질(非晶質) 실리콘막을 어닐 처리함으로써 형성된 폴리실리콘막을 평가하는 폴리실리콘막 평가 장치에 있어서,
    폴리실리콘막이 형성된 기판이 탑재되는 스테이지;
    가시광(可視光)을 상기 스테이지 상의 상기 기판에 조사(照射)함으로써 상기 기판 상의 상기 폴리실리콘막의 표면 화상을 촬상하여 오토포커스하는 가시광 관찰 광학계;
    자외광을 상기 스테이지 상의 상기 기판에 조사함으로써, 상기 가시광 관찰 광학계를 사용하여 오토포커스된 상기 기판의 폴리실리콘막의 표면 화상을 얻는 자외광 관찰 광학계; 및
    상기 자외광 관찰 광학계에 의해 얻어진 상기 폴리실리콘막의 표면 화상으로부터 상기 폴리실리콘막의 막 표면의 공간 구조의 직선성 및 주기성을 평가하고, 상기 직선성 및 주기성의 평가 결과에 따라, 상기 폴리실리콘막의 상태를 평가하는 평가 수단
    을 포함하는 폴리실리콘막 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자외광의 파장이 상기 폴리실리콘막의 평가 주기에 상기 광학계에서의 관찰용 대물 렌즈의 NA를 곱한 값보다 짧은 파장인 폴리실리콘막 평가 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스테이지는 스테이지의 진동을 방지하는 진동 방지 수단을 통해 서포트(support)에 장착되어 상기 진동 방지 수단에 의한 진동 방지 작용이 일어나는 제1 상태와, 상기 스테이지가 상기 서포트에 고정되어 상기 진동 방지 작용이 일어나지 않는 제2 상태 사이에서 전환 가능한 폴리실리콘막 평가 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가시광 관찰 광학계와 상기 자외광 관찰 광학계는 서로 일체를 이루는 하나의 유닛으로서 구성되어 있는 폴리실리콘막 평가 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유닛은 상기 스테이지가 배치된 장치 본체의 상부에 장착 및 분리 가능하게 탑재되어 있는 폴리실리콘막 평가 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가시광 관찰 광학계의 가시광용 대물 렌즈와 상기 자외광 관찰 광학계의 자외광용 대물 렌즈가 일체로 탑재된 회전 가능한 리볼버(revolver)를 추가로 포함하고,
    상기 리볼버의 회전 동작에 의해, 상기 가시광용 대물 렌즈와 상기 자외광용대물 렌즈의 사용 상태가 전환되는 폴리실리콘막 평가 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가시광 관찰 광학계 및 상기 자외광 관찰 광학계 중 적어도 한쪽의 조명광량을 제어하는 광량 제어 수단을 추가로 포함하고,
    상기 광량 제어 수단은 조명광량을 모니터하기 위해 조명광을 반사하는 반사 미러를 가지고,
    상기 반사 미러는 상기 리볼버의 빈 영역에 설치되어 있는 폴리실리콘막 평가 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이지는 서로 직교하는 3개의 X축, Y축 및 Z축에 따라 이동 가능하며,
    상기 스테이지의 Z축 방향의 상한(上限) 위치는 상기 스테이지의 XY 평면의 평활도(平滑度)에 따른 XY 좌표의 함수로서 설정되어 있는 폴리실리콘막 평가 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가 수단은 포커스값이 상이한 상기 폴리실리콘막의 복수의 표면 화상을 상기 자외광 관찰 광학계를 통해 수용하여, 최량의 포커스 화상을 취득하고; 평가 회수를 겹칠 때마다 적은 수용 화상수로 최량의 포커스 화상을 얻는 학습 기능을 가지는 폴리실리콘막 평가 장치.
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