KR20150129751A - 표면 강화 전계를 이용한 결함 검출 - Google Patents
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Abstract
소산파에 의해 유도된 강화된 전계에 의해 여기된 웨이퍼 상의 입자들로부터 산란 광을 검출하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 고체 침지 렌즈가 웨이퍼 표면에 근접하게 배치된다. 렌즈의 편평한 전면은 공극이 유지되도록 웨이퍼 표면에 평행하다. 심자외선 광원이 임계 각도에서 고체 침지 렌즈를 통해 상기 웨이퍼 표면을 조사하는 레이저 빔을 방출하고 그럼으로써 소산파를 생성한다. 이 소산파에 의해 유도된 강화된 전계가 웨이퍼 표면에 생성된다. 공극 거리는 DUV 광원에 의해 방출되는 파장보다 작다. 고체 침지 렌즈는 렌즈 지지체에 의해 지지된다. 강화된 전계에 의해 여기된 입자들의 산란 광이 고체 침지 렌즈에 의해 파 필드(far field)에 결합되고, 제1 및 제 2 렌즈에 의해 수집된다. 검출기가 상기 수집된 광을 수광하고 대응하는 검출기 신호를 생성한다. 프로세서가 결함들을 식별하기 위해 상기 검출기 신호를 수신 및 분석한다.
Description
본 발명의 목적은 소산파(evnescent waves)를 활용하여 웨이퍼의 표면 상에 강화된(enhanced) 전계를 생성하고 그럼으로써 웨이퍼 표면 상에서의 입자 결함들의 검출 감도를 향상시키는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2013년 3월 11일자로 출원된 미국 가출원번호 제61/776,718호의 우선권을 주장한다. 이 가출원의 내용은 모든 목적을 위해 그 전부가 참고로서 본 명세서에 포함된다.
무패턴 검사 시스템들(unpatterned inspection systems)이, 베어(bare) 실리콘 웨이퍼 및 박막이 코팅된 웨이퍼의 검사를 위해 실리콘 웨이퍼 제조자들 및 집적회로(IC) 제조자들에 의해 사용된다. 이 시스템들은 웨이퍼 상의 입자, 피트(pit), 스크래치 및 결정 결함과 같은 다양한 결함을 검출하는데 사용된다. 이 시스템들은 또한, 웨이퍼로부터의 헤이즈(haze)를 측정함으로써 표면 거칠기를 특징화하는 데에도 사용된다. 입자들에 의한 레이저 산란의 다크 필드(dark field) 검출은 베어 웨이퍼 검사, 예컨대 KLA-Tencor사에서 제작한 SurfScan 베어 웨이퍼 검사 툴의 핵심 기술이다.
레이저 빔에 의해 조사되는 웨이퍼 표면 상의 작은 입자(≪파장))들의 산란광 검출은 입자 검출을 위한 매우 효과적인 기술이 되어왔다. 그러나, 산란 프로세스는, 산란 효율이 입자들의 크기의 감소에 따라 입자 직경의 6배로 신속히 떨어지기 때문에 아주 작은 입자들을 검출하기에는 본질적으로 비효율적이다. 검사 속도 또한 화소 드웰(dwell) 시간을 제한하며, 그러므로 작은 입자들의, 검출기에 도달하는 산란 광자들의 수가 극도로 낮아지게 된다. 따라서, 입자 산란 효율을 향상시킬 필요가 있다.
강화된 전계에 의해 여기된 웨이퍼 상의 입자들로부터 산란 광을 검출하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 고체 침지 렌즈가 웨이퍼 표면에 근접하게 배치된다. 렌즈의 편평한 전면(front surfce)은 공극(air gap)이 유지되도록 웨이퍼 표면에 평행하다. 심자외선 광원이 (입사 각도 - 이 각도에서 전체 내부 반사(total internal reflection)가 발생함 - 로서 정의되는) 임계 각도로 고체 침지 렌즈를 통해 상기 웨이퍼 표면을 조사하는 레이저 빔을 방출하고 그럼으로써 소산파를 생성한다. 이 소산파에 의해 유도된 강화된 전계가 웨이퍼 표면에 생성된다. 공극 거리는 DUV 광원에 의해 방출되는 파장보다 작다. 고체 침지 렌즈는 렌즈 지지체에 의해 지지된다. 강화된 전계에 의해 여기된 입자들의 산란 광은 고체 침지 렌즈에 의해 파 필드(far field)에 결합되고, 제1 및 제 2 렌즈에 의해 수집된다. 검출기가 상기 수집된 광을 수광하고, 대응하는 전기 신호를 생성한다. 프로세서가 상기 검출기 신호를 수신 및 분석한다.
선택적인 격자(grating) 또는 코팅이 소산 신호의 생성을 향상시키도록 고체 침지 렌즈에 적용될 수도 있다.
도 1a는 다양한 입사 각도로 Si 표면에 입사되는 266nm 파장 광의 반사율을 보인 것이다. 도 1b는 Si 표면에 수직인 방향에서의 P 편광의 전계 강도 분포를 보인 것이다.
도 2a는 주변 물질이 SiO2 일 때 Si 표면 상에 입사되는 266nm 파장 광의 반사율을 보인 것이다. 도 2b는 입사 각도가 75°인 경우의 전계 분포를 보인 것이다.
도 3a는 주변 물질이 이 주변 물질과 상기 Si 표면 사이에 145 nm의 공극을 갖는 SiO2인 경우의 반사율 곡선을 보인 것이다. 도 3b는 상기 표면에 수직인 방향을 따른 전계 분포를 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 기능 블록도를 보인 것이다.
도 5는 250nm, 260nm 및 280nm의 세 개의 서로 다른 파장에 대한 필드 분포를 보인 것이다.
도 6은 도 4에 보인 고체 침지 렌즈에 적용되는 선택적인 금속 코팅을 보인 것이다.
도 7은 도 4에 보인 고체 침지 렌즈에 적용되는 선택적인 격자를 보인 것이다.
도 8a 및 도 8b는 도 4에 보인 렌즈 지지체 위치를 세부적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 흐름도를 도시한 것이다.
도 2a는 주변 물질이 SiO2 일 때 Si 표면 상에 입사되는 266nm 파장 광의 반사율을 보인 것이다. 도 2b는 입사 각도가 75°인 경우의 전계 분포를 보인 것이다.
도 3a는 주변 물질이 이 주변 물질과 상기 Si 표면 사이에 145 nm의 공극을 갖는 SiO2인 경우의 반사율 곡선을 보인 것이다. 도 3b는 상기 표면에 수직인 방향을 따른 전계 분포를 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 기능 블록도를 보인 것이다.
도 5는 250nm, 260nm 및 280nm의 세 개의 서로 다른 파장에 대한 필드 분포를 보인 것이다.
도 6은 도 4에 보인 고체 침지 렌즈에 적용되는 선택적인 금속 코팅을 보인 것이다.
도 7은 도 4에 보인 고체 침지 렌즈에 적용되는 선택적인 격자를 보인 것이다.
도 8a 및 도 8b는 도 4에 보인 렌즈 지지체 위치를 세부적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 흐름도를 도시한 것이다.
소산파에 의한 전체 내부 반사 및 산란은 잘 알려져 있으며, 바이오 센서들과 같은 응용들에 적용되어 왔다. 표면 플라즈몬 공명은 잘 알려진 현상으로서 눈에 보이는 적색 파장에서 금속, 예컨대 Ag 또는 Au에 대해 광범위하게 연구되어온 잘 알려진 현상이다. 이들 2개의 개념들은 종종, 표면 플라즈몬 여기가 전체 내부 반사를 이용하는 조사 구성을 필요로 할 때 관련된다.
도 1a는 다양한 입사 각도로 Si 표면에 입사되는 266nm 파장 광의 반사율을 보인 것이고, 도 1b는 입사 각도가 75°(이 각도는 대략적으로, 표면 상의 입자들을 검출하기에 최적인 입사 각도이다)인 경우, Si 표면에 수직인 방향에서의 P 편광의 전계 강도 분포를 보인 것이다. 이는 하나의 전형적인 종래의 웨이퍼 검사의 구성을 나타낸다. 전계의 발진은 입사 빔과 반사 빔 사이의 간섭의 결과이고, 피크(peaks)와 골(valleys)의 위치는 물질 특성에 따른 반사 빔의 위상 시프트에 좌우되고, 피크 대 골의 콘트라스트는 반사율에 좌우되고, 피크와 골의 평균치는 입사 빔과 반사 빔의 강도의 합이다.
전계 강도는 입사 빔에 정규화된다. 이 경우에, 표면에서의 전계 강도는 입사 빔과 반사 빔의 합과 대략 동일하다. 참고로, 도 2a는 주변 물질이 SiO2인 경우의 Si 표면에 입사되는 266nm 광의 반사율을 보인 것으로서, SiO2는 DUV 파장들에서 이용되는 전형적인 유리 물질이다. 도 2b는 입사 각도가 75°인 경우의 전계 분포를 보인 것이다. 이 경우에도, Si 표면에서의 전계 강도는 입사 빔과 반사 빔의 합과 거의 동일하다. 이는 입자 검출을 위한 실제적인 구성이 아니며, 단지 비교를 위해 보인 것이다.
도 3a는 주변 물질이 SiO2 인 때의 반사율 곡선을 보인 것으로서, 주변 물질과 상기 Si 표면 사이에는 약 145nm의 공극이 존재한다. P 편광 조사의 경우, SiO2 의 임계 각도에서, 강한 흡광이 존재하고, 반사 광의 강도는 실제적으로 0으로 떨어진다. 도 3b는 상기 표면에 수직인 방향을 따른 전계 분포를 보인 것이다. Si 표면에서, 전계 강도는 피크에 도달하는데, 이 피크는 도 1에 보인 종래의 구성들에서의 전계의 경우보다 훨씬 높다. 입자 산란은 외부 필드에 의해 여기되는 근본적으로 다이폴 방사(dipole radiation)이기 때문에, 산란 광의 강도는 입자 위치에서의 외부 필드 강도에 비례한다. 그러므로, Si 표면 상에서의 입자의 산란은 필드 강화의 동일한 인자에 의해 강화된다.
본 발명에서, 심 UV(DUV) 웨이퍼는 웨이퍼 표면에서 전계를 강화시키기 위해, 렌즈 내의 전체 내부 반사를 생성하는 파장에서 반도체 웨이퍼를 조사한다. 설명하는 예는 266nm의 레이저와 조합하여, 반도체 웨이퍼로서 Si를 사용한다.
도 4는 본 발명에 따른 기능 블록도를 도시한 것이다. SiO2로 만들어진 고체 침지 렌즈(10)가 Si 표면에 가까이 배치되고, 렌즈(10a)의 편평한 전면이 Si 표면과 평행을 이루며, 공극은 약 145㎚이다. DUV 광원(12)이 레이저 빔(12A)을 방출하며, 이 레이저 빔은 수직인 Si 표면으로부터 약 43°각도에서 고체 침지 렌즈를 통하여 상기 표면을 조사한다(반구면 렌즈인 경우, 유리 내부로의 입사 각도 역시 43°이다). 공극은 파장보다 작기 때문에, 렌즈(10a)의 전면과 Si 표면 사이의 경계면에서 생성되는 소산파가 Si 표면 상에 강화된 전계를 유도한다. 고체 침지 렌즈(10)는 렌즈 지지체(14)(미도시)에 의해 지지된다. 공극이 파장보다 작으므로, 강화된 전계에 의해 여기된 입자의 산란 광이 고체 침지 렌즈에 의해 파 필드에 결합되고, 선택적인 제 1 렌즈(16a) 및 제 2 렌즈(16b)에 의해 수집된다. 제 1 렌즈(16a)는 산란 광을 시준(collimate)하며, 제 2 렌즈(16b)는 시준된 산란 광을 검출기(18)에 포커싱한다. 검출기(18)는 수집된 광을 검출하고 대응하는 검출기 신호를 생성한다. 프로세서(20)가 검출기 신호를 수신 및 분석한다.
적합한 DUV 광원(12)은 (이에만 한정되는 것은 아니지만) 고차원의 예컨대 제3 및 제4 하모닉 변환을 갖는 다이오드 펌핑 고상 레이저(diode pumped solid state lasers)(예컨대, Newport Corporation 또는 Coherent, Inc. 제품)를 포함한다. 도 5에 보인 바와 같은 파장을 방출하는 광대역 광원이 사용될 수도 있다. 필요한 경우, 상기 광원은 편광된(P-편광된) 조사 빔을 생성하도록 적절한 광학 장치와 결합될 수도 있다.
고체 침지 렌즈(10)는 바람직하게는 반구면 렌즈이다. 고체 침지 렌즈는 오브젝트 공간을 높은 굴절률의 고체 물질로 채움으로써 일반적인 렌즈에 비해 더 높은 배율 및 더 높은 개구수를 얻는다. 이 요소의 다른 형상들, 예컨대, 비구면 또는 구면 형상도, 원하는 공극을 갖는 웨이퍼 표면에 가까워질 수 있는 제1 표면을 갖고, 입사 빔이 원하는 입사 각도로 유리 주변에서 웨이퍼를 조사하게 할 수 있다면 가능하다.
도 6에 보다 상세히 보인 바와 같이, 선택적인 금속 코팅(11a)은 Ag나 Au 또는 소산파가 생성되게 하는 임의의 다른 물질로도 만들어질 수 있다. 대안적으로, 격자(11b)가 도 7에 보인 바와 같이 렌즈에 적용될 수도 있다. 격자 프로파일 및 피치는, 소정의 입사 각도에 대해, 1 회절 차수가 생성되고 그 전파 방향이 렌즈의 표면에 평행하도록 설계될 수 있고, 격자 물질은 금속 또는 유전체일 수 있다. Si 웨이퍼 검사를 위해, 적합한 렌즈 물질은 266nm에서 투명해야 한다.
동작시, 웨이퍼 표면에서의 전계가 강화되고, 따라서 입자에 의한 산란이 더 효율적이다. 산란 효율의 이득은 소정의 처리량에서 입자 감도를 향상시키거나 또는 소정의 감도에서 처리량을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 광학 구성은 고체 침지 촬상과 자연스럽게 호환되며, 고체 침지 렌즈는 오브젝트 공간을 높은 굴절 지수 물질로 채움으로써 일반적인 렌즈에 비해 더 높은 배율 및 더 높은 개구수를 갖는다. 그러므로, 촬상 분해능 역시, SiO2 물질이 사용될 때 약 1.5x의 렌즈 굴절률배만큼 향상된다.
렌즈 지지체(14)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 원하는 공극 주위의 범위 내에서 웨이퍼에 가장 가깝게 렌즈 표면을 위치시킨다. 도 8a는 큰 입자에의 충돌을 방지하도록 검사 이전에 적용되는 예비 스캔 빔을 도시한 것이다. 상기 큰 입자는 필드 강화 없이 레이저 조사에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 레이저 조사 필드는 스캐닝 방향에서 반구면 렌즈 앞에 놓인다. 큰 입자가 검출될 때, 반구면 렌즈는 큰 입자 위로 점프하도록 입자 높이보다 큰 높이로 압전 스테이지에 의해 리프트된다. 도 8b는 렌즈 지지체에 대한 액티브 피드백 제어를 도시한 것이다. 렌즈 지지체(14)는 고체 침지 렌즈(10) 및 변위 센서(22)를 하우징한다. 압전 액츄에이터(24)는, 공극을 측정하며, 프로세서(20)에 연결되는 변위 센서로부터 전기 신호를 수신한다. 압전 액츄에이터(24)는 압전 높이 변위 센서(22)로부터의 측정된 높이의 피드백에 따라 렌즈(10)의 높이를 조정하여 스캔 동안 웨이퍼 높이 변화에 대해 보상하고 그럼으로써 공극에 대한 원하는 거리를 유지한다.
도 9는 본 발명에 따른 흐름도를 도시한 것이다. 단계(902)에서, 110nm 내지 355nm 범위의 DUV 파장에서 광 빔이 생성된다. 단계(904)에서, 강화된 전계가 웨이퍼 표면에 생성된다. 단계(906)에서, 강화된 전계에 의해 여기된 입자들이 산란 광신호를 생성한다. 단계(908)에서, 산란 광신호가 검출된다. 단계(910)에서, 대응하는 전기 신호가 생성된다. 단계(912)에서, 상기 전기 신호는 배경 잡음보다 높은 임계값을 설정함으로써 분석된다. 결함들이 상기 설정된 임계값보다 높은 펄스로서 식별된다. 비록 DUV 파장이 바람직하지만, 동일한 개념이 샘플 표면에 강화된 전계를 생성할 수 있는 파장 및 물질의 다른 조합에도 적용될 수 있다.
고체 침지 렌즈의 경계면에서의 전체적인 내부 반사하에서 파형들이 그 고체 침지 렌즈 내에서 이동할 때 소산파가 형성되는데, 이는 이들 소산파가 임계 각도보다 큰 각도에서 고체 침지 렌즈를 타격하기 때문이다. 임계 각도 조사 및 바람직한 공극에서 소산파가 웨이퍼 표면에 강화된 전계를 유도한다. 강화된 전계에 의해 여기된 입자들은 산란 광신호를 생성할 것이다. 산란 광신호는 임계값, 예컨대 알려진 양호한 베어 웨이퍼 신호보다 높을 때, 불량 품질의 웨이퍼가 검출된다. 예시된 결함 분류는 본원 출원인에게 양도되고 본원 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허번호 8,532,949(발명 명칭: "Computer-implemented Methods and Systems for classifying defects on a specimen")에 개시된 발명과 함께 이용될 수도 있다. 웨이퍼 스테이지 기술 및 결함 검출 시스템들을 비롯한 결함 검출 분류의 추가적인 예들은 미국 특허출원 공개번호 2014-0009759 및 2013-0208269에서 찾아볼 수 있는바, 이들 역시 본원 명세서에 참고로 포함된다. 웨이퍼에서 검출된 개별 결함들은 개별 결함들의 하나 이상의 특성에 기초하여 결함 그룹들로 배정된다. 대안적으로, 사용자가 결합 그룹들 각각으로 분류할 수도 있다.
베어 웨이퍼 검사들을 위한 개념에 대해 설명하였지만, 이 개념은 Si 상에 패턴들을 갖는 일부 패턴화된 웨이퍼에 대한 촬상 콘트라스트가 향상될 수 있도록패턴화된 웨이퍼 검사들에도 확장될 수 있다. 본 발명은 소산파를 활용함으로써 웨이퍼 표면 상에 강화된 전계를 생성하고, 그럼으로써 웨이퍼 표면 상에서의 입자 결함들의 검출 감도를 향상시키는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
Claims (13)
- 웨이퍼의 표면을 검사하는 시스템에 있어서,
심자외선(deep ultraviolet) 파장에서 광 빔을 생성하는 광원과;
상기 광 빔을 수광하는 고체 침지 렌즈로서, 상기 고체 침지 렌즈는, 상기 고체 침지 렌즈와 상기 웨이퍼의 표면 사이의 공극(air gap)이 상기 파장보다 작고, 상기 웨이퍼의 표면에 강화된 전계가 생성되고, 상기 강화된 전계를 받는 상기 웨이퍼 상의 적어도 하나의 입자가 산란 광을 생성하도록, 배치되는 것인 상기 고체 침지 렌즈와;
상기 산란 광을 수광하고 대응하는 전기 신호를 생성하는 검출기와;
상기 전기 신호를 수신 및 분석하는 프로세서
를 포함하는 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 웨이퍼는 실리콘이고, 상기 심자외선 파장 범위는 150nm 내지 355nm인 것인 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고체 침지 렌즈와 상기 검출기 사이에 배치되어 상기 산란 광을 수집하는 적어도 하나의 대물 렌즈를 포함하는, 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고체 침지 렌즈는, 표면이 편평한 반구면, 구면 및 비구면 렌즈를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것인 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 웨이퍼에 근접한 상기 렌즈의 표면 상에 금속 코팅을 포함하는, 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 금속 코팅은, 은 및 금을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것인 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 웨이퍼에 근접한 상기 렌즈의 표면 상에 격자를 포함하는, 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고체 침지 렌즈와 상기 검출기 사이에 배치되는 제1 및 제2 렌즈를 더 포함하며, 상기 제1 렌즈는 산란 광을 시준(collimate)하고, 상기 제2 렌즈는 상기 산란 광을 상기 검출기에 포커싱하는 것인 웨이퍼 표면 검사 시스템. - 웨이퍼의 표면을 검사하는 방법에 있어서,
심자외선(deep ultraviolet) 파장에서 광 빔을 생성하는 단계로서, 상기 웨이퍼와 렌즈를 분리시키는 공극이 상기 파장보다 작은 것인, 상기 광 빔 생성 단계와;
상기 웨이퍼의 표면에, 상기 광 빔으로부터의 강화된 전계를 생성하는 단계와;
상기 웨이퍼 상의 입자들이 상기 강화된 전계를 받을 때 산란 광신호를 생성하는 단계와;
상기 산란 광신호를 검출하는 단계와;
대응하는 전기 신호를 생성하는 단계와;
상기 전기 신호를 분석하는 단계
를 포함하는 웨이퍼 표면 검사 방법. - 제9항에 있어서,
상기 심자외선 파장 범위는 150nm 내지 355nm인 것인 웨이퍼 표면 검사 방법. - 제9항에 있어서,
광학 신호를 생성하기에 앞서, 큰 입자들에 대해 상기 웨이퍼를 스캔하는 단계를 더 포함하는 웨이퍼 표면 검사 방법. - 제9항에 있어서,
상기 전기 신호를 분석하는 단계는, 상기 전기 신호를 임계치와 비교하는 단계를 포함하며, 상기 임계치는 웨이퍼 품질을 나타내는 것인 웨이퍼 표면 검사 방법. - 제9항에 있어서,
상기 산란 광을 시준하는 단계와;
상기 산란 광을 검출기에 포커싱하는 단계
를 더 포함하는 웨이퍼 표면 검사 방법.
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