KR20230071539A - 단일 촬상형 tsom 검사 방법 및 그에 적합한 tsom 검사 장치 - Google Patents

단일 촬상형 tsom 검사 방법 및 그에 적합한 tsom 검사 장치 Download PDF

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Abstract

명시야 현미경 이미지를 플렌옵틱 검출기로 촬상하는 단계(S10), 촬상된 상기 명시야 현미경 이미지를 디지털 데이터로 컴퓨터에 전달하는 단계(S20), 컴퓨터가 상기 디지털 데이터 처리하여 대상물에 대한 서로 다른 촛점 위치의 복수 이미지를 생성하는 단계(S30), 컴퓨터가 상기 복수 이미지를 TSOM 스루 포커스 이미지로 삼아 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지 생성하는 단계(S40)를 구비하여 이루어지는 단일 촬상형 TSOM 검사 방법 및 이 방법 시행에 적합한 TSOM 검사 장치가 개시된다. 본 발명에 따르면, 대상물 촛점 위치가 다른 이미지 데이터를 한번의 플렌옵틱 검출기 촬상을 통해 얻을 수 있고, 명시야(bright field)를 이용함으로써 짧은 시간 동안의 촬영에도 충분한 광량과 그에 따른 명확한 이미지 데이터를 얻을 수 있으며, 이런 기반 하에서 기존의 TSOM 기법을 적용하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지와 그에 따른 대상물 검사 결과를 용이하고 신속하게 얻을 수 있다.

Description

단일 촬상형 TSOM 검사 방법 및 그에 적합한 TSOM 검사 장치{method of inspection using single shot TSOM and apparatus for the same}
본 발명은 근래에 새롭게 반도체 검사에 사용되기 위해 개발되고 있는 TSOM 검사 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TSOM 검사 방법에 있어서 시간 소요와 번거로움을 줄일 수 있는 TSOM 검사 방법 및 그에 적합한 장치에 관한 것이다.
반도체 장치는 원래 소자 및 도선과 같은 회로 요소를 작은 크기로 평면에 집적시켜 회로장치를 형성하였고, 집적도를 높이기 위해 소자 및 도선 크기를 계속하여 줄이는 방법을 사용하였다. 그러나, 소자 집적도가 늘어나면서 소자와 도선의 크기를 줄이는 것은 반도체 장치를 만드는 공정상의 여러 가지 한계, 가령 포토리소그래피 공정의 광학적인 한계 등으로 어려워졌고, 또한 소자의 크기를 줄이는 것이 소자 기능의 문제를 가져올 수 있는 상태에 이루고 있다.
이런 상황에서 반도체 장치의 소자 집적도를 높이기 위해 반도체 장치의 복층화와 소자 구성의 입체화와 같은 3차원적 장치 구성이 많이 모색되고 이루어지고 있다.
고도로 정밀하고 복잡 다단한 공정 단계를 거쳐 반도체 장치의 생산이 이루어질 때 반도체 장치가 설계대로 정상적인 형태로 이루어져 제 기능을 발휘할 수 있는가를 확인하는 검사 작업은 공정 불량을 발견하고 문제점을 찾아 시정하여 공정의 효율 및 효과성을 높이는 데 매우 중요한 역할을 한다.
기존의 반도체 장치 검사 장비 가운데 영상을 이용한 검사 장비는 대상 반도체 장치의 일부에 대한 영상을 획득하여 그 영상이 정상적인가 여부를 판단하여 반도체 장치의 불량 여부를 확인하게 되는데, 반도체 장치의 3차원적 구성은 종래의 평면적인 반도체 장치의 검사 방식으로는 검사를 충분히 적절하게 할 수 없도록 만드는 문제를 발생시키고 있다.
가령, 패턴이 너무 작으면 조명 빔이 그 사이로 투입되어 도달하기 어렵고 회절 한계와 관련하여 광학현미경은 사용되는 빛의 파장 크기의 절반보다 더 큰 경우에만 의미 있는 해상도 결과를 주며, 반도체 장치 검사와 같은 작은 패턴 검사에서 현미경 사용자는 비슷한 패턴을 일정한 거리로 그룹을 지어 배열해 놓고, 빛이 얼마나 그 그룹 사이에서 분산되는 지를 관측하여 크기를 결정하는 방법을 사용할 수 있는데 이런 방법에서는 반도체 장치의 새로운 3차원 구조를 측정하기에는 매우 많은 어려움이 존재한다는 것이다.
물론 비광학적인 측정 방법도 고려할 수 있지만 원자현미경(scanning probe microscopy)과 같은 비광학적 이미지처리 방식은 비싸고 느리므로 실용적인 검사장치로 사용되기는 어렵다.
미국 국립표준기술연구소(NIST)의 라비키란 아토타(Ravikiran Attota) 등은 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(Through focus Scanning Optical Microscopy: TSOM)을 이용하여 3차원적 미세 패턴을 측정할 수 있는 가능성을 제시한 바 있다.("TSOM method for semiconductor metrology", ProcSPIE 7971, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXV, 79710T ,April 20, 2011)
이 기술은 기존의 광학현미경을 사용하지만, 동일한 대상에 대해 서로 다른 초점 위치에서 2차원 이미지를 수집하여 대상에 대한 3차원적 영상 데이터 공간을 만드는 방법을 사용한다. 따라서, 얻어진 2차원 이미지들은 초점이 맞은 이미지(in-focus image)와 초점이 맞지 않는 초점 외 이미지(out-of-focus image)를 여럿을 포함한 쓰루 포커스 이미지(through-focus image)를 구성하게 된다. 이러한 3차원적 영상 데이터 공간에 대한 컴퓨터 처리가 이루어진다. 컴퓨터는 수집된 동일 대상에 대한 복수 개의 쓰루 포커스 이미지(through-focus image)로부터 휘도(brightness) 프로파일을 추출하고 초점 위치 정보를 이용하여 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM) 데이터 큐브 또는 이미지를 만들게 된다.
쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM)이 제공하는 이미지는 통상의 사진과 달리 구체적으로 대상을 그대로 나타내는 것은 아니며, 약간 추상적이지만, 그들 이미지 사이의 차이는 측정된 대상 3차원 구조체의 미세한 모양 차이를 추론할 수 있도록 한다.
시뮬레이션 연구를 통해 쓰루-포커스 스캔 광학현미경(TSOM)은 10나노미터 이하의 특성을 측정할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 미세한 3차원 구조체 형상 분석에 대한 가능성을 제시하고 있으며, TSOM은 기존 광학적 분해능과 밀접하게 연관되는 회절 한계를 극복하기 위해 다양한 분야의 계측 및 검사를 위해 널리 탐색되고 있다.
그러나, TSOM 방법은 촛점 스캐닝 시간이라는 매우 독특한 고유의 약점을 가진다. 매우 작은 대상에 대하여 많은 초점 위치를 달리하는 광학 영상을 얻는 것은 시간이 많이 걸리는 작업이기 때문이다.
따라서, 이 방법을 기존 검사 방법에 대해 경쟁력이 있는 것으로 만들기 위해 혹은 널리 적용하기 위해 줄이거나 없애야 할 부분이라 인식되고 있다. 킬로헤르쯔(kHz) 단위의 가변 구면 거울 조정을 통해 이런 문제를 어느 정도 극복할 수 있는 것으로 알려지고 있지만 촛점 스캐닝 속도는 감지기의 누적 시간 감소로 인한 광량의 감소 때문에 제한될 수 밖에 없게 된다. 더욱이 우리는 서로 다른 촛점 위치에 대응하는 다중 감지기를 채택함에 의해 촛점 스캐닝 시간을 완전히 제거할 수도 있지만 이런 경우에도 촛점 위치의 숫자는 매우 제한적이 되며 실용적으로는 3 내지 5에 불과하다.
한편, 최근에 가상 현실, 스마트폰 관련하여 플랜옵틱 카메라에 대한 논의가 많이 이루어지고 있다.
빛에 의해 우리는 사물을 눈으로 인식할 수 있는데, 실제 공간에 존재하는 빛에 대한 모든 정보를 가지면 원하는 시간에 원하는 장소에서 해당 공간을 그대로 재현할 수 있을 것이다. 기존의 통상적 디지털 카메라는 대상 인식을 위한 빛에 대한 정보를 획득하기 위한 대표적 장치로, 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛의 세기 정보를 영상센서로 획득하여 영상 데이터로 저장하는 기능을 한다.
그러나, 기존의 이차원 카메라로 획득한 영상은 공간에 존재하는 빛에 대한손실된 정보를 가지며, 물체의 한 점에서 나오는 빛들이 카메라 렌즈를 통해 영상센서의 한 점 혹은 화소에서 모여 적분된 값을 획득하므로 개별 빛들의 세기 및 방향에 대한 정보를 잃게 된다.
실제 물체의 한 점에서 나오는 서로 다른 방향의 빛들에 대한 정보를 획득하여 저장할 수 있다면 가상의 카메라를 설정하여 임의의 시점(viewpoint) 또는 임의의 초점(focusing)에 해당하는 영상을 새롭게 구성할 수 있어 가상 현실, 3차원 텔레비젼 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것이다.
공간상의 한 점을 통과하는 빛의 세기 정보를 표현하기 위해서 빛이 통과하는 점의 3차원 위치, 빛의 진행방향, 색상과 관련된 빛의 파장, 그리고 시간 등의변수를 필요로 한다. 아델스과 베르겐(Adelson and Bergen)은 이러한 빛의 세기 정보를 표현할 수 있는 수식과 같은 플렌옵틱 함수(plenoptic function)를 제안하였으며, 이는 앞서 언급한 변수에 해당하는 7개의 매개변수(parameter)를 포함한다.
p=P(θ,
Figure pat00001
,λ,Vx,Vy,Vz, t)
여기서 θ,
Figure pat00002
Figure pat00003
는 빛의 방향, λ는 파장, Vx,Vy,Vz는 관측자의 공간상의 위치, t는 시간을 나타낸다.
플렌옵틱 함수를 알고 있으면 공간상에 존재하는 모든 빛의 세기 정보를 알수 있다는 것을 의미한다.
부연하여 좀 더 설명하면, 일반적으로 플렌옵틱 영상정보는 기존 2차원 영상이 가지는 공간영역(spatial domain) 정보와 동시에 방향 정보에 의한 각영역(angular domain) 정보를 가지는데, 이러한 공간영역의 깊이정보 및 각영역에 의한 광선의 추가적인 방향정보를 활용하여 원근시점 이동(perspective viewing change), 재초점(refocusing) 및 3차원 깊이정보 추출(depth of field extraction) 등의 다양한 영상처리를 수행할 수 있는 것이 특징이다.
깊이정보는 기존의 양안 시차 방식의 스테레오 카메라 및 깊이센서 등으로부터도 취득할 수 있지만, 이러한 카메라들은 특정 뷰포인트로부터 객체까지의 깊이 정보를 제공한다. 반면에, 플렌옵틱 영상은 추가적인 광학정보를 담고 있으므로 깊이값 취득이 가능하며 동시에 광학적으로 정확한 재초점 생성이 가능하다. 구조광방식의 카메라와는 달리 실외 환경에서의 깊이정보 처리도 가능하게 한다.
플렌옵틱 영상처리 기술에는 카메라 어레이에 의한 집적영상(integral imaging) 방식, 체적 내에 실제 발광점들을 물리적으로 형성하는 체적형 방식, 빛의 간섭효과를 이용하는 홀로그래피 방식 등이 존재하지만, 여기서는 집적영상에의한 플렌옵틱 영상처리 기술에 집중하기로 한다.
다시 플렌옵틱 함수로 돌아가, 플렌옵틱 함수를 구하기 위해서는 공간상의 모든 위치 및 방향에서의 빛의 세기 등의 실제 특정 데이터가 필요하여 실질적으로 이 함수를 구하기 어렵게 된다.
1996년 르보이(M Levoy)와 조틀러 등(Gortler et al)은 SIGGRAPH에 플렌옵틱 함수를 간소화하여 4개의 매개변수를 이용한 4차원 광장 혹은 라이트 필드(Light Field)을 제안하였다. 이는 2개의 평면 사이에 정의되는 빈 공간에 존재하는 빛의 세기 정보를 표현하기 위한 방법으로, 빛이 진행 방향을 따라 세기가 변하지 않고, 단일 파장 성분을 가지며, 시간에 다른 빛의 세기가 변화가 없다는 전제를 이용하였다. 기본적으로, 라이트 필드 영상처리는 3차원 각 점에서의 빛의 세기를 디지털화하여 수학적으로 해석하는 것에서 출발하게 된다.
라이트 필드 개념이 제안된 이후 이를 획득하기 위한 다양한 기술과 장치들이 제안되었는데, 라이트 필드 획득 기술은 크게 다수의 카메라 배열에 기반한 방식과 렌즈 배열에 기반한 단일 카메라 방식으로 나눌 수 있다.
다수 카메라 배열 방식은 여러 대의 카레라를 이용하여 시점이 다른 복수의 영상을 캡쳐함으로써 라이트 필드 정보를 획득할 수 있는 시스템을 이용한 것이며, 2005년 스탠포드 대학에서 100대의 카메라를 이용한 실시간 비디오 획득 시스템을 구축하여 실험한 바 있다. 여기서는 평면상에 균일하게 분포된 다수 카메라로부터 획득되는 VGA 영상을 MPEG 압축을 통해 초당 30프레임씩 약 2분30초 정도의 길이의 영상 시퀀스를 실시간으로 획득하여 저장하였다. 이 시스템에서 각 카메라 노출시간을 달리하고, 카메라의 시야각 FOV(field of view)를 겹치게 배열함으로써 모자이크 기법을 사용하여 HDR(high dynamic range) 고해상도 비디오 시퀀스를 만들어 낼 수 있다. 동시에 획득된 영상을 공통의 평면에 등록함으로써 아주 큰 개구 사이즈를 갖는 카메라를 만들어 낼 수 있는데, 이러한 기술을 SAP(synthetic aperture photography)라고 하며, 단일 카메라를 이용해서 촬영된 영상의 경우 장애물에 가려진 영역이 발생할 수 있는데, 이 기술을 적용하면 가려진 부분을 재현할 수 있다.
렌즈 배열 기반 단일 카메라 방식으로는, 2005년 스탠포드 대학의 엔지(Ng), 아델슨 등의 구현한 플렌옵틱 카메라 프로토타입 시스템을 기반으로 소형 라이트 필드 카메라 시스템을 구현하였다. 실제 구현을 위해 일반 디지털 카메라를 기반으로 하되 미소렌즈배열(micro lens array)를 영상센서 앞에 위치시켜 물체의 한 점으로부터 나오는 여러 방향의 빛들 중 카메라 메인 렌즈(main lens)를 통과한 빛들의 세기 정보를 방향 별로 분리하여 저장할 수 있는 플렌옵틱 카메라 시스템을 개발하였다.
플렌옵틱 카메라의 대표적 특징으로는 촬영 이후에 영상의 초점 심도를 달리할 수 있는 리포커싱(refocusing) 기능을 들 수 있다. 획득된 원재료 데이터(raw data)의 화소 재배치(reordering)를 통해 신호 처리를 통하지 않고 시점이 다른 영상을 간단히 추출할 수 있는 기능도 가지고 있다.
이렇게 추출된 영상들은 3차원 입체 디스플레이의 콘텐츠로 사용할 수도 있고 구현이 쉬워 미국의 리트로(Lytro) 카메라와 독일의 레이트릭스(Raytrix) 카메라 등으로 구현된 바 있다.
이상의 방식 가운데 렌즈 배열 기반 당일 카메라 방식이 상대적으로 시스템 구축 비용이 적고, 카메라간 배치, 신호 이득, 보정 등의 문제 해결이 용이해서 더 유리하다. 단, 이 방식은 고해상도 영상센서가 필요한데, 최근 영상센서(촬상소자)의 고해상도화가 많이 이루어지고 있으므로 향후 별다른 문제가 없이 이용할 수 있다고 기대되고 있다.
이러한 렌즈 배열 기반 플렌옵틱 카메라의 개발과정을 보면, 먼저, 도1a와 같은 플랜옵틱 카메라 10이 제안되었다.
도1a는 경통(10) 내에 대물렌즈 시스템을 이루는 메인 렌즈(20), 미소렌즈배열(MLA, Microlens array)(30), 영상센서(40)인 CCD가 차례로 설치된 형태의 플렌옵틱 카메라의 개략적 구성개념을 나타내는 측단면도이고, 도1b는 도1a의 영상센서(40)를 90도 회전 및 확대시켜 그 화소면에 맺히는 미소영상(45) 혹은 미소영상영역과 화소(41) 분포를 나타내는 개념적 측단면도이다. 이 측단면도 상에는 화소배열과 미소영상영역이 1차원적으로 표현되지만 영상센서의 화소배열과 미소영상영역은 물론 실제로는 2차원 평면상에서 이루어진다.
이런 플렌옵틱 카메라 10은 엔지(Ng)에 의해 구현된 것으로 2006년 설립된 리트로(Lytro)라는 회사를 통해 카메라로 출시된 상태이다. 이 플렌옵틱 카메라는 미소렌즈배열(MLA:Microlens array:30)을 메인 렌즈(20)의 초점거리(F)에 있는 영상표면(IP:image plane)에 위치하도록 하고, 영상센서(40)는 미소렌즈배열(30)을 이루는 미소렌즈(31)의 초점거리(f) 혹은 일정거리에 위치하도록 설계되어 있다.
따라서, 미소렌즈배열(30) 이후에는 초점이 맞는 영상을 가질 수 없고, 초점은 영상센서(40)의 화소면에서 맺히지 않게 되므로 초점심도(DOF: depth of focus)는 존재하지 않는다.
이런 구성에 따르면, 하나의 미소렌즈(31)에 해당하는 영상센서(40) 영역에 형성되는 미소영상(micro image: 45)를 통해 물체의 한 점에서 나오는 빛들의 세기 정보를 방향별로 분류하여 획득할 수 있다. 또한, 플렌옵틱 카메라를 이용하면 메인 렌즈 영역 안의 부개구(sub aperture)에 해당하는 부개구 영상을 얻을 수 있으며, 카메라 내부의 임의의 평면에 가상 카메라를 위치시킴으로써 빛추적(ray tracing) 기법을 이용하여 이후 리포커싱된 영상을 계산을 통해 얻을 수 있다. 실제로 빠른 계산을 위해서 플렌옵틱 샘플링 이론에 기반한 4차원 주파수 공간에서 2차원 평면을 슬라이싱함으로써 리포커싱된 영상을 빠른 속도로 얻는 방법도 있다.
단, 이런 경우, 플렌옵틱 카메라로부터 부개구 영상을 추출할 때 영상센서의 해상도 한계로 인한 최종 획득 영상의 공간 해상도가 낮아지는 문제점이 있다.
공간 해상도가 낮아진다는 이러한 플랜옵틱 카메라 10의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 도2와 같은 단일 초점조절 플랜옵틱 카메라 20이 제안되었다.
도2a는 경통(10) 내에 대물렌즈인 메인 렌즈(20), 미소렌즈배열(30), 영상센서(40)인 CCD가 차례로 설치된 형태의 단일 초점조절 플렌옵틱 카메라 20의 개략적 구성개념을 나타내는 측단면도이고, 도2b는 영상센서(40)를 90도 회전시켜 그 화소면에 맺히는 미소영상(45)과 화소(41) 분포를 나타내는 개념적 측단면도이다.
이런 방식의 플렌옵틱 카메라는 미소렌즈배열(MLA:micro lens array:30)를 메인 렌즈(20)의 영상표면(IP:image plane)의 일정거리 a만큼 뒤쪽에 위치하도록 하고, 영상센서(40)는 미소렌즈배열(30)을 이루는 미소렌즈(31)에서 b만큼 뒤쪽에 위치하도록 설계되어 있다.
이는 미소렌즈배열(30)이 기존의 플렌옵틱 카메라와 달리 각각의 미소렌즈(31)가 소형 카메라의 역할을 하면서 메인 렌즈(20)의 영상표면에 맺히는 상을 영상센서(40)의 화소면에 맺히도록 한 것이며, 상을 맺도록 하기 위한 a, b의 거리는 미소렌즈의 특성에 따라 렌즈 공식에 의해 정해진다.
이런 방식에서는 각 방향(angular direction) 영상 해상도를 줄임으로써 공간 영상 해상도를 향상시킬 수 있다.
그러나 이런 방식의 플렌옵틱 카메라 20은 미소렌즈배열을 이루는 미소렌즈가 단일 초점거리를 가지므로 DOF의 한계로 인하여 리포커싱을 통해 모든 깊이에서 정밀하게 초점이 맞추어진 영상을 형성하는 것이 어렵다는 문제가 있으므로 이를 보완하기 위해 도3과 같은 다중 초점조절 플렌옵틱 카메라 20이 제안되었다.
도3은 경통(10) 내에 대물렌즈인 메인 렌즈(20), 미소렌즈배열(30'), 영상센서(40)인 CCD가 차례로 설치된 형태의 다중 초점조절 플렌옵틱 카메라 20의 개략적 구성개념을 나타내는 측단면도이다.
이런 방식의 다중 초점조절 플렌옵틱 카메라 20은 도2a의 플렌옵틱 카메라와 대략적인 구성에서 공통점을 가지지만, 전체 미소렌즈배열을 이루는 개별 미소 렌즈(31,32,33)의 초점거리(f1,f2,f3)에서 차이를 가지도록 하고 있으며, 초점거리가 서로 다른 미소렌즈들이 일정 분포를 가지고 배열을 이루고 있다. 이로써 이런 방식에서는 초점 깊이(DOF)를 확장시키는 효과를 가질 수 있고, 영상센서가 획득한 영상 데이터를 가지고 리포커싱을 통해 보다 넓은 깊이 범위에서 정밀하게 초점이 맞추어진 영상을 형성하는 것이 가능하게 된다.
단, 이런 방식도 기본적으로 도2의 플렌옵틱 카메라 20이 가지는 한계점, 즉, 공간 영상 해상도 혹은 정보 향상을 위해 각 방향(angular direction) 영상 해상도 혹은 정보가 줄어든다는 한계를 가지게 되며, 각 방향 영상 해상도와 공간 영상 해상도를 모두 높은 상태로 유지하는 것은 어렵다.
부연하면, 일반적으로 플렌옵틱 영상기술은 카메라 평면에 동일한 간격으로 배치된 복수의 입력 카메라의 초점 평면에서 생성된 플렌옵틱 정보를 디지털 광학적으로 처리하는 것을 칭하는 것이고, 플렌옵틱 정보는 카메라의 기준점 좌표와 초점평면의 샘플링 위치좌표로 파라미터화되어, 응용 영상처리에 있어서 입력영상을 기반으로, 시점 변경 재초점 및 깊이감 조절기능 등을 부여할 수 있는 것이지만, 이상에서 살펴본 바와 같은 기존의 플렌옵틱 영상기술 혹은 카메라에서는 하드웨어 구조상 한계로 인하여, 이러한 기능의 실현에는 한계가 있는 실정이다.
가령, 통상 디지털카메라의 CMOS(Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor)나 CCD 센서로 영상 정보를 취득할 때 공간영역과 각영역 간의 상호 의존적인 관계, 트레이드 오프 관계로 인해 존재하는 해상도 제약의 문제가 있다. 장착 가능한 렌즈 개수 및 크기, 그리고 디스플레이 패널의 해상도 제약에 의해 제한된 입력 영상정보량에서 각영역 해상도가 증가하면 상반되게 공간영역 해상도가 감소할 수밖에 없기 때문이다.
미국특허 USP 8,619,177호 대한민국 등록특허 제10-1652355호 대한민국 특허출원 제10-2016-0107104호 대한민국 특허등록 제10-1652356호 대한민국 특허등록 제10-1863752호 대한민국 특허출원 제10-2021-0012258호 대한민국 특허출원 제10-2016-0107104호 대한민국 특허출원 제10-2017-0050477호
Light Field 카메라 기술 동향 (전자통신동향분석 제28권 제4호 2013년 8월, 김태원, 정원식, 허남호) Light-Field Microscopy: A Review (J Neurol Newromedicine2019 4(1), Oliver Vimber and David CSchdl, Faculty of Engineering and Natural Sciences, Johannes Kepler University Linz, 4040, Austria) No_35; 2020년 5월 25일; Motion-free TSOM using a deformable mirror; Optics Express Vol.28 No.11 16352 No_38; 2021년 8월 16일; Defect height estimation via model-less TSOM under optical resolution; Optics Express Vol.29 No. 17 27508
본 발명은 기존에 여전히 문제가 되고 있는 TSOM 검사 방법 적용시의 서로 다른 촛점 위치의 영상을 얻는 데 시간이 걸리는 문제를 해결하면서, 실용성을 갖도록 별다른 문제가 없는 TSOM 검사 방법 및 그에 적합한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 라이트 필드(light field) 혹은 명시야(bright field)를 사용하는 플랜옵틱(plenoptic) 카메라와 같은 이미지 감지기 혹은 검출기(detector)를 사용하는 단일 촬상형 TSOM 방법을 제안하며 여기서는 컴퓨터 계산을 통해 단일 촬상 영상으로부터 서로 다른 촛점 위치를 가진 영상, 즉 촛점 스캐닝 영상(스루 포커스 이미지: through focus image)을 구성하게 된다.
즉, 명시야 광학 현미경를 이용하여 얻은 대상물 이미지를 플렌옵틱 카메라로 촬상하여 검사 대상물의 촬상된 이미지(영상)를 얻고, 이 촬상된 이미지는 플렌옵틱 카메라의 이미지 검출기를, 가령 CMOS나 CCD 소자 등을 이용하여, 디지털 데이터로 연산수단 가령 컴퓨터에 보내지고, 컴퓨터는 소정의 어플리케이션 프로그램을 통해 디지털 데이터를 처리하여 촛점 위치가 서로 다른 복수의 이미지를 작성하고, 이렇게 작성된 복수의 이미지를 기존에 알려진 TSOM 검사 방법에서와 같이 이용, 처리하여, 가령 컴퓨터를 이용한 이미지 프로세싱 작업을 통해 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 작성하고, 이 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 통해 혹은 이 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 해석하여 대상물에 대한 검사 결과를 얻게 된다.
본 발명에서 대상물에 대한 검사 결과는 가령 공정 반도체 기판 상의 디펙(defect), 파티클(particle) 등의 너비, 깊이, 높이 등과 같은 미세 구조의 크기가 될 수 있다.
여기서, 대상물에 대한 한 번의 촬상으로 서로 다른 촛점 위치를 가진 복수의 영상을 얻는 기술도 기존 플렌옵틱 카메라 등에 대해 알려진 기술을 적용할 수 있다.
명시야는 수직 조명기에서 얻을 수 있는 조명에 의한 현미경의 시야라고 할 수 있으며, 명시야 기기는 광축에 평행하게 빛을 물체로 투사 혹은 투영하고 영상 정보를 포함한 반사광을 검출기로 검출하여 사용한다.
이런 명시야 현미경 혹은 검사장비는 암시야(dark field) 현미경 혹은 검사장비에 비해 많은 광량을 가질 수 있고, 특히 입체적 구조가 실리콘 산화막 등 투명층에 덮여 있는 경우, 암시야 기기에서의 투명층 표면에서의 빛의 반사로 인한 입체적 구조 촬상의 어려움을 극복할 수 있다.
본 발명에 따르면, TSOM 검사 방법을 이용하여 대상물을 검사함에 있어서 촛점 깊이가 다른 이미지 데이터를 한번의 플렌옵틱 검출기와 같은 촬상 수단에 의한 촬영을 통해 얻을 수 있고, 명시야(bright field)를 이용함으로써 짧은 시간 동안의 촬영에도 충분한 광량과 그에 따른 명확한 이미지 데이터를 얻을 수 있으며, 이런 기반 하에서 기존의 TSOM 기법을 적용하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지와 그에 따른 대상물 검사 결과를 얻을 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 대상물에 대한 TSOM 검사 방법에 의한 결과를 빠르고 편리하게 얻을 수 있으며, TSOM 검사 방법의 일반적인 효과인 비교적 저렴한 광학적 설비와 비용을 통해서도 높은 정밀도로 3차원 구조의 대상물을 검사할 수 있다는 이점도 당연히 가질 수 있다.
도1a는 종래의 일 예에 따른 플렌옵틱 카메라의 개략적 구성개념을 나타내는 측단면도,
도1b는 도1a의 영상센서 부분을 90도 회전 및 확대시켜 그 화소면에 맺히는 미소영상과 화소 분포를 나타내는 개념적 측단면도,
도2a는 종래의 다른 일 예에 따른 플렌옵틱 카메라의 개략적 구성개념을 나타내는 측단면도,
도2b는 도2a의 영상센서 부분을 90도 회전 및 확대시켜 그 화소면에 맺히는 미소영상과 화소 분포를 나타내는 개념적 측단면도,
도3은 종래의 또다른 일 예에 따른 플렌옵틱 카메라의 개략적 구성개념을 나
타내는 측단면도,
도4는 본 발명 장치의 일 실시예에 따른 구성을 나타내는 구성개념도이며,
도5는 본 발명 방법의 일 실시예에 따른 각 단계를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명을 구체적 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도4은 본 발명의 일 실시예 장치를 이루는 구성을 나타내는 구성개념도이다.
이를 참조하면, 이 장치는 명시야 현미경, 현미경에서 얻어진 영상을 촬상하는 플렌옵틱 검출기, 플렙옵틱 검출기에서 얻은 영상 데이터를 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 얻는 컴퓨터와 같은 처리장치를 구비하여 이루어진다.
여기에 포함된 명시야 현미경은 통상의 명시야 현미경과 같이 대상물을 관찰할 수 있도록 설치된 대물 광학계(110: 대물 렌즈 시스템), 명시야 조명광 혹은 광원(120), 결상 광학계(130)를 구비하여 이루어진다.
명시야 현미경을 이용하여 획득된 대상물 이미지를 촬상하기 위한 플렌옵틱 검출기(140: 플렌옵틱 카메라)에서는 검출된 플렌옵틱 영상정보 혹은 이미지 데이터를 컴퓨터(190)로 전송한다. 컴퓨터는 이를 받아 복수개의 서로 다른 촛점 위치의 대상물 영상(스루 포커스 이미지)을 형성하고, 이들 복수의 스루 포커스 이미지를 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 형성하도록 이루어진다.
여기서 대상물에 광을 비출 수 있도록 하는 명시야 조명광(120)은 빔스플리(160)터 일측에서 빛을 비추어 빔스플리터(160)와 대물 광학계(110)를 통해서 대상물에 비추어지는 등의 일반적인 범주에서 생각할 수 있는 것이다. 조명광과 빔스플리터(160) 사이에는 리레이 렌즈(150) 등이 사용될 수 있다. 빔스플리터(160)와 반사경(180) 사이에는 필요에 따라 적절한 종류의 필터(170)가 사용될 수 있다.
조명광을 비추어 얻어진 대상물 이미지는 대상물, 대물 광학계(110), 빔스플리터(160), 반사경(180), 결상 광학계(130: 메인 렌즈)를 통해 옵틱렌즈 검출기(140)로 전달된다. 옵틱렌즈 검출기(140)는 기존 기술로 언급된 도1a, 도2a, 도3의 구성과 같이 CCD나 CMOS와 같은 이미지 센서(143)의 앞쪽에 마이크로렌즈 어레이(MLA)가 구비되거나 혹은 MLA 대신에 도면과 같은 DMD(Digital Micro-mirror Device: 141)가 구비된 형태를 가질 수 있다. DMD(141)도 필요에 따라 서로 다른 DMD 패턴이 사용될 수 있다. 물론, 플렌옵틱 카메라의 다른 잘 알려진 구성이 있다면 해당 구성도 사용할 수 있다.
여기서는 결상 광학계(130)인 메인 렌즈를 지난 이미지가 TIR(Total Internal Reflection: 내부 전반사) 프리즘(145)을 통해 DMD로 가고, 그 표면에서 반사된 이미지가 이미지 센서인 CCD에 도달하는 것으로 도시된다.
여기서, 플렌옵틱 검출기로는 서로 다른 촛점 위치의 대상물 영상을 획득하기 위한 플렌옵틱 영상정보를 얻을 수 있는 기존에 알려진 플렌옵틱 카메라 등 어떤 형태의 것이라도 사용될 수 있다.
여기서, 연산장치를 대표하는 컴퓨터(190)는 기본적으로 입력된 데이터를 처리하기 위한 중앙처리장치, 데이터를 저장하기 위한 메모리, 플렌옵틱 검출기에서 검출된 플렌옵틱 영상정보 혹은 이미지 데이터를 받아 복수개의 서로 다른 촛점 위치에서 대상물을 바라본 복수의 스루 포커스 이미지를 형성하기 위한 플렌옵틱 함수 처리용 어플리케이션 프로그램과 복수의 스루 포커스 이미지를 처리하여 종합적 TSOM 이미지를 형성하는 이미지 프로세싱용 어플리케이션 프로그램을 구비할 수 있으며, 이들 어플리케이션 프로그램으로는 기존의 플렌옵틱 함수 처리방법과 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지 형성방법으로 알려진 방법을 반영하는 어떤 것이든 사용할 수 있다. 물론 컴퓨터에는 신속한 이미지 프로세싱을 위한 별도의 그래픽 처리장치 등의 요소가 구비될 수도 있다.
여기서, 동일한 검사 대상에 대한 촛점 위치가 서로 다른 복수 이미지(스루 포커스 이미지)를 얻은 후에 이들 복수 이미지를 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 얻고, 이 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 이용하여 대상물 상태를 검사, 판단하는 것은 기존의 TSOM 검사 방법에 대해 알려진 기술을 적용하는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 영상 데이터를 컴퓨터가 처리하여 복수의 스루 포커스 이미지를 얻는 방법도 기존에 이미 이루어지고 있는 것이므로 이에 대한 상사한 설명도 생략하기로 한다.
명시야는 수직 조명기에서 얻을 수 있는 투시조명에 의한 현미경의 시야이며, 명시야 기기는 광측에 평행하게 빛을 물체로 투영하고 영상 정보를 포함한 반사광을 검출기로 검출하여 사용한다.
이런 명시야 현미경 혹은 검사장비는 암시야(dark field) 현미경 혹은 검사장비에 비해 많은 광량을 가질 수 있고, 특히 입체적 구조가 실리콘 산화막 등 투명층에 덮여 있는 경우, 암시야 기기에서의 투명층 표면에서의 빛의 반사로 인한 입체적 구조 촬상의 어려움을 극복할 수 있다.
도5는 본 발명 방법의 일 실시예에 따른 각 단계를 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
여기서 본 실시예 방법은, 명시야 현미경 관찰 이미지를 플렌옵틱 검출기로 촬상하는 단계(S10), 촬상된 이미지를 디지털 데이터로 컴퓨터에 전달하는 단계(S20), 컴퓨터가 디지털 데이터 처리하여 서로 다른 촛점 위치의 복수 이미지 생성하는 단계(S30), 컴퓨터가 상기 복수 이미지를 TSOM 스루 포커스 이미지로 삼아 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 생성하는 단계(S40), 종합적 TSOM 데이터 큐브 혹은 이미지를 기반으로 대상물 검사 결과를 분석하는 단계(S50)가 구비되어 이루어진다.
명시야 현미경은 기존에 알려진 고해상도 명시야 광학 현미경을 사용할 수 있다. 결상 렌즈를 지난 대상물 영상은 관찰자의 육안 대신에 플렌옵틱 검출기로 들어가게 된다.
대상물 영상은 플렌옵틱 검출기를 구성하는 이미지 센서의 각 화소부분에 닿고, 각 화소는 해당 부분의 영상 성분에 대응하는 디지털 데이터를 발생시킨다. 전체 이미지 센서에서 생성된 디지털 데이터는 컴퓨터로 전송되고, 처리되어 소정의 이미지를 재구성하게 된다. 소정의 이미지는 컴퓨터 프로그램에 의해 얻어진다.
이때, 컴퓨터에 의한 처리는 크게 두 부분으로 나뉠 수 있다. 첫째는 소정의 어플리케이션 프로그램을 통해 디지털 데이터를 처리하여 촛점 위치가 서로 다른 복수의 이미지를 작성하는 것이다. 둘째는 이렇게 작성된 복수의 이미지를 기존에 알려진 TSOM 방법에서와 같이 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 생성하는 것이다. 이런 처리는 통상적으로 컴퓨터에서의 이미지 프로세싱 작업을 통해 이루어질 수 있다. 이미지 프로세싱 자체도 시간이 어느 정도 필요할 수 있으며, 이런 시간을 줄이기 위해 고성능의 이미지 처리용 프로세서가 중앙처리장치와 별도로 구비되어 사용될 수 있다.
물론 물리적으로 컴퓨터는 플렌옵틱 검출기의 화상 데이터를 받아 복수의 서로 다른 초점 위치의 스루 포커스 이미지를 생성하는 제1 컴퓨터와, 제1 컴퓨터로부터 통신을 통해 복수 이미지를 받아 TSOM 기법에 의한 처리를 통해 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 형성하거나 이에 더하여 결과를 해석하는 제2 컴퓨터의 두 개로 나뉠 수도 있으며, 이들 컴퓨터는 해당 작업에 특화된 처리장치 및 프로그램을 구비하여 이루어질 수도 있다.
이런 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 작성하면, 이 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 통해 혹은 이 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 해석하여 대상물에 대한 검사 결과를 얻게 된다. 대상물에 대한 검사 결과는 공정 반도체 기판 상의 디펙(defect), 파티클(particle) 등의 너비, 깊이, 높이 등과 같은 미세 구조와 관련된 각종 크기가 될 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
110: 대물 광학계 120: 조명광(광원)
130: 결상 광학계(메인 렌즈) 140: 플렌옵틱 검출기
141: DMD(digital micro-mirror device) 143: CCD(이미지 센서)
145: 내부 전반사 프리즘 150: 빔스플리터
160: 리레이 렌즈 170: 필터
180: 반사경 190: 컴퓨터

Claims (6)

  1. 명시야 현미경 이미지를 플렌옵틱 검출기로 촬상하는 단계(S10),
    촬상된 상기 명시야 현미경 이미지를 디지털 데이터로 컴퓨터에 전달하는 단계(S20),
    컴퓨터가 상기 디지털 데이터 처리하여 대상물에 대한 서로 다른 촛점 위치의 복수 이미지를 생성하는 단계(S30),
    컴퓨터가 상기 복수 이미지를 TSOM 스루 포커스 이미지로 삼아 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 생성하는 단계(S40)를 구비하여 이루어지는 단일 촬상형 TSOM 검사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 기반으로 대상물 검사 결과를 분석하는 단계(S50)가 더 구비되는 것어 이루어지는 단일 촬상형 TSOM 검사 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 대상물 검사 결과는 공정 반도체 기판 상의 미세구조인 디펙(defect) 혹은 파티클(particle)의 너비, 깊이, 높이 가운데 적어도 하나인 단일 촬상형 TSOM 검사 방법.
  4. 명시야 광학현미경, 상기 광학현미경에서 얻어진 영상을 촬상하는 플렌옵틱 검출기, 상기 플렙옵틱 검출기에서 1회 촬상하여 얻은 영상 데이터를 처리하여 대상물에 대한 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 얻는 처리장치를 구비하여 이루어지는 단일 촬상형 TSOM 검사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플렌옵틱 검출기는 CCD나 CMOS를 구비한 이미지 센서와 광경로상 상기 이미지 센서 앞쪽에 놓이는 마이크로렌즈 어레이(MLA) 혹은 디지털 마이크로미로 디바이스(DMD)를 구비하여 이루어지는 플렌옵틱 카메라인 단일 촬상형 TSOM 검사 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 처리장치는 상기 플렌옵틱 검출기에서 검출된 플렌옵틱 영상정보 혹은 이미지 데이터를 받아 복수 개의 서로 다른 촛점 위치의 대상물에 대한 복수의 스루 포커스 이미지를 형성하기 위한 플렌옵틱 함수 처리용 어플리케이션 프로그램과 상기 복수의 스루 포커스 이미지를 처리하여 종합적 TSOM 데이터 큐브 또는 이미지를 형성하는 이미지 프로세싱용 어플리케이션 프로그램을 구비하는 컴퓨터인 단일 촬상형 TSOM 검사 장치.
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