KR20240048732A - 반도체 샘플의 결함 검사 장치 - Google Patents

반도체 샘플의 결함 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 검사 샘플에 조사되는 조명을 제어하거나 차단하여 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높이기보다 검사 샘플로부터 반사되어 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공하여 콘트라스트를 높이도록 광학계를 구성함으로써 콘트라스트를 향상시킬 수 있다. 이를 위해 특히 본 발명의 일 실시예는,검사 샘플에 조명광을 조사하는 조명; 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시켜 투과광을 형성하고 검사 샘플의 반대 방향에 투과광의 개구 평면(aperture plane)을 형성하는 대물렌즈; 개구 평면 또는 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane) 상에 위치하고, 투과광 중 검사 샘플에 정반사된 정반사광과 검사 샘플에 난반사된 산란광을 서로 분리하는 콘트라스트부; 및 분리된 정반사광과 산란광 중 산란광을 결상시켜 검사 샘플의 이미지를 이미징하는 샘플 이미징부를 포함하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치를 포함한다.

Description

반도체 샘플의 결함 검사 장치{defect inspection apparatus for semiconductor sample}
본 발명은 반도체 샘플의 결함 검사 장치로서, 검사 샘플에 광을 조사하고 반사된 광을 가공하여 반도체 샘플의 결함을 검사하는 장치에 관한 것이다.
종래 광학계를 이용하여 반도체 샘플을 검사하는 결함 검사 장치는 검사 ㅅ샘플 이미지의 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높이는 것이 기술적 핵심이었다.
구체적으로 종래 다크 필드 일루미네이션(Dark field illumination)을 형성하는 마이크로스코피(microscopy)는 투과형과 반사형이 있다. 투과형 다크 필드 일루미네이션 광학계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원과 검사 샘플 사이에 빔 블록(Beam Block)을 위치시키고 검사 샘플을 입사 광이 투과하는 방식이다. 반면 반사형 다크 필드 일루미네이션 광학계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 링 미러(Ring mirror) 등을 이용하여 검사 샘플에 입사되는 입사 광이 검사 샘플에서 반사되어 다른 광 경로를 갖도록 하는 방식이다.
전술한 다크 필드 일루미네이션은 주로 조명 부분의 광학계를 구성하고 가공함으로써 검사 샘플 이미지의 휘도가 낮은 단점이 있었다. 이는 광원이 검사 샘플에 도달하기 전에 가공되거나 제어됨으로써 전경과 배경의 콘트라스트를 높이는데 한계가 있었다.
따라서 이러한 종래 다크 필드 일루미네이션 광학계의 단점과 한계를 극복하여 전경과 배경의 콘트라스트를 극적으로 높일 수 있는 새로운 방식의 반도체 샘플의 결함 검사 장치에 대한 개발 필요성이 대두된다.
본 발명은, 상기와 같은 필요성에 기하여 도출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은, 조명과 관계된 광학계 구성을 간소화하고 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공함으로써 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높일 수 있는 반도체 샘플의 검사 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은, 검사 샘플에 조사되는 조명을 제어하거나 차단하여 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높이기보다 검사 샘플로부터 반사되어 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공하여 콘트라스트를 높이도록 광학계를 구성함으로써 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 반도체 샘플의 검사 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제3 목적은, 푸리에 평면의 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)을 이용함으로써 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공 및 제어하여 콘트라스트(contrast)를 향상시킬 수 있는 반도체 샘플의 검사 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제4 목적은, 푸리에 평면의 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)과 DMD 제어를 통해 조건과 환경, 그리고 필요에 따라 적응적으로 검사 샘플을 이미징할 수 있는 반도체 샘플의 검사 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 검사 샘플에 조명광을 조사하는 조명; 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시켜 투과광을 형성하고 검사 샘플의 반대 방향에 투과광의 개구 평면(aperture plane)을 형성하는 대물렌즈; 개구 평면 또는 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane) 상에 위치하고, 투과광 중 검사 샘플에 정반사된 정반사광과 검사 샘플에 난반사된 산란광을 서로 분리하는 콘트라스트부; 및 분리된 정반사광과 산란광 중 산란광을 결상시켜 검사 샘플의 이미지를 이미징하는 샘플 이미징부를 포함하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
조명은 검사 샘플의 평면에 비스듬하게 광을 조사하고, 대물렌즈는 비스듬하게 조사된 광의 정반사 광경로를 광축으로 가지도록 배치된 것일 수 있다. 다만 대물렌즈와 정반사 광경로가 수직하지 않고 비스듬하게 배치될 수도 있으며 비스듬한 정도에 따라 정반사 영역과 산란광 영역이 쉬프트(shift)될 수 있다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치는, 대물렌즈를 사이에 두고 검사 샘플의 반대 방향에 배치되고, 조명에서 조사된 광을 반사시켜 검사 샘플에 입사시키는 입사광을 형성하며 입사광에 기반하여 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시키는 제1 빔 스플리터를 더 포함하되, 입사광과 반사광이 동축이 되도록 조명계를 구성한 것일 수 있다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치는, 제1 빔 스플리터를 투과한 반사광을 투과시켜 이미지 평면(image plane)을 형성하는 튜브 렌즈; 및 튜브 렌즈를 투과한 반사광을 릴레이하고 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane)을 형성하는 릴레이 렌즈를 더 포함할 수 있다.
콘트라스트부는, 개구 평면 또는 공액 평면 상에 배치되고, 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 빔 블록(beam block)을 포함할 수 있다.
콘트라스트부는, 개구 평면 또는 공액 평면 상에 배치되고, 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 조명과 관계된 광학계 구성을 간소화하고 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공함으로써 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높일 수 있다.
그리고 검사 샘플에 조사되는 조명을 제어하거나 차단하여 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높이기보다 검사 샘플로부터 반사되어 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공하여 콘트라스트를 높이도록 광학계를 구성함으로써 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.
아울러 푸리에 평면의 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)을 이용함으로써 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공 및 제어하여 콘트라스트(contrast)를 향상시킬 수 있고, 푸리에 평면의 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)과 DMD 제어를 통해 조건과 환경, 그리고 필요에 따라 적응적으로 검사 샘플을 이미징할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 반도체 샘플의 검사 장치 중 투과형 다크 필드 일루미네이션(transmission type dark field microscopy) 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 종래 반도체 샘플의 검사 장치 중 반사형 다크 필드 일루미네이션(reflective type dark field microscopy) 광학계를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명인 반도체 샘플의 검사 장치에 따른 일 실시예 구성을 나타낸 구성도이고,
도 4는 본 발명인 반도체 샘플의 검사 장치에 따른 광학계의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명인 반도체 샘플의 검사 장치에 따른 광학계의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명인 반도체 샘플의 검사 장치에 따른 광학계의 변형 실시예를 나타낸 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치
본 발명인 반도체 샘플의 결함 검사 장치의 일 실시예는, 검사 샘플에 조사되는 조명을 제어하거나 차단하여 전경(foreground)과 배경(background)의 콘트라스트(contrast)를 높이기보다 검사 샘플로부터 반사되어 대물렌즈를 통과한 반사광을 가공하여 콘트라스트를 높이도록 광학계를 구성함으로써 콘트라스트를 향상시키도록 작용한다.
본 발명의 일 실시예 구성들은, 도 3에 도시된 바와 같이, 검사 샘플(20, Sample)에 조명광을 조사하는 조명(10)과, 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시켜 투과광을 형성하고 검사 샘플의 반대 방향에 투과광의 개구 평면(aperture plane)을 형성하는 대물렌즈(30, objective lens)와, 개구 평면 또는 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane) 상에 위치하고, 투과광 중 검사 샘플에 정반사된 정반사광과 검사 샘플에 난반사된 산란광을 서로 분리하는 콘트라스트부(40)와, 분리된 정반사광과 산란광 중 산란광을 결상시켜 검사 샘플의 이미지를 이미징하는 샘플 이미징부(50)를 포함한다.
이하 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상술한다.
대물렌즈가 형성하는 개구 평면(aperture plane)은, '푸리에 평면(Fourier plane)'이다. 여기서 '푸리에 평면'이라 함은, 단일 파장의 투과광이 렌즈를 통과할 때 광 진행 각도에 따라 렌즈가 위치한 평면에 사영(projection)된 파장의 주기가 다르므로 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)을 형성하는데, 즉 투과광을 이루는 다수의 광속들이 각기 진행 방향에 따라 특정 평면의 특정 영역에 초점을 형성하고 이렇게 다수의 초점을 형성한 평면을 '푸리에 평면'이라 한다. 이러한 푸리에 평면은 다양한 파장에 따른 푸리에 변환(Fourier transform)과 유사하기 때문이다.　
한편 본 실시예를 구성하는 대물렌즈(objective lens)는 단일한 렌즈일 수도 있지만 이와 달리 다수의 렌즈 어레이(lens array)로 구성될 수 있음은 자명하다. 그럼에도 불구하고 이러한 대물렌즈는 푸리에 평면인 개구 평면을 형성해야 한다.
아울러 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane)은, 다른 렌즈들의 개입에 의해 또 다른 공간에 푸리에 평면을 형성할 수 있고 이렇게 다른 공간에 형성된 푸리에 평면을 의미한다.
콘트라스트부(40)가 검사 샘플에 정반사된 정반사광과 검사 샘플에 난반사된 산란광을 서로 분리한다는 의미는, 콘트라스트부가 넓은 의미로 서로의 광경로를 다르게 변경한다는 것이다. 이러한 넓은 의미는 정반사광을 통과시키고 산란광을 차단하는 것까지 포함하는 의미로 사용되었다.
푸리에 평면이 이루은 영역은 정반사광이 분포하는 영역과 산란광이 분포하는 영역으로 구분될 수 있다. 따라서 산란광을 추출하여 이미징하게 되면 검사 샘플의 정상적인 표면인 배경(background)과 대비하여 검사 샘플에 존재하는 스크래치 등과 같은 결함인 전경(foreground)이 대비되어 콘트라스트(contrast)가 높게 관찰될 수 있다.
본 실시예들의 구성 중 샘플 이미징부(50)는, 분리된 정반사광과 산란광 중 산란광을 결상시켜 검사 샘플의 이미지를 이미징하는 역할을 하는데, 산란광의 광경로 상에 이미징을 위한 결상 렌즈를 배치하고 결상 렌즈를 통과한 산란광의 이미지 평면(Image plane)에 CCD(charge coupled device)와 같은 이미징 소자를 배치하여 구성될 수 있다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치의 조명은, 도 6에 도시된 바와 같이, 검사 샘플(Sample)의 평면에 비스듬하게 광을 조사하게 배치된 것일 수 있다. 이 경우 대물렌즈는 비스듬하게 조사된 광의 정반사 광경로를 광축으로 가지도록 배치되거나 이와 어긋나게 배치될 수 있다. 여기서 조명은 검사 샘플에 반사되는 반사광을 입력받는 광학계와 일체로 또는 별도로 구성할 수 있고, 검사 샘플에 비스듬하게 광을 조사하거나 수직하게 조사하는 동축 조명(coaxial light)으로도 구성할 수 있다. 다만 대물렌즈와 정반사 광경로가 수직하지 않고 비스듬하게 배치되는 경우에비스듬한 정도를 제어하여 정반사 영역과 산란광 영역이 쉬프트(shift)되도록 구성할 수도 있다.
한편 조명을 검사 샘플의 평면에 비스듬하게 조사하는 경우에 대물렌즈가 형성하는 개구 평면인 푸리에 평면에 콘트라스트부를 구성하는 것이 바람직하다. 이 경우에 푸리에 평면에 포커스되는 정반사 영역과 산란광 영역은 비스듬하게 조사되는 조명의 조사 각도에 따라 쉬프트될 수 있다. 즉 개구 평면 또는 그 공액 평면인 푸리에 평면은 검사 샘플의 평면과 나란하지 않고 비스듬하게 배치될 수 있으며 이에 따라 콘트라스트부(40)를 구성하는 빔 블록(beam block) 또는 DMD(Digital Micro-mirror Device)가 비스듬하게 배치될 수도 있다. 다만 다양한 추가적 광학 도구를 이용하여 관련 내용을 변형할 수 있음은 자명하다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치는 대물렌즈를 사이에 두고 검사 샘플의 반대 방향에 배치되고, 조명에서 조사된 광을 반사시켜 검사 샘플에 입사시키는 입사광을 형성하며 입사광에 기반하여 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시키는 제1 빔 스플리터(1st beamspliter)를 더 포함하되, 입사광과 반사광이 동축인 조명계를 구성하는 것이 바람직하다. 다만 제1 빔 스플리터(1st beamspliter)는 그 광학적 기능을 고려하면 투과와 반사를 반대로 구성하는 등의 광학계의 변형이 가능하다.
조명이 검사 샘플의 평면에 수직하게 조사하는 동축 조명으로 구성되는 경우에 개구 평면에 콘트라스트부(40)가 위치할 수도 있지만 동축 조명계의 구성과 관련된 구조적 문제로 개구 평면의 공액 평면을 이용하는 것이 바람직하다. 공액 평면 또한 푸리에 평면을 이루고 있으며, 특히 동축 조명계에서는, 공액 평면(더 정확히는 공액 평면 내의 앵귤러 스펙트럼)의 중앙 영역이 정반사 영역을 형성하고 중앙을 둘러싼 영역이 산란광 영역을 형성한다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치의 실시예들은, 제1 빔 스플리터를 투과한 반사광을 투과시켜 이미지 평면(image plane)을 형성하는 튜브 렌즈(tube lens)와, 튜브 렌즈를 투과한 반사광을 릴레이하고 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane)을 형성하는 릴레이 렌즈(relay lens)를 더 포함할 수도 있다.
반도체 샘플의 결함 검사 장치의 제1 실시예를 구성하는 콘트라스트부(40)는, 도 4에 도시된 바와 같이 개구 평면 또는 공액 평면 상에 배치되면서 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 빔 블록(beam block)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우에 빔 블록(beam block)은 배경(background)에 해당하는 정반사광을 차단하면서 전경(foreground)에 해당하는 산란광을 통과시킬 수 있도록 적당한 크기로 정반사 영역에 배치되는 것이 바람직하다. 빔 블록의 크기는 검사 목적, 검사 샘플과 검사 환경 등 다양한 조건을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 구조적으로는 광경로 변경을 위해 릴레이 렌즈(relay lens)와 빔 블록(beam block) 사이에 반사경(mirror)을 더 배치할 수 있다.
한편 반도체 샘플의 결함 검사 장치의 제2 실시예를 구성하는 콘트라스트부(40)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 개구 평면 또는 공액 평면 상에 배치되고, 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우에 DMD는 배경에 해당하는 정반사광을 광흡수체(Absorber)로 향하도록 광경로를 변경하여 차단하고 전경에 해당하는 산란광을 샘플 이미징부(50)를 향한 이미징 광경로로 유도하는 제어가 가능하다. 여기서 광흡수체는 일 예이며 본 발명의 광학계 내에서는 광흡수체를 향하는 정반사광을 이용하지 않는다는 것이므로 이를 대체할 다른 수단들로 구성될 수 있음은 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 갖춘 자에게 자명할 것이다.
여기서 DMD는 다수의 마이크로 미러들을 ±10 ~ ±12 도 정도 회전하며 반사각을 달리하여 광을 제어할 수 있는 구조로 되어 있으므로 정반사광과 산란광을 서로 다른 광경로로 유도하는 것은 용이하다.
마이크로 미러들의 구동은, 검사 목적, 검사 샘플과 검사 환경 등 다양한 조건을 고려하여 적절히 제어될 수 있다. 결국 DMD는, 검사 샘플로부터 반사된 반사광의 푸리에 평면에서의 앵귤러 스펙트럼(angular spectrum)을 계산 및 예측하고 이에 따라 다수의 마이크로 미러들을 개별 제어함으로써 검사 필요에 부합되는 다양한 이미징 결과물들을 적응적으로 도출할 수 있다.
DMD를 이용하여 콘트라스트부(40)를 구성하는 경우에, 콘트라스트부(40)는 릴레이 렌즈와 DMD 사이에 제2 빔 스플리터(2nd beam splitter)를 더 배치할 수 있다. 이 경우 개구 평면의 공액 평면은 제2 빔 스플리터에 반사된 광이 형성하는 푸리에 평면이고 여기에 DMD가 배치된다. DMD에서 반사된 광은 제2 빔 스플리터를 통과하여 샘플 이미징부(50)로 유도될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당 업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 조명
20: 검사 샘플
30: 대물 렌즈
40: 콘트라스트부
50: 샘플 이미징부

Claims (6)

  1. 검사 샘플에 조명광을 조사하는 조명;
    상기 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시켜 투과광을 형성하고 상기 검사 샘플의 반대 방향에 상기 투과광의 개구 평면(aperture plane)을 형성하는 대물렌즈;
    상기 개구 평면 또는 상기 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane) 상에 위치하고, 상기 투과광 중 상기 검사 샘플에 정반사된 정반사광과 상기 검사 샘플에 난반사된 산란광을 서로 분리하는 콘트라스트부; 및
    상기 분리된 정반사광과 산란광 중 상기 산란광을 결상시켜 상기 검사 샘플의 이미지를 이미징하는 샘플 이미징부
    를 포함하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 조명은 상기 검사 샘플의 평면에 비스듬하게 광을 조사하고,
    상기 대물렌즈는 상기 비스듬하게 조사된 광의 정반사 광경로를 광축으로 가지도록 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 대물렌즈를 사이에 두고 상기 검사 샘플의 반대 방향에 배치되고, 상기 조명에서 조사된 광을 반사시켜 상기 검사 샘플에 입사시키는 입사광을 형성하며 상기 입사광에 기반하여 상기 검사 샘플로부터 반사된 반사광을 투과시키는 제1 빔 스플리터를 더 포함하되,
    상기 입사광과 상기 반사광이 동축인 것을 특징으로 하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터를 투과한 상기 반사광을 투과시켜 이미지 평면(image plane)을 형성하는 튜브 렌즈; 및
    상기 튜브 렌즈를 투과한 상기 반사광을 릴레이하고 상기 개구 평면의 공액 평면(conjugate plane)을 형성하는 릴레이 렌즈를 더 포함하는 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘트라스트부는,
    상기 개구 평면 또는 상기 공액 평면 상에 배치되고, 상기 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 빔 블록(beam block)을 포함하는 것인 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
  6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘트라스트부는,
    상기 개구 평면 또는 상기 공액 평면 상에 배치되고, 상기 반사광 중 정반사된 광을 차단하고 산란광을 통과시키는 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 포함하는 것인 반도체 샘플의 결함 검사 장치.
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