KR101813315B1

KR101813315B1 - 포토루미네선스 이미징을 이용한 발광 반도체 소자의 검사 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101813315B1
Application number: KR1020147001975A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 보이켄스; 톰 마리보에트
Original assignee: 케이엘에이-텐코 코포레이션
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2017-12-28
Also published as: TW201305552A; WO2012176106A2; TWI634323B; JP6131250B2; DE112012002619T5; MY174546A; SG10201607916XA; JP2014520272A; WO2012176106A4; US9638741B2; US20130027543A1; KR20140044376A; CN110441272A; CN103765567A; WO2012176106A3

Abstract

발광 반도체 소자들을 검사하는 방법 및 장치가 개시된다. 상기 반도체 소자는 광원으로 조명되며, 상기 적어도 발광 반도체의 영역이 빛의 한 파장대(waveband)로 조명된다. 상기 빛의 파장대(λ_A + λ_B)는 검사될 상기 발광 반도체에서 전자-정공 쌍들을 발생시킬 수 있다. 대물 렌즈를 통해 상기 발광 반도체에 의해 방출된 빛의 적어도 일부(λ_C)가 검출된다. 상기 방출된 빛은 상기 방출된 빛의 파장들에 감응하는 카메라의 센서로 캡처되며, 상기 방출된 빛의 상기 파장은 상기 파장대의 폭을 초과한다. 상기 센서로 캡처된 상기 방출된 빛의 데이터는 상기 발광 반도체의 검사 결과들을 계산하기 위한 컴퓨터 시스템에 전송된다.

Description

포토루미네선스 이미징을 이용한 발광 반도체 소자의 검사 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INSPECTION OF LIGHT EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES USING PHOTOLUMINESCENCE IMAGING}

본 발명은 생산 공정 중 및 후에 발광 반도체 소자를 검사하는 방법에 관한 것이다. 상기 발광 반도체 소자는 LED일 수 있다.

본 발명은 또한 기판 위의 발광 반도체 소자를 검사하는 장치에 관한 것이다.

<관련 출원에 대한 상호 참조>

본 출원은 본 명세서에 참조로서 포함되고, 2011년 6월 24일에 출원된 미국 가출원 제 61/500,987호의 우선권을 주장한다.

고체 상태 조명(solid state lighting, SSL)은 종래의 조명에 비해 몇 가지 장점을 가진다. 주요 장점들은 낮은 소비전력, 긴 수명, 및 작은 폼 팩터(form factor)이다. SSL의 중요한 요소는 발광 다이오드(Light-Emitting Diode, LED) 다이/칩(die/chip)이다. LED를 위한 기반은 LED를 얻기 위해 복잡한 생산 공정을 거치는 반도체 물질이다. 여러 계측 및 검사 단계들이 상기 생산 공정 중 및 후에 수행된다.

LED의 출력 파워(output power)를 측정하는 것은 일반적으로 프로빙 시스템(probing system)을 이용하여 수행된다. 이 시스템에서, 각 LED 다이에 전기적 접촉이 행해지고, 발생된 광출력 파워 및 선택적으로 파장에 대해 측정이 수행된다.

국제 특허 출원 WO98/11425는 포토루미네선스(photoluminescence)를 이용하여 상온에서, 그리고 효율적인 시간에 반도체 또는 실리콘 구조물에 있는 결함들을 검출하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 발명은 고농도의 전하 캐리어(charge carrier)를 생성하기 위하여 바람직하게는 0.1 ㎜ - 0.5 ㎛ 사이의 스팟 크기(spot size) 및 10⁴- 10⁹ W/㎠의 피크(peak) 또는 평균 전력 밀도(power density)를 가지는 고강도(high intensity) 광빔(light beam)을 사용하고 있으며, 상기 전하 특성은 결함들과 상호작용함으로써 반도체에서 결함들을 검출한다. 이러한 결함들은 상기 반도체의 포토루미네선스 이미지를 생성함으로써 보이게 된다. 공초점 광학계(confocal optics)가 사용될 뿐만 아니라 여러 파장들이 선택적인 깊이에서 결함들을 식별하기 위하여 선택될 수 있다. 이 방법은 매우 작은 스팟 크기를 갖는 하나 이상의 레이저 빔들로 매우 작은 부피의 물질에 대해 탐사(probing)를 수행한다.

다른 방법은 US-A-7,504,642 B2에 기술되어 있는데, 여기에서 웨이퍼의 하나의 선택된 층(layer)의 결함 이미지를 선택적으로 생성하기 위하여 필터링(filtering) 및 이미지 계산을 이용하여 하나 이상의 이미지들이 생성되며, 동시에 동일 웨이퍼의 다른 층들의 원치 않는 기여를 제거하기 위해 시도하고 있다.

상기 방법은 샘플의 하나 이상의 특정 물질 층들에 있는 결함들을 식별하기 위하여 포토루미네선스를 이용한다. 샘플로부터 방출되는 반환광(return light)의 미리 결정된 파장들을 필터링하기 위해 하나 이상의 필터링 요소들이 사용된다. 상기 미리 결정된 파장들은 상기 샘플의 하나 이상의 특정 물질 층들로부터 방출되는 반환광만이 검출되도록 선택된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 샘플로 향해서 오는 입사광의 파장은 주어진 깊이로 상기 샘플을 침투해 들어가도록, 또는 상기 샘플에서 오직 하나 이상의 선택된 물질 층들만을 여기시키도록 선택될 수 있다. 따라서, 주로 오직 상기 하나 이상의 특정 물질 층들의 결함 데이터 특성이 생성된다.

국제 특허 출원 WO 2007/128060 A1은, 둘 이상의 이미지들에서 여러 영역의 비교에 근거하여, 간접 밴드갭(indirect bandgap, 예를 들면, Si) 반도체 물질들을 테스트하는 포토루미네선스 기반의 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 태양 전지와 같은 간접 밴드갭 반도체 소자들에서 공간 분해(spatially resolved) 특성을 식별하거나 또는 결정하는데 적합하다. 일 실시예에서, 간접 밴드갭 반도체 소자의 공간 분해 특성은, 상기 간접 밴드갭 반도체 소자가 루미네선스(luminescence)를 방출하도록 하기 위해 상기 간접 밴드갭 반도체 소자를 외부적으로 여기시키는 단계, 상기 외부 여기에 반응하여 상기 간접 밴드갭 반도체 소자로부터 방출되는 루미네선스의 이미지들을 캡처링하는 단계, 및 하나 이상의 상기 루미네선스 이미지들에서 영역들의 상대적인 강도(intensity)들의 비교에 근거하여 상기 간접 밴드갭 반도체 소자의 공간 분해 특성을 결정하는 단계에 의해, 결정된다.

LED의 품질 관리는 LED들이 조명용으로 사용되고 있기 때문에 점점 더 중요해지고 있다. 예들 들면, TV 세트의 후면 조명용으로 사용되는 LED들이 유사한 강도(intensity)들을 가진다는 것은 중요하다. 그러므로, LED들의 광 출력 파워의 품질 관리가 수행될 필요가 있다. 그러한 품질 관리는 지금까지는 LED에 전기적 접촉을 실시(프로빙)하고 나서 방출되는 광 출력 파워를 측정하는 것에 의해서 수행되었다. 이는 몇 가지 단점들을 가진다: LED들이 프로빙 중에 손상될 수 있으며, 프로빙하는 것은 느리고 추가적인 도구를 필요로 한다.

본 발명의 목적은 생산 공정 중 LED에 의해 방출되는 광 파워(light power)를 신속하고 신뢰성 있게 측정하는 방법을 제공하는 것이다. 나아가, 상기 방법은 사용하기에 쉬워야 하며, 측정될 LED에 영향을 미치거나 또는 LED를 파괴해서는 안 된다.

상기 목적은 발광 반도체 소자를 검사하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:

● 빛의 한 파장대(waveband)를 갖는 적어도 발광 반도체의 영역을 조명 광원으로 조명하는 단계에 있어, 상기 빛의 파장대(λ_A + λ_B)는 검사될 상기 발광 반도체에서 전자-정공 쌍을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 단계;

● 상기 발광 반도체에 의해 방출되는 빛의 적어도 일부(λ_C)를 대물 렌즈를 통해 검출하는 단계에 있어서, 상기 방출된 빛은 상기 방출된 빛의 파장들에 감응하는 카메라의 센서로 캡처되고 상기 방출된 빛의 파장은 상기 파장대의 폭을 초과하는 것을 특징으로 하는 단계; 및

● 상기 센서로 캡처된 상기 방출된 빛의 데이터를 발광 반도체의 검사 결과들을 계산하기 위한 컴퓨터 시스템으로 전송하는 단계.

본 발명의 또 다른 목적은 생산 공정 중 LED에 의해 방출되는 광 파워를 측정하는 장치를 제공하는 것이다. 나아가, 상기 장치는 사용하기에 쉬워야 하며, 측정될 LED에 영향을 미치거나 또는 LED를 파괴해서는 안 된다.

상기 목적은 웨이퍼 상의 발광 반도체 소자들을 검사하는 장치에 의해 달성되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:

● 광원(light source);

● 검출 빔 경로를 정의하는 대물 렌즈;

● 상기 대물 렌즈를 통해 발광 반도체 소자들로부터 빛을 받아들이기 위해, 상기 검출 빔 경로에 위치한 센서를 가진 카메라에 있어서, 상기 센서는 상기 발광 반도체 소자들의 그레이 스케일 값(grey scale value)들을 등록하는 것을 특징으로 하는 카메라;

● 상기 센서에 의한 데이터 등록으로부터 웨이퍼맵(wafermap)을 계산하기 위한 컴퓨터 시스템; 및

● 시각적으로 상기 웨이퍼맵을 표시하기 위한 디스플레이.

결함 검사를 위해, 포토루미네선스 효과가 일종의 백라이트(back light)로서 이용된다. 이 조명 효과는 묻혀 있거나 또는 통상적인 검사(normal inspection)에서는 적어도 보이지 않는 결함들을 찾을 수 있게 한다. 본 발명의 설정으로, 금속화 층(metallization layer)에서 커트(cut)들(핑커 커트들(finger cuts)) 또는 인터럽트(interrupt)들을 발견할 가능성도 또한 있다. 또한, 본 발명은 상기 LED들의 불균질성(non-homogeneities)을 검출할 수 있도록 한다. 상기 LED로부터 방출되는 빛에 대해 공간적인 그레이 값(grey value) 분석이 수행된다. 일부 LED들은 일부분에서만 빛을 방출하는 반면에 다른 부분들에서는 빛이 방출되지 않는다 (예를 들면, LED의 코너(corner)에 있는 다크 에지(dark edge)에서는 빛이 나오지 않는다).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발광 반도체 소자들은 링 라이트(ring light)로서 구성된 광원으로 조명된다. 상기 링 라이트는 복수의 LED들을 가진다. 제 2 필터가 상기 검출 빔 경로에 위치될 수 있다. 상기 검출 빔 경로에 있는 상기 제 2 필터는 상기 입사광의 반사가 상기 센서에 도달하지 못하도록 하며, 적어도 한 파장(λ_C)은 상기 제 2 필터를 통과한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 제 1 필터가 상기 광원의 조명 빔 경로에 위치되며 파장대(λ_A + λ_B)를 통과시키도록 설계된다. 상기 제 2 필터는 상기 검출 빔 경로에 있으며 상기 입사광의 반사가 상기 센서에 도달하지 못하도록 하며, 적어도 한 파장(λ_C)은 상기 제 2 필터를 통과한다. 이 경우에, 대물 렌즈는 조명 빔 경로 및 검출 빔 경로를 정의한다. 상기 광원은 동축(coaxial) 광원이다.

하나 또는 여러 LED 다이/칩은 상기 LED에서 전자-정공 쌍들을 발생시킬 수 있는 파장들을 갖는 광원으로 조명된다. 상기 LED에 의해 방출되는 (상기 전자-정공 쌍 및 이어지는 재결합(recombination) 과정으로 인한) 빛은 상기 방출된 빛의 파장들에 감응하는 센서/카메라로 캡처된다. 상기 센서 응답(그레이 값)은 상기 LED의 광 출력의 파워에 대한 척도(measure)이며, 예를 들면, 상기 LED들을 그 광 출력 파워에 따라 분류하기 위해 이용될 수 있다.

발광 반도체 소자들 또는 상기 LED 다이/칩의 조명을 위한 빛의 파장대(λ_A ± λ_B)는 조명 빔 경로에서 상기 대물 렌즈 이전에 제 1 필터를 삽입함으로써 발생된다. 상기 대물 렌즈 이후에 검출 빔 경로에서 제 2 필터가 위치되어, 오직 상기 발광 반도체에 의해 방출된 빛만 상기 카메라의 상기 센서에 도달하도록 한다. 상기 이미지 획득 설정, 특히 상기 대물 렌즈는 현미경 광학계(microscope optics)를 포함한다. 발광 반도체 소자들 또는 상기 LED 다이/칩의 조명을 위해 다양한 유형의 조명이 상기 장치에 이용될 수 있다. 상기 광원은 동축 광원 또는 링 라이트일 수 있다. 상기 조명광은 복수의 LED들을 구비한다.

본 발명의 방법은 기판 또는 웨이퍼 상의 구조물들인 LED 다이/칩에 적용된다. 다음에, 검사 결과는 상기 카메라의 상기 센서에 의해 검출되는 LED 또는 상기 LED 다이/칩의 광 출력 파워에 대한 척도(measure)이다. 상기 센서의 출력은 화소(pixel)들의 행렬의 적어도 하나의 그레이 값이다. 상기 그레이 값의 범위는 상기 LED 다이/칩에서 또는 상기 발광 반도체 소자들에서 LED 당 광 출력 파워의 함수를 수립한다.

본 발명의 장치는 상기 LED 다이/칩을 가진 기판을 X/Y 방향으로 이동시키는 스테이지를 가진다. 상기 이동은 상기 컴퓨터 시스템에 의해 제어된다. 상기 카메라와 상기 기판 간에 상대적인 움직임으로, 상기 카메라의 상기 센서는 상기 기판의 전체 표면의 이미지를 캡처한다. 상기 센서로부터 온 데이터는 상기 LED 다이/칩을 가진 상기 표면의 웨이퍼맵을 계산하는 상기 컴퓨터 시스템에 보내진다. 상기 웨이퍼맵은 상기 컴퓨터 시스템의 디스플레이 상에 표시되며, 별개의 컬러 코드(color code)가 각 클래스(class)의 그레이 값에 할당된다.

상기 LED 당 광 출력 파워의 함수는 룩업 테이블(look up table)로서 구현된다. 또 다른 실시예는 상기 함수가 다항식으로 구현되는 것이다. 룩업 테이블 또는 상기 다항식의 캘리브레이션(calibration)은 LED 샘플을 전기적 프로버(electrical prober)에 연결하여 상기 LED 샘플의 광 출력 파워를 측정함으로써 수행된다.

상기 센서에 의해 발생된 검사 결과는 LED 당 적어도 하나의 그레이 값이다. 상기 LED들의 상기 검사 결과들은 LED들의 등록된 그레이 값에 따라 적어도 두 개의 빈(bin)들에 저장된다. 또 다른 형태로, 상기 센서에 의해 발생된 상기 검사 결과는 LED 다이/칩 당 적어도 두 개의 그레이 값들이다. 하나의 LED 다이/칩의 그레이 값의 변화 또는 차이는 상기 LED 다이/칩의 품질 척도(quality measure)로서 이용된다.

상기 검사 결과는 LED 다이/칩 당 적어도 하나의 그레이 값이며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:

● 각 LED 다이/칩의 동일 조건 하에서의 적어도 두 개의 검사 이미지들을 획득하는 단계;

● 변화하는 조명 강도(illumination intensity) 및/또는 설정 가능한 노출 설정(exposure settings)들 하에서의 이미지들을 획득하는 단계;

● 각 LED 다이에 대해 발생된 그레이 값들의 히스토그램(histogram)을 생성하는 단계; 및

● 합격 또는 불량 기준을 수립하기 위해 상기 히스토그램 분포를 분석하는 단계.

앞서 말한 바와 같이, 상기 발광 반도체 소자들은 LED 다이/칩이고, 상기 LED의 방출된 빛은 상기 LED의 활성층(active layer)에서 조명에 의해 발생되는 전자-정공 쌍들의 재결합 과정에 의해 야기된다. 상기 방출된 파장 또는 파장대는 마치 순방향 전압이 상기 LED에 인가된 것처럼 유사한 파장 또는 파장대를 가진다.

생산 공정에서의 변동(fluctuation)들로 인하여, 상기 LED 칩들은 상기 방출된 빛의 중심 파장(center wavelength), 및 상기 방출된 빛의 파워 등을 포함하는 여러가지 기준에 따라 분류된다.

본 발명은 다른 검사 작업들을 위해 LED 제조자들에 의해 널리 사용되는 검사 장비에 대해 신속하고 비접촉식의 검사를 가능하게 한다.

본 발명의 본질 및 방식은 첨부하는 도면과 함께 다음의 본 발명의 상세한 설명에서 보다 완전히 설명될 것이다.
도 1은 밴드갭 및 대응하는 Ⅲ-N 반도체 물질 시스템의 파장을 보여주는 표이다.
도 2는 LED의 일반적인 층 스택(layer stack)이다.
도 3은 LED 다이/칩으로부터 방출된 빛을 검출하기 위해 하나 또는 여러 개의 LED 다이/칩을 조명하기 위한 본 발명에 따른 장치의 일 실시예이다.
도 4는 LED 다이/칩으로부터 방출된 빛을 검출하기 위해 하나 또는 여러 개의 LED 다이/칩을 조명하기 위한 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예이다.
도 5는 본 발명의 장치로 생성된 웨이퍼맵을 단순화한 도면이다.
도 6a는 통상적인 조명으로 조명된 LED 다이/칩을 가진 웨이퍼의 표면의 이미지이다.
도 6b는 포토루미네선스 조명으로 조명된 웨이퍼상의 LED 다이/칩의 표면 밑에 있는 InGaN 층의 이미지이다.
도 7은 포토루미네선스 설정에서 LED 다이/칩의 이미지를 보여주는 웨이퍼맵의 개략적인 이미지이다.

여러 도면들에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다. 또한, 오직 각 도면의 설명에 필요한 참조 번호들만 도면에 나타나 있다. 도시된 실시예들은 단지 본 발명의 실시 방법의 예들을 나타내는 것이다. 이것이 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 하기의 설명에서 LED 다이/칩을 언급하고 있지만, 이것이 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 발명이 일반적으로 발광 반도체 물질에 적용 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다.

도 1은 밴드갭 및 대응하는 Ⅲ-N 반도체 물질 시스템의 파장을 보여주는 표(100)이다. 모든 반도체 물질들은 이른바 포토루미네선스 효과를 나타낸다. 이 효과는 상기 물질이 특정 파장의 빛으로 조명되고, 상기 광빔(light beam)에 있는 포톤(photon)들이 전자들을 저에너지 상태에서 고에너지 상태로 옮겨가도록 할(전자-정공 쌍들을 발생시킬) 때 나타난다. 이를 광 여기(photo-exitation)라 한다. 입사하는 광빔은 고에너지 상태와 저에너지 상태의 차이를 초과하는 에너지 레벨을 가져야 한다. 이는 일반적으로 상기 반도체 물질의 밴드갭 에너지이다. 상기 발생된 쌍들은 재결합하게 되고, 재결합 과정은 포톤들(방사 재결합(radiative recombination)) 또는 포논(phonon)들(비방사 재결합(non-radiative recombination))을 발생시킨다. GaN 시스템과 같은 대부분의 (직접 천이형 반도체들인) LED 물질들에 있어서, 상기 방사 재결합 과정이 우세하다.

도 2는 LED의 층 스택(101)의 일반적인 표현이다. 상기 층 스택(101)은 n-형 GaN의 층(102)이 형성된 기판(3)을 가진다. 상기 n-형 GaN의 층(102) 위에 InGaN MQW 물질의 중간층(103)이 있다. 최상층(top layer, 104)은 p-형 GaN 물질로 형성된다. 상기 InGaN MQW의 중간층(103)만을 탐사하기(probe) 위해, 여기광(110)은 그것을 둘러싸고 있는 상기 n-형 GaN의 층(102) 및 상기 p-형 GaN의 최상층(104)에 의해 흡수 되어서는 안 된다. 상기 여기광(110)은 상기 GaN 에너지 밴드 레벨 미만의 에너지 레벨-359 nm를 초과하는 파장을 의미함-을 가져야 한다. 상기 InGaN MQW 물질의 중간층(103)에 의해 흡수되는 빛에 대해서, 상기 여기광(110)은 2.75 eV 초과-즉, 450 nm 미만-의 에너지 레벨을 가져야 한다. 상기 InGaN MQW 물질의 중간층(103)에 의해 발생된 빛(120)은 450 nm 근방의 파장을 가지게 될 것이다. 도 3에서 설명된 장치(1)에서, 백색 광원(7)이 사용된다. 그 결과, 상기 광 경로에서 450 nm 미만의 에너지 레벨들은 필터링되어야 한다. 이는 제 1 저역 통과 필터(low pass filter, 15)(450 nm 미만(<450nm)의 파장만 통과시킴)를 의미한다. 깨끗한 이미지들을 만들고 입사광의 반사에 의해서 교란되지 않도록 하기 위해, 검출 빔 경로(21)에 고역 통과(high-pass) 특성, 즉, 450 nm 이상의 파장만을 통과시키는 특성을 갖는 추가적인 제 2 필터가 필요하다.

도 3은 LED 다이/칩(5)으로부터 방출된 빛의 파장들을 검출하기 위해 기판(3) 상의 하나 또는 여러 개의 LED 다이/칩(5)을 조명하기 위한 장치(1)의 일 실시예의 개략적인 표현이다. 하나 또는 여러 개의 LED 다이/칩(5)은 상기 LED에서 전자-정공 쌍들을 발생시킬 수 있는 파장을 가지는 광원(7)으로 조명된다. 상기 LED에 의해 방출된(전자-정공 쌍 및 이어지는 재결합 과정으로 인한) 빛은 상기 방출된 빛의 파장들에 감응하는 카메라(9)로 캡처된다. 상기 카메라(9)는 센서(10)를 가지고, 상기 센서(10)의 응답(그레이 값)은 상기 LED의 광 출력의 파워에 대한 척도(measure)이며, 예를 들면, 상기 LED들을 그들의 광 출력 파워에 따라 분류하는데 이용될 수 있다.

상기 광원(7)은 백색광 광대역(broadband) 스펙트럼 광원이며, 상기 LED 다이/칩(5)을 가진 상기 기판(3)을 조명하기 위해 사용된다. 상기 광원(7)로부터 오는 빛은 광 가이드(light guide, 8)를 통해 현미경(6)으로 공급된다. 상기 현미경(6)은 조명 빔 경로(11)를 정의한다. 빔 스플리터(12)는 대물 렌즈(14)를 통해 상기 조명 빔 경로(11)를 상기 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5) 상으로 향하게 한다. 상기 조명 빔 경로(11)에 각각의 제 1 필터(15)를 삽입하기 위한 수단(미도시)을 제공함으로써, 광원(7)에 의해 발생된 상기 광대역 스펙트럼의 일정 부분이 선택된다. 상기 대물 렌즈(14)를 통과한 빛(입사광빔(incident light beam))은 상기 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5)에 있는 상기 반도체 물질을 여기시킨다. 상기 반도체 물질은, 예를 들면, LED 제조에 사용되는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질과 같은 직접 밴드갭(direct band gap) 물질일 수 있다. 상기 반도체 물질은 알려진 파장에서 빛을 방출할 것이고, 이 빛은 동일한 대물 렌즈(14)에서 모인다. 상기 대물 렌즈(14)는 또한 검출 빔 경로(21)를 정의한다.

상기 검출 빔 경로(21)에서, 제 2 필터(16)는 오직 상기 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5)에 의해 방출된 빛만이 상기 카메라(9) 및 상기 센서(10)에 도달하도록 하기 위해 위치될 수 있다. 상기 제 2 필터(16)는 입사광의 반사가 상기 카메라(9) 또는 상기 센서(10)에 도달하지 못하도록 한다. 카메라(9)의 상기 센서(10)에 의해 수집된 이미지 데이터는 상기 기판(3) 상의 각 LED(4)에 대한 평균 강도(intensity)를 도출하는 이미지 처리 소프트웨어(image processing software)를 사용하는 컴퓨터 시스템(17)으로 공급된다. 상기 컴퓨터 시스템(17)은 웨이퍼맵(도 4 참조)을 계산한다. 디스플레이(18)는 웨이퍼맵(30)을 시각적으로 표시하기 위해 상기 컴퓨터 시스템(17)에 할당되어 모든 LED들(4)의 결과 및, 대부분의 경우 웨이퍼인, 상기 기판(3) 상의 그들의 좌표 위치를 도시한다.

상기 광원(7)은 동축(coaxial) 광원이다. 상기 광원(7)은 링 라이트(ring light)인 경우가 유리하다. 상기 조명광(illumination light)은 복수의 LED들에 의해 제공된다. 상기 광원(7)은 펄스 광원(pulsed light source) 또는 연속 광원(continuous light source)으로 구성될 수 있다. 파장대 제약조건(waveband constraint) (λ_A + λ_B) < λ_C은 광학적 고역 통과(high pass) 및/또는 저역 통과(low pass) 및/또는 대역 통과(band pass) 필터들을 이용하여 구현될 수 있다. 상기 센서(10)는 라인 센서(line sensor)이다. 상기 카메라(9)는 TDI(시간 지연 적분(time delay integration)) 라인 스캔 카메라로 구성될 수 있다. 상기 센서(10)는 또한 2차원 센서일 수 있으며, 이 결과로 영역 스캔(area scan) 카메라가 초래된다.

상기 LED 다이/칩(5) 또는 LED(4)의 상기 방출된 빛은 조명에 의해 발생된 전자-정공 쌍들의 재결합 과정에 의해 야기된다. 상기 LED 다이/칩(5) 또는 LED(4)의 상기 방출된 빛은 마치 순방향 전압이 상기 LED 다이/칩(5) 또는 LED(4)에 인가된 것처럼 유사한 파장을 갖는 조명에 의해 발생된 전자-정공 쌍들의 재결합 과정에 의해 야기된다. 상기 재결합 과정은 상기 LED 다이/칩(5) 또는 LED(4)의 활성층에서 일어난다. 청색 LED의 경우, 하나의 구현예는 λ_A≒380 nm, λ_B≒20 nm 및 λ_C≒440 nm이다.

캘리브레이션(calibration)은 상기 LED 물질의 측정된 평균 강도(intensity)를 출력 파워 (밀도(density)) 번호에 상호연관시키기 위해 수행된다. 본 발명의 장치(1)는 영역 조명(area illumination)을 갖는 백색 광원을 사용한다. 선행기술 소자들은 이 대신에 작은 스팟 크기를 갖는 통상적인 레이저 빔 소스를 사용하며, 카메라를 검출기로서 사용한다. 상기 컴퓨터 시스템(17)은 또한 X/Y 스테이지(19)를 제어한다. 상기 X/Y 스테이지(19)는, 상기 기판의 전체 표면이 상기 대물 렌즈(14)에 의해 카메라(9)의 상기 센서(10) 상으로 이미지화 되도록, 제어된 방식으로 상기 기판(3)을 이동시킨다. 상기 X/Y 스테이지(19)의 위치는 상기 시각적으로 캡처된 데이터를 상기 기판(3) 상의 위치 데이터와 상호연관시키고 상기 웨이퍼맵(30)을 생성하기 위해 기록된다.

도 4는 LED 다이/칩(5)으로부터 방출된 빛의 파장들을 검출하기 위해 기판(3) 상의 하나 또는 여러 개의 LED 다이/칩(5)을 조명하기 위한 장치(1)의 또 다른 실시예이다. 여기에 도시된 실시예에 따르면, 상기 LED 다이/칩(5)은 링 라이트 소스로서 구성된 광원(7)로 조명된다. 상기 링 라이트 소스는 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5)에서 전자-정공 쌍들을 발생시킬 수 있는 파장들을 방출하는 여러 개의 LED들을 포함한다. 상기 LED에 의해 방출된(전자-정공 쌍 및 이어지는 재결합 과정으로 인한) 빛은 상기 방출된 빛의 파장들에 감응하는 카메라(9)로 캡처된다. 상기 카메라(9)는 센서(10)를 가지고, 상기 센서(10)의 응답(그레이 값)은 상기 LED의 광 출력의 파워에 대한 척도(measure)이며, 예를 들면, 상기 LED들을 그들의 광 출력 파워에 따라 분류하는데 이용될 수 있다.

상기 링 라이트 소스는 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5) 상의 일정 영역을 조명하는 조명(11)을 정의한다. 도 4에 도시된 실시예는 상기 LED 다이/칩(5)의 표면의 상기 조명(11)을 위한 제 1 필터(15)가 필요 없다. 상기 링 라이트 소스의 상기 LED들은 상기 반도체 물질에서 전자-정공 쌍을 발생시키기 위해 필요한 빛이 방출되도록 하는 그러한 방식으로 구동된다. 상기 반도체 물질은 알려진 파장에서 빛을 방출할 것이고, 이 빛은 상기 대물 렌즈(14)에 의해서 모아진다. 상기 대물 렌즈(14)는 또한 검출 빔 경로(21)를 정의한다.

도 5는 본 발명의 장치(1)로 생성된 웨이퍼맵(30)을 단순화한 도면이다. 상기 X/Y 스테이지(19)는 상기 기판(3)(웨이퍼)의 표면(3a)의 전체 이미지가 얻어지도록 이동된다. 상기 컴퓨터 시스템(17)은, 상기 기판(3)(웨이퍼)의 전체 표면(3a)에 대한 표현(representation)을 얻기 위해, 상기 대물 렌즈(14)로 획득된 개별 이미지들을 함께 이어 붙인다(stitch). 도 2에 도시한 바와 같은 LED의 층 스택(101)의 경우, 상기 InGaN MQW의 중간층(103)은 본 발명의 장치(1)로 볼 수 있다. 상기 InGaN MQW의 중간층(103)은 이제 상기 p-형 GaN의 최상층(104) 밑에서 볼 수 있다. 상기 웨이퍼맵(30)은 계산되어 모든 LED들(4)의 결과들을 상기 기판(3)(웨이퍼) 상의 그들의 좌표 위치 상에 표시한다. 캘리브레이션은 상기 LED 물질의 측정된 평균 강도(intensity)를 출력 파워 (밀도) 번호에 상호연관시키기 위해 수행된다. 상기 표현(representation)은 서로 다른 그레이 스케일들을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 기판(3)(웨이퍼)의 상기 표면(3a)의 이미지는 검사 중에 삽입된 제 1 필터(15) 및 제 2 필터(16)로 획득된다. 상기 조명 광의 스팟 크기(미도시)는 상기 LED 다이/칩(5)의 크기보다 클 수 있으며, 따라서, 상기 전체 LED(4)를 조명하는 것이 가능하고, 다음에 관련된, 종종 후속의, 측정이 상기 전체 LED 다이/칩(5)의 특성의 적절한 표현(correct representation)이다.

도 6a는 통상적인 조명(백색광)으로 조명된 LED 다이/칩(5)을 가진 기판(3)(웨이퍼)의 표면(3a)의 이미지이다. 상기 LED 다이/칩(5)을 가진 기판(3)(웨이퍼)의 상기 표면(3a)의 이미지는 표준 조명(standard illumination)을 이용하여 획득된다. 이 조명으로는, 모든 LED 다이/칩(5)이 동일한 것처럼 보인다. 도 6b는 상기 LED 다이/칩(5)을 가진 기판(3)(웨이퍼)의 상기 표면(3a)의 이미지이며, 상기에서 상기 표면(3a)은 조명 빔 경로(11)에 있는 상기 제 1 필터(15)로 조명되며, 상기 이미지는 검출 빔 경로(21)에 있는 제 2 필터(16)로 캡처된다. 포토루미네선스로 인해, 기판(3)(웨이퍼)의 상기 표면(3a)은 상기 LED 다이/칩(5)에 의해 발생된 청색광으로 빛난다. 도 6a와 도 6b의 비교로부터, 포토루미네선스 설정으로, 상기 "통상적인(normal)" 또는 표준 조명 설정(백색광)에 대해서는 보이지 않던 검사 특징(feature)들이 보이게 된다는 것이 명백하다. 상기 InGaN MQW의 중간층(103)은 상기 표면 또는 상기 p-형 GaN의 최상층(104) 밑에서 명확하게 보인다. 점선으로 된 원들(51)은 통상적인 조명(백색광) 하에서 동일한 모습을 갖지만, 포토루미네선스 설정 하에서는 응답이 없는 LED 다이/칩(5)을 나타낸다. 표준 조명 설정(백색광)을 사용하는 경우, 모든 LED 다이/칩(5)은 동일한 그레이 스케일 값(grey scale value, GV)을 가지지만, 포토루미네선스 설정을 사용하는 경우, 상기 LED 다이/칩(5)은 현저히 다른 GV 응답을 가질 수 있다.

도 7은 포토루미네선스 설정에서 LED 다이/칩(5)의 이미지를 디스플레이(18) 상에 보여주는 웨이퍼맵(30)의 스크린샷(screenshot)이다. 상기 컴퓨터 시스템(17)(도 3 또는 도 4 참조)에 구현된 소프트웨어를 이용하여, LED들 또는 LED 다이/칩(5)의 이미지들의 특성을 검사하는 것이 가능하다. 이는 이미지들 상에서 상기 개별 LED 다이/칩(5)을 위치시키고, 이미지 처리에 근거하여 일정한 특성을 측정하며, 다음에 측정 결과들을 각각의 개별 LED 다이/칩(5)에 상호연관시키는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 레시피는 규칙 기반 비닝(rule-based binning, "RBB")으로 설정된다. 상기 레시피에 따라 상기 기판(3) 상의 전체 LED 다이/칩(5)의 평균 GV에 따른 상기 LED 다이/칩(5)의 분류가 수행된다. 각 클래스(class)는 별개의 컬러 코드를 가진다. 상기 디스플레이(18)의 별도 섹션(31)에서, 다양한 GV들이 규칙 기반 비닝의 결과로 나온 히스토그램(32)에 나타나 있다. 상기 LED 다이/칩(5)을 가진 상기 기판(3)(웨이퍼)의 검사는 포토루미네선스를 이용하여 통상적인 검사 설정으로 볼 수 있는 것과 진정으로 다른 어떤 것을 측정하는 것이 가능하다는, 하나의 특징을 보여준다. 이웃할 수 있는 개별 LED 다이/칩(5)의 응답이 상기 웨이퍼-레벨 특성과는 독립적일 수 있다는 것을 또한 알 수 있다. 다이-레벨에서의 측정이 LED 제조의 공정 개선에 있어서 큰 추가적인 정보의 소스라는 것을 명백히 알 수 있다. 상기 웨피어맵(30)으로, LED들을 가진 부분적으로 또는 완전히 가공된 기판(3)(웨이퍼)에 대한 측정과 함께, 포토루미네선스 설정을 이용하여, 각각의 개별 LED에 대한 예상되는 출력 파워의 정량적 표시가 얻어진다는 것을 보여줄 수 있다.

본 발명의 방법은 적어도 하나의 LED 다이/칩(5) 또는, 기판(3) 또는 웨이퍼 상에 구조화된, 보다 일반적인 발광 반도체 물질을 검사하는데 적합하다. 적어도 하나의 LED 다이/칩(5)의 영역은 검사될 상기 LED 다이/칩(5)에서 전자-정공 쌍들을 발생시킬 수 있는 파장대(λ_A ± λ_B)로 조명된다. 상기 파장대는 상기 조명 빔 경로(11)에 있는 상기 제 1 필터(15)로 얻어진다. 상기 LED 다이/칩(5)에 의해 방출된 빛의 적어도 일부는 상기 카메라(9)의 상기 센서(10)로 캡처된다. 상기 제 2 필터(16)는 오직 상기 기판(3) 상의 상기 LED 다이/칩(5)에 의해 방출된 빛만이 상기 카메라(9) 및 상기 센서(10)에 도달하여, 상기 센서(10)가 상기 방출된 빛의 파장들(λ_C + λ_D)에 감응하도록 하기 위해 위치될 수 있다. 상기 파장(λ_C)은 상기 파장들(λ_A + λ_B)보다 크다. 검사 결과는 상기 컴퓨터 시스템(17)에 공급되는, 상기 센서(10)의 출력이다.

상기 검사 결과는 LED 또는 LED 다이/칩의 광 출력 파워에 대한 척도(measure)이다. 상기 센서(10)의 출력은 적어도 하나의 화소의 적어도 하나의 그레이 값이다. 보통, 상기 그레이 값은 화소들의 매트릭스로 표시된다. 예를 들면, 8 비트 컴퓨터 시스템(17)에 대한 상기 그레이 값의 범위는 LED 다이/칩(5) 당 0 - 255 사이이다. 상기 출력 파워는 상기 측정된 그레이 값들의 함수이다. 상기 함수는 룩업 테이블로서 또는 다항식으로서 구현될 수 있다. 상기 룩업 테이블 또는 상기 다항식의 캘리브레이션은 LED 샘플이 전기적 프로버에 연결될 경우 상기 LED 샘플의 광 출력 파워를 측정함으로써 수행된다.

상기 검사 결과는 LED 다이/칩(5) 당 적어도 하나의 그레이 값이다. 상기 LED들은 그들의 그레이 값(적어도 하나의 한계값(threshold value))에 따라 적어도 두 개의 빈(bin)들에 저장된다. 여기서, 상기 검사 결과는 LED 다이/칩(5) 당 적어도 두 개의 그레이 값들이며, 하나의 LED 다이/칩(5)의 그레이 값의 변화/차이는 상기 LED 다이/칩(5)의 품질 척도로서 이용된다.

상기 검사 결과는 LED 다이/칩(5) 당 적어도 하나의 그레이 값이며, 각각의 LED 다이/칩(5)에 대해 다수의 검사 이미지들(적어도 둘)이 상기 방출된 빛에 대한 안정성 및 편차들을 검출하기 위해 획득된다. 모든 이미지들이 동일한 조건 하에서 획득될 수 있거나, 또는 이미지들이 변화하는 조명 강도 및/또는 노출 설정들 하에서 획득될 수 있다. 이는 제 1 검사 이미지는 조건 A 하에서 획득되고, 제 2 검사 이미지는 조건 B 하에서 획득되며, 상기에서 조건 A, 및 B 등은 설정 가능하다는 것을 의미한다. 파라미터들의 캘리브레이션은 전기적 프로버로부터 얻은 결과를 이용하여 수행될 수 있다. 그레이 값들의 히스토그램은 각각의 LED 다이/칩(5)에 대해 생성되며, 합격/불량으로 분류하는 것은 상기 히스토그램 분포를 분석하여 수행된다. 예: 만약 상기 히스토그램 분포가 양봉형(bi-modal)이면 불량. 만약 상기 히스토그램 분포가 단봉형(uni-modal)이고 낮은 그레이 값을 가지면 불량. 만약 상기 히스토그램 분포가 단봉형(uni-modal)이고 큰 그레이 값을 가지면 합격. 상기 방법들 중 하나가 상기 전기적 프로버에 대한 사전/사후 체크로서 이용될 수 있다.

본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 단순한 변경 및 수정이 행해질 수 있으며 이들이 첨부된 청구항의 범위에 속한다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자에게 자명할 것이다.

Claims

기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치에 있어서,
반도체 생산 공정에서의 하나 이상의 포인트들에서 기판의 2개 이상의 발광 반도체 소자들을 동시에 조명하도록 구성된 광대역(broadband) 광원으로서, 상기 발광 반도체 소자들 중 적어도 일부는 상기 광대역 광원으로부터의 조명에 응답하여 상기 발광 반도체 소자들의 활성층에서의 전자-정공 쌍들의 재결합 공정에 의해 야기되는 적어도 일부의 광을 방출하는 것인 상기 광대역 광원;
검출 빔 경로를 규정하는 대물 렌즈;
상기 대물 렌즈를 통해 상기 발광 반도체 소자들로부터 광을 수광하기 위해 상기 검출 빔 경로에 배치된 센서 - 상기 센서는 상기 2개 이상의 발광 반도체 소자들에 대한 그레이 스케일 값을 등록하는 것임 - 를 갖는 카메라;
상기 광대역 광원의 조명 빔 경로 내에 배치되고 파장대(λ_A + λ_B)를 통과시키도록 구성된 제 1 필터;
상기 검출 빔 경로 내에 배치되고, 반사된 입사광이 상기 센서에 도달하는 것을 차단하도록 구성되고 또한 상기 발광 반도체 소자들 중 하나 이상에 의해 발광된 적어도 λ_C의 파장의 광을 통과시키도록 구성된 제 2 필터; 및
상기 센서에 통신 가능하게 연결되고 파장 λ_C의 광에 기초하여 상기 반도체 생산 공정의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시스템
을 포함하는 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광원은 링 광원(ring light source)인 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 링 광원은 복수의 LED들을 갖는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광원은 동축(coaxial) 광원인 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 광원은 펄스 광원(pulsed light source) 또는 연속 광원(continuous light source) 중 적어도 하나인 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 파장대의 제약 (λ_A + λ_B) < λ_C는 상기 제 1 필터 및 상기 제 2 필터에 의해 구현되는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, X/Y 방향으로 이동 가능한 스테이지를 더 포함하고, 상기 컴퓨터 시스템은 상기 기판 상의 상기 발광 반도체 소자들의 전체 표면이 상기 대물 렌즈를 통해 상기 카메라의 상기 센서에서 촬상되도록(imaged) 상기 스테이지의 움직임을 제어하는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 2개 이상의 발광 반도체 소자들은 2개 이상의 LED 다이를 포함하고 상기 2개 이상의 LED로부터 발광된 광은 상기 LED 다이의 활성층에서의 상기 조명에 의해 생성되는 전자-정공 쌍들의 재결합 공정에 의해 야기되는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치에 있어서,
반도체 생산 공정에서의 하나 이상의 포인트들에서 기판의 2개 이상의 LED 다이를 동시에 조명하도록 구성된 링 광원으로서, 상기 발광 반도체 소자들 중 적어도 일부는 상기 링 광원으로부터의 조명에 응답하여 LED 소자들의 활성층에서의 전자-정공 쌍들의 재결합 공정에 의해 야기되는 적어도 일부의 광을 발광하는 것인 상기 링 광원;
검출 빔 경로를 규정하는 대물 렌즈;
상기 대물 렌즈를 통해 LED들로부터 광을 수광하기 위해 상기 검출 빔 경로에 배치된 센서를 갖는 카메라;
광대역 광원의 조명 빔 경로 내에 배치되고 파장대(λ_A + λ_B)를 통과시키도록 구성된 제 1 필터;
상기 검출 빔 경로 내에 배치되고, 반사된 입사광이 상기 센서에 도달하는 것을 차단하도록 구성되고 또한 상기 LED들 중 하나 이상에 의해 발광된 적어도 λ_C의 파장의 광을 통과시키도록 구성된 제 2 필터; 및
상기 센서에 통신 가능하게 연결되고 파장 λ_C의 광에 기초하여 상기 반도체 생산 공정의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시스템
을 포함하는 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치에 있어서,
반도체 생산 공정에서의 하나 이상의 포인트들에서 기판의 2개 이상의 LED 다이를 동시에 조명하도록 구성된 동축 광원으로서, 상기 발광 반도체 소자들 중 적어도 일부는 상기 동축 광원으로부터의 조명에 응답하여 LED 소자들의 활성층에서의 전자-정공 쌍들의 재결합 공정에 의해 야기되는 적어도 일부의 광을 발광하는 것인 상기 동축 광원;
조명 빔 경로를 규정하는 대물 렌즈;
광대역 광원의 조명 빔 경로 내에 배치되고 파장대(λ_A + λ_B)를 통과시키도록 구성된 제 1 필터;
상기 대물 렌즈 및 제 2 필터를 통해 LED들로부터 광을 수광하기 위해 검출 빔 경로에 배치된 센서를 갖는 카메라로서, 상기 센서는 상기 2개 이상의 LED 다이에 대한 그레이 스케일 값을 등록하고 상기 제 2 필터는 반사된 입사광이 상기 센서에 도달하는 것을 차단하도록 구성되고 또한 상기 LED들 중 하나 이상에 의해 발광된 적어도 λ_C의 파장의 광을 통과시키도록 구성되는 것인 상기 카메라; 및
상기 센서에 통신 가능하게 연결되고 파장 λ_C의 광에 기초하여 상기 반도체 생산 공정의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성된 컴퓨터 시스템
을 포함하는 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템은 또한 상기 반도체 생산 공정에서의 제1 포인트에서의 파장 λ_C의 광의 강도를 상기 반도체 생산 공정에서의 추가 포인트에서의 파장 λ_C의 광의 강도에 비교함으로써 상기 반도체 생산 공정의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성되는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템은 또한 파장 λ_C의 광의 강도에 기초하여 상기 2개 이상의 발광 반도체 소자들 중 적어도 일부의 효율을 결정하도록 구성되는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 컴퓨터 시스템은 또한 상기 발광 반도체 소자 상의 하나 이상의 블랙 영역(black region)의 식별에 기초하여 결함 발광 반도체 소자를 식별하도록 구성되는 것인 기판 상의 발광 반도체 소자들의 검사 장치.
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