University of Virginia - LabVIEW와 머신 비전 및 모션을 이용한 실리콘 웨이퍼 측정 자동화 시스템 구현

Author(s):
Arin W. Sime Software Development Laboratory 소장 - University of Virginia CSIS(Center for Semicustom Integrated Systems)

Industry:
Semiconductor

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
전동식 스테이지를 제어하고 적외선 이미지 및 웨이퍼 두께 데이터를 저장할 수 있는 비파괴 실리콘 웨이퍼 측정 시스템을 개발해야 합니다.

The Solution:
내쇼날인스트루먼트 ValueMotion 제품을 사용하여 스테퍼 모터, 데이터 수집(DAQ) 및 이미지 수집(IMAQ) 제품을 제어함으로써 전압과 이미지 데이터를 수집하고 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 인스트루먼트 제어 및 데이터 저장 및 검색을 위한 그래픽 프런트엔드를 제공합니다.

소개
University of Virginia CSIS(Center for Semicustom Integrated Systems)의 연구자들은 내쇼날인스트루먼트 LabVIEW, ValueMotion, IMAQ 및 DAQ 제품을 사용하여 실리콘 웨이퍼 두께를 측정하는 비파괴 방법을 개발했습니다. 우리는 버지니아 Fredericksburg에 있는 VSI(Virginia Semiconductor, Inc.)를 위해 UVA(University of Virginia)에서 OMS-1(Optical Micrometer
System 1)이라는 이 산업용 계측 프로토타입을 설계했습니다.
VSI는 통합형 회로와 마이크로전자 머신 장치에 사용되는 초박막 실리콘 웨이퍼 제조에 있어 업계 선두업체로 여기서 제조되는 웨이퍼의 두께는 5 ~ 500µm입니다. OMS-1이 개발되기 전에는 기계적 마이크로미터와 같은 핸드 장치(hand device)를 이용해 이러한 웨이퍼를 측정해야 했으므로 웨이퍼 표면에 움푹 패인 자국이 남았습니다. VSI에서 이전에 사용되던 내장형 솔루션보다 더 기능이 풍부한 솔루션이 필요하다고 인식하게 되면서 우리는 맞춤형 하드웨어를 대체할 수 있도록 내쇼날인스트루먼트의 IMAQ, DAQ 및 ValueMotion 스테퍼 제어 보드와 더불어 Windows NT를 실행하는 PC를 선택했습니다.

구성
웨이퍼는 스테퍼 모터에 의해 2가지 차원으로 이동할 수 있는 Teflon 스테이지에 있습니다. 적외선(IR) 레이저를 사용하여 카메라에서는 IR 조건의 웨이퍼 이미지를 캡처합니다. 새로운 LabVIEW 인터페이스를 사용할 경우 이 하드웨어를 전혀 변경하지 않아도 됩니다. 즉, 내쇼날인스트루먼트 보드의 커넥터를 수용할 수 있도록 케이블과 와이어링만 다시 수행하면 됩니다.
우선 우리는 내쇼날인스트루먼트 AT-MIO-16XE-50 DAQ 보드를 시스템에 추가했습니다. 검출기 출력 전압의 범위가 0 ~ 10V인 상태에서 Red 및 IR 방출기/검출기 쌍은 측정 중인 웨이퍼의 두께를 기준으로 아날로그 전압을 생성합니다. 이렇게 얻은 전압을 5차 다항 방정식으로 계산하면 두께 값을 얻을 수 있습니다. 리미트 스위치로는 AT-MIO-16XE-50 보드의 디지털 입력을 사용했으며 이 스위치는 드라이버로 ValueMotion VI(virtual instrument)를 사용하는 맞춤형 스테이지 이동 루틴에 사용됩니다. 또한 방출기/검출기 쌍은 IR 카메라의 옵티컬 경로에 있으면 안되므로 2개의 리미트 스위치가 두께 측정을 위해 방출기/검출기 쌍의 위치를 감지합니다.
우리는 IMAQ를 통해 IR TTV(total thickness variation) 사진을 수집했습니다. 이 이미지는 실리콘 웨이퍼의 표면에서 반사된 IR 레이저의 간섭 패턴을 나타낸 것입니다. 생성된 이미지(이 페이지 반대쪽의 그림 참조)는 지형도와 비슷하며 여기서 어두운 선은 두께가 100nm씩 변함을 나타냅니다.

OMS-1 시스템. 실리콘 웨이퍼는 흰색 Teflon 인서트 중앙에 나와 있으며 오른쪽 핸들은 절대 두께를 측정할 수 있도록 웨이퍼 중앙 위로 이동합니다.

이 이미지를 보는 품질 보증 기술자는 TTV 이미지에서 간섭 무늬의 집중 정도를 기준으로 웨이퍼가 “매끄러운” 웨이퍼 표면을 위한 VSI 표준에 부합하는지 결정할 수 있습니다.
마지막으로 우리는 ValueMotion VI와 내쇼날인스트루먼트 PC-Step-4OX 보드를 사용하여 2개의 스테퍼 모터를 제어했습니다. 각 모터는 실리콘 웨이퍼가 놓여 있는 포지셔닝 스테이지의 축을 하나씩 제어합니다.

우리는 VI를 사용하여 두께 측정 검출기 또는 IR 카메라 아래에 있는 웨이퍼를 자동으로 리포지셔닝했습니다. 오퍼레이터는 웨이퍼 직경의 가변 크기를 입력합니다. 또한 측정 후 DAQ 보드에서 폴링된 수집된 리미트 스위치의 상태에 따라 스테이지를 리센터링(recenter)할 수 있는 VI도 개발했습니다. LabVIEW의 비용 효율성과 웨이퍼 검사 프로세스를 한층 더 자동화할 수 있다는 점도 매력적이었지만 LabViEW를 선택한 가장 중요한 요인은 PC 데이터베이스에 실리콘 웨이퍼에 대한 모든 관련 정보를 저장할 수 있다는 것이었습니다.

TTV(Total Thickness Variation) 이미지. 이 이미지는 IMAQ를 사용하여 비트맵으로 OMS_1에서 수집 및 저장한 적외선 이미지입니다. 이 이미지에서 선은 웨이퍼 두께의 100nm 변화를 나타냅니다.

OMS-1 소프트웨어는 이러한 정보가 들어 있는 데이터베이스를 자동으로 생성하여 웨이퍼 식별 번호에 따라 구성합니다.

LabVIEW를 통해 미래 개발
LabVIEW의 다양한 기능을 통해 VSI는 LabVIEW VI를 수정하는 것만으로 자체 품질 보증 프로세스를 끊임없이 개선하고 있습니다. 또한 편리하게 기능 향상이나 통계적 프로세스 제어를 위해 기능을 추가할 수도 있습니다. 이전의 맞춤형 하드웨어 솔루션은 내장형이었기 때문에 이러한 지속적인 향상이 불가능했던 것입니다.
OMS-1 시스템은 UVA와 VSI 모두에게 매우 성공적 프로젝트였습니다. 이 시스템을 사용하면 웨이퍼 표면에 물리적으로 접촉하지 않아도 실리콘 웨이퍼의 절대 두께를 측정할 수 있지만 기계적 마이크로미터와 같은 기존의 기법은 측정 시 웨이퍼에 손상을 줄 수 있습니다. OMS-1은 또한 ±2µm 미만의 오차한계를 달성했습니다(기계적 마이크로미터는 대개 ±4µm까지는 정확함). 간단한 사용자 인터페이스와 자동 데이터 기록 시스템으로 인해 OMS-1은 사용이 편리해졌으며 VSI는 OMS-1의 기능을 일상적으로 활용함으로써 고객 및 품질 보증 엔지니어들에게 보다 상세한 정보를 제공하고 있습니다. 마지막으로 LabVIEW 솔루션 기능은 매우 다양하기 때문에 지속적으로 OMS로 업그레이드하여 동적인 시장 요구를 충족할 수 있었습니다.

LabVIEW 기반 OMS-1(Optical Micrometer System 1)를 개발하는데 약 6개월이 소요됐으며 이는 기능이 제한되고 보다 비싼 맞춤형 하드웨어 솔루션을 개발하는 데 걸린 시간의 반도 채 안됩니다. 이 프로젝트의 최종 결과는 UVA 연구자들이 VSI의 당면 테스트 요구를 충족시킬 뿐 아니라 향후 요구사항에도 적응할 수 있는 장치를 개발했다는 것이었습니다.

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