KR101900119B1 - 3차원 구조 측정용 광학 시스템 및 방법 - Google Patents

3차원 구조 측정용 광학 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

비아를 갖는 패턴처리된 구조물에서의 측정에 사용하기 위한 광학 시스템이 제시된다. 시스템은 비아 프로파일 파라미터를 측정할 수 있도록 구성 및 작동가능하다. 상기 시스템은 피측정 구조물에 조명되는 광을 전파시키기 위한 조명 채널과, 조명되는 구조물로부터 검출 유닛까지 되돌아오는 광을 집광하기 위한 검출 채널과, 다음 중 적어도 하나 - 조명 및 검출 채널 중 적어도 하나를 따라 전파되는 광의 적어도 하나의 파라미터에 영향을 미치는 과정, 그리고, 적어도 검출 채널을 따라 광의 전파에 영향을 미치는 과정 - 를 수행함으로써 암시야 검출 모드를 구현하도록 구성 및 작동되는 변조 조립체를 포함한다.

Description

3차원 구조 측정용 광학 시스템 및 방법 {OPTICAL SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING IN THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES}
본 발명은 일반적으로 광학 측정 기술 분야의 발명으로서, 반도체 웨이퍼와 같은 3차원 구조의 측정을 위한 광학 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 기술이 진보함에 따라, 소자 크기 축소가 점점 복잡한 작업이 되어가고 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위한 한가지 기법은 복수의 반도체 소자(칩)의 수직 집적을 이용하는 방식이다. 이에 따라, (가령 메모리 애플리케이션 내) 단위 면적 당 더 많은 수의 소자를 만들 수 있고, 서로 다른 기능의 칩을 집적시켜서 더 우수한 성능의 하이브리드 시스템(가령, 센서, 프로세서, 및 메모리)을 도출할 수 있다.
수직 집적용으로 개발 중인 한가지 방법은 관통 실리콘 비아(TSV)에 기초한다. TSV는 실리콘 웨이퍼 또는 다이를 완전히 통과하는 수직 전기 연결부(비아)다. TSV는 비아의 밀도가 실질적으로 높고 연결부의 길이가 짧기 때문에, (패키지-온-패키지와 같은 대안에 비해) 3D 패키지 및 3D 집적 회로를 생성하기 위한 고성능 기술이다. TSV에 따르면, 차후에 일련의 칩과 접촉하기 위해 사용될 전도성 필라가 실리콘 기판 내에 형성된다. 서로 다른 층의 구성요소들을 전기적으로 연결하기 위해, TSV 기술을 이용하여 전기적 인터커넥트를 제공하고 기계적 지지를 제공할 수 있다. TSV 기술에서, 서로 다른 액티브 집적 회로 소자 또는 반도체 프로세스에 의해 제조된 다른 소자를 갖는 실리콘 칩 내에 비아가 제조되고, 비아는 폴리실리콘과 같은 고-도핑 반도체 물질, 또는, Cu, Au, W, 땜납과 같은 금속으로 충전된다. 이러한 비아를 구비한 복수의 구성요소들이 그 후 적층되고 함께 접합된다.
TSV 프로세스의 하나의 중요 단계는 비아 형성으로서, 접촉부의 패턴이 실리콘 내로 식각된다. 요구되는 비아 품질을 유지하기 위해, 비아의 깊이 및 프로파일을 모두 제어하는 것이 본질적이다.
TSV 제조 프로세스 중 생성되는 패턴 특징부의 파라미터(즉, 생성되는 비아의 깊이 및 프로파일)을 모니터링하기 위한 신규한 기술이 당 업계에 필요하다.
TSV는 딥 실리콘 에칭(deep silicon etch)에 의해 생성되어, 고-종횡비로 실리콘 내에 수직 구멍을 도출한다. TSV는 구체적인 응용 분야 및 집적 기법에 따라 서로 다른 단면을 가질 수 있고, 원형, 정사각형, 8각형, 또는 환형 형상을 가질 수 있다. 비아의 전형적인 단면 크기(비아 직경)는 1-50㎛이고, 깊이는 최대 200㎛이어서, 최대 20:1의 종횡비를 제공한다.
신뢰가능하고 반복가능한 집적 프로세스를 보장하기 위해, 여러 개의 중요한 비아 프로파일 파라미터는 비아 깊이, 상부 직경, 측벽 각도, 측벽 리플(즉, TSV 제조 프로세스의 결과로 비아 벽체 상에 나타나는 발진형 오목부 패턴), 하부 직경 및 상부 언더컷과 같은 파라미터를 모니터링 및 제어할 것을 요한다. 이와 연계하여, 비아 프로파일(10)을 도식적으로 도시하는 도 1을 참조한다. 도시되는 바와 같이, 비아는 통상적으로 상부 직경, 하부 직경, 깊이, 및 측벽 리플에 의해 형성된다. 비아 깊이는, 웨이퍼를 시닝 후(얇게 한 후) 칩의 양 측부 사이에 연결부를 형성하도록, 칩 스택 내 층의 최종 계획된 두께를 넘어야 한다. 측벽 리플은 실질적으로 매끄러운 측벽 프로파일을 제공하도록 가능한 많이 감소하여야 한다. 비아의 최적 충전 보장을 위해 "매끄러운" 비아의 측벽이 요구된다. 상부 및 하부 직경은 통상적으로 측벽 각도를 형성한다. 제조 단계를 따름에 있어서 TSV의 코팅 및 충전 프로세스는 정밀 제어 각도의 측벽을 요구한다. 추가적으로, 인터커넥트의 우수한 전도 성질을 보장하기 위해, 상당한 하부 직경이 유지되어야 한다. 다시 말해서, 측벽 기울기가 수직에 매우 가깝도록 유지되는 것이 필요하다. 에칭 프로세스의 가능한 결과는 비아의 상부 에지에서 언더컷(상부 언더컷)의 생성이다. 이러한 언더컷은 다음의 충전 프로세스를 손상시킬 수 있다.
관심 대상인 추가 파라미터는 비아 측벽 상에 얇은 층을 형성하는 비아의 형성에 이어서 수행되는 코팅 또는 다른 프로세스에 관한 것이다. 모든 경우에, 이러한 층들의 두께를 제어할 필요가 있고, 따라서, 이러한 층들을 측정할 필요가 있다.
일반적으로, 비아 상부 직경은, 광이 비아 영역 상에 수직으로 입사되고 거울 반사 광이 검출 및 분석되는 명시야 광학 이미징을 포함한, 여러 가지 알려진 기술을 이용하여 결정될 수 있다. 그러나, 이러한 수직-입사 명시야 이미징은 TSV의 경우 일반적인 고-종횡비 비아의 비아 깊이에 대한 정보를 위해 사용될 수 없다. 비아 깊이 결정을 위해 제안된 다른 공통적 기법은 간섭계 방식에 기초한다. 비아 프로파일의 다른 파라미터의 특성화는, 훨씬 더 어려운 문제인데, 이는 측벽으로부터 반사된 신호가 입사광에 대해 날카로운 예각으로 인해, 상부 표면 및 비아 하부로부터 반사되는 신호보다 훨씬 약하기 때문이다.
본 발명은 암시야 광학적 측정의 일반적 원리에 기초하여, 비아 프로파일의 다양한 파라미터의 측정을 위한 광학적 기술을 제공한다. 이러한 기법은 상부 표면으로부터 그리고 평탄한 비아 하부로부터 나타나는 기여분의 제거 또는 적어도 현저한 감소를 제공한다. 결과적인 신호는 측벽 특성에 의해서 주로, 또는 측벽 특성에 의해서만, 결정되고, 적절한 모델에 대해 측정된 신호의 비교를 이용하여 관심 대상인 비아 파라미터를 추출할 수 있다.
TSV의 제조 프로세스에서, 비아는 에칭에 의해 형성되고, 그 후 얇은 절연층('라이너'로 불림)이 비아 내부에 배치된다. 이 단계에 이어 다른 층("장벽")이 성장하여, Cu 원자의 확산을 제한하고, 이어서, 얇은 금속층("시드"로 불림)이 성장하여 구리의 증착 프로세스를 개선시켜서 접촉부를 형성한다. 이러한 모든 얇은 층들의 특성화는 작은 결함, 불균질성, 및 갭이 TSV 기능을 손상시킬 수 있기 때문에, 대단한 산업적 관심을 모으고 있다.
본 발명의 기술은 암시야 기법의 이용에 기초하며, 웨이퍼 표면으로부터 반사되는 광과 이러한 층들로부터 반사되는 광을 "분리"시킬 수 있다. 측정된 신호를 시뮬레이션된 신호 또는 기준 신호(공지된 구조물 상에서 측정됨)와 비교함으로써, 비아 벽체 상에 생성되는 얇은 층을 특성화시킬 수 있다.
본 발명의 측정 기술은 분리된 구조물에 대해 또는 유사한 요소들의 격자에 대해 구현될 수 있다.
따라서, 발명의 넓은 일 형태에 따르면, 비아를 갖는 패턴 구조의 측정에 사용하기 위한 광학 시스템이 제공되고, 상기 시스템은 비아 프로파일 파라미터를 측정할 수 있도록 구성 및 작동하고, 상기 시스템은 피측정 구조물에 조명되는 광을 전파시키기 위한 조명 채널과, 조명되는 구조물로부터 검출 유닛까지 되돌아오는 광을 집광하기 위한 검출 채널과, 다음 중 적어도 하나 - 조명 및 검출 채널 모두를 따라 전파되는 광의 적어도 하나의 파라미터에 영향을 미치는 과정, 그리고, 적어도 검출 채널을 따라 광의 전파에 영향을 미치는 과정 - 를 수행함으로써 암시야 검출 모드를 구현하도록 구성 및 작동되는 변조 조립체를 포함한다.
발명의 일부 실시예에서, 변조 조립체는 조명 및 검출 채널을 따라 통과하는 광의 편광에 적어도 영향을 미치도록 구성 및 작동가능하다. 상기 변조 조립체는 실질적으로 수직인 편광 평면을 갖는, 조명 및 검출 채널 내에 수용되는 제 1 및 제 2 편광자를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상기 변조 조립체는 실질적으로 평행한 편광 평면을 갖는, 각각 조명 및 검출 채널 내에 수용되는 제 1 및 제 2 편광자와, 상기 조명 및 검출 채널 내에 수용되는 공통 위상 지연체를 포함한다. 상기 위상 지연체는 검출 채널을 따라 구조물로부터 되돌아오는 광의 전파 방향에 대해 제 2 편광자의 상류에 위치한다. 또 다른 예에서, 상기 변조 조립체는 조명 및 검출 채널의 공통부 내에서 이격된 관계로 수용되는 공통 편광자 및 공통 위상 지연체를 포함한다. 상기 편광자는 조명 채널을 따라 구조물까지 조명되는 광의 전파 방향에 대해 위상 지연체의 상류에 위치한다.
추가적으로, 또는, 대안으로서, 상기 변조 조립체는 조명 및 검출 채널 모두를 부분 마스킹하도록 구성 및 작동가능하다. 이러한 변조 조립체는 상기 시스템에 사용되는 광에 대해 서로 다른 광 투과 영역에 의해 형성되는 단일 패턴을 포함할 수 있고, 상기 패턴은 광학 시스템의 후방 초점 평면의 인근에서, 또는, 상기 후방 초점 평면에 대해 켤레 관계인 평면의 인근에서, 즉, 시스템 후방 초점 평면에서 또는 그 근처에서, 또는 시스템 후방 초점 평면에 켤레 관계인 평면에서 또는 그 근처에서, 상기 조명 및 검출 채널과 교차하는 평면에 위치한다. 상기 패턴은 반-평면(half-plane) 형태로서, 입사 조명의 방향을 제한하고 이러한 입사 방향으로부터 거울 반사되는 복사광을 차단한다. 다른 예에서, 상기 변조 조립체는 제 1 및 제 2 상보형 패턴을 포함하고, 각각의 패턴은 상기 시스템에 사용되는 광에 대해 서로 다른 광 투과 영역에 의해 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 패턴은 각각 조명 및 검출 채널의 후방 초점 평면 내의 또는 근처의 켤레 평면에 위치한다. 예를 들어, 상기 조명 채널의 제 1 패턴은 2개의 동심 링의 형태를 취하고, 2개의 동심 링 중 중앙 링은 광 투과 영역을 형성하고, 주변 링은 광 차단 영역을 형성하며, 상기 검출 채널의 제 2 패턴은 2개의 동심 링의 형태를 취하고, 2개의 동심 링 중 중앙 링은 광 차단 영역을 형성하고, 주변 링은 광 투과 영역을 형성한다.
상기 시스템은, 검출된 광을 표시하는 측정 데이터를 수신하도록, 그리고, 상기 비아의 적어도 하나의 파라미터를 결정하기 위해 상기 데이터를 처리하도록, 구성 및 작동가능한 제어 유닛을 또한 포함할 수 있다.
상기 측정은 피팅 과정(fitting procedure)을 이용하여 수행될 수 있다. 본 과정에 따르면, 피측정 구조물을 설명하는 이론 모델을 이용하여 이론 데이터 또는 기준 데이터를 발생시키고, 이론 데이터 또는 기준 데이터는 최적 맞춤(best fit)이 발견될 때까지 모델 파라미터를 변화시키면서 측정 데이터와 반복적으로 비교된다. "최적 맞춤" 모델의 파라미터는 측정 파라미터에 대응하는 것으로 간주된다. 기준 데이터는 공지된 파라미터를 갖는 테스트 샘플을 이용하여 또한 생성될 수 있다.
시스템은 상기 구조물로부터 거울 반사되는 광을 집광하기 위한 추가적인 검출 채널을 포함할 수 있다.
발명의 또 다른 넓은 형태에 따르면, 하나 이상의 비아 프로파일 파라미터를 결정하기 위해 비아를 갖는 패턴처리된 구조물의 광학적 측정에 사용하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음 중 적어도 하나 - 조명 및 검출 채널을 따라 전파되는 광의 적어도 하나의 파라미터에 영향을 미치는 과정과, 적어도 검출 채널을 따라 광의 전파에 영향을 미치는 과정 - 를 수행함으로써 패턴처리되는 피측정 구조물에 암시야 검출 모드를 적용하는 단계를 포함한다.
발명을 이해하기 위해, 그리고, 발명이 실제로 어떻게 실시될 수 있는 지를 확인하기 위해, 첨부 도면을 참조하여 비-제한적인 예를 통해, 이제부터 실시예가 설명될 것이며, 첨부 도면에서는 동일한 도면 부호를 이용하여 동일 또는 유사 기능을 갖는 요소 또는 작용을 식별한다:
도 1은 상부 직경, 하부 직경, 깊이, 및 측벽 리플과 같은 파라미터를 보여주는 전형적인 비아 단면도를 개략적으로 도시하고,
도 2, 3, 4는 조명 및 검출 채널에서 전파하는 광의 편광에 영향을 미치도록 구성되는 암시야 셋업을 이용하는 발명의 측정 시스템의 3가지 예를 개략적으로 도시하며,
도 5A 및 5B는 조명 및 검출 채널에서 공통 패턴을 이용하여, 조명 및 검출 채널을 통한 광의 전파에 영향을 미침으로써 암시야 검출 모드가 실현되는 발명의 기술을 예시하고,
도 6A 및 6B는 도 5B의 시스템에 사용하기 적합한 광-경로 마스크의 설계의 예를 도시하며,
도 7은 조명 및 집광 채널에 상보형 마스크를 배치함으로써, 조명 및 검출 채널을 통한 광의 전파에 영향을 미침으로써 암시야 검출 모드가 실현되는 발명의 기술을 예시하고,
도 8A-8C는 조명 및 검출 채널에 대해 서로 다른 방위각 및 고도를 이용함으로써 조명 및 검출 채널을 공간적으로 분리시킴으로써 암시야 검출 모드가 실현되는 발명의 시스템을 예시한다.
도 9 및 도 10은 비아의 하부의 서로 다른 반경에 대해 도 2의 교차-편광자 셋업에서 원형 비아로부터 반사 스펙트럼에 대한 광선-추적(ray tracing) 연산을 예시한다.
도면에 예시되는 실시예는 축적에 맞게 그려진 것이 아니며, 이해 및 설명을 용이하게 하기 위해 도해 형태로 제시된다.
도 1은 상부 직경, 하부 직경, 깊이, 및 측벽 리플과 같은 파라미터를 규정하는 전형적인 비아 프로파일을 개략적으로 도시한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 암시야 방식을 이용하여 위 파라미터를 모니터링함으로써 비아 프로파일 모니터링 기술을 제공하며, 이러한 방식에 따르면, 조명 및 검출되는 광의 파라미터 및/또는 조명 및 검출 채널의 수용시 다르다.
다음은 비아 프로파일 파라미터 측정시 사용하기 위한 본 발명의 시스템의 여러가지 예다. 이해를 돕기 위해, 모든 예에서 공통인 구성요소를 식별하기 위해 동일한 도면 부호가 사용된다. 이러한 예에서 도시되는 각각의 측정 시스템은 조명 및 검출 채널(C1, C2)을 형성하고, 조명 및/또는 검출 채널을 따라 전파하는 광의 적어도 하나의 파라미터에 영향을 미침으로써, 및/또는 적어도 검출 채널을 따라 전파하는 광의 적어도 하나의 파라미터, 및/또는 조명 및 검출 채널의 적절한 상대적 수용에 영향을 미침으로써, 암시야 모드를 구현하도록 구성된다. 이러한 구조는 암시야 검출 유닛에 의해 거울 반사광을 제거하거나 적어도 현저하게 감소시키는 검출을 제공한다.
도 2, 3, 4의 예에서, 시스템 구조는 상측 웨이퍼 표면에 수직으로 입사되어 거울 반사되는 광이 원래의 편광을 유지한다는 점을 바탕으로 한다. 따라서, 상측 표면으로부터 반사된 광과 입사 방향에 대해 기울어진 각도를 갖는 표면으로부터 반사된 광 간을 구별하는 것이 가능하다.
도 2는 비아(10)를 갖는 샘플(S)에서의 측정을 위한 암시야 반사계로 구성되는 광학 암시야 측정 시스템(100)을 보여준다. 시스템(100)은 조명 및 편향 채널(C1, C2)을 형성하고, 조명 및/또는 검출 채널을 따라 전파되는 광의 적어도 하나의 파라미터에 영향을 미침으로써 암시야 모드를 구현하도록 구성된다. 시스템(100)은 광원 유닛(12)(외부 광 방사기와 연관된 광 안내 유닛에 의해 또는 발광 배열에 의해 구성될 수 있음), 검출 유닛(22), 광 지향 배열(15), 및 광 변조 조립체(19)를 포함한다. 본 예에서, 시스템(100)은 입사 및 회수 광 채널(C1, C2)에 대해 상호 수직 편광을 제공하도록 구성된다. 이는 소위 교차-편광 반사계로 불린다. 광 변조 조립체(19)는 고정된 또는 제어가능한, 실질적으로 수직인, 선호되는 편광 평면을 갖는 편광자(14, 20)를 포함한다. 광 지향 배열(15)은 빔 스플리터(16) 및 포커싱 광학계(대물)(18)를 포함하며, 조명 및 검출 채널(C1, C2)의 공통부 내에 수용된다.
검출된 광을 표시하는 데이터를 수신 및 분석하기 위한, (유선 또는 무선 신호 전송을 통해) 검출기(22)의 출력에 연결가능한 제어 유닛(24)이 시스템(100)에 또한 제공된다. 제어 유닛(24)은 통상적으로, 데이터 입력 및 출력 유틸리티(26), 메모리(28), 프로세서(30), 및 가능하다면, 디스플레이(32)와 같은 기능 유틸리티를 포함하는 컴퓨터 시스템이다. 제어 유닛(24)은, 적어도 하나의 편광자가 편광 평면의 배향을 선택적으로 변화시키기 위한 튜너블 장치인 경우에 편광 컨트롤러(34)를 또한 포함할 수 있다.
광원(12)으로부터 발원하는 광(L1)은 조명 채널(C1)을 따라 전파하여 입사-경로 편광자(14)에 의해 편광되며, 결과적인 편광된 광(L'1)은 빔 스플리터(16)에 의해 샘플(S)에게로 지향되고, 상기 빔 스플리터(16)는 광을 대물 수단(18)을 향해 반사시키고 대물 수단(18)은 샘플(S) 상의 조명 영역에 광을 포커싱한다. 조명 영역으로부터 반사되는(회수되는) 광(L2)은 검출 채널(C2)을 따라 전파되고, 광학 수딘(18)에 의해 빔 스플리터(16) 상에 포커싱되고 따라서 투과되어 편광자(20)에 도달한다. 이와 같이 편광된 광(L'2)은 검출 유닛(22)에 전파된다.
편광자(20)로부터 나타나는 광(L'2)에서, 입사광 방향에 수직인 표면으로부터 반사되는 기여분은 이상적으로 완전하게 억제된다. 그러나, 비아(10)의 측벽으로부터 되돌아오는 광 성분과 같이, 입사광 전파 방향에 대해 비스듬한 각도를 갖는 표면으로부터 반사되는 광 성분은, 현저한 편광 변화를 거쳐서, 그 중 적어도 일부분이 검출기(22)에 의해 집광될 수 있다.
도 3은 측정 시스템(200)이 위상 지연 요소를 이용한다는 점에서 도 2의 앞서 설명한 교차-편광자 암시야 설정으로부터 구별되는 측정 시스템(200)을 도시한다. 여기서, 광 변조 조립체(19)는 실질적으로 평행한, 선호되는 편광 평면들을 갖는 편광자(14, 20) 및 위상 지연체(17)를 포함한다.
광원(12)으로부터의 광(L1)은 편광자(14)를 통과하고, 편광된 광(L'1)은 빔 스플리터(16)에 의해 위상 지연체(17)로 반사되며, 위상 지연체(14)는 광 편광을 θ=45°만큼 회전시키며, 이와 같이 생성된 광(L"1)은 대물 수단(L1)에 의해 샘플에 포커싱된다. 되돌아오는(반사된) 광(L2)은 렌즈 유닛(18)에 의해 위상 지연체(17)에 포커싱되며, 그 위상은 45˚만큼 다시 회전하여, 광(L'2)을 도출하고, 이는 그 후 검출 경로(C2)의 편광자(20)를 통과하고, 편광자(20)는 입사 경로 편광자(14)의 편광 평면에 평행하게 배향되는 선호되는 편광 평면을 갖는다. 따라서, 표면으로부터 거울 반사되는 광은 수직 편광으로 제 2 편광자(20)에 도달하고, 완전히 차단된다. 비아 벽체로부터 비스듬한 반사에 의해 회전된 편광을 갖는, 되돌아오는 광의 광 성분은 제 2 편광자를 통과할 수 있고, 결과적인 신호는 시뮬레이션된 신호 또는 기준 신호(알려져 있는 테스트 구조로부터 측정된 신호)와 비교되어, 비아 프로파일에 대한 정보를 추출할 수 있다.
도 4는 편광 성질을 이용하여 웨이퍼 표면으로부터 거울 반사 광을 제거하는, 도 3의 경우와 대체로 유사하게 구성되는 시스템(300)을 도시하며, 광 변조 조립체(19)는 단일 편광자(14) 및 편광 지연체(17)를 포함하고, 편광자(14)는 빔 스플리터(16)와 위상 지연체(17) 사이에 위치한다. 이러한 구조는 저렴한 비용으로, 그리고 (가령, 편광자와 빔 스플리터 사이에서) 완화된 정렬 요건으로, 동일한 광학적 성능을 제공한다.
도 2-4의 상술한 예에서, 암시야 기법은 샘플로부터 되돌아오는 광의 검출을 이용하였고, 상기 광은 거울 반사의 방위각 및 고도를 갖는, 그러나, 조명광의 경우에 비해 서로 다른 광 파라미터(즉, 서로 다른 편광)를 갖는, 검출 경로를 따라 전파되고, 따라서, 비아일 경우 측벽으로부터 되돌아오는 광을 식별(검출)할 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 암시야 측정은 조명 및 검출 경로를 통한 광 전파에 대한 영향에 기초하여, 거울 반사의 경우와는 다른 방위각 및 고도를 갖는 검출 경로의 일부분만이 검출 유닛에 연결되게 된다. 이는 소위 마스킹된 광 경로를 이용함으로써 실현될 수 있다. 이러한 기법에서, 암시야 측정은, 후방 초점 평면에서 또는 그 근처에서 검출 광 경로를 부분 마스킹함으로써, 그리고, 샘플의 상측 표면으로부터 거울 반사되는 임의의 광 성분이 집광되는 것을 효과적으로 방지함으로써, 획득된다.
이는 공통 광학적 경로(조명 및 검출 경로)에 마스크를 이용하여 구현될 수 있다. 이 기술에 따르면, 마스킹 요소가 입사광 전파 방향과 관련하여 포커싱 광학 수단 상류에 배치되어, 대물 렌즈 상의 조명되는 영역을 제한하고, 결과적으로, 샘플에 입사되는 각도 범위를 제한한다. 마찬가지로, 이러한 마스크는 되돌아오는 광을 부분적으로 차단하여, 검출기에서 수용가능한 반사 광을 제한한다. 이 방법은 마스크 상의 모든 투명 지점에 대하여, (광선이 반사되어 도달하는 위치에 대응하는) 대응 지점이 불투명함을 확인함에 기초한다.
이러한 기술의 일례가 도 5A 및 도 5B에 제시된다. 도 5A에 도시되는 바와 같이, 대물 렌즈(18)의 절반이 불투명해질 경우, 입사 광선(I)이 평탄한 표면(S)으로부터 개구의 불투명한 절반 내의 지점(R)으로 거울 반사되고, 따라서 차단된다. (즉, 거울 반사의 전파 방향 바깥의 각도로 전파하는) 샘플에 의해 변경되는 전파 방향을 갖는 광선만이 집광될 수 있고, 따라서, 암시야 측정을 구현할 수 있다. 다시 말해서, 공통 조명 및 검출 경로에 위치하는 마스크가 적절히 설계되어, 0-차수 회절을 차단하고 따라서 암시야 검출 모드를 구현할 수 있다.
도 5B는 상술한 마스킹된 광-경로 기법을 구현하도록 구성되는 측정 시스템(400)을 보여준다. 광원(12)으로부터의 광(L1)은 조명 경로(C1)를 따라 샘플에게로 지향되며, 빔 스플리터(16)에 의해 부분 차단 마스크(14)에 반사되고, 그 후 대물 렌즈(18)에 의해 샘플(S)에 포커싱된다. 조명된 샘플로부터 되돌아오는 광은 대물 렌즈(18)에 의해 집광되고 마스크(14)에 의해 포커싱되며, 그 후 빔 스플리터(16)에 의해 검출 유닛(22)에 전송된다.
암시야 측정을 구현하기 위해 도 5B의 시스템에 사용하기 적합한 광-경로 마스크에 대한 설계의 구체적인, 그러나 제한적이지 않은, 예를 보여주는 도 6A 및 도 6B를 참조한다.
도 6A의 예에서, 마스크(14)는 시스템에 사용되는 광에 대한 하나는 투명하고 다른 하나는 불투명한 2개의 절반부를 갖고, (도 5A에 도시되는 바와 같이) 개구수의 절반을 차단하도록 대물 렌즈에 대해 배치될 것이다. 마스크는 대물 영역의 절반 이상을 커버하도록 설계되어, 시야의 중심 영역에서 마스크를 통해 광선이 누출되지 않음을 보장하는 것이 바람직하다. 도 6A의 마스크는 구현하기 간단하지만, 이는 좌-우 대칭을 심각하게 파괴하여, 원치않은 결과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이러한 대칭 파괴는 수평 또는 수직 방향으로 배향되는 물체에 대해 서로 다른 감도를 야기할 수 있다. 이러한 결과는 도 6B에 예시되는 바와 같이, 시야가 3개 이상의 부분으로, 예를 들어, 6개의 부분으로 나누어지는 마스크를 이용함으로써 어느 정도 완화될 수 있다. 여기서, 다시, 입사 경로의 임의의 투명 영역이 역방향 경로에서 마스킹된 영역에 의해 켤레화되기 때문에, 표면으로부터의 거울 반사가 완전히 제거된다. 시야 중심으로부터 명시야 기여분을 방지하기 위해, 마스크의 중심 영역은 불투명해진다.
도 6B에서와 동일한 기법에 기초한 더욱 정교한 설계가 고려되어, (대향된 투명 차단부의 쌍들을 갖는 것이 가능하도록) 시야가 2n개의 웨지로 나누어질 수 있고, 이때, n은 홀수다. 이러한 설계는 회전 대칭 측면에서 유리하지만, 회절 효과를 피하기 위해 각각의 투명부가 파장보다 훨씬 폭이 넓어야 한다는 요건에서 제한되고 제작이 더 어렵다.
임의의 적절한 설계의 마스크가 통상적으로 입사광에 대해 서로 다른 투과 영역의 패턴을 제시한다. 이러한 패턴은 물리적 패턴 구조에 의해 또는 전자 패턴(가령, LC 패널과 같은 공간 광 변조기)에 의해 구성될 수 있다.
도 5B의 위 예에서, 마스크는 공통 광학 경로에 위치한다. 상술한 바와 같이, 단일 마스크를 이용하여 허용된 광 경로를 제어하고자 할 때, 측정 시스템은 회전 대칭을 파괴하고, 원치않는 아티팩트를 야기할 수 있다. 대안으로서, 입사 및 반사 광 경로에서 허용된 광 경로의 개별적 마스킹은 조명 및 집광 경로 내에 상보형 마스크를 배치함으로써 이용될 수 있다. 이는 상술한 시스템(100)(도 2)과 대체로 유사하게 구성되는 측정 시스템(500)을 보여주는 도 7에서 예시되며, 다만, 측정 시스템(500)에서는, 조명 및 집광 경로(C1, C2) 내 서로 다른 편광자가 후방 초점 평면(14, 20)에서 또는 근처에서 서로 다른 조명 및 집광 패턴(마스크)으로 대체된다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 광원(12)으로부터의 광(L1)은 조명 마스크(14)를 통과하고, 마스크(14)의 중앙 영역을 통과하는 광 부분(L'1)은 빔 스플리터(16) 및 대물 렌즈(18)에 의해 샘플(S)로 지향된다. 반사광(L2)은 대물 렌즈(18)에 의해 집광되고 빔 스플리터(16)에 의해 집광 마스크(20)에 전송된다. 마스크(20)의 투명 주변 영역을 통과하는 광 부분(L'2)은 검출기(22)에 의해 검출된다. 본 구현예에서, 입사광 경로는 마스크(14)에 의해 부분적으로 차단되어, 장의 중심에 원형 투명 영역을 남긴다. 중앙 원형 영역을 차단하는 켤레 마스크(20)가 반사광 경로(C2)에 사용되어, 샘플의 평탄한 수평 표면으로부터 거울 반사되는 광이 차단되고 비아 측벽에 의해 회절된 광만이 집광되게 된다. 다시, 명시야 기여분을 피하기 위해, 마스크는 오버랩(overlap)을 갖도록 설계된다. 앞서 설명한 단일 마스크에 기초한 방법에 반해, 본 기법에서는 원통형 대칭이 유지된다. 그러나, 이 장점은 정확한 정렬을 요하는 서로 다른 2가지 요소의 이용에 의해 야기되는 추가적인 구현 복잡도에 의해 상쇄된다.
비아의 측벽으로부터의 응답을 검출함으로써 비아 프로파일 파라미터의 측정을 촉진시키는 또 다른 기술은, 별도의 조명 및 집광 경로에 기초하여 암시야 측정을 이용한다. 이러한 기법에서, 암시야 측정은 일방향으로 샘플을 조명함으로써, 그리고, 표면으로부터 거울 반사되는 광을 집광하지 않는 배향으로 검출기를 배치함으로써, 구현된다. 이 기법에 대한 가능한 개선사항은, 비아 프로파일에 대해 더 많은 정보를 얻기 위해 조명/검출 방향을 스캔함으로써 가능하다.
본 실시예의 한가지 가능한 예에 따르면, 하나의 비스듬한 채널 및 하나의 직교 채널이 사용될 수 있다. 여기서, 조명은 직교 채널에서 비아 상에 입사되고, 제 2 검출기가 비스듬한 각도로 배치된다(또는 그 역으로 구성된다). 입사 및 집광되는 광의 배향이 분리되도록, 암시야 설정에 대해 3개의 예를 보여주는 도 8A-8C를 참조한다.
도 8A에 도시되는 바와 같이, 광원(12)으로부터 유입되는 광(L1)은 웨이퍼 표면(S)에 수직으로 입사되고, 검출 유닛(14)에 의해 검출되는 광(L2)은 비스듬한 각도로 집광된다. 이러한 구조가 역전되어, 광이 비스듬한 각도로 입사되고 표면에 수직으로 집광될 수 있다. 이러한 방식으로, 비아에 의해 회절되는 광만이 검출기에 의해 집광될 수 있다. 이러한 설계는 많은 다른 응용예에 대해 공통인 직교 채널이 명시야 측정에 사용될 수 있는 장점을 갖는다.
다른 예에 따르면, 2개의 비스듬한 채널이 사용된다. 고-종횡비 비아의 경우에, 표면에 대해 각도(α)로 입사되는 광은 모든 방위각으로 산란되지만, 지배적으로는 동일 각도(α)로 산란된다. 이 거동은 광이 표면에 대해 동일한 각도(α)로, 그러나 서로 다른 방위각으로, 광이 입사 및 집광되는 암시야 측정을 이용하는 것을 선호하여, 표면으로부터 거울 반사되는 광이 집광되지 않게 된다. 도 8B는 이러한 기법을 제시한다. 도 8A의 예에 비교할 때, 도 8B의 구조는 훨씬 강한 신호를 제공한다.
또 다른 예에 따르면, 비스듬한 단일 조명 및 집광 경로가 사용될 수 있다. 도 8C에 도시되는 바와 같이, 광이 비스듬한 각도로 비아에 입사되고, 동일한 방향으로 집광된다. 이러한 경우에, 동일한 비스듬한 경로가 조명 및 집광에 사용되어, 구현예를 단순화시킬 수 있다.
발명의 측정 기술은 표준 명시야 반사계와 연계하여 사용될 수 있다. 이는 도 8A에서 예시되는데, 임사야 채널(C3)은 빔 스플리터(16) 및 가능하다면 집광 광학 수단(도시되지 않음) 및 검출 유닛(40)을 포함하는 점선에 의해 도시된다. 직교 입사의 경우에 조명 경로와 실질적으로 일치하는, 샘플로부터 거울 반사되고 경로를 따라 전파되는 광은, 빔 스플리터(16)에 의해 검출기(40)로 반사된다. 제어 유닛(24)은 암시야 모드와 명시야 모드 간을 선택적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다.
발명의 조합된 "암시야" 및 "명시야 시스템은 도 8A의 이러한 구체적 예에 제한되지 않고, 상술한 암시야 시스템 중 어느 것도 명시야 채널을 포함하도록 쉽게 수정될 수 있음은 당 업자에게 명백하다.
명시야 및 암시야 채널을 모두 이용하는 이러한 조합된 시스템에서, 명시야 채널을 이용하여 (비아 구멍없이) 상부 표면만으로부터 반사계 신호(스펙트럼)를 획득하는데 반사계가 이용될 수 있다. 이와 같이 측정된 반사계 신호를 분석하여, 패턴처리 프로세스에 사용되는 마스킹층의 두께와 같이, 프로빙된 구조의 여러 구성요소들의 특성 치수를 얻을 수 있다. 그 후, (상술한 기술들 중 어느 하나를 이용하여) 암시야 반사계 측정을 행한다. 암시야 데이터 분석은 표준 명시야 측정으로부터 얻은 파라미터 값들의 투입으로부터 이득을 얻을 수 있고, 결과적으로 더욱 정확한 프로파일 측정으로 나타날 수 있다. 대안으로서, 명시야 및 암시야 측정으로부터의 데이터를 동시에 분석하여 이러한 측정들을 개별적으로 행하여 얻을 수 없는 측정된 구조물의 기하학적 성질을 유추할 수 있다.
또한, 편광 및 마스킹 및/또는 앞서 설명한 다른 기술을 이용하여 웨이퍼 표면으로부터 거울 반사되는 광의 제거에 기초하여 조합된 시스템이 사용될 수 있다.
또한, 발명의 기술로 수행되는 측정이 시스템의 개구수에 따라 좌우된다. 고-종횡비 구조에서, 입사 및 반사 복사광의 검출 사이에서 강한 감도가 예상된다. 프로빙된 구조의 기하 구조에 관한 추가적인 정보는 시스템 개구수(NA)를 수정함으로써, 그리고, 예를 들어, NA, 입사각, 등에 대해 스캐닝함으로써 얻을 수 있는 여러 개의 NA 구조에서 검출된 신호에 대한 영향을 측정함으로써, 획득할 수 있다.
동일한 측정 기법을 이용할 때에도, 단일 비아로부터 서로 다른 여러 개의 암시야 신호를 얻을 수 있다. 예를 들어, 비아 상의 서로 다른 위치에서 측정 스팟을 포커싱함으로써, 비아와 광과의 상호작용이 변할 것이고, 반사 신호가 변경될 것이다. 이와 같이 추가된 정보를 그 후 이용하여 프로파일 특성화의 정확도를 개선시킬 수 있다. 원통형 대칭이 아닌 비아의 경우, 측정 시스템에 대해 비아를 회전시킴으로써, 반사 신호가 또한 변경될 것이고, 따라서, 비아 프로파일에 대한 추가 정보를 도출할 수 있다. 이러한 경우에, 암시야 측정은 비아의 여러번의 회전 및 병진 운동에 대해 행하여져서, 비아 프로파일에 따라 복수의 데이터세트를 제공할 수 있다.
앞서 설명한 방법들 대부분은 (가령, 편광에 의해, NA에 부착되는 마스크에 의해, 또는, 입사/집광 광의 방향에 의해 규정되는 방향으로 인해) 회전 하에 변화없지 않는 측정 스팟을 자체로 생성하는 설정을 구현한다. 이러한 모든 경우에, 비아 중심과는 다른 위치에서 측정함으로써, 그리고, 회전 대칭을 파괴하는 구성요소를 회전시킴으로써, 비아로부터 복수의 암시야 측정을 얻을 수 있다. 예를 들어, 교차-편광자 셋업을 이용할 때, 비아 중심으로부터 떨어진 위치에서 광학 시스템의 중앙을 위치시킬 수 있고, (항상 제 1 편광자에 수직으로 제 2 편광자의 배향을 유지하면서) 서로 다른 배향의 입사 편광에 대해 암시야 신호를 측정할 수 있다. 대안으로서, 마스킹된 광 경로를 이용할 때, 마스크를 회전시킬 수 있다. 원통형 대칭이 아닌 비아를 측정할 때, 비아 중심에서 측정할 때에도 이러한 방식으로 서로 다른 암시야 신호를 획득할 수 있다.
발명의 시스템은 상술한 예들 중 임의의 조합을 동시에 이용하도록 구성될 수 있다. 위 방법들 중 두 가지가 함께 사용되는 측정 기법을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 마스킹된 광 경로를 따라 교차-편광을 이용하는 것이 가능하다. 이러한 기법에서는 상부 표면으로부터 반사의 개선을 크게 개선시킬 수 있고, 비아 측벽으로부터 반사되는 신호를 더욱 잘 분리시킬 수 있다.
대안으로서, 앞서 설명한 기술들 중 2개 이상이 예를 들어, 여러 세트의 독립적 정보를 얻기 위해, 순차적으로 이용될 수 있다. 이 기법은 서로 다른 형상의 비아를 특성화하기 위해 가장 적절한 측정 기술의 선택에 있어 개선된 유동성을 또한 가능하게 한다.
상술한 바와 같이, 발명의 암시야 측정 기술을 이용하여 다양한 비아 프로파일 파라미터를 모니터링할 수 있다. 앞서 설명한 암시야 기술은 비아의 반사계 측정을 위한 기본으로 사용될 수 있다. 이러한 측정에서, 비아에 폭넓은 스펙트럼 광이 입사되고, 파장-의존적 반사가 측정된다. 각각의 파장에서 반사된 진폭은 노출된 웨이퍼의 서로 다른 파트로부터 반사되는 광의 간섭 성질에 의해 결정된다.
비아 프로파일 파라미터를 유추하기 위해, 서로 다른 프로파일 파라미터를 이용하여 비아로부터 한 세트의 연산된 스펙트럼과 측정된 반사 스펙트럼 사이에서 비교가 이루어질 수 있다. 그 후, 측정에 가장 잘 맞은 연산 스펙트럼을 생성하는 비아 프로파일이 식별될 수 있다. 암시야 측정은 프로파일 파라미터에 측정된 스펙트럼의 고감도를 제공하는데, 이는 본질적으로 모든 측정된 복사광이 비아 벽체로부터의 반사로부터 발원하기 때문이다.
반사된 스펙트럼의 연산은 복수의 해석학적 및 대수적 기법을 이용하여 얻을 수 있다. 간단한 비아 구조의 경우, 막스웰 방정식이 해석학적으로 풀릴 수 있고, 따라서, 입사장이 주어졌을 때 반사장이 직접 유추될 수 있다. 더욱 복잡한 비아 구조를 고려할 때, 다양한 대수적 방법이 사용될 수 있다. 비교적 간단한 기법이 광선-추적(기하학적) 근사이고, 이는 모델링된 구조가 측정 시스템에 사용되는 광의 파장에 비해 크기만 하다면 정확하다. 이 가정이 유효하지 않을 때, 더욱 정확한 대수적 방법이 요구된다. 흔히 사용되는 방법은
T-매트릭스 또는 멀티폴 팽창, 아이겐밸류 분해, 등과 같은 일부 기본 세트의 형상의 합으로 산란 물체의 팽창, 유한-차이 시간 도메인(FDTD) 연산과 같은 유한 요소 기법이다.
(도 2의 경우와 유사하게) 교차-편광자 설정에서, 하부 반경의 값을 달리하기 위해 5㎛ 반경, 60㎛ 깊이, 및 6㎛의 하부 곡률의 원형 형상 비아로부터 반사되는 스펙트럼에 대한 광선 추적 연산을 예시하는 도 9를 참조한다. 광선 추적 모델을 이용하여 연산이 이루어졌다. 여기서, 각각 4.4㎛, 4.5㎛, 4.6㎛, 4.7㎛의 서로 다른 하부 반경에 대해, 연산된 반사 스펙트럼에 대응하는 5개의 그래프(G1-G5)가 도시된다. 발명자는 하부 반경의 100nm 변화가 예상 스펙트럼의 상당한 변화를 유도하여, 이러한 프로파일 파라미터에 대해 측정된 스펙트럼의 우수한 감도를 제공한다는 것을 발견하였다.
하프-마스킹된 광 경로에 대한 유사한 연산이 5㎛ 반경, 60㎛ 깊이, 및 6㎛의 하부 곡률, 및 변화하는 하부 반경의 원형 형상 비아에 대해 도 10에서 제시된다. 마찬가지로, 하부 비아 반경에 대한 측정 스펙트럼의 의존성에 대해 현저한 감도가 예측되며, 이는 이러한 파라미터를 유추함에 있어서 이 방법이 마찬가지로 유효함을 표시한다.
따라서, 본 발명은 패턴처리된 구조의 비아 프로파일 파라미터를 측정하기 위한 효과적이고 간단한 기술을 제공한다. 발명은 필요시, 추가적인 명시야 검출 모드와 조합하여 사용될 수 있는, 암시야 검출 모드를 이용한다. 암시야 모드는 조명 또는 검출 광의 하나 이상의 파리미터/조건에 영향을 미침으로써, 및/또는, 조명 및 검출 채널의 적절한 상대적 수용 및/또는 적어도 검출 채널을 따라 전파되는 광의 전파 경로에 영향을 미침으로써, 구현되며, 이 모두는 암시야 검출 유닛에 의해 거울 반사되는 광의 검출을 제거하거나 적어도 현저하게 감소시키는 것을 목적으로 한다.
청구범위에 규정된 범위로부터 벗어나지 않으면서 지금까지 설명한 발명의 실시예에 대해 다양한 수정예 및 변경예가 적용될 수 있음을 당 업자는 이해할 것이다.

Claims (27)

  1. 비아를 갖는 패턴처리 구조물의 광학적 측정에 사용하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    - 패턴처리 구조물이 조명 광의 최대 파장보다 크도록 폭넓은 파장 스펙트럼의 광으로 구조물을 조명하는 단계 - 상기 광은 기결정된 편광 상태를 갖고 상기 구조물에 법선 입사되도록 전파됨 - 와,
    - 조명되는 구조물로부터 되돌아오는 광을 검출하면서 입사광 및 되돌아오는 광에 대해 상호 직교 편광을 제공하는 단계와,
    - 모델을 적용하여 측벽 각도, 측벽 리플, 비아 측벽 상에 생성되는 얇은 절연층의 특성으로 이루어지는 파라미터들 중 하나 이상을 결정하도록, 검출되는 광을 표시하는 측정된 스펙트럼 데이터를 처리하는 단계를 포함하는
    이상의 단계들을 수행함으로써 피측정 패턴처리 구조물에 암시야 검출 모드를 적용하는 단계를 포함하는, 광학적 측정 사용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사광 및 되돌아오는 광의 상호 직교 편광 제공은, 조명 및 검출 채널을 통해, 실질적으로 평행한 편광 평면을 가진, 각자 수용되는 제 1 및 제 2 편광층을 통해, 그리고, 조명 및 검출 채널에 수용되는 공통 위상 지연체를 통해, 전파되는 단계를 포함하고, 상기 위상 지연체는 구조물로부터 검출 채널을 따라 되돌아오는 광의 전파 방향과 관련하여 제 2 편광자의 상류에 위치하는
    광학적 측정 사용 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사광 및 되돌아오는 광의 상호 직교 편광 제공은, 조명 광과, 구조물로부터 되돌아오는 광을, 조명 및 검출 채널의 공통부 내 공간적 이격 관계로 수용되는 공통 위상 지연체 및 공통 편광자를 통해 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 편광자는 조명 채널을 따라 구조물까지 조명 광의 전파 방향과 관련하여 위상 지연체의 상류에 위치하는
    광학적 측정 사용 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    검출되는 광을 표시하는 측정 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리하는 단계는 베스트 핏이 발견될 때까지 피측정 구조물과 유사한 구조물로부터 검출되는 광을 표시하는 데이터에 대응하는 이론 데이터 또는 기준 데이터 간의 반복적 비교를 이용하는 피팅 과정(fitting procedure)을 수행하는 단계를 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    비아 깊이, 비아의 상부 직경을 결정하는 단계를 더 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    시드층의 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명하는 단계와 상기 검출하는 단계 중 적어도 하나는 복수의 개구수 구조로 수행되는
    광학적 측정 사용 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    광과 비아의 상호작용이 변화하고 반사 신호가 변경되도록 비아 상의 상이한 위치에 측정 스팟을 포커싱하는 단계를 더 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    입사 편광의 상이한 배향을 위해 암시야 신호를 측정하는 단계를 더 포함하는
    광학적 측정 사용 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 모델이 광선-추적 기하 근사를 이용하는
    광학적 측정 사용 방법.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 선택된 모델이 광선-추적 기하 근사를 이용하는
    광학적 측정 사용 방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 선택된 모델이 광선-추적 기하 근사를 이용하는
    광학적 측정 사용 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 선택된 모델이 광선-추적 기하 근사를 이용하는
    광학적 측정 사용 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택된 모델이 광선-추적 기하 근사를 이용하는
    광학적 측정 사용 방법.
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