KR102102007B1 - 근접장 계측 - Google Patents

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KR102102007B1 KR1020157002123A KR20157002123A KR102102007B1 KR 102102007 B1 KR102102007 B1 KR 102102007B1 KR 1020157002123 A KR1020157002123 A KR 1020157002123A KR 20157002123 A KR20157002123 A KR 20157002123A KR 102102007 B1 KR102102007 B1 KR 102102007B1
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암논 마나쎈
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Abstract

시스템의 대물렌즈와 타겟 사이에 배치된 광학 요소를 포함한 계측 시스템 및 방법이 여기에서 제공된다. 광학 요소는 타겟에 의해 반사된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 구성된다. 각종의 구성이 개시되고, 광학 요소는 고체 잠입 렌즈, 모아레 요소와 고체 잠입 광학기기의 조합, 상이한 설계의 유전체-금속-유전체 적층물, 및 조명 복사선의 에바네센트 모드를 증폭하는 공진 요소를 포함할 수 있다. 계측 시스템 및 방법은 이미징 및 산란율 측정법을 비롯한 각종의 계측 유형에 대하여 구성할 수 있다.

Description

근접장 계측{NEAR FIELD METROLOGY}
관련 출원의 교차 참조
이 출원은 2012년 6월 26일자 출원한 미국 가특허 출원 제61/664,477호를 우선권 주장하며, 이 우선권 출원은 여기에서의 인용에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
기술 분야
본 발명은 계측 분야에 관한 것으로, 특히 근접장 계측 기술에 관한 것이다.
반도체 계측을 위한 주요 측정 양(quantity)은 오버레이(overlay, OVL), 임계 치수(critical dimensions, CD)(이것은 평균 임계 치수, 높이 및 측벽 각을 포함하고, 따라서 인쇄된 특징 윤곽(features profile)을 특징화한다) 및 초점-도즈이다. 광학 계측을 위해 이용할 수 있는 주요 접근법으로는 이미징(imaging)과 산란율 측정(scatterometry)의 2가지가 있다. 오버레이는 상기 접근법 중 어느 하나를 이용하여 측정될 수 있지만, 디바이스 룰 타겟(device rule target)에서 수행되는 임계 치수는 산란율 측정법을 이용하여 수행될 수 있을 뿐이다. 이미징은 필요한 메트릭이 소정 타겟의 일부 시각화로부터 추출되는 방법을 표시한다. 상기 시각화는 타겟 평면에 대한 광학적 켤레면에서 광 강도를 측정함으로써 달성된다. 산란율 측정은 본질적으로 타겟으로부터의 이산적 또는 연속적 회절 차수로부터 달성되는 정보로부터 상기 양(quantity)들을 추출하는 것이다. 이러한 회절 차수는 일반적으로 시스템 대물렌즈 동공의 광학적 켤레면에서 볼 수 있다. 이 동공에서의 전기장은 타겟의 절두형(truncated) 퓨리에 변환을 내포하고, 상기 절두는 상기 대물렌즈의 개구수(각도 수용성)에 의존한다. 타겟 사이즈의 계속적인 감소 및 오버레이 제어 예산(budget)은 항상 정확한 계측 방법을 요구한다.
이미징 기술은, 비제한적인 예를 들자면, 예컨대 미국 특허 제7,541,201호(이 특허는 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다)에 개시된 것과 같은 전통적인 이미징, 및 예컨대 미국 특허 제7,528,941호(이 특허는 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다)에 개시된 것과 같은 차수 선택형 이미징을 포함한다.
이미징 기반의 OVL 측정은 CCD에서 OVL 타겟의 원시야 이미지를 제공하는 종래의 현미경을 이용하여 수행된다. 예컨대 미국 특허 제7,317,824호(이 특허는 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다)에 개시된 것과 같은 각종의 이미징 타겟이 있다.
산란율 측정 기술은, 비제한적인 예를 들자면, 예컨대 미국 특허 제7,616,313호(이 특허는 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다)에 개시된 것과 같은 분광형 산란율 측정, 및 예컨대 미국 특허 제7,656,528호(이 특허는 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다)에 개시된 것과 같은 각도 분해형 산란율 측정을 포함한다.
본 발명의 일 양태는 시스템의 대물렌즈와 타겟 사이에 배치된 광학 요소를 포함한 계측 시스템을 제공하고, 상기 광학 요소는 상기 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드(evanescent mode)를 증대시키도록 구성된다.
본 발명의 상기한, 추가적인 및/또는 다른 양태 및/또는 장점은 이하의 상세한 설명에서 그 상세한 설명으로부터 추론할 수 있게 및/또는 본 발명의 실시에 의해 학습할 수 있게 설명된다.
본 발명의 실시형태를 더 잘 이해하고 본 발명을 실시하는 법을 보이기 위해, 이제 단순히 예로서 나타내는 첨부 도면을 참조하기로 하고, 첨부 도면에 있어서 동일한 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐서 대응하는 요소 또는 섹션을 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따른, 상이한 타겟 사이즈에 대한 동공 광 분포의 윤곽을 보인 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 계측 시스템의 하이 레벨 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 광학 요소로서 고체 잠입 렌즈를 가진 계측 시스템의 하이 레벨 개략도이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 유전체-금속-유전체 적층물의 개략도이다.
도 4b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물을 포함한 광학 요소를 보인 도이다.
도 4c는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물을 포함한 광학 요소를 보인 도이다.
도 4d는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 광학 요소에 의해 발생된 주기적 패턴의 하이 레벨 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 조명 광학 요소의 하이 레벨 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 조명 광학 요소의 동작의 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 계측 방법의 하이 레벨 개략 흐름도이다.
상세한 설명을 행하기 전에, 이하에서 사용되는 소정 용어들의 정의를 설명하는 것이 도움이 될 것이다.
이 명세서에서 사용하는 용어 "타겟" 또는 "계측 타겟"은 계측 필요를 위해 사용되는 임의의 구조를 말한다. 타겟은 리소그래픽 공정에서의 임의의 층의 일부일 수 있고, 타겟은 동일 층 또는 다른 층의 다른 구조를 포함할 수 있다. 이 명세서에서 계측 타겟은 격자 기반 이미징 타겟으로서 비제한적인 방식으로 예시된다. 격자 예들은 설명을 단순화하지만, 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안된다.
이 명세서에서 사용하는 용어 "개구수"(numerical aperture, NA)는, 이론으로 구속하고 싶지는 않지만, 예를 들면 광학 시스템이 타겟을 조명할 수 있는 각도 범위를 특징화하기 위해 사용되는 수(number)를 말한다. NA는 NA=n×sinα로서 표현되고, 여기에서 α는 최대 조명각이고 n은 시스템(즉, 대물렌즈, 또는 본 발명에서 타겟과 대물렌즈 사이에 삽입된 광학 요소)의 굴절률이다.
이 명세서에서 사용하는 용어 "격자"(grating)는 임의의 주기적인 요소 또는 특징(feature)을 말한다.
이제, 도면을 참조하면, 도면들은 본 발명의 양호한 실시형태를 설명할 목적으로 단순히 예로서 보인 것이고, 본 발명의 원리 및 개념적 양태의 가장 유용하고 쉽게 이해되는 묘사라고 믿어지는 실시형태를 제공한다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해에 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적 세부를 도시하지는 않고, 도면에 따른 설명은 본 발명의 몇 가지 형태가 어떻게 실용적으로 구현되는 지를 이 기술에 숙련된 사람에게 명백하게 할 것이다.
본 발명의 적어도 하나의 실시형태를 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명으로 개시되거나 도면에 도시된 컴포넌트들의 구성 및 배열의 세부로 그 응용이 제한되는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시형태에 적용할 수 있고, 또는 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용하는 어법 및 용어는 설명을 위한 것이고 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
시스템의 대물렌즈와 타겟 사이에 배치된 광학 요소를 포함한 계측 시스템 및 방법이 여기에서 제공된다. 상기 광학 요소는 상기 타겟에 의해 반사된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키고 또한 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 전파 모드(propagating mode)로 변환시키도록 구성된다. 각종 구성이 개시되도, 상기 광학 요소는 고체 잠입 렌즈, 모아레 요소(Moire-element)와 고체 잠입 광학기기의 조합, 상이한 설계의 유전체-금속-유전체 적층물, 및 공진 요소를 포함할 수 있다. 계측 시스템 및 방법은 이미징 및 산란율 측정법을 포함한 각종의 계측 유형에 대하여 구성할 수 있다. 계측 시스템 및 방법의 실시형태들은 포착 장치로서 또는 조명 장치로서 적용될 수 있다.
특히, 개시된 시스템 및 방법은 디바이스형 타겟에서 또는 200 nm 미만의 피치를 가진 디바이스에서 직접 계측할 수 있게 한다. 본 발명의 주요 장점은 제안된 근접장 광학 장치가 에바네센트 파(evanescent wave)의 검출 및 그에 따른 준 분해형(sub-resolved) 주기적 구조의 이미징의 검출을 가능하게 하는 강한 에바네센트 모드 증대를 제공한다는 것이다. 본 발명의 강건성(robustness)은, 실시형태에 있어서, 주변 매체 및 구조의 정확한 특성에 대한 강한 종속성이 없는 것으로 나타난다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 계측 시스템(100)의 하이 레벨 개략도이다. 계측 시스템(100)은 시스템(100)(아래의 도 3a에도 도시됨)의 대물렌즈(89)와 타겟(82) 사이에 배치된 광학 요소(110)를 포함한다. 도 2a에 도시된 광학 요소(110)는 타겟(82)에 의해 반사된 복사선의 에바네센트 모드(91)를 증대시켜서 에바네센트 모드(91)의 정보 중 적어도 일부를 운반하는 전파 모드(92)를 산출하도록 구성된다. 실시형태에 있어서, 광학 요소(110)는 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 전파 모드로 변환하도록 설계될 수 있다. 도 2b에 도시된 광학 요소(110)는 뒤에서 설명하는 것처럼 타겟(82)에 조사되는 조명(98)의 에바네센트 모드(99)를 증폭하여 반사의 정보 콘텐트를 증대시키도록 구성된다. 계측 시스템(100)은 에바네센트 모드의 적어도 일부를 전파 모드로 만듦으로써 에바네센트 모드(91)로부터의 정보에 의하여 측정치의 정보 콘텐트를 증대시키기 위해 근접장 기술을 적용한다.
실시형태에 있어서, 계측 시스템(100)은 뒤에서 설명하는 것처럼 이미징 기반 계측뿐만 아니라 산란율 측정 기반 계측 둘 다에서 사용될 수 있다.
예를 들면, 계측 시스템(100)은 종래의 시스템에 비하여 해상도가 증대된 타겟(82)의 이미지를 발생하도록 구성될 수 있다.
이미징 기반 오버레이 계측
이하에서는 비제한적인 예시적 방법으로 격자 타겟을 참조한다. 그러한 타겟에는 각각의 타겟 층에 적어도 하나의 격자가 있다. 격자 위치에 대한 정보를 취득하기 위해, 적어도 2개의 회절 차수, 예를 들면 제1 회절 차수 중의 하나와 제로 차수를 사용해야 한다. 이것은 P＞λ/[NA·(1+σ)]로 주어지는, 시스템 해상도에 대한 격자 피치를 제한한다. 여기에서 λ는 광의 파장이고, NA는 시스템 개구수이며, σ는 부분 간섭성 인수이다. 예를 들면, 표준 NA=0.7이고 σ=0.5인 비주얼 스펙트럼에서는 피치 제한이 P＞400 nm이다. 실제 웨이퍼 측정에서는 피치 P＞800 nm인 타겟이 사용된다. 또한, 해상도 한계는 OVL 측정의 최소 타겟 사이즈 및 전체 성능을 규정한다. 후자는 주어진 사이즈의 OVL 타겟에 인쇄될 수 있는 주기의 수와 직접 관련된다.
도 1은 종래 기술에 따른, 상이한 타겟 사이즈에 대한 동공 광 분포의 윤곽을 보인 개략도이다. 도 1은 상기 배경기술의 설명에서 인용한 미국 특허 제7,528,941호에서 제안된 예에 기초를 둔 현행 이미징 기술의 주요 단점을 보여준다. 이 광학 구성은 수집 동공에서의 준 수직(quasi-normal) 조명 및 0차 차단(zero order blocking)을 특징으로 한다. 타겟 이미지는 ±1 회절 차수의 간섭에 의해 구성된다. 그러한 구성은 매우 높은 성능과 함께 매우 강한(광학적 불완전성에 무관한) OVL 측정을 제공한다. 도 1은 좌측으로부터 우측으로 27㎛, 15㎛ 및 10㎛인 3개의 타겟 사이즈에 대하여, 1000 nm 피치를 갖고 λ=532 nm로 이미징되는 격자에 대한 동공면에서 1%의 최대 강도 윤곽(75)을 나타낸다. 원(71)은 0.7NA 동공 영역을 표시하고 원(72)은 0차 차단 차폐(blocking obscuration)를 표시한다. 명백히, 제한된 동공 NA는 전송된 신호의 절두를 야기하므로(0.7NA를 벗어나는 모든 광이 절두된다) 10㎛보다 작은 타겟은 이 기술을 이용하여 측정될 수 없다. 이러한 절두의 결과, 중대한 이미지 왜곡이 관측된다. 타겟 사이즈에 대한 현재의 시장 필요조건은 5㎛이므로, 이 광학 기술은 동공 NA의 상당한 증가 없이 사용할 수 없다.
그러나, 계측 시스템(100)은 10nm 미만인 타겟(82)에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하도록 구성될 수 있다. 실시형태에 있어서, 광학 요소(110)는 그러한 타겟 측정을 가능하게 하기 위해 계측 시스템(100)의 해상도를 증대시키도록 구성된 고체 잠입 렌즈(85)를 포함한다.
산란율 측정 기반 오버레이 ( OVL ) 및 임계 치수( CD ) 계측
산란율 측정 기술에서 제한된 NA의 효과는 2배이다. 즉 출력 파라미터(OVL, CD)에 대한 피측정 신호의 감도는 동공 위치 종속성이다. 시뮬레이션에서 나타난 바와 같이, 2-3배의 동공 NA의 증가는 4-5배의 감도 증가를 가져온다. 이것은 동일한 인수만큼 성능(정확도, 정밀도 등)을 개선한다. 또한, 타겟 사이즈는 주로 조명 스폿 사이즈에 의해 규정된다. 주어진 조명 스펙트럼에 대하여 스폿 사이즈는 조명 NA에 반비례한다. 따라서, 2-3배의 조명 NA의 증가는 동일한 인수만큼의 타겟 사이즈 감소를 가능하게 한다.
2가지 주요 유형의 산란율 측정 기반 OVL 측정, 즉 분광형 산란율 측정 및 각도 분해형 산란율 측정에 관한 시스템(100)의 실시형태가 비제한적인 방식으로 아래에서 설명된다. 2가지 양태에 있어서, 시스템(100)은, 다른 무엇보다도 특히, 더 높은 NA를 이용함으로서 개선된 성능을 나타낸다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 광학 요소(110)로서 고체 잠입 렌즈(85)를 가진 계측 시스템(100)의 하이 레벨 개략도이다. 도 3a는 시스템(100)의 하이 레벨 개략도이고, 도 3b는 시스템(100)을 이용하여 분광형 산란율 측정(뒤에서 설명함)을 수행하는 것을 보인 것이다. 도 3a와 도 3b는 둘 다 광학 요소(110)로서 반구형 고체 잠입 렌즈(85A)를 이용하고, 도 3c는 광학 요소(110)로서 또한 사용될 수 있는 하이퍼 반구형 렌즈(소위 아미치 렌즈(Amici-lens) 또는 바이어슈트라스 렌즈(weierstrass-lens))(85B)를 이용하는 것을 보인 것이다.
계측 시스템(100)은 빔 스플리터(88)를 통하여 대물렌즈(89)로 지향되는 현미경 조명 암(86) 및 대물렌즈(89) 및 빔 스플리터(88)를 통하여 타겟(82)으로부터 반사된 복사선을 수신하는 현미경 수집 암(87)을 포함할 수 있다.
비록 본 기술에서는 고체 잠입 렌즈가 원래 시스템의 NA를 증가시키기 위해 단순히 사용되지만, 시스템(100)은 다른 목적으로, 일반적으로는 에바네센트 파의 전파를 가능하게 하기 위해서도 고체 잠입 렌즈(85)를 이용한다. 에바네센트 파를 전파 파(propagating wave)로 변환하면, 타겟(82)으로부터 시스템(100)에 이용가능한 정보 콘텐트를 증가시킨다(도 2a 참조). 예를 들면, 고체 잠입 광학 요소(85) 부분의 실시형태는 반구형 렌즈(85A)(도 3b) 또는 하이퍼 반구형 렌즈(85B)(아미치 또는 바이어슈트라스 고체 잠입 렌즈(solid immersion lens, SIL), 도 3c)와 같은 무구면수차 렌즈(aplanatic lens)를 포함할 수 있다. 렌즈(85)는 그 평탄면이 타겟(82)을 향하고, 렌즈(85)의 평탄면과 타겟(82) 간의 간격이 광의 파장, 전형적으로 가시광의 경우 500nm보다 훨씬 더 작게 되도록 배치될 수 있다. 이 간격은 타겟(82)으로부터의 에바네센트 파(91)가 무구면수차 렌즈에 결합되어 렌즈(85) 내에서 에바네센트 파(91)를 전파 파로 변환하게 한다. 렌즈(85) 내의 전파 파는 그 다음에 1 미만의 개구수를 가진 무구면수차 렌즈의 구면을 통하여 전파 파(92)로서 배출된다. 이러한 파(92)는 그 다음에, CCD와 함께 종래의 광학 시스템을 포함한 시스템(100)의 검출기(87)에 의해 측정된다. 광학 시스템(100)의 종래 부분은 예를 들면, 무구면수차 렌즈(85)가 완전 현미경 시스템의 통합부가 되도록, 수용 NA가 무구면수차 렌즈(85)의 출구 NA의 그것과 일치하는 광학 현미경이거나, 또는 예를 들면 현미경의 서브시스템일 수 있다.
유리하게도, 시스템(100)은 뒤에서 설명하는 것처럼 타겟(82)으로부터 수신된 정보 콘텐트를 증가시키고, 타겟 피치 및/또는 사이즈를 감소시키며(타겟(82)은 예를 들면 2중, 4중 및 일반적으로 복수 패턴화 격자를 포함할 수 있다), 시스템 성능(예를 들면, TIS(Tool Induced Shift)의 감소, 현재 사용되는 대물렌즈 대신에 사용될 수 있는 낮은 NA 대물렌즈의 덜 엄격한 필요조건에 기인하는 비용 감소, 또는 비제한적인 예를 들자면 TIS, 정밀도, 정확도 및 정합도(matching)에서 나타날 수 있는 임의의 다른 종류의 성능 향상)을 직접적으로 또는 간접적으로 향상시키도록 구성될 수 있다.
반구면 렌즈(85A)를 아미치 렌즈(85B)와 비교하면 시스템(100)의 다른 실시형태에서 이용할 수 있는 하기와 같은 차를 발생한다. 무구면수차 렌즈의 굴절률을 n이라고 하고, 무구면수차 렌즈 다음 광학기기의 개구수를 NAobj라고 하며, 무구면수차 렌즈의 곡률 반경을 r(예를 들면 도 3c 참조)이라고 하면, 타겟 공간의 총 개구수(NAtotal)는 반구면 렌즈(85A)의 경우 nㆍNAobj이고, 아미치 렌즈(85B)의 경우 NAobj<1/n일 때는 n2ㆍNAobj이고 NAobj>1/n일 때는 n이다. 무구면수차 렌즈에 뒤따르는 광학기기(예를 들면, 조명 및 수집 암(86, 87), 빔 스플리터(88), 대물렌즈(89))에 대하여 필요한 최소 작업 거리(WDobj)는 반구면 렌즈(85A)의 경우 r이고, 아미치 렌즈(85B)의 경우 (n+1)ㆍr이다.
그러므로, 유리하게도, 반구면 렌즈(85A)는 색수차가 없고 더 짧은 작업 거리(WDobj)를 가지며, 아미치 렌즈(85B)는 무구면수차 렌즈 다음에 낮은 NA의 대물렌즈 또는 광학기기를 사용할 수 있다.
실시형태에 있어서, 무구면수차 렌즈의 광학 물질은 높은 총 NA(NAtotal, n에 의해 제한됨)를 달성하도록 가능한 한 높은 굴절률을 갖게끔 선택된다. 광학 유리는 n≤2의 값에 도달하고, 굴절률은 분산에 기인하여 일반적으로 더 짧은 파장 쪽으로 증가한다. 금홍석(TiO2)과 같은 결정질 광학 물질은 633nm의 파장에서 n=2.584와 같이 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 결정질 물질의 경우에는 결정의 방위 및 광학적 성능(특히 편광)에 대한 그 효과를 고려해야 한다. 실시형태에 있어서, 조명 편광은 후술하는 것처럼 시스템(100)의 광학적 성능을 더욱 개선하도록 조작될 수 있다. 넓은 스펙트럼 통과 대역을 가진(필요한 파장에서 투과하는) 물질의 비제한적인 예는 1.77의 비교적 높은 굴절률을 가진 사파이어, 2의 굴절률을 가진 유리(예를 들면, 오하라(OHARA)사의 S-LAH79), 2.2의 굴절률을 가진 크리스탈인 큐빅 지르코니아 등을 포함할 수 있다. 무구면수차 렌즈에 뒤따르는 광학기기(예를 들면, 조명 및 수집 암(86, 87), 빔 스플리터(88), 대물렌즈(89))는 굴절성, 반사성 또는 반사굴절성(catadioptric)일 수 있다. 마지막 2개의 대안 예는 UV 파장에서 사용하기에 특히 적합하다.
실시형태에 있어서, 계측 시스템(100)은 광학 요소(110)로서 고체 잠입 렌즈(85)를 포함하고, 이 렌즈는 타겟(82)에 대한 복사선의 입사각의 범위를 증대시켜서 시스템에 의해 측정되는 적어도 제1 회절 차수를 증대시키도록 구성된다.
OVL 및 CD 둘 다를 측정하기 위한 분광형 산란율 측정에 있어서, 감도는 조명의 입사각에 의존할 것으로 예상된다. 예를 들어서 도 3b의 구성을 이용하면 실질적으로 복잡한 각도에서의 측정이 가능하다(NA>1). 고체 잠입 렌즈(85)는 시스템(100)의 NA를 효과적으로 증가시켜서 그 감도 및 그에 따른 분광 기반 측정의 성능을 향상시킨다.
각도 분해형 산란율 측정에서는 격자마다의 OVL 측정, 타원편광 분석(ellipsometry), 및 CD 측정을 위해 사용되는 0차; 및 격자마다의 OVL 측정을 위해 사용되는 1차와 같이 2가지 주요 유형의 측정이 있다. 실시형태에 있어서, 광학 요소(110)로서 고체 잠입 렌즈(85)를 포함하는 계측 시스템(100)은 0차 측정의 감도를 향상시키도록 구성된다. 1차(first order) 유형의 측정인 경우에, NA를 증가시키면 1차가 동공에서 더 큰 NA로 있게 한다. 이것은 실질적으로 동일한 조명 파장을 가진 더 작은 피치를 가능하게 한다. 또한, 이것은 0차로부터 1차의 더 좋은 분리를 가능하게 하고, 이것은 0차와 1차 간의 누화를 감소시켜서 성능을 향상시킨다. 그러므로, 계측 시스템(100)의 실시형태는 타겟(82)에 대한 복사선의 입사각의 범위를 증대시켜서 시스템에 의해 측정되는 적어도 제1 회절 차수를 증대시키도록 구성될 수 있다.
실시형태에 있어서, 시스템(100)은 조명 복사선의 편광을 제어하도록 구성된 편광자(도시 생략됨)를 또한 포함할 수 있다. 편광자는 파장판을 포함할 수 있고, 또는 임의의 다른 공간적 및 시간적 편광 제어 수단을 구현할 수 있다. 고체 잠입 증대형 NA와 함께 편광 콘텐트를 이용하도록 시스템(100)을 구성하면 감도 및 성능에 있어서 많은 장점을 산출할 수 있다. 대물렌즈에 대한 단순한 추가에 의해, 고체 잠입 기술은 편광자, 분석기, 준 교차 편광, 빔 스플리터, 빔 모니터와 같은(그러나 이들로 제한되는 것은 아님) 광학 경로 내의 모든 정규의 광학 요소의 사용을 가능하게 한다.
시스템 장점 및 산란율 측정 오버레이 ( SCOL ) 계측을 위한 구성
유리하게도, 높은 NA를 제공하는 광학 요소(110)를 이용하는 시스템(100)은 하기의 양태로 산란율 측정 오버레이(SCOL) 계측을 개선한다. 시스템(100)과 광학 요소(110)는 임의의 하기 장점을 증대시키도록 구성될 수 있다. 첫째로, 시스템(100)은 더 작은 피치의 값을 탐사하는 능력에 수반되고 설계 규칙(design rule, DR)에 더 가까운 기본적인 성능 향상을 제공한다. 둘째로, 시스템(100)은 파장 및 피치를 선택하기 위한 더 많은 융통성을 가능하게 한다. 1차 각도 분해형 산란율 측정을 이용할 경우, 더 높은 NA의 사용은 타겟 피치의 감소 또는 측정 파장의 증가를 가능하게 하는 한편, 측정 동공에서 1차를 유지한다.
셋째로, 시스템(100)은 타겟 사이즈 및 타겟 노이즈와 관련된 부정확성을 감소시킨다. 부정확성은 시스템에 의해 개선된 복수의 양태에 기인하여 감소된다. 첫째로, 주어진 셀 사이즈에 대하여, 동공에서의 차수의 현재 혼합에 기인하는 부정확성은 다른 차수들이 서로로부터 더 멀리 있기 때문에 더 작아진다. 둘째로, 신호대 잡음비(SNR)에 대한 무거운 페널티 없이 1차 조명을 어포다이즈할 수 있다. 이것은 조명 스폿의 꼬리를 감소시키며, 이것은 매우 바람직하다. 셋째로, 시스템(100)에서 조명 NA를 증가시키면 스폿 사이즈가 더 작아지고, 셀 대 셀 오염을 또한 감소시킨다.
추가로, 스캔 면적(예를 들면, 타겟(82))이 스폿 사이즈보다 훨씬 더 클 때 타겟 노이즈에 관한 부정확성이 스폿사이즈/스캔사이즈의 비율에(위상 노이즈인 경우) 또는 상관길이/스캔사이즈의 비율에(진폭 노이즈인 경우) 비례하기 때문에 타겟 노이즈가 더 작다. 조명 NA를 증가시킴으로써, 시스템(100)은 스폿 사이즈가 조명 NA의 증가와 함께 감소할 때 및 상관 길이가 피치에 따라 감소할 때 타겟 노이즈를 더욱 감소시키고, 시스템(100)은 조명 NA가 더 높을 때 더 작은 피치에서 동작될 수 있다.
시스템(100)의 추가의 장점은 (i) 시스템(100)이 복수의 동공점(pupil point)에 대하여 평균할 때 셀 대 셀 오염에 관련된 일부 부정확성을 삭제하는 것이다. 그러한 경우에, 시스템(100)은 수집 NA 내측에 +1/-1 차수를 모두 갖도록 구성될 수 있고, 이것은 고체 잠입 렌즈(85)와 같은 광학 요소(110)를 이용하여 쉽게 달성할 수 있다. 또한, (ii) 시스템(100)은 간섭성 퓨리에 산란율 측정(Coherent Fourier Scatterometry, CFS)에서 조명 불균일성의 회절 효과를 취급하는 난제(challenge) 없이 4-셀 신호의 정상화를 수행할 수 있다. 따라서, 시스템(100)은 조명 암(86)에서 덜 엄격한 조명 균일성 필요조건을 이용할 수 있다. 마지막으로, 픽셀 사이즈를 고정하고 NA를 증가시키면 시스템(100)이 실제로 더 많은 계측 데이터를 수집하기 때문에 감도에서 소정의 이득을 산출한다.
시스템 장점 및 임계 치수( CD ) 계측을 위한 구성
유리하게도, 높은 NA를 제공하는 광학 요소(110)를 이용하는 시스템(100)은 하기의 양태로 임계 치수(CD)를 개선한다. 시스템(100)과 광학 요소(110)는 임의의 하기 장점을 증대시키도록 구성될 수 있다. 첫째로, 조명 NA가 클수록 웨이퍼(80)에서 더 작은 스폿을 발생하고, 이것은 더 작은 타겟(82)의 측정을 가능하게 한다. 둘째로, NA>1인 더 큰 조명 NA는 CD와 초점 및 도즈 측정치의 특별 관심사인 에바네센트 파(91)의 수집 및 조명을 가능하게 한다(뒤에서 더 자세히 설명한다). 셋째로, 시스템(100)에 의한 측정치는 고체 잠입 반구(85)의 평탄부로부터 발원하는, 총 반사("총 반사" DC)에 의해 야기되는 계통 오차를 카운트하도록 특수한 조명 및 수집 편광과 결합될 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)은 감도/신호비를 개선하기 위해 조명 및 수집 경로에 배치된 방사상 및 접선 리타더(retarder) 또는 편광자 또는 다른 리타더 또는 가변적인 또는 일정한 편광자(도시 생략됨)를 또한 포함할 수 있다. 물론, 본 발명의 임의의 다른 부분 없이 그들 자체에서의 측정치를 개선하기 위해 조명 및 수집 편광자의 변체(일정한 것 또는 계통적인 것(예를 들면, 방사상 및 접선) 또는 픽셀마다의 것(예를 들면, 편광자/조명 리타더/ 분석기/수집 리타더의 임의의 픽셀은 일정하거나 조정가능한 그 자신의 속성들을 갖는다))를 이용할 수 있다. 따라서, 시스템(100)은 이러한 추가적인 광학 요소들을 통합함으로써 훨씬 더 높은 감도대 신호비를 갖도록 설계될 수 있다. 이러한 조명/수집 경로 증대는 다른 계측 시스템, 예를 들면 각도 측정(각도 분해형 산란율 측정) 및 분광 분석(예를 들면, 조명 및 수집에 대하여 다른 대물렌즈를 사용하는 것)에서 사용될 수 있다.
예를 들면, 분석기로서 일정한 편광자를 가진 각도 측정 광학 시스템에 대한 다른 광학 경로의 시뮬레이션은 하기의 결과를 산출한다: (i) 웨이퍼(80)로부터 10nm 이격되어 배치된 고체 잠입 대물렌즈(85)의 추가는 정밀도에서 9배의 개선을 산출한다. (ii) 웨이퍼(80)로부터 50nm 이격되어 배치된 고체 잠입 대물렌즈(85)의 추가는 정밀도에서 4배의 개선을 산출한다. (iii) 웨이퍼(80)로부터 100nm 이격되어 배치된 고체 잠입 대물렌즈(85)의 추가는 정밀도에서 거의 3배의 개선을 산출한다. (iv) 광학 경로에서 부분적(예를 들면, 1/4) 파장판(일정한 리타더)의 추가는 정밀도에서 2배의 개선을 산출한다. 광학 요소(110)로서 고체 잠입 렌즈(85)를 가진 시스템(100)은 광학 요소(110)가 없는 시스템보다 리타더의 추가에 의한 개선이 또한 더 쉽다.
모아레 요소
실시형태에 있어서, 시스템(100)은 시스템(100)의 공간 해상도를 향상시키기 위해 광학 요소(110)로서 모아레 격자 또는 모아레 렌즈를 포함할 수 있다.
모아레 요소(즉, 격자 또는 렌즈)는 타겟 위치의 정보를 내포하는 에바네센트 파(91)를 전파 파(92)로 변환함으로써 작은 피치 타겟(미정의 피치)의 원시야 이미징을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 에바네센트 모드가 타겟(82)으로부터 약 100 nm의 규모로 감쇠하기 때문에, 이 접근법은 타겟 근접장에 직접 배치된 광학 요소(110)의 일부로서 모아레 요소를 배치하는 것을 수반한다. 따라서, 광학 요소(110)는 측정된 타겟(82)의 피치(Ptarget)에 근접하지만 동일하지는 않는 피치를 가진 격자를 포함할 수 있다. 근접장 격자에서 타겟(82)으로부터 반사된 광의 산란 후에, 조악한 피치에 대응하는 새로운 회절 차수, 즉
Figure 112015008203654-pct00001
가 발원되고, 이것은 장치 격자 피치(Pdevice)의 적당한 선택을 가진 전파 파일 수 있다.
모아레 접근법은 조명 경로(86)에 또는 수집 경로(87)에(또는 광학 장치(110)가 타겟 근접장에 위치하고 있기 때문에 실제로는 둘 다에) 추가의 격자를 고려하여 적용될 수 있다. 전자의 경우에, 시스템(100)은 타겟(82)에 모아레 패턴을 제공하는 근접장 조명기를 포함할 수 있고, 타겟(82)으로부터 반사된 광은 타겟 위치의 정보를 포함한 전파 파인 모아레 피치(PMoire)에 대응하는 회절 차수를 내포한다. 후자의 경우에, 시스템(100)은 근접장 컬렉터의 일부인 근접장 격자의 타겟(82)으로부터 반사된 광의 산란 후에 발원된 모아레 피치(PMoire)에 대응하는 전파 파를 수집하는 근접장 컬렉터를 포함할 수 있다.
양자의 경우에, 주요 문제점은 0차에 비하여 회절 차수의 진폭이 작은 것 및 광학 시스템에 임의 유형의 후방 산란광(고스트 이미지 등)이 있다는 점이다. 예를 들면, 근접장 광학 장치(110)가 타겟(82)으로부터 약 50 nm의 거리에 위치하고 있고 특정된 타겟의 피치가 약 70-80 nm인 경우에도, 에바네센트 모드의 진폭은 2자리만큼 감소된다. 따라서, 이러한 부 해상도(sub resolution) 이미징을 가능하게 하기 위해, 시스템(100)에 의해 적어도 2자리만큼 에바네센트 모드의 진폭을 증대시키는 것이 바람직하다.
광학 요소(110)는 하나 이상의 모아레 격자/렌즈만을 포함할 수도 있고, 모아레 격자/렌즈와 고체 잠입 렌즈(85)의 조합을 포함할 수도 있고, 또는 모아레 격자/렌즈와 고체 잠입 렌즈(85)의 직렬 조합을 포함할 수도 있다. 모아레 격자/렌즈와 고체 잠입 렌즈(85) 중의 어느 하나 또는 둘 다는 에바네센트 모드(91)를 전파 모드로 변환하여, 예를 들면 작은 피치를 가진 타겟(82)과 관련하여 실행되는 이미징 OVL 및 1차 SCOL의 제1 회절 차수의 정보 콘텐트를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 특히, 고체 잠입 렌즈(85)와 모아레 요소의 조합은 측정가능 타겟의 범위를 확장시킬 수 있다. 따라서, 고체 잠입 렌즈(85)를 이용하면 현재의 모아레 요소 사용의 제한, 즉 측정된 타겟의 범위가 비교적 좁다고 하는 단점을 극복한다(허용가능한 피치(Pt)의 범위는 1/Pt < 1/P±2NA/λ(여기에서 P는 모아레 요소의 피치임)의 조건을 만족시켜야 한다). 동일한 고려에 의해 모아레 격자 또는 렌즈의 직렬 결합과 함께 고체 잠입 렌즈(85)를 사용하는 장점을 설명할 수 있다.
유전체-금속-유전체 적층물
실시형태에 있어서, 메타물질을 이용하여 타겟(82)에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드(91)를 또한 증대시킬 수 있다. 일반적으로, 메타물질은 표준 물질에서 임의의 에바네센트 모드의 증대를 제공하는 음의 유전율(ε<0) 및 음의 투자율(μ<0)을 가진 인조 물질이다. 더욱이, 강하게 감쇠하는 TE(transverse-electric) 파의 행동이 주로 투자율(μ)에 의해 지배되고 강하게 감쇠하는 TM(transverse-magnetic) 파의 행동이 주로 유전율(ε)에 의해 지배되기 때문에, 광학 요소(110)는 모드 중의 하나만을 증대시키도록 음의 값인 ε,μ 중의 하나만을 갖도록 설계될 수 있다. TM 파의 경우에는 음의 유전율이 필요한 증대를 위해 충분할 것이고, 그러므로 광학 요소(110)는 에바네센트 파를 증대시키기 위한 진정한 메타물질로서 ε<0를 가진 적당한 금속(은, 금, 구리 등)을 이용할 수 있다. 이 목적으로 일반적으로 이용되는 구성은 2개의 유전체 층(εD의 유전율을 갖는 것)과 금속 층(εM의 유전율을 갖는 것)으로 이루어지고 εM ∼ -εD인 샌드위치형 구성이다. 도 4a는 종래 기술에 따른 유전체-금속-유전체 적층물(90)의 개략도이다. 에바네센트 모드(91)는 본 설명의 경우에 TM 파이다.
실시형태에 있어서, 광학 요소(100)는 타겟(82)에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드(91)를 증대시키도록 구성된 유전체-금속-유전체 적층물(90)을 포함할 수 있다. 유전체-금속-유전체 적층물(90)과 같은 메타물질은 작은 피치에 대한 시스템(100)의 감도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 메타물질은 유전체 막 층(90A, 90C) 사이에 설정된 금속 막 층(90B) 간의 계면에서 표면 플라즈몬 모드의 여자(excitation)에 기초하여 에바네센트 모드(91)를 추가로 증대시키도록 구성될 수 있다.
뒤에서 설명하는 정합 조건을 이용하여 에바네센트 모드(91)의 진폭 증대를 계산할 수 있지만, 이론으로 구속하고 싶지는 않다. 금속 막(90B)이 유전체 막(90A, 90C)에 의해 포위되는 막 적층물(90)을 통한 TM 파 전파를 고려하여 투과율과 반사율을 다음과 같이 계산할 수 있다. 횡파수(transversal wave number)를 q=2π/Ptarget이라고 하면, 각 층(I)에 대한 수직 방향의 파수는
Figure 112015008203654-pct00002
이다.
에바네센트 모드 진폭 증대는 표면 플라즈몬 공진 상호작용과 관련된 에바네센트 모드에 의해 발생할 수 있고 금속 층 두께에 강하게 의존한다. 에바네센트 모드 진폭 증대는 메타물질 속성과 또한 관련되고 넓은 범위의 금속 층 두께 값으로 실현될 수 있다. 금속 층의 파라미터와 유전체 층의 파라미터 사이에는 양호한 정합이 요구된다. 양호한 정합은 하기와 같이 0에 접근하는 정합 조건(matching condition, MC)에 의해 표시된다.
Figure 112015008203654-pct00003
양측의 메카니즘은 금속 손실 계수(Im(ε2))(즉, 유전율의 허수부)에 의해 제한된다. 가시 스펙트럼 범위(Im(ε2)∼0.02)에서 최소의 손실을 갖는 은의 경우에, 층(90B)에서의 최상의 진폭 증대는 약 50이다. 그러나, 포위하는 유전체 층(90A, 90C)의 진폭 감쇠 및 유전체 층(90A, 90C)과 공기 간의 광 반사를 고려하면, 도 4a에 도시된 것과 같은 적층물(90)에 의해 에바네센트 모드의 실제 증대가 달성되지 않는다.
그러나, 발명자들은 적층물(90)의 방위 및/또는 형태를 수정하면, 일부 경우에, 에바네센트 모드의 상당한 전반적 증대를 산출한다는 것을 발견하였다. 예를 들면, 계측 시스템(100)은 타겟(82)에 의해 산란된 복사선(91)의 에바네센트 모드를 증대시키도록 구성된 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물(90)을 포함한 광학 요소(110)를 포함할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물(90)을 포함한 광학 요소(110)를 보인 도이다. 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물(90)은 타겟(82)과 관련하여 각도 θ(95)로 배치된다. 이론으로 구속하고 싶지는 않지만, 도시된 경우에, 수직 방향의 파수는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00004
정합 조건은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00005
Figure 112015008203654-pct00006
을 이용하면, MC는 다음과 같이 근사화될 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00007
여기에서 MC0는 기울임 없는 정합 조건의 값이다. 도출의 결과로서, 광학 요소(110)는 경사각 θ(95)를 조정함으로써 MC의 허수부의 완전한 정합, 및 물질을 적절히 선택함으로써 MC의 실수부의 정합을 달성하도록 설계될 수 있다. 발명자들은 물질 및 경사각을 적절히 선택함으로써 4자리까지 진폭 증대를 증가시킬 수 있다는 것을 알아냈다.
다른 실시형태에 있어서, 발명자들은 대물렌즈(89) 및 타겟(82)과 관련하여 파상 표면을 가진 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물(90)을 포함한 광학 요소(110)가 또한 타겟(82)에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시킨다는 것을 발견하였다.
도 4c는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물(90)을 포함한 광학 요소(110)를 보인 도이다. 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물(90)은 타겟(82)과 관련하여 정현 곡선 표면(96)을 가질 수 있다. 이론으로 구속하고 싶지는 않지만, 도시된 경우에, 정합 조건에 대한 하기의 표현을 주기적인 함수가 피치 Pdevice 및 진폭 A를 가진 순수 사인곡선인 단순한 경우에 대한 비제한적인 예로서 사용될 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00008
실시형태에 있어서, 표면 진폭(A)은 주기적인 포인트의 네트(periodic net of points)를 산출하도록 선택될 수 있고, 여기에서, 타겟(82)으로부터 반사된 광에 대응하는 회절 차수는 몇 개의 자리만큼 증대되어 하기와 같은 전파 피치를 가진 모아레 패턴을 나타낸다.
Figure 112015008203654-pct00009
.
도 4d는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, "+1"(81A) 및 "-1"(81B)로서 표시되는 제1 회절 차수의 진폭과 함께, 상기와 같은 패턴의 하이 레벨 개략도이다.
하기의 도출은 타겟으로부터 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시킬 때 주기적 유전체-금속-유전체 적층물(90)의 효율을 예시한다. 아래에서는 또한 응용성을 제한하지 않고 전술한 조건들의 도출을 예시한다.
도 4b에 도시된 기울어진 적층물(90)의 경우에, 금속 층(90B)의 두께(h), 경사각(θ) 및 적층물(90)에 수직인 z' 축을 가정하고 하부의 금속-유전체 계면(90A-90B)에서 시작해서, 전기장 및 자기장은 다음과 같이 표현될 수 있다.
유전체(90C)에서는:
Figure 112015008203654-pct00010
금속(90B)에서는:
Figure 112015008203654-pct00011
유전체(90A)에서는:
Figure 112015008203654-pct00012
여기에서,
Figure 112015008203654-pct00013
이고,
Figure 112015008203654-pct00014
이다.
적층물(90)이 기울어지지 않은 경우(도 4a)에, 투과율은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00015
최적의 배율은 하기 수학식에 대응하고, 여기에서 k0 = 2π/λ이다.
Figure 112015008203654-pct00016
기울어진 적층물(90)의 경우(도 4b)에, 대응하는 조건은 다음과 같다.
Figure 112015008203654-pct00017
θ가 작은 것으로 가정하면, 유전율은 ε2 = -ε1+α+iβ로 표현할 수 있고, 여기에서 α와 β는 작으며, q2 >> |ε2|k0 2이고, 선도 차수(leading order)를 이용하면,
Figure 112015008203654-pct00018
최대 배율은 하기의 경우에 달성될 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00019
상기 수학식은 경사각 θ를 구성함으로써 MC의 허수부의 완전한 정합을 달성하고 물질(금속 및 유전체)을 적절히 선택함으로써 MC의 실수부의 정합을 달성하도록 광학 요소(110)를 설계할 수 있게 한다.
+1차 및 -1차의 회절의 분리를 달성하기 위해, 도 4b에 도시된 경사 원리는 양측으로의 경사와 함께 반복적으로 적용되어야 한다. 그러한 구성은 도 4c에 도시된 바와 같이 적층물(90)의 주기적인 파상(undulating) 구성이다. 비제한적인 예로서, 주기적으로 파상을 이루는 표면은 예를 들면 영역 90C에서 코사인으로서 표현될 수 있다.
Figure 112015008203654-pct00020
결과적인 정합 계수(matching coefficient)는 다음과 같다.
Figure 112015008203654-pct00021
그러므로, 주기적인 적층물(90)의 피치는 도 4d에 개략적으로 도시된 것처럼 +1차 및 -1차 회절의 필요한 분리를 산출하도록 적응될 수 있다.
광학 요소의 공진 조명
유전체-금속-유전체 적층물(90)의 현재 응용에 있어서, 추가적인 어려움은 유전체 층(90A, 90C)과 주변 공기 간의 계면에 의한 진폭 증대의 감쇠이다. 유전체 층(90A, 90C)은 금속 층(90B)에 의해 생성된 진폭 증대를 제거하지 않도록 얇은 것이 바람직하기 때문에, 유전체 층(90A, 90C)과 주변 매체 간의 정합 조건은 장치의 증대 능력을 전체로서 파괴할 수 있다.
그러나, 발명자들은 유전체 층(90A, 90C)과 주변 공기 사이의 계면에 의한 진폭 증대의 감쇠는 하기의 방식으로 극복될 수 있다는 것을 또한 발견하였다. 조명 경로에 대한 모아레 접근법(위에서 설명함)에 대하여 더 구체적으로 고려하면, 조명 경로에서 근접장 디바이스의 목적은 피측정 타겟의 피치에 근접한 피치를 가진 주기적인 조명을 생성하는 것임에 주목한다. 발명자들은 조명 광학 요소(110)의 근접장에 2개의 격자를 배치함으로써 상당한 개선이 달성될 수 있다는 것을 알아냈다. 추가의 필요조건은 적어도 2자리만큼 입사광의 진폭을 증대시키는 것이다. 양자의 필요조건은 예컨대 도 5a 및 도 5b에 도시된 광학 요소(110)를 이용해서 충족될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 조명 광학 요소(110)의 하이 레벨 개략도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 조명 광학 요소(110)의 동작의 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이다.
이 설계 이면의 주요 개념은 조명 광(98)이 타겟(82)에 도달하기 전에 조명 광을 산란시키는 것이다. 이것은 타겟(82)이 공지된 회절 패턴으로 조명된다는 것을 의미한다. 산란 장치(110)는 ±1 회절 차수를 증대시키고, 그러한 차수를 산란시키기 위해 우측 피치를 이용할 때, 회절 차수가 타겟에 도달하면, 그 대부분의 에너지는 전파 파인 타겟으로부터 산란된 0차로 변환될 것이다.
실시형태에 있어서, 계측 시스템(100)은 2개의 격자(92, 94)와 관련된 유전체-금속-유전체 적층물(90)(층(90A, 90B, 90C)들은 전술한 바와 같이 정합 조건에 따라 정합된다)을 가진 광학 요소(110)를 포함할 수 있다. 도 5a는 적층물(90)이 격자(93, 94) 내에 포함된 실시형태를 보인 것이고, 도 5b는 격자(93, 94)가 적층물(90)의 유전체 층(90C, 90A)에 (각각) 매립된 실시형태를 보인 것이다.
실시형태에 있어서, 격자(93, 94)의 유전율(ε)은 필요에 따라 더 많은 반사 또는 투과를 얻도록 변경될 수 있는 자유 파라미터이다. 유전체 층(90A, 90C)의 두께는 너무 두꺼운 층에 의한 신호 강도의 저하와 너무 가까운 공기-유전체 계면에 의한 증대 효과의 감쇠를 균형화하도록 선택될 수 있다(활성인 증폭 영역은 유전체 주변의 공기로부터 충분히 분리되어야 한다). 금속 층(90B)의 두께도 또한 에바네센트 모드 증대의 이득을 증가시키는 것과 정보를 운반하는 타겟(82)으로부터 복귀하는 산란된 0차에 대한 손실(조명된 증폭형 에바네센트 모드로부터 변환된 후의 것) 사이에서 균형화하도록 선택될 수 있다.
유전체-금속-유전체 적층물(90)은 타겟(82)을 조명하는 복사선(98)의 에바네센트 모드(99)를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 실시형태에 있어서, 격자(93, 94)는 동일한 피치를 갖고 금속 층(90B)에서 반복적으로 증폭되는 에바네센트 모드에 대한 공진기로서 작용한다. 실시형태에 있어서, 및 이론으로 구속하고 싶지는 않지만, 공진하는 광학 요소(110)는 에바네센트 모드의 증폭 공진 캐비티로서 동작할 수 있다. 실시형태에 있어서, 정합 조건은 전술한 것과 유사한 방식으로 선택될 수 있다. 정합 조건은 금속 및 유전체의 유전율(ε)을 설정하고, 격자(93, 94)의 유전율(ε) 및 그 형태는 자유 파라미터이고 필요에 따라 더 많은 반사 또는 투과를 얻도록 변경될 수 있다.
이론으로 구속하고 싶지는 않지만, 2개의 격자(93, 94) 사이의 영역은 제1 격자(93)에서 산란된 광이 ±1 회절 차수로 증폭된 에바네센트 모드를 생성하고 그 다음에 타겟(82)으로부터 산란된 때 전파성 0차로 다시 변환되는 간섭계로서 생각할 수 있다. 이러한 에바네센트 모드는 표면 플라즈몬이 금속의 경계를 따라 생성되기 때문에 금속 층(90B) 내에서 증대된다(금속이 유전체와 정합되고 음의 회절률을 갖기 때문에). 에바네센트 모드가 제2 격자(94)에 도달하면, 그 일부는 산란되고 일부는 전방으로 투과된다. 산란된 모드는 0차로 변환되고 금속 층(90B) 내에서 전파하며(그 내부에서 일부 에너지가 손실됨), 상부 격자(93)에서 다시 산란되어 다시 동일한 효과를 생성한다. 하부 격자(94)를 통과하는 모든 1차 모드의 비간섭성 합은 패브리 페롯 간섭계에서와 같이 타겟(82)에 도달하는 총 광 강도(99)이다. 이득을 제어하는 파라미터는 격자(93, 94)의 기하학적 외형, 격자(93, 94)의 유전율(ε), 및 금속 층(90B)에 대한 격자(93, 94) 간의 거리이다. 이러한 파라미터들은 반사율 및 투과율을 설정하도록 구성될 수 있다(후술하는 예 참조). 예를 들면, 격자(94)는 큰 반사율을 가져서 광의 작은 부분만이 격자(93, 94) 사이의 활성 영역을 빠져나가게 하고, 그렇게 함으로써 광학 시스템(110)의 공진 행동을 가능하게 한다. 격자(93, 94) 간의 파가 전파하기 때문에, 격자(93, 94)와 금속(90B) 간의 거리는 격자(93, 94)에 부딪치는 전파 파 사이클을 따라 진폭을 결정한다. 전파 파가 만곡부(sinus)형 행동을 갖기 때문에, 상기 거리는 파를 묘사하는 만곡부가 각각의 격자(93, 94)에서 그 피크에 도달하도록 설정될 수 있다. 광학 요소(110)의 피치는 타겟(82)의 피치와 정합되어서, 산란된 ±1 회절 모드가 전파 0차 모드로 변환되는 것을 보장한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른, 조명 광학 요소(110)의 동작의 시뮬레이션 결과들을 보인 그래프이다. 이 결과들은 도 5b에 도시된 광학 요소(110)와 관련된다. 도 6a는 전송된 및 반사된 -1차의 기준(norm)에 관한 이득을 나타내고, 도 6b는 전송된 및 반사된 0차의 기준에 관한 이득을 나타내며, 이들은 둘 다 격자의 ε의 최적화 후의 경우를 보인 것이다. 도 6a 및 도 6b는 격자(93, 94)들 간의 공진 효과 및 모드들 간의 에너지 변환을 보여주고 있다.
따라서, 광학 요소(110)는 2가지의 목표, 즉 에바네센트 모드를 증대시키는 것, 및 ±1 모드에 내포되어 있는 정보를 오염시킬 수 있는 전파성 0차를 감소시키는 것을 달성한다. 따라서, 광학 요소(110)는 시야 조리개의 필요성을 또한 감소시킨다. 층(90A, 90B, 90C) 및 격자(93, 94)의 치수, 및 그들의 상대적인 위치는 광학 요소에 의해 달성되는 이득을 더욱 증가시키도록 구성될 수 있다.
일반적으로 말해서, 광학 요소(110)의 중간에 있는 금속 층(90B)은 에바네센트 모드에 대한 활성 매체의 역할을 수행하고, 양측에 있는 격자(93, 94)는 한편으로 최대 증대를 달성하고 다른 한편으로 주변 매체로부터의 필요한 격리를 제공할 수 있게 하는 공진 조건을 제공한다. 그러한 광학 요소는 에바네센트 모드 레이저로서 이해할 수 있다. 이것은 주어진 구성이 임의의 주변 매체에 대한 파라미터의 미세 조정이 없더라도 필요한 2자리의 증대를 가능하게 하는 수치 시뮬레이션을 따른다. 일례로서 주기가 2개의 주변 격자의 이중 주기와 동일한 주기적인 샌드위치 구성의 일부 조합이 또한 가능하다.
광학 요소(110)는, 에바네센트 모드를 증대시키는 동안, 0차를 포함한 전파 모드를 감쇠시킨다. 그러므로, 이 감쇠는 측정의 성능을 개선하는 0차를 억제하면서 1차 모드를 증대시키는 방법으로서 사용될 수 있다.
격차 피치 및 변조 깊이가 장치 성능의 중요한 파라미터이고 타겟 및/또는 광학 파라미터(예를 들면, 파장)에 어느 정도 의존하기 때문에, 시스템(100)은 격자 피치 및 변조 깊이를 제어할 수 있는 장점이 있다. 이것은 비제한적인 예를 들자면 광굴절 효과(적당한 전력으로 입사하는 적당한 공간 속성(예를 들면, 사인 패턴을 산출하는 2개의 빔 간의 회절)을 가진 조명 빔 및 광굴절 물질을 사용하는 것 - 주기 및 변조 깊이의 제어); 음향 광학 효과; 전기 광학 효과; 또는 이들의 조합을 포함하는 각종의 물리적 현상에 의해 달성될 수 있다.
중간층에서 이득/활성 매체(예를 들면, 펌프형 레이저 물질)의 사용은 상기 매체를 횡단하는 광을 증대시키고 전체적인 손실을 감소시킬 수 있다.
광학 요소(110)는 전자빔(e-beam), 리소그래피와 같은 종래의 방법에 의해 제조될 수 있다(세분화(segmentation)를 이용하는 경우에도).
광학 요소(110)는 설계 규칙 및 비 설계 규칙 타겟에 대한 성능을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 계측 방법(200)의 하이 레벨 개략 흐름도이다. 계측 방법(200)은 광학 요소를 대물렌즈와 타겟 사이에 배치하는 단계(단계 210)와, 타겟에 의해 반사된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 광학 요소를 구성하는 단계(단계 220)를 포함할 수 있다. 광학 요소는 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 전파 모드로 변환하도록 또한 구성될 수 있다(단계 221).
실시형태에 있어서, 계측 방법(200)은 타겟의 이미지를 발생하는 단계(단계 222)와, 고체 잠입 렌즈를 이용하여 이미지의 해상도를 증대시키는 단계(단계 225)를 포함할 수 있다.
실시형태에 있어서, 계측 방법(200)은 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하는 단계(단계 230)와, 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 증대시키는 단계(단계 232), 및/또는 타겟 상의 복사선의 입사각의 범위를 증대시키는 단계(단계 234)를 포함할 수 있다.
실시형태에 있어서, 계측 방법(200)은 고체 잠입 렌즈를 이용하여 회절 차수 및 입사각의 범위를 증대시키는 단계(단계 235)를 포함할 수 있다.
실시형태에 있어서, 계측 방법(200)은 산란된 복사선의 공간 해상도를 증대시키는 단계(단계 240), 예를 들면 모아레 격자를 이용하여 공간 해상도를 증대시키는 단계(단계 242) 및/또는 타겟에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 광학 요소를 구성하는 단계(단계 250)를 포함할 수 있다.
실시형태에 있어서, 계측 방법(200)은 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물을 이용하여 에바네센트 모드를 증대시키는 단계(단계 252)와, 파상 표면을 가진 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물을 이용하여 에바네센트 모드를 증대시키는 단계(단계 254)와, 2개의 격자와 관련된 유전체-금속-유전체 적층물을 이용하여 적어도 하나의 격자에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키는 단계(단계 260)를 포함할 수 있다.
상기의 설명에서, 실시형태는 본 발명의 예 또는 구현 예이다. "일 실시형태", "실시형태" 또는 "일부 실시형태"의 각종 양상은 모두 반드시 동일한 실시형태를 인용하는 것이 아니다.
비록 본 발명의 각종 특징을 단일 실시형태와 관련하여 설명할 수 있지만, 그 특징들은 분리해서 또는 임의의 적당한 조합으로 또한 제공될 수 있다. 반대로, 비록 본 발명을 여기에서 명확성을 위해 별도의 실시형태와 관련하여 설명할 수 있지만, 본 발명은 단일 실시형태로 또한 구현될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 전술한 것과는 상이한 실시형태로부터의 특징들을 포함할 수 있고, 실시형태들은 전술한 것과 다른 실시형태로부터의 요소들을 통합할 수 있다. 특정 실시형태와 관련한 본 발명의 요소들의 설명은 그 특정 실시형태에서만 사용되는 것으로 제한되지 않는다.
또한, 본 발명은 각종 방법으로 실행되거나 실시될 수 있고 본 발명은 전술한 것과는 다른 실시형태로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명은 첨부된 도면 또는 그 대응하는 설명으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 흐름은 각각의 예시된 박스 또는 상태를 통하여 진행할 필요가 없고, 예시 및 설명한 것과 정확히 동일한 순서로 진행할 필요가 없다.
여기에서 사용하는 기술 용어 및 과학 용어의 의미는 다르게 정의하지 않는 한 본 발명이 속하는 기술에 통상의 숙련도를 가진 사람들이 공통적으로 이해하는 의미를 갖는다.
비록 본 발명을 제한된 수의 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 이 실시형태들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되고, 일부 양호한 실시형태를 예시하는 것으로 이해하여야 한다. 다른 가능한 변경, 수정 및 응용이 본 발명의 범위에 또한 포함된다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 것으로 제한되지 않고, 첨부된 특허 청구범위 및 그 법적 균등물에 의해 정해진다.

Claims (19)

  1. 타겟을 위한 계측 시스템에 있어서,
    대물렌즈; 및
    상기 대물렌즈와 상기 타겟 사이에서, 상기 타겟과 상호작용하는 복사선(radiation)의 에바네센트 모드(evanescent mode)를 증대시키도록 동작가능하게 배열된 광학 요소
    를 포함하고,
    상기 계측 시스템은 상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하도록 배열되고,
    상기 광학 요소는 상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 배열된 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물을 포함한 것인 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 또한, 상기 에바네센트 모드를 전파 모드로 변환하도록 배열된 것인 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 계측 시스템은 상기 타겟의 이미지를 발생시키도록 배열되고, 상기 광학 요소는 상기 계측 시스템의 해상도를 증대시키도록 배열된 고체 잠입 렌즈(solid immersion lens)를 포함한 것인 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 타겟 상의 복사선의 입사각 범위를 증대시키고, 상기 계측 시스템에 의해 측정된 적어도 제1 회절 차수를 증대시키도록 동작가능하게 배열된 고체 잠입 렌즈를 포함한 것인 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 계측 시스템의 공간 해상도를 증대시키도록 동작가능하게 배열된 모아레 격자를 포함한 것인 계측 시스템.
  6. 타겟을 위한 계측 시스템에 있어서,
    대물렌즈; 및
    상기 대물렌즈와 상기 타겟 사이에서, 상기 타겟과 상호작용하는 복사선(radiation)의 에바네센트 모드(evanescent mode)를 증대시키도록 동작가능하게 배열된 광학 요소
    를 포함하고,
    상기 계측 시스템은 상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하도록 배열되고,
    상기 광학 요소는 상기 대물렌즈 및 상기 타겟에 대하여 상승 및 하강하는 파상 표면(undulating surface)을 가진 주기적인(periodic) 유전체-금속-유전체 적층물을 포함하고, 상기 유전체-금속-유전체 적층물은 상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 배열된 것인 계측 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 2개의 격자와 관련된 유전체-금속-유전체 적층물을 포함하고, 상기 유전체-금속-유전체 적층물은 조명 복사선의 에바네센트 모드를 증폭하도록 동작가능하게 배열된 것인 계측 시스템.
  8. 계측 방법에 있어서,
    대물렌즈와 타겟 사이에 광학 요소를 배치하는 단계;
    상기 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 상기 광학 요소를 배열하는 단계; 및
    상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광학 요소로서 기울어진 유전체-금속-유전체 적층물을 이용함으로써 상기 에바네센트 모드의 증대가 실행되는 것인 계측 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 전파 모드로 변환하는 단계를 더 포함한 계측 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 타겟의 이미지를 발생시키는 단계를 더 포함하고, 상기 광학 요소는 상기 이미지의 해상도를 증대시키도록 배열된 고체 잠입 렌즈를 포함한 것인 계측 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 타겟 상의 복사선의 입사각 범위를 증대시키도록 상기 광학 요소로서 고체 잠입 렌즈를 이용함으로써 상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 증대시키는 단계를 더 포함한 계측 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 광학 요소로서 모아레 격자를 이용함으로써 산란된 복사선의 공간 해상도를 증대시키는 단계를 더 포함한 계측 방법.
  13. 계측 방법에 있어서,
    대물렌즈와 타겟 사이에 광학 요소를 배치하는 단계;
    상기 타겟과 상호작용하는 복사선의 에바네센트 모드를 증대시키도록 상기 광학 요소를 배열하는 단계; 및
    상기 타겟에 의해 산란된 복사선의 적어도 제1 회절 차수를 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 대물렌즈 및 상기 타겟에 대하여 상승 및 하강하는 파상 표면을 가진 주기적인 유전체-금속-유전체 적층물을 상기 광학 요소로서 이용함으로써 상기 에바네센트 모드의 증대가 실행되는 것인 계측 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 광학 요소는 2개의 격자와 관련된 유전체-금속-유전체 적층물을 포함하고, 상기 유전체-금속-유전체 적층물은 조명 복사선의 에바네센트 모드를 증폭하도록 동작가능하게 배열된 것인 계측 방법.
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