KR102171206B1 - Method for quantitative measurement of defects within block-copolymer thin-flim having lamellar pattern - Google Patents

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Abstract

본 발명은, SEM 이미지를 이용하는 일련의 처리과정을 포함하는, 자기조립된 라멜라 패턴을 갖는 블록-공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향을 받는 영역을 분석하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing a region affected by morphological defects in a block-copolymer thin film having a self-assembled lamella pattern, including a series of processing steps using SEM images.

Description

라멜라 패턴을 갖는 블록-공중합체 박막 중의 결함에 대한 정량적 측정방법{Method for quantitative measurement of defects within block-copolymer thin-flim having lamellar pattern}{Method for quantitative measurement of defects within block-copolymer thin-flim having lamellar pattern}

본 발명은, SEM 이미지를 이용하는 일련의 처리과정을 포함하는, 자기조립된 라멜라 패턴을 갖는 블록-공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향을 받는 영역을 분석하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing a region affected by morphological defects in a block-copolymer thin film having a self-assembled lamella pattern, including a series of processing steps using SEM images.

메모리 디바이스는 통상적으로 컴퓨터 또는 기타 전자 디바이스 내에 내부 반도체 집적 회로로서 제공된다. 메모리 디바이스는 보통 RAM(random access memory), ROM(read only memory), DRAM(dynamic random access memory), SDRAM(synchronous dynamic random access memory) 및 플래시 메모리를 포함하는 다수의 상이한 유형의 메모리가 있는데, 특히 플래시 메모리 디바이스는 광범위한 전자 애플리케이션을 위한 비휘발성 메모리의 인기 있는 공급원으로 발전했다. 플래시 메모리 디바이스는 통상적으로, 높은 메모리 밀도(집적도), 높은 신뢰성 및 낮은 전력 소비를 고려하여야 한다.Memory devices are typically provided as internal semiconductor integrated circuits within a computer or other electronic device. Memory devices usually have a number of different types of memory, including random access memory (RAM), read only memory (ROM), dynamic random access memory (DRAM), synchronous dynamic random access memory (SDRAM), and flash memory. Flash memory devices have evolved into a popular source of nonvolatile memory for a wide range of electronic applications. Flash memory devices typically have to take into account high memory density (density), high reliability and low power consumption.

1947년 벨 연구소에서 양극성 트랜지스터(bipolor transistor)가 개발된 이후 반도체 칩의 집적도는 무어의 법칙(Moore's law)에 따라 발전해왔다. 이러한 발전은 광식각 공정의 지속적인 발전에 힘입어 충실히 지켜져 왔으나, 최근 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)에 따르면 30 ㎚ 이하의 공정기술은 광식각 기술의 한계로 구현하기에는 많은 문제점들을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 새로운 원리를 바탕으로 다양한 나노패턴 제작기술들이 개발되고 있으며, 이 연구 분야들 중에서도 분자조립 나노구조에 대한 연구는 전세계적으로 관심을 받고 있다.Since the development of the bipolor transistor at Bell Labs in 1947, the degree of integration of semiconductor chips has evolved according to Moore's law. These developments have been faithfully maintained thanks to the continuous development of the optical etching process, but according to the recent ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor), it is known that process technology of 30 nm or less has many problems to implement due to the limitation of optical etching technology . Accordingly, various nanopattern fabrication technologies are being developed based on new principles, and among these research fields, research on molecular assembly nanostructures is receiving worldwide attention.

이와 같이 플래시 메모리 등 반도체 소자에서 메모리 밀도를 높이기 위해 반도체 소자의 집적도를 높이려는 시도가 계속되고 있다. 평면적으로 각 단위 셀이 차지하는 면적이 감소하게 되었고, 이와 같은 단위 셀 면적의 감소에 대응하여, 수 내지 수 십 ㎚ 수준의 보다 작은 나노 스케일의 CD (Critical Dimension)의 디자인 룰(design rule)이 적용되고 있으며, 이에 따라 나노 스케일의 개구 사이즈(opening size)를 가지는 미세 콘택홀 패턴 또는 나노 스케일의 폭을 가지는 미세 라인 패턴과 같은 미세 패턴을 형성하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있다.As described above, attempts to increase the degree of integration of semiconductor devices in order to increase the memory density in semiconductor devices such as flash memories are continuing. Planarly, the area occupied by each unit cell has been reduced, and in response to such a decrease in unit cell area, a design rule of a smaller nanoscale CD (Critical Dimension) of several to several tens of ㎚ is applied. Accordingly, a new technique for forming a fine pattern such as a fine contact hole pattern having a nano-scale opening size or a fine line pattern having a nano-scale width is required.

반도체 소자 제조를 위한 미세 패턴 형성을 위하여 탑-다운 (top-down) 방식의 포토리소그래피(photolithography) 기술에만 의존하는 경우 광원의 파장 및 광학 시스템의 해상 한계 등으로 인해 분해능을 향상시키는 데 제한이 있다. 이러한 포토리소그래피 기술에서의 분해능 한계를 극복하고 차세대 미세 가공 기술을 개발하기 위한 노력중 하나로서 분자들의 자기조립 현상을 이용한 바텀-업 (bottom-up) 방식의 미세 구조 형성 방법들이 시도되었다.When relying only on top-down photolithography technology to form fine patterns for semiconductor device manufacturing, there is a limitation in improving resolution due to the wavelength of the light source and the resolution limit of the optical system. . As one of efforts to overcome the limitation of resolution in the photolithography technology and develop a next-generation microfabrication technology, methods of forming a microstructure in a bottom-up method using a self-assembly phenomenon of molecules have been attempted.

분자조립 나노구조를 형성하는 가장 대표적인 고분자 소재는 블록공중합체(block copolymer; BCP)로 화학적으로 서로 다른 단위체 블록들이 공유결합을 통해 연결되어 있는 분자구조를 가지고 있다. 그로 인해, 블록공중합체는 수 내지 수십나노 수준의 규칙성을 가지는 구(sphere), 실린더(cylinder), 라멜라(lamella) 등의 다양한 나노구조들을 형성할 수 있으며, 열역학적으로 안정하고, 나노구조의 크기와 물성을 합성 단계에서 디자인 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 병렬식 공정으로 나노구조를 대면적에서 빠르게 구현할 수 있으며, 블록공중합체 주형을 이용하여 무기, 유기 나노구조 박막 형성 후 주형의 제거가 쉬워, 나노와이어, 양자점, 자기저장매체, 비휘발성메모리 등 IT, BT, ET 분야에서 다양한 차세대 소자제작을 위한 나노패턴 제작기술로 집중적인 연구가 진행되고 있다.Molecular assembly The most representative polymer material that forms nanostructures is a block copolymer (BCP), which has a molecular structure in which chemically different unit blocks are connected through covalent bonds. Therefore, the block copolymer can form various nanostructures such as spheres, cylinders, and lamellas having a regularity of several to tens of nanometers, and is thermodynamically stable and has nanostructures. It has the advantage of being able to design size and physical properties at the synthesis stage. In addition, it is possible to quickly implement nanostructures in a large area through a parallel process, and it is easy to remove the template after forming an inorganic and organic nanostructure thin film using a block copolymer template, nanowires, quantum dots, magnetic storage media, nonvolatile memory In the fields of IT, BT, ET, etc., intensive research is underway with nanopattern manufacturing technology for manufacturing various next-generation devices.

이중 자기조립된 블록공중합체 박막으로부터 나타나는 라멜라 패턴(Lamellar pattern)은 메모리, 저장 및 산술논리장치(Arithmetic logic unit; ALU)와 같은 차세대 디바이스를 위한 준(sub)-10 nm의 나노 스케일 패턴으로 유망한 소재이다. 상기 라멜라 패턴의 품질에 대한 정량적 측정은 개발된 패턴을 실제 디바이스에 적용할 수 있는지 여부를 결정하는 중요한 인자이다. 그러나, 기존의 측정방법은 이미지 처리에 의해 국부적 결함을 검출하는 광학 현미경 의존적이며, 이와 같은 측정 방법에 따른 기술적 한계로 인해 패턴의 품질에 대한 구체적인 정보를 제공하기 어렵다. 이에, 패턴의 미시적 질서도(microscopic order), 품질 및 균일성(uniformity)에 대한 분석하고 구체적인 정보를 전달할 수 있는 정량적 측정 방법이 요구된다.The lamellar pattern that appears from the double self-assembled block copolymer thin film is a promising sub-10 nm nanoscale pattern for next-generation devices such as memory, storage and arithmetic logic units (ALU). It is the material. Quantitative measurement of the quality of the lamella pattern is an important factor determining whether or not the developed pattern can be applied to an actual device. However, the conventional measurement method is dependent on an optical microscope that detects local defects by image processing, and it is difficult to provide detailed information on the quality of the pattern due to the technical limitations of the measurement method. Accordingly, there is a need for a quantitative measurement method capable of analyzing microscopic order, quality and uniformity of patterns and delivering specific information.

본 발명자들은 검사하고자 하는 박막 표면의 SEM 원본 이미지를 이용한 수 단계의 처리 공정을 통해 복잡한 계산 없이 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 결함을 검출할 수 있는 처리 과정을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 2D 고속 푸리에 변환(FFT), 이진법 이미지로의 전환 및 브래그 필터링을 통해 이미지 엔트로피 값을 산출하고, 이로부터 역 FFT된 재구성 이미지 엔트로피로부터 결함의 밀도는 물론, 이에 의해 영향을 받는 패턴의 면적 비율까지 산출할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.The present inventors have worked hard to find a treatment process capable of detecting defects in a self-assembled block copolymer thin film without complicated calculations through several steps of treatment using the original SEM image of the thin film surface to be inspected. The image entropy value is calculated through fast Fourier transform (FFT), conversion to a binary image, and Bragg filtering, and the density of defects as well as the area ratio of the pattern affected by the inverse FFT reconstruction image entropy are calculated. It was confirmed that it was possible, and the present invention was completed.

본 발명의 제1양태는 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역의 분석방법으로서, 자기조립된 블록공중합체 박막 표면의 원본 SEM 이미지를 준비하는 제1단계; 상기 원본 이미지를 그레이-스케일 이미지로 전환하는 제2단계; 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform) 알고리즘을 이용하여 상기 그레이-스케일 이미지의 2D (fast Fourier transform; FFT) 이미지를 도출하는 제3단계; 브래그 필터를 위하여 2D FFT 이미지에서 브래그 도트 패턴(Bragg dot pattern)을 선택하는 제4단계; 상기 여과된 이미지에 브래그 필터를 적용하는 제5단계; 여과된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제6단계; 이미지 엔트로피를 사용하여 2D 결합된(convoluted) 여과된 이미지를 계산하는 제7단계; 상기 결합된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제8단계; 및 상기 단계 5 내지 8로부터 획득한 2D 결합된 이미지를 도출하는 제9단계를 포함하는, 분석방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a method for analyzing a region affected by morphological defects in a self-assembled block copolymer thin film, comprising: a first step of preparing an original SEM image of the surface of the self-assembled block copolymer thin film; A second step of converting the original image into a gray-scale image; A third step of deriving a fast Fourier transform (FFT) image of the gray-scale image by using a discrete Fourier transform algorithm; A fourth step of selecting a Bragg dot pattern from a 2D FFT image for a Bragg filter; A fifth step of applying a Bragg filter to the filtered image; A sixth step of calculating image entropy of the filtered image; A seventh step of calculating a 2D convoluted filtered image using image entropy; An eighth step of calculating the image entropy of the combined image; And it provides an analysis method comprising a ninth step of deriving the 2D combined image obtained from the steps 5 to 8.

본 발명의 제2양태는 자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 A단계; 제1양태에 따른 분석방법을 수행하여 상기 준비된 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 분석하여 결함의 면적 분율을 산출하는 B단계; 및 상기 산출된 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 제품을 선별하는 C단계를 포함하는 자기조립된 블록공중합체 박막의 품질 관리 방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is step A of preparing a self-assembled block copolymer thin film; Step B of performing the analysis method according to the first aspect to analyze a region affected by morphological defects in the prepared self-assembled block copolymer thin film to calculate an area fraction of the defect; And it provides a quality control method of a self-assembled block copolymer thin film comprising the step C of selecting a product in which the calculated area fraction of the defect is 0.5% or less of the total area of the thin film.

본 발명의 제3양태는 제2양태의 방법으로 선별한 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 제I단계; 및 상기 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 주형으로 원하는 소재 상에 전사하는 제II단계를 포함하는, 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.A third aspect of the present invention is the step I of preparing a self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern in which the area fraction of the defects selected by the method of the second aspect is 0.5% or less of the total area of the thin film; And an II step of transferring the self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern onto a desired material as a template.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역의 분석방법으로서,The present invention is a method for analyzing regions affected by morphological defects in a self-assembled block copolymer thin film,

자기조립된 블록공중합체 박막 표면의 원본 SEM 이미지를 준비하는 제1단계;A first step of preparing an original SEM image of the surface of the self-assembled block copolymer thin film;

상기 원본 이미지를 그레이-스케일 이미지로 전환하는 제2단계;A second step of converting the original image into a gray-scale image;

이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform) 알고리즘을 이용하여 상기 그레이-스케일 이미지의 2D (fast Fourier transform; FFT) 이미지를 도출하는 제3단계;A third step of deriving a fast Fourier transform (FFT) image of the gray-scale image by using a discrete Fourier transform algorithm;

브래그 필터를 위하여 2D FFT 이미지에서 브래그 도트 패턴(Bragg dot pattern)을 선택하는 제4단계;A fourth step of selecting a Bragg dot pattern from a 2D FFT image for a Bragg filter;

상기 여과된 이미지에 브래그 필터를 적용하는 제5단계;A fifth step of applying a Bragg filter to the filtered image;

여과된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제6단계;A sixth step of calculating image entropy of the filtered image;

이미지 엔트로피를 사용하여 2D 결합된(convoluted) 여과된 이미지를 계산하는 제7단계;A seventh step of calculating a 2D convoluted filtered image using image entropy;

상기 결합된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제8단계; 및An eighth step of calculating the image entropy of the combined image; And

상기 단계 5 내지 8로부터 획득한 2D 결합된 이미지를 도출하는 제9단계를 포함하는, 분석방법을 제공한다.It provides an analysis method comprising a ninth step of deriving the 2D combined image obtained from steps 5 to 8 above.

예컨대, 제2단계는 당업계에 공지된 루미노시티 알고리즘을 적용하여 수행할 수 있다. 이때 신호의 세기는 0.21R+0.72G+0.07B로 정의될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 목적을 달성하기 위하여 당업계에 공지된 비제한적인 방법을 단독으로 또는 조합하여 수행할 수 있다.For example, the second step may be performed by applying a luminosity algorithm known in the art. In this case, the strength of the signal may be defined as 0.21R+0.72G+0.07B. However, the present invention is not limited thereto, and non-limiting methods known in the art may be performed alone or in combination to achieve the above object.

구체적으로, 제3단계는 수학적으로 균일한 그리고 단일 주기성을 갖는 완벽한 1D 패턴을 푸리에 계수(Fourier coefficients)의 이산값(discrete values)의 세트로 전환하고, 제2단계의 실험적으로 획득한 1D 패턴을, 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 적용하여, 역격자 공간(reciprocal space) 내의 도트 패턴과 같은 회절 패턴(도 1b)으로 표현함으로써 달성할 수 있다.Specifically, the third step converts a mathematically uniform and complete 1D pattern having a single periodicity into a set of discrete values of Fourier coefficients, and converts the experimentally obtained 1D pattern of the second step. , By applying a fast Fourier transform (FFT), it can be achieved by expressing a diffraction pattern (FIG. 1B) such as a dot pattern in a reciprocal space.

구체적으로, 제4단계는 역격자 공간 내의 도트 패턴에 초점을 맞추어 원본 SEM 이미지의 푸리에 변환된 진폭(amplitudes)을 스캔하고, 상기 추출한 진폭(

Figure 112018115691613-pat00001
)의 중첩에 의해 1D 원통형 패턴에 상응하는, 선택적으로 증강된(intensified) 신호(
Figure 112018115691613-pat00002
)를 제공하는 맵을 구축함으로써 달성할 수 있다.Specifically, the fourth step is to scan the Fourier transformed amplitudes of the original SEM image by focusing on the dot pattern in the inverse lattice space, and the extracted amplitude (
Figure 112018115691613-pat00001
), corresponding to the 1D cylindrical pattern by the superposition of, optionally intensified signal (
Figure 112018115691613-pat00002
This can be achieved by building a map that provides ).

이때, 상기 추출한 진폭(

Figure 112018115691613-pat00003
) 및 증강된 신호(
Figure 112018115691613-pat00004
)의 관계는 하기 방정식 1로 표현될 수 있다:At this time, the extracted amplitude (
Figure 112018115691613-pat00003
) And augmented signal (
Figure 112018115691613-pat00004
) Can be expressed by Equation 1:

[방정식 1][Equation 1]

Figure 112018115691613-pat00005
Figure 112018115691613-pat00005

상기 k는 역격자 파벡터(reciprocal wave vector)를, P k (r)은 위치 r에서의 위상(phase)을 나타냄.The k denotes a reciprocal wave vector, and P k ( r ) denotes the phase at position r .

예컨대, 상기 제4단계에서 브래그 스팟을 충분히 커버하도록 원형 주사 가우시안 함수(circular-shaped scanning Gaussian function)를 설정하여, 지정된(designated) 가우시안 필터링 함수로 FFT 이미지 내의 도트 패턴을 계수적으로 스캔하고, 필터된 진폭으로 역격자 공간 내의 진폭맵(amplitude map)을 구축함으로써 역 고속 푸리에 변환된 이미지를 획득할 수 있다.For example, in the fourth step, a circular-shaped scanning Gaussian function is set to sufficiently cover the Bragg spot, and the dot pattern in the FFT image is numerically scanned with a designated Gaussian filtering function, and a filter An inverse fast Fourier transformed image can be obtained by constructing an amplitude map in the inverse lattice space with the resulting amplitude.

구체적으로, 제5단계는, 정렬된(aligned) 1D 패턴의 여과된 진폭을 강화하기 위하여, 역 고속 푸리에 변환된 그레이-스케일 이미지를 흑백 이미지로 전환하는, 평균-제곱 필터링(mean-square filtering, 또는 양방 범위 필터링; Bilateral range filtering)을 적용하여 수행할 수 있다.Specifically, the fifth step is to convert the inverse fast Fourier transformed gray-scale image to a black and white image in order to enhance the filtered amplitude of the aligned 1D pattern, mean-square filtering, Alternatively, it can be performed by applying bilateral range filtering.

예컨대, 평균-제곱 필터의 과정에서, 사각 윈도우(square window)는 역 고속 푸리에 변환된 이미지로부터 얻어진 신호의 평균으로 설정된 기준 신호값을 갖는 이동 불변(shift-invariant) 가우시안 타입 필터로 역 고속 푸리에 변환된 이미지를 스캔하고 양방 필터링할 수 있다(IEEE Int'l Conf. Comp. Vis., Bombay, India, 1997). 서너 세트의 윈도우 크기 및 양방 패턴을 테스트하고, 최상의 필터된 이미지를 획득하기 위한 조합을 선택하며, 기본(bare) 브래그 필터된 이미지와 비교하여, 평균-제곱 여과된 이미지는 1D 원통형 패턴에서 형태적 결함의 고도로 강화되고 식별가능한 형태를 나타낼 수 있다.For example, in the process of the mean-square filter, the square window is an inverse fast Fourier transform with a shift-invariant Gaussian type filter having a reference signal value set as the average of signals obtained from inverse fast Fourier transformed images. The resulting image can be scanned and filtered in both directions (IEEE Int'l Conf. Comp. Vis., Bombay, India, 1997). Test three or four sets of window sizes and both patterns, select the combination to obtain the best filtered image, and compare to the bare Bragg filtered image, the mean-square filtered image is morphological in a 1D cylindrical pattern. It can exhibit highly reinforced and discernable forms of defects.

구체적으로, 제6단계에서 이미지의 i번째 픽셀의 이미지 엔트로피를 산출하기 위한 S i 는 하기 방정식 2로 정의될 수 있다:Specifically, S i for calculating the image entropy of the i-th pixel of the image in the sixth step may be defined by Equation 2:

[방정식 2][Equation 2]

Figure 112018115691613-pat00006
Figure 112018115691613-pat00006

상기 방정식 2에서,In Equation 2 above,

P ik 는 i번째 픽셀과 이의 k번째 이웃한 픽셀 간의 세기 차이가 발생할 확률임. P ik is the probability of an intensity difference between the i-th pixel and its k-th neighboring pixel.

구체적으로, 제7단계에 있어서, 상기 2D 결합된 여과된 이미지는 형태적 결함을 갖는 영역을 선택적으로 필터하여 배제하는, 추가로 처리된 이진법 이미지의 생성을 위한 평균-제곱 여과된 이진법 이미지에 대한 결합 핵심(convolution kernel)으로 작용하여, 형태적 결함, 편향적 배향(deflective orientations) 또는 둘 모두에 인접하는 결함적 영역에 위치할 때 국부적 엔트로피가 유의미하게 증가할 수 있다.Specifically, in the 7th step, the 2D-combined filtered image is a mean-square filtered binary image for generating an additionally processed binary image that selectively filters and excludes a region having a morphological defect. Acting as a convolution kernel, local entropy can be significantly increased when placed in defective regions adjacent to morphological defects, deflective orientations, or both.

구체적으로, 제8단계는, 지정된 수의 이웃한 픽셀을 고려하여, 관련된 엔트로피 필터링 이웃들과 함께, 픽셀로부터 픽셀로(pixel-by-pixel) 엔트로피를 계산하여 처리된 이진법 이미지로부터 또 하나의 이미지 엔트로피 여과된 이미지를 계산함으로써 달성할 수 있다.Specifically, in step 8, another image entropy from the processed binary image is calculated by calculating pixel-by-pixel entropy with related entropy filtering neighbors by considering a specified number of neighboring pixels. This can be achieved by calculating the filtered image.

예컨대, 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함은 이미지의 특정한 영역에 존재하는 전위(dislocation) 및 +1/2 또는 -1/2 회위(disclination)인 불완전하게 배열된(non-perfectly aligned) 줄무늬를 제공하며, 이에 따라 비제로(non-zero) 질감 무작위성을 나타내고 이미지 엔트로피를 증가시킬 수 있다.For example, morphological defects in a self-assembled block copolymer thin film are non-perfectly aligned dislocations and +1/2 or -1/2 disclinations present in specific regions of the image. It provides streaks, thus exhibiting non-zero texture randomness and can increase image entropy.

구체적으로, 제9단계는 1D 패턴의 여과된 이진법 이미지와 이미지 엔트로피 필터를 조합하되, 이미지 엔트로피 필터, S(m,n)(상기 mn은 픽셀 인덱스)는 처리된 이미지, 하기 방정식 3에 따라 결함적 영역 내의 픽셀을 수치적으로 계수함으로써 달성되는 P(m,n)를 생산하기 위한 여과된 이진법 이미지, B(m,n)를 위한 결합 핵심으로 작용할 수 있다:Specifically, the ninth step is to combine the filtered binary image of the 1D pattern and the image entropy filter, but the image entropy filter, S ( m , n ) (where m and n are pixel indexes) are processed images, and equation 3 below Accordingly, a filtered binary image to produce P ( m , n ), which is achieved by numerically counting the pixels in the defective region, can serve as a binding core for B ( m , n ):

[방정식 3][Equation 3]

Figure 112018115691613-pat00007
Figure 112018115691613-pat00007

상기 방정식 3에서,In Equation 3 above,

JK는 결합 핵심 차원(convolution kernel dimension)임. J and K are the convolution kernel dimension.

보다 구체적으로, 상기 처리된 이미지 P(m,n)가 주어지면, 지정된 역가(designated threshold value)로 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 검출하고, 결함의 면적 분율(areal fraction)을 계산할 수 있다.More specifically, given the processed image P ( m , n ), a region affected by a morphological defect may be detected at a designated threshold value, and an area fraction of the defect may be calculated. .

예컨대, P(m,n)의 최대값의 5%를 역가로 설정하고, 그 미만의 값을 갖는 영역을 선택하여 그 분율을 산출하였다.For example, 5% of the maximum value of P ( m , n ) was set as the titer, and a region having a value less than that was selected to calculate its fraction.

고성능을 가지는 소자를 제공하기 위해 소형화, 밀집화에 대한 요구가 끊임없이 이어짐에 따라 미세 패턴 공정의 확립이 필요하다. 특히, 저비용 공정을 통하여 대면적으로 고밀도의 나노 패턴을 제작하는 것은 다양한 차세대 나노 소자의 개발에 중요한 요소이다. 종래 반도체 공정에서는 I-line이나 ArF 등의 광 리소그래피 기술이 주로 사용되었으나, 40 nm 이하 수준의 패턴 제작하기 위해서는, 고에너지의 광원을 요구하며 그에 따르는 광학 장비들을 개발하기 위해 수많은 기술적 난점들이 존재하고, 패턴을 형성하는 광감응제(photoresist)가 붕괴하는 현상이 나타나기도 한다. 한편, 전자빔 또는 극자외선 리소그래피 등의 고에너지 광원을 사용하는 공정들은 20 nm 혹은 그 이하의 패턴을 해결할 수 있지만 직렬식의 패턴 형성으로 인해 느리며, 대면적에서 스케일을 줄일수록 이러한 단점은 보다 크게 나타난다. 또한, 다른 방법인 나노임프린트(nanoimprint)의 경우 마스크와 감광제의 직접적 접촉을 통해 패턴의 전사가 이루어지므로, 이 과정에서 마스크의 오염이나 파손 등이 발생하여 치명적인 문제점으로 지적되고 있다.In order to provide a device with high performance, it is necessary to establish a fine pattern process as the demands for miniaturization and density continue to continue. In particular, fabricating high-density nanopatterns over a large area through a low-cost process is an important factor in the development of various next-generation nanodevices. In the conventional semiconductor process, optical lithography techniques such as I-line and ArF were mainly used, but in order to manufacture a pattern at a level of 40 nm or less, a high-energy light source is required, and there are numerous technical difficulties in developing optical equipment according to it. , There is also a phenomenon in which the photoresist forming the pattern collapses. On the other hand, processes using high-energy light sources such as electron beam or extreme ultraviolet lithography can solve patterns of 20 nm or less, but are slow due to the formation of tandem patterns, and these disadvantages appear larger as the scale is reduced in a large area. . In addition, in the case of nanoimprint, which is another method, since the pattern is transferred through direct contact between the mask and the photoresist, contamination or damage of the mask occurs during this process, which is pointed out as a fatal problem.

이에, 스스로 형성되는 자기조립 나노 구조를 이용한 나노 패턴 제작법이 주목받고 있다. 대표적인 분자 조립물질인 블록공중합체는 화학적 성질이 서로 다른 고분자 사슬의 끝이 공유 결합으로 연결되어 있어 5 내지 50 nm 정도의 크기를 가지면서 구(sphere), 실린더(cylinder), 라멜라(lamellae) 등의 다양한 형태의 주기적인 나노 구조를 자발적으로 형성한다. 이 과정은 대량생산이 가능한 병렬적인 공정으로 나노 구조가 열역학적으로 안정하여 종횡비가 높은 패턴의 제작에 유리하고, 나노 구조의 크기를 다양하게 조절할 수 있다. 이와 같은 블록공중합체 나노구조는 패턴 전사공정에서 식각 및 증착 템플릿으로 이용할 수 있다. 따라서 블록공중합체 리소그래피는 나노점, 나노선 등의 제작과 광결정, 고성능 자기 저장 매체, 대용량 메모리 소자, 반도체 소자, 태양전지 등 다양한 차세대 나노소자 제작에 응용될 수 있는 나노 리소그래피로서 잠재력이 충분하다고 여겨진다.Accordingly, a method of fabricating a nano pattern using a self-assembled nano structure formed by itself is attracting attention. Block copolymers, which are representative molecular assembly materials, have a size of about 5 to 50 nm because the ends of polymer chains with different chemical properties are connected by covalent bonds, and thus, spheres, cylinders, lamellars, etc. Spontaneously form periodic nanostructures of various types. This process is a parallel process that can be mass-produced. Since the nanostructure is thermodynamically stable, it is advantageous to fabricate a pattern having a high aspect ratio, and the size of the nanostructure can be variously controlled. Such a block copolymer nanostructure can be used as an etching and deposition template in a pattern transfer process. Therefore, block copolymer lithography is considered to have sufficient potential as nanolithography that can be applied to the fabrication of nanodots and nanowires, and to fabricate various next-generation nanodevices such as photonic crystals, high-performance magnetic storage media, large-capacity memory devices, semiconductor devices, and solar cells. .

나아가, 대면적으로 다양한 기질상에서 자기조립된 블록공중합체 나노 구조를 형성하는 것은 기능성 나노구조 제작에 있어서 중요하다. 그러나 자연적으로 형성된 자기조립된 블록공중합체 패턴에 의한 나노 구조의 경우, 그 구조가 불규칙하고 많은 결함 구조들을 포함할 가능성이 있어 실질적인 활용에 앞서 그 품질을 확인할 필요가 있다.Furthermore, it is important in the fabrication of functional nanostructures to form self-assembled block copolymer nanostructures on various substrates over a large area. However, in the case of a nanostructure formed by a naturally formed self-assembled block copolymer pattern, the structure is irregular and may contain many defective structures, so it is necessary to check the quality before practical use.

이러한 맥락에서, 본 발명은 자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 A단계;In this context, the present invention is a step of preparing a self-assembled block copolymer thin film;

전술한 본 발명의 분석방법을 수행하여 상기 준비된 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 분석하여 결함의 면적 분율을 산출하는 B단계; 및B step of calculating the area fraction of the defect by analyzing the area affected by the morphological defect in the prepared self-assembled block copolymer thin film by performing the analysis method of the present invention described above; And

상기 산출된 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 제품을 선별하는 C단계를 포함하는 자기조립된 블록공중합체 박막의 품질 관리 방법을 제공한다.It provides a method for quality control of a self-assembled block copolymer thin film comprising the step C of selecting a product in which the calculated area fraction of the defect is 0.5% or less of the total area of the thin film.

나아가, 본 발명은 상기 방법으로 선별한 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 제I단계; 및Further, the present invention provides a step I of preparing a self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern in which the area fraction of the defects selected by the above method is 0.5% or less of the total area of the thin film; And

상기 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 주형으로 원하는 소재 상에 전사하는 제II단계를 포함하는, 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a semiconductor device comprising the step II of transferring the self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern onto a desired material as a template.

예컨대, 상기 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막은 그래포에피텍시(graphoepitaxy) 기법에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern may be manufactured by a graphoepitaxy technique, but is not limited thereto.

본 발명의 분석방법은 단순히 결함의 종류 및/또는 갯수만을 판별하는 것이 아니라 실제 결함에 의해 영향을 받는 영역의 넓이를 계산할 수 있으며, 결함의 종류를 구분하는 등의 복잡한 계산과정을 포함하지 않으므로 계산자원의 소모 없이 빠르고 정확하게 자기조립된 블록공중합체 박막의 품질을 판별할 수 있으므로, 이를 기반으로 하는 반도체 생산공정에서 소자 준비 단계에서의 품질관리를 위해 사용될 수 있다.The analysis method of the present invention does not simply determine the type and/or number of defects, but calculates the area of the area affected by the actual defects, and does not include a complicated calculation process such as distinguishing the types of defects. Since it is possible to quickly and accurately determine the quality of a self-assembled block copolymer thin film without consuming resources, it can be used for quality control in the device preparation stage in a semiconductor production process based on this.

도 1은 BCP 박막의 자기조립된(self-assembled) 패턴에서 형태적 결함의 정량적 검출을 위한 가공하지 않은 원본 SEM 이미지의 처리 과정을 나타낸 도이다. (a)는 원본 SEM 이미지를, (b)는 원본 이미지의 2D FFT 이미지를, (c)는, 브래그-여과된 스팟을 개시한 좌측 하단의 삽입도를 포함한, Bragg-여과된 이미지를, (d)는 평균-제곱 여과된 또는 양방 흑백 여과된 이진법 이미지를, (e)는 평균-제곱 여과된 이진법 이미지의 이미지 엔트로피 맵을, (f)는 엔트로피 맵과 평균-제곱 여과된 이진법 이미지 간의 결합 후의 여과된 이진법 이미지를, (g)는 (f)의 이미지 엔트로피 필터 맵을, 그리고 (h)는 (d)와 (g)의 결합에 의해 생성된 최종 형태적 결함(분홍색 영역)을 나타낸 맵을 나타낸다.1 is a diagram showing a process of processing an original raw SEM image for quantitative detection of morphological defects in a self-assembled pattern of a BCP thin film. (a) is the original SEM image, (b) is the 2D FFT image of the original image, (c) is the Bragg-filtered image, including the inset of the lower left corner initiating the Bragg-filtered spot, ( d) is a mean-square filtered or two-sided black and white filtered binary image, (e) is an image entropy map of a mean-square filtered binary image, and (f) is a combination between the entropy map and the mean-square filtered binary image. The subsequent filtered binary image, (g) is the image entropy filter map of (f), and (h) is a map showing the final morphological defects (pink regions) created by the combination of (d) and (g). Represents.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: One: 라멜라Lamella 패턴 중의 형태적 결함의(topological defects) Topological defects in patterns 면적 밀도(areal density)의Of areal density 분석을 위한 알고리즘 Algorithm for analysis

서너가지 상이한 종류의 형태적 결함을 갖는 블록공중합체(block copolymer; BCP) 박막에서 형태적 결함의 면적 밀도를 분석하기 위하여, 아래와 같이, BCP 박막의 미가공 SEM 이미지를 이용한 일련의 연속적인 처리 및 분석과정을 수행하였다:In order to analyze the areal density of morphological defects in a block copolymer (BCP) thin film having three or four different types of morphological defects, a series of continuous processing and analysis using the raw SEM image of the BCP thin film as follows. The process was carried out:

단계 1. 가공하지 않은 원본 SEM 이미지를 준비,Step 1. Prepare the raw raw SEM image,

단계 2. 상기 원본 이미지를 그레이-스케일 이미지로 전환,Step 2. Convert the original image to a gray-scale image,

단계 3. 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform, 수치해석적으로는 discrete cosine transform; DCT) 알고리즘을 이용하여 상기 그레이-스케일 이미지의 2D FFT 이미지를 도출,Step 3. Derive a 2D FFT image of the gray-scale image using a discrete Fourier transform (discrete cosine transform (DCT)) algorithm,

단계 4. 브래그 필터를 위하여 2D 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT) 이미지에서 브래그 도트 패턴(Bragg dot pattern)을 선택,Step 4. Select Bragg dot pattern from 2D fast Fourier transform (FFT) image for Bragg filter,

단계 5. 상기 여과된 이미지에 브래그 필터를 적용,Step 5. Applying the Bragg filter to the filtered image,

단계 6. 여과된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산,Step 6. Calculate the image entropy of the filtered image,

단계 7. 가장 무질서한 국부 영역(most-disordered local areas)을 획득하기 위하여 이미지 엔트로피를 사용하여 2D 결합된(convoluted) 여과된 이미지를 계산,Step 7. Compute the 2D convoluted filtered image using image entropy to obtain the most-disordered local areas,

단계 8. 상기 결합된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산, 및Step 8. Calculate the image entropy of the combined image, and

단계 9. 라멜라 패턴 내의 결함에 의해 영향을 받는 영역을 나타내는 최종 이미지를 획득하기 위하여 상기 단계 5 내지 8로부터 획득한 2D 결합된 이미지를 계산.Step 9. Calculate the 2D combined images obtained from steps 5 to 8 above to obtain a final image representing the area affected by the defect in the lamella pattern.

- 고속 푸리에 변환-Fast Fourier Transform

SVA(solvent vapor annealing)로 이어지는 전단(shear) 적용 후, BCP의 나노-스케일(nano-scale)의 주기적 구조(periodic structures)는, 균일한 선-및-공간 너비(uniform line-and-space width)는 물론 균일한 주기성(uniform periodicity)을 갖는, 거의 완벽한 1D 원통형 패턴을 나타내었다. 수학적으로, 균일한 그리고 단일 주기성을 갖는 완벽한 1D 패턴을 푸리에 계수(Fourier coefficients)의 이산값(discrete values)의 세트로 전환하였다. 실험적으로, 1D 패턴(도 1a)을 역격자 공간(reciprocal space) 내의 도트 패턴과 같은 회절 패턴(도 1b)으로 표현하였다. 계수적으로, 1D 원통형 패턴의 BCP 박막에 대해 실험적으로 관찰된 SEM 이미지의 도트 패턴을 획득하기 위하여 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 적용할 수 있다.After the application of shear leading to SVA (solvent vapor annealing), the nano-scale periodic structures of BCP are uniform line-and-space width. ), as well as uniform periodicity, showed an almost perfect 1D cylindrical pattern. Mathematically, a perfect 1D pattern with uniform and single periodicity was converted into a set of discrete values of Fourier coefficients. Experimentally, the 1D pattern (FIG. 1A) was expressed as a diffraction pattern (FIG. 1B) similar to a dot pattern in a reciprocal space. Coefficiently, a fast Fourier transform (FFT) can be applied to obtain the dot pattern of the SEM image experimentally observed for the 1D cylindrical pattern BCP thin film.

- - 브래그Bragg 필터링Filtering

1D 원통형 패턴에 대한 정량적 정보를 획득하기 위하여, 역격자 공간 내의 도트 패턴에 초점을 맞추어 원본 SEM 이미지의 푸리에 변환된 진폭(amplitudes)을 스캔하는, 브래그 필터링을 적용할 수 있다. Hytch에 의해 제안된 이론적 접근법의 맥락에서와 같이(Microsc. Microanal. Microstruct., 1997, 8: 41; J. Mater. Res., 2009, 24: 342), 브래그 필터링으로부터 추출된 진폭의 중첩에 의해, 1D 원통형 패턴에 상응하는 선택적으로 증강된(intensified) 신호를 제공하는 맵을 구축할 수 있다. 상기 진폭,

Figure 112018115691613-pat00008
은, 다음과 같이, 가공하지 않은 SEM 이미지 신호(
Figure 112018115691613-pat00009
)의 푸리에 합을 이용하여 얻을 수 있다:In order to obtain quantitative information on the 1D cylindrical pattern, Bragg filtering, which scans the Fourier transformed amplitudes of the original SEM image by focusing on the dot pattern in the inverse lattice space, can be applied. As in the context of the theoretical approach proposed by Hytch (Microsc. Microanal. Microstruct., 1997, 8: 41; J. Mater. Res., 2009, 24: 342), by superposition of amplitudes extracted from Bragg filtering. , It is possible to construct a map that provides selectively intensified signals corresponding to the 1D cylindrical pattern. The amplitude,
Figure 112018115691613-pat00008
Is, as follows, the raw SEM image signal (
Figure 112018115691613-pat00009
) Can be obtained using the Fourier sum of:

Figure 112018115691613-pat00010
Figure 112018115691613-pat00010

상기 k는 역격자 파벡터(reciprocal wave vector)를, P k (r)은 위치 r에서의 위상(phase)을 나타냄. 브래그 필터링을 위하여, 지정된(designated) 가우시안 필터링 함수로 FFT 이미지 내의 도트 패턴(도 1c의 삽입도)을 계수적으로 스캔하였다. 브래그 스팟을 충분히 커버하도록 원형 주사 가우시안 함수(circular-shaped scanning Gaussian function)를 설정하였다. 필터된 진폭으로, 역격자 공간 내의 진폭맵(amplitude map)을 구축하여 역 고속 푸리에 변환된 이미지를 획득할 수 있었다(도 1c).The k denotes a reciprocal wave vector, and P k (r) denotes the phase at position r. For Bragg filtering, a dot pattern (inset of Fig. 1C) in the FFT image was counted and scanned with a designated Gaussian filtering function. A circular-shaped scanning Gaussian function was set to sufficiently cover the Bragg spot. With the filtered amplitude, an inverse fast Fourier transformed image could be obtained by constructing an amplitude map in the inverse lattice space (FIG. 1C).

- 평균-제곱 -Mean-square 필터링Filtering (mean-square filtering, 양방 범위 (mean-square filtering, both ranges 필터링Filtering ; bilateral range filtering); bilateral range filtering)

브래그 필터링은, 바탕 노이즈(background noise)와 다른, 수치적으로 재구성된(numerically reconstructed) 1D 원통형 패턴을 제공한다. 최소화된 바탕 노이즈를 갖는 정렬된(aligned) 1D 패턴의 여과된 진폭을 강화하기 위하여, 재구성된(역 고속 푸리에 변환된) 그레이-스케일 이미지를 흑백 이미지로 전환하는, 평균-제곱 필터링(mean-square filtering, 또는 양방 범위 필터링; Bilateral range filtering)을 적용하였다(도 1d). 평균-제곱 필터의 과정에서, 사각 윈도우(square window)는 역 고속 푸리에 변환된 이미지로부터 얻어진 신호의 평균으로 설정된 기준 신호값을 갖는 이동 불변(shift-invariant) 가우시안 타입 필터로 역 고속 푸리에 변환된 이미지를 스캔하고 양방 필터링 하였다(IEEE Int'l Conf. Comp. Vis., Bombay, India, 1997). 서너 세트의 윈도우 크기 및 양방 패턴을 테스트하고, 최상의 필터된 이미지를 획득하기 위한 조합을 선택하였다. 기본(bare) 브래그 필터된 이미지와 비교하여, 평균-제곱 여과된 이미지는 1D 원통형 패턴에서 형태적 결함의 고도로 강화되고 식별가능한 형태를 나타내었다.Bragg filtering provides a numerically reconstructed 1D cylindrical pattern that is different from background noise. Mean-square filtering, which converts the reconstructed (inverse fast Fourier transformed) gray-scale image to a black and white image to enhance the filtered amplitude of the aligned 1D pattern with minimized background noise. Filtering, or bilateral range filtering, was applied (Fig. 1d). In the process of the mean-square filter, the square window is an inverse fast Fourier transformed image with a shift-invariant Gaussian type filter with a reference signal value set as the average of the signal obtained from the inverse fast Fourier transformed image. Was scanned and filtered in both directions (IEEE Int'l Conf. Comp. Vis., Bombay, India, 1997). Three or four sets of window sizes and both patterns were tested, and combinations to obtain the best filtered image were selected. Compared to the bare Bragg filtered image, the mean-square filtered image showed a highly enhanced and discernable morphology of morphological defects in the 1D cylindrical pattern.

- 이미지 엔트로피의 계산-Calculation of image entropy

기본적으로, 어떠한 노이즈 및 어떠한 형태적 결함도 없는 완벽한 1D 주기적 패턴은 이미지 엔트로피의 1D 주기적 패턴을 나타내었다. 이미지의 i번째 픽셀의 이미지 엔트로피를 산출하기 위하여, S i 를 아래와 같이 정의할 수 있다:Basically, a perfect 1D periodic pattern without any noise and any morphological defects represented a 1D periodic pattern of image entropy. To calculate the image entropy of the i-th pixel of the image, S i can be defined as follows:

Figure 112018115691613-pat00011
Figure 112018115691613-pat00011

상기 P ik 는 i번째 픽셀과 이의 k번째 이웃한 픽셀 간의 세기 차이가 발생할 확률을 나타낸다. 이미지 엔트로피는 이진법 이미지의 각 픽셀 주위의 질감 무작위성(texture randomness)의 정량적 검출을 위한 이진법 이미지를 처리하는 핵심(kernel)으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 픽셀 엔트로피는 보다 높은 질감 무작위성에 상응한다(도 1e). 따라서, 2D 매트릭스 형태의 이미지 엔트로피 맵은, 형태적 결함을 갖는 영역을 선택적으로 필터하여 배제하는, 추가로 처리된 이진법 이미지의 생성을 위한 평균-제곱 여과된 이진법 이미지에 대한 결합 핵심(convolution kernel)으로 작용할 수 있다(도 1f). 이는 POI 픽셀이, 형태적 결함 및 편향적 배향(deflective orientations)에 인접하는 등의, 결함적 영역에 위치할 때 국부적 엔트로피가 유의미하게 증가한다는 사실에 주로 기인한다.The P ik represents a probability of occurrence of an intensity difference between an i-th pixel and its k-th neighboring pixel. Image entropy can act as a kernel for processing a binary image for quantitative detection of texture randomness around each pixel of a binary image. For example, higher pixel entropy corresponds to higher texture randomness (Fig. 1E). Therefore, the image entropy map in the form of a 2D matrix is a convolution kernel for a mean-square filtered binary image for the generation of an additionally processed binary image, which selectively filters and excludes regions with morphological defects. It can act as (Fig. 1f). This is mainly due to the fact that the local entropy increases significantly when the POI pixel is placed in a defective area, such as adjacent to morphological defects and deflective orientations.

- 이미지 엔트로피 -Image entropy 필터링Filtering

처리된 이진법 이미지로부터, 또 하나의 이미지 엔트로피 여과된 이미지를 계산할 수 있었다. 이를 위하여, 지정된 수의 이웃한 픽셀을 고려하였다. 관련된 엔트로피 필터링 이웃으로, 픽셀로부터 픽셀로(pixel-by-pixel) 엔트로피를 계산하여 필터된 이미지 엔트로피 맵을 획득하였다(도 1g).From the processed binary image, another image entropy filtered image could be calculated. To this end, a specified number of neighboring pixels were considered. As an associated entropy filtering neighbor, a filtered image entropy map was obtained by calculating pixel-by-pixel entropy (FIG. 1G).

- 형태적 결함의 검출-Detection of morphological defects

이미지의 특정한 영역에 존재하는 형태적 결함(i.e., 전위(dislocation) 및 +1/2 또는 -1/2 회위(disclination))은 불완전하게 배열된(non-perfectly aligned) 줄무늬는 물론 비제로(non-zero) 질감 무작위성을 나타낸다. 예를 들어, 전위의 경우, 전위 주위에 비스듬한(oblique) 선-및-공간(line-and-space) 패턴 세트가 존재한다. 또한, 전위의 말단에서 종단점(terminal point)은 이미지 엔트로피를 눈에 띄게 증가시킨다. +1/2 회위의 경우, 종단점 및 곡선의 형태(curved morphology) 역시 질감 무작위성을 증가시킴은 물론 이미지 엔트로피를 향상시킨다. 또한, -1/2 회위의 경우, 접점은 질감 무작위성 및 이미지 엔트로피를 강하게 변조한다. 1D 배열된 원통형 패턴에서 형태적 결함의 이와 같은 특성을 고려할 때, 결함에 의해 영향을 받는 영역을 정량적으로 검출하고 계산하기 위하여 1D 패턴의 여과된 이진법 이미지와 이미지 엔트로피 필터를 조합할 수 있다. 특히, 이미지 엔트로피 필터, S(m,n)(상기 mn은 픽셀 인덱스)는 처리된 이미지, P(m,n)를 생산하기 위한 여과된 이진법 이미지, B(m,n)를 위한 결합 핵심으로 작용할 수 있으며, 하기와 같이 결함적 영역 내의 픽셀을 수치적으로 계수한다:Morphological defects (ie, dislocations and +1/2 or -1/2 disclination) present in certain areas of the image can be found in non-perfectly aligned stripes as well as non-zeros. -zero) indicates texture randomness. For example, in the case of dislocation, there is a set of oblique line-and-space patterns around the dislocation. Also, the terminal point at the end of the dislocation significantly increases the image entropy. In the case of the +1/2 rotation, the end point and the curved morphology also increase texture randomness and improve image entropy. Also, in the case of the -1/2 turn, the contact point strongly modulates texture randomness and image entropy. Considering this characteristic of morphological defects in a 1D-arranged cylindrical pattern, a filtered binary image of a 1D pattern and an image entropy filter can be combined in order to quantitatively detect and calculate the area affected by the defect. In particular, the image entropy filter, S ( m , n ) (where m and n are pixel indices) is a processed image, a filtered binary image to produce P ( m , n ), combined for B ( m , n ) It can act as a key, and it numerically counts the pixels within the defective area as follows:

Figure 112018115691613-pat00012
Figure 112018115691613-pat00012

상기 JK는 결합 핵심 차원(convolution kernel dimension)이다. 처리된 이미지 P(m,n)가 주어지면, 지정된 역가(designated threshold value)로 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 검출하고, 결함의 면적 분율(areal fraction)을 계산하였다(도 1h).The J and K are the convolution kernel dimension. Given the processed image P ( m , n ), the area affected by the morphological defect was detected at a designated threshold value, and the area fraction of the defect was calculated (FIG. 1H ).

<기존의 결함 검출 알고리즘과의 비교><Comparison with existing defect detection algorithms>

1. 기존의 알고리즘1. Conventional Algorithm

종래 결함 검출을 위한 알고리즘은 지문 원본 이미지를 확보하는 제1단계, 상기 이미지를 이진화(흑백 이미지화)하는 제2단계; 블록필터를 적용하는 제3단계; 이랑 흐름(ridge flow)을 추적하고, 교차 횟수(crossing number)를 계산하는 제4단계; 및 세부사항(minutiae)을 검지하는 제5단계로 구성된다.The conventional algorithm for detecting defects includes: a first step of securing an original fingerprint image, a second step of binarizing the image (black and white imaging); A third step of applying a block filter; A fourth step of tracking a ridge flow and calculating a crossing number; And a fifth step of detecting the details (minutiae).

- 기존의 지문검출(fingerprint detect) 알고리즘(상세 검출, minutiae detection) 의존적.-Depends on the existing fingerprint detect algorithm (minutiae detection).

- 결함의 수(number of defects)만을 카운트.-Count only the number of defects.

- 국부적 굽힘(bending), 뒤틀림(distortion), 및 너비 변동(width fluctuation) 등의 검출 불가.-Local bending, distortion, and width fluctuation cannot be detected.

2. 본 발명의 알고리즘2. The algorithm of the present invention

- 이미지 엔트로피 및 결합(convolution) 의존적-Image entropy and convolution dependent

- 국부적 뒤틀림, 굽힘 및 변동뿐만 아니라 결함에 의해 영향받는 영역을 검출.-Detect areas affected by defects as well as local warpage, bending and fluctuations.

3. 본 발명의 알고리즘의 장점3. Advantages of the algorithm of the present invention

- 패턴의 질에 대한 보다 구체적인 정량적 정보를 제공-Provides more specific quantitative information on the quality of the pattern

- 패턴 내의 결함적 영역을 검출 가능-Defective areas within the pattern can be detected

- 빠르고 정확함(Fast & robust)-Fast & robust

Claims (15)

자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역의 분석방법으로서,
자기조립된 블록공중합체 박막 표면의 원본 SEM 이미지를 준비하는 제1단계;
상기 원본 SEM 이미지를 그레이-스케일 이미지로 전환하는 제2단계;
이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform) 알고리즘을 이용하여 상기 그레이-스케일 이미지의 2D (fast Fourier transform; FFT) 이미지를 도출하는 제3단계;
브래그 필터를 위하여 2D FFT 이미지에서 브래그 도트 패턴(Bragg dot pattern)을 선택하고, 상기 브래그 도트 패턴에 초점을 맞추어 상기 원본 SEM 이미지의 푸리에 변환된 진폭을 지정된 가우시안 필터링 함수로 스캔하고, 상기 가우시안 필터링 함수에 의해 스캔되어 필터된 진폭으로 진폭맵을 구축하는 제4단계;
상기 지정된 가우시안 필터링 함수에 의해 필터된 진폭을 포함하는 이미지에 브래그 필터를 적용하는 제5단계;
여과된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제6단계;
이미지 엔트로피를 사용하여 2D 결합된(convoluted) 여과된 이미지를 계산하는 제7단계;
상기 결합된 이미지의 이미지 엔트로피를 계산하는 제8단계; 및
상기 단계 5 내지 8로부터 획득한 2D 결합된 이미지를 도출하는 제9단계를 포함하는, 분석방법.
As an analysis method of a region affected by morphological defects in a self-assembled block copolymer thin film,
A first step of preparing an original SEM image of the surface of the self-assembled block copolymer thin film;
A second step of converting the original SEM image to a gray-scale image;
A third step of deriving a fast Fourier transform (FFT) image of the gray-scale image by using a discrete Fourier transform algorithm;
For a Bragg filter, a Bragg dot pattern is selected from a 2D FFT image, and the Fourier transformed amplitude of the original SEM image is scanned with a specified Gaussian filtering function by focusing on the Bragg dot pattern, and the Gaussian filtering function A fourth step of constructing an amplitude map with the amplitude scanned by and filtered;
A fifth step of applying a Bragg filter to an image including an amplitude filtered by the specified Gaussian filtering function;
A sixth step of calculating image entropy of the filtered image;
A seventh step of calculating a 2D convoluted filtered image using image entropy;
An eighth step of calculating the image entropy of the combined image; And
And a ninth step of deriving the 2D combined image obtained from the steps 5 to 8.
제1항에 있어서,
제3단계는 수학적으로 균일한 그리고 단일 주기성을 갖는 완벽한 1D 패턴을 푸리에 계수(Fourier coefficients)의 이산값(discrete values)의 세트로 전환하고, 제2단계의 실험적으로 획득한 1D 패턴을, 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)을 적용하여, 역격자 공간(reciprocal space) 내의 도트 패턴과 같은 회절 패턴(도 1b)으로 표현함으로써 달성되는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
The third step is to convert the mathematically uniform and complete 1D pattern with single periodicity into a set of discrete values of Fourier coefficients, and the experimentally obtained 1D pattern of the second step is converted to fast Fourier. The analysis method is achieved by applying a fast Fourier transform (FFT) and expressing it as a diffraction pattern (Fig. 1B) such as a dot pattern in a reciprocal space.
제1항에 있어서,
제4단계는 역격자 공간 내의 도트 패턴에 초점을 맞추어 원본 SEM 이미지의 푸리에 변환된 진폭(amplitudes)을 스캔하고, 스캔된 상기 푸리에 변환된 진폭(
Figure 112020039327145-pat00013
)의 중첩에 의해 1D 원통형 패턴에 상응하는, 선택적으로 증강된(intensified) 신호(
Figure 112020039327145-pat00014
)를 제공하는 맵을 구축함으로써 달성되는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
The fourth step is to scan the Fourier transformed amplitudes of the original SEM image by focusing on the dot pattern in the inverse lattice space, and the scanned Fourier transformed amplitude (
Figure 112020039327145-pat00013
), corresponding to the 1D cylindrical pattern by the superposition of, optionally intensified signal (
Figure 112020039327145-pat00014
Analysis method that is achieved by building a map that provides ).
제3항에 있어서,
상기 푸리에 변환된 진폭(
Figure 112020039327145-pat00015
) 및 상기 증강된 신호(
Figure 112020039327145-pat00016
)는 하기 방정식 1의 관계를 갖는 것인 분석방법:
[방정식 1]
Figure 112020039327145-pat00017

상기 k는 역격자 파벡터(reciprocal wave vector)를, Pk (r)은 위치 r에서의 위상(phase)을 나타냄.
The method of claim 3,
The Fourier transformed amplitude (
Figure 112020039327145-pat00015
) And the augmented signal (
Figure 112020039327145-pat00016
) Is the analysis method that has the relationship of Equation 1:
[Equation 1]
Figure 112020039327145-pat00017

The k denotes a reciprocal wave vector, and P k ( r ) denotes the phase at position r .
제3항에 있어서,
브래그 스팟을 충분히 커버하도록 원형 주사 가우시안 함수(circular-shaped scanning Gaussian function)를 설정하여, 지정된(designated) 가우시안 필터링 함수로 FFT 이미지 내의 도트 패턴을 계수적으로 스캔하고, 필터된 진폭으로 역격자 공간 내의 진폭맵(amplitude map)을 구축함으로써 역 고속 푸리에 변환된 이미지를 획득하는 것인 분석방법.
The method of claim 3,
By setting a circular-shaped scanning Gaussian function to sufficiently cover the Bragg spot, the dot pattern in the FFT image is numerically scanned with a designed Gaussian filtering function, and the filtered amplitude in the inverse lattice space An analysis method to acquire an inverse fast Fourier transformed image by constructing an amplitude map.
제1항에 있어서,
제5단계는, 정렬된(aligned) 1D 패턴의 여과된 진폭을 강화하기 위하여, 역 고속 푸리에 변환된 그레이-스케일 이미지를 흑백 이미지로 전환하는, 평균-제곱 필터링(mean-square filtering, 또는 양방 범위 필터링; Bilateral range filtering)을 적용하여 수행하는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
The fifth step is to convert the inverse fast Fourier transformed gray-scale image to a black-and-white image to enhance the filtered amplitude of the aligned 1D pattern, mean-square filtering, or both ranges. Filtering; Bilateral range filtering) is applied to the analysis method.
제1항에 있어서,
제6단계에서 이미지의 i번째 픽셀의 이미지 엔트로피를 산출하기 위한 S i 는 하기 방정식 2로 정의되는 것인 분석방법:
[방정식 2]
Figure 112018115691613-pat00018

상기 방정식 2에서,
P ik 는 i번째 픽셀과 이의 k번째 이웃한 픽셀 간의 세기 차이가 발생할 확률임.
The method of claim 1,
In the sixth step, S i for calculating the image entropy of the i-th pixel of the image is defined by Equation 2 below:
[Equation 2]
Figure 112018115691613-pat00018

In Equation 2 above,
P ik is the probability of an intensity difference between the i-th pixel and its k-th neighboring pixel.
제1항에 있어서,
제7단계에 있어서, 상기 2D 결합된 여과된 이미지는 형태적 결함을 갖는 영역을 선택적으로 필터하여 배제하는, 추가로 처리된 이진법 이미지의 생성을 위한 평균-제곱 여과된 이진법 이미지에 대한 결합 핵심(convolution kernel)으로 작용하여, 형태적 결함, 편향적 배향(deflective orientations) 또는 둘 모두에 인접하는 결함적 영역에 위치할 때 국부적 엔트로피가 유의미하게 증가하는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
In step 7, the 2D-combined filtered image selectively filters and excludes regions with morphological defects, and the combining core for the mean-square filtered binary image for the generation of an additionally processed binary image ( convolution kernel), where local entropy is significantly increased when placed in a defective region adjacent to morphological defects, deflective orientations, or both.
제1항에 있어서,
제8단계는, 지정된 수의 이웃한 픽셀을 고려하여, 관련된 엔트로피 필터링 이웃들과 함께, 픽셀로부터 픽셀로(pixel-by-pixel) 엔트로피를 계산하여 처리된 이진법 이미지로부터 또 하나의 이미지 엔트로피 여과된 이미지를 계산함으로써 달성되는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
In the eighth step, another image entropy-filtered image from the processed binary image by calculating pixel-by-pixel entropy with the associated entropy filtering neighbors, taking into account a specified number of neighboring pixels. Analysis method that is achieved by calculating the.
제1항에 있어서,
자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함은 이미지의 특정한 영역에 존재하는 전위(dislocation) 및 +1/2 또는 -1/2 회위(disclination)인 불완전하게 배열된(non-perfectly aligned) 줄무늬를 제공하며, 이에 따라 비제로(non-zero) 질감 무작위성을 나타내고 이미지 엔트로피를 증가시키는 것인 분석방법.
The method of claim 1,
Morphological defects in the self-assembled block copolymer thin film are dislocations and non-perfectly aligned stripes that are +1/2 or -1/2 disclination in specific areas of the image. Provides, and thus non-zero (non-zero) texture randomness and to increase image entropy.
제1항에 있어서,
제9단계는 1D 패턴의 여과된 이진법 이미지와 이미지 엔트로피 필터를 조합하되, 이미지 엔트로피 필터, S(m,n)(상기 mn은 픽셀 인덱스)는 처리된 이미지, 하기 방정식 3에 따라 결함적 영역 내의 픽셀을 수치적으로 계수함으로써 달성되는 P(m,n)를 생산하기 위한 여과된 이진법 이미지, B(m,n)를 위한 결합 핵심으로 작용하는 것인 분석방법:
[방정식 3]
Figure 112018115691613-pat00019

상기 방정식 3에서,
JK는 결합 핵심 차원(convolution kernel dimension)임.
The method of claim 1,
In the ninth step, the filtered binary image of the 1D pattern and the image entropy filter are combined, but the image entropy filter, S ( m , n ) (where m and n are pixel indexes) are processed images, and are defective according to Equation 3 below. An analytical method that serves as a binding core for B ( m , n ), a filtered binary image to produce P ( m , n ), which is achieved by numerically counting the pixels in the region:
[Equation 3]
Figure 112018115691613-pat00019

In Equation 3 above,
J and K are the convolution kernel dimension.
제11항에 있어서,
상기 처리된 이미지 P(m,n)가 주어지면, 지정된 역가(designated threshold value)로 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 검출하고, 결함의 면적 분율(areal fraction)을 계산하는 것인 분석방법.
The method of claim 11,
Given the processed image P ( m , n ), an area affected by a morphological defect is detected at a designated threshold value, and an area fraction of the defect is calculated.
자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 A단계;
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 분석방법을 수행하여 상기 준비된 자기조립된 블록공중합체 박막 중의 형태적 결함에 의해 영향받는 영역을 분석하여 결함의 면적 분율을 산출하는 B단계; 및
상기 산출된 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 제품을 선별하는 C단계를 포함하는 자기조립된 블록공중합체 박막의 품질 관리 방법.
Step A of preparing a self-assembled block copolymer thin film;
A step B of calculating an area fraction of a defect by analyzing a region affected by a morphological defect in the prepared self-assembled block copolymer thin film by performing the analysis method according to any one of claims 1 to 12; And
A method for quality control of a self-assembled block copolymer thin film comprising step C of selecting a product having the calculated area fraction of defects of 0.5% or less of the total area of the thin film.
제13항의 방법으로 선별한 결함의 면적 분율이 박막의 총 면적의 0.5% 이하인 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 준비하는 제I단계; 및
상기 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막을 주형으로 원하는 소재 상에 전사하는 제II단계를 포함하는, 반도체 소자의 제조방법.
A step I of preparing a self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern in which the area fraction of the defects selected by the method of claim 13 is 0.5% or less of the total area of the thin film; And
A method of manufacturing a semiconductor device comprising the step II of transferring the self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern onto a desired material as a template.
제14항에 있어서,
상기 규칙적인 패턴을 갖는 자기조립된 블록공중합체 박막은 그래포에피텍시(graphoepitaxy) 기법에 의해 제조된 것인 반도체 소자의 제조방법.
The method of claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device in which the self-assembled block copolymer thin film having a regular pattern is manufactured by a graphoepitaxy technique.
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