KR102550408B1 - 오버레이 측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크가 형성된 샘플의 층간 오버레이 오차를 측정하는 오버레이 측정 장치로서, 상기 제1 오버레이 마크와 상기 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하는 높이 차이 검출 광학계와; 상기 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추는 조명 광학계와; 상기 오버레이 마크로부터의 반사광을 제1 빔과 제2 빔으로 분리시키는 메인 빔 스플리터와; 상기 제1 빔을 수광하여 상기 제1 오버레이 마크가 선명하게 표시되는 제1 오버레이 마크 이미지를 생성하는 제1 검출기와; 상기 제2 빔을 수광하여 상기 제2 오버레이 마크가 선명하게 표시되는 제2 오버레이 마크 이미지를 생성하는 제2 검출기와,; 상기 제1 빔을 상기 제1 검출기에 결상시키는 결상 광학계와; 상기 높이 차이(Δh)에 기초하여 상기 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 광 경로 조절부와, 상기 메인 빔 스플리터와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 상기 제2 빔을 상기 제2 검출기에 결상시키는 텔레센트릭 렌즈를 포함하는 텔레센트릭 결상 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.

Description

오버레이 측정장치 및 방법{Apparatus and Method for Measuring Overlay}
본 발명은 오버레이 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
기술 발전에 따라서 반도체 디바이스의 사이즈가 작아지고, 집적회로의 밀도 증가가 요구되고 있다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해서는 다양한 조건이 만족 되어야 하고, 그 중 오버레이 허용 오차는 중요한 지표 중의 하나이다.
반도체 디바이스는 수많은 제조 프로세스를 통해 제조된다. 집적회로를 웨이퍼에 형성하기 위해서는 특정위치에서 원하는 회로 구조 및 요소들이 순차적으로 형성되도록 많은 제조 프로세스를 거쳐야 한다. 제조 프로세스는 웨이퍼 상에 패턴화된 층을 순차적으로 생성하도록 한다. 이러한 반복되는 적층 공정들을 통해서 집적회로 안에 전기적으로 활성화된 패턴을 생성한다. 이때, 각각의 구조들이 생산공정에서 허용하는 오차 범위 이내로 정렬되지 않으면 전기적으로 활성화된 패턴 간에 간섭이 일어나고 이런 현상으로 인해 제조된 회로의 성능 및 신뢰도에 문제가 생길 수 있다. 이러한 층간에 정렬 오차를 측정 및 검증하기 위해서 오버레이 측정 툴이 사용된다.
일반적인 오버레이 계측 및 방법들은 두 개의 층들 간에 정렬이 허용 오차 내에 있는지 측정 및 검증을 한다. 그 중 한 가지 방법으로 기판 위에서 특정한 위치에 오버레이 마크라고 불리는 구조물을 형성하고, 이 구조물을 광학적인 이미지 획득 장비로 촬영하여 오버레이를 측정하는 방법이 있다. 측정을 위한 구조물은 각각의 층마다 X 방향 및 Y 방향 중 적어도 하나의 방향의 오버레이를 측정할 수 있도록 설계되어 있다. 각 구조물은 대칭된 구조로 설계되어 있고, 대칭 방향으로 배치된 구조물 사이의 중심 값을 계산하여 그 층의 대표 값으로 사용하고, 그 각각의 층의 대표 값의 상대적인 차이를 계산하여 오버레이 오차를 도출한다.
두 개의 층의 오버레이를 측정하는 경우에는 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 사각형의 어미자(1, outer box)와 어미자(1)에 비해서 작은 사각형의 아들자(2, inner box)를 연속된 두 개의 층에 각각 형성한 후 도 3과 4에 도시된 바와 같이, 어미자(1)에 초점을 맞춘 후 위치별 강도(intensity)의 변화를 나타내는 파형을 획득하여, 어미자(1)의 중심 값(C1)을 획득하고, 아들자(2)에 초점을 맞춘 후 위치별 강도의 변화를 나타내는 파형을 획득하여, 아들자(2)의 중심 값(C2)을 획득함으로써 두 층 사이의 오버레이 오차를 측정한다.
그러나 이러한 종래의 방법은 어미자(1)가 형성된 층과 아들자(2)가 형성된 층 사이의 높이 차이가 클 경우에는 어미자(1)와 아들자(2) 중 하나에 초점을 맞추면 나머지 하나에는 초점이 맞지 않기 때문에 흐리게 표시된다는 문제가 있다.
또한, 어미자(1)와 아들자(2)가 서로 다른 층에 서로 다른 물질로 형성되며, 어미자(1)는 아들자(2)가 형성된 층에 의해서 덮여있다는 점 등을 고려하지 않고, 같은 빔을 사용하여 어미자(1)와 아들자(2)의 파형 또는 이미지를 획득한다는 점에서 문제가 있다.
반도체 공정 기술의 발전으로 인해 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 다른 층들 사이의 오버레이 오차를 정확하게 고속으로 측정할 필요가 있는 현재에는 이러한 문제점들의 해결에 대한 요구가 더욱 커지고 있다.
한국공개특허 특2003-0054781 한국등록특허 10-0689709 한국등록특허 제10-1564312호 한국공개특허 10-2018-0042649 한국공개특허 10-2018-0045026 일본공개특허 2005-519460 한국등록특허 10-2120551
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 서로 다른 층 사이의 오버레이 오차를 정확하게 고속으로 측정할 수 있는 새로운 오버레이 측정장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크가 형성된 샘플의 층간 오버레이 오차를 측정하는 오버레이 측정 장치로서, 상기 제1 오버레이 마크와 상기 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하도록 구성된 높이 차이 검출 광학계와; 상기 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추도록 구성된 조명 광학계와; 상기 오버레이 마크로부터의 반사광을 제1 빔과 제2 빔으로 분리하도록 구성된 메인 빔 스플리터와; 상기 제1 빔을 수광하여 상기 제1 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제1 오버레이 마크 이미지를 생성하도록 구성된 제1 검출기와; 상기 제2 빔을 수광하여 상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제2 오버레이 마크 이미지를 생성하도록 구성된 제2 검출기와; 상기 제1 빔을 상기 제1 검출기에 결상시키도록 구성된 결상 광학계와; 상기 높이 차이에 기초하여 상기 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 광 경로 조절부와, 상기 메인 빔 스플리터와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 상기 제2 빔을 상기 제2 검출기에 결상시키는 텔레센트릭 렌즈를 포함하는 텔레센트릭 결상 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 광 경로 조절부는, 상기 메인 빔 스플리터와 상기 제2 검출기 사이에 배치되어, 상기 제2 빔을 상기 제2 검출기를 향해 반사시키는 적어도 하나의 거울과; 적어도 하나의 상기 거울을 직선 이동시켜 상기 제2 빔의 상기 광 경로의 길이를 조절하도록 구성된 거울 스테이지와; 상기 높이 차이에 기초하여 상기 거울 스테이지를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 높이 차이와 상기 제2 오버레이 마크 이미지의 확대 배율의 곱에 비례하여 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 연장되고, 상기 연장된 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 상기 제1 빔의 광 경로에 비해서 길어지도록 상기 거울 스테이지를 제어하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 결상 광학계는 상기 제1 검출기의 전단에 배치되며, 상기 제1 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제1 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 제1 광학 필터를 더 포함하고, 상기 텔레센트릭 결상 광학계는 상기 제2 검출기의 전단에 배치되며, 상기 제2 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제2 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 제2 광학 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터는 선형 또는 회전형 가변 필터인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 제1 오버레이 마크 이미지와 상기 제2 오버레이 마크 이미지가 동시에 생성되도록 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기가 동기화된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크가 형성된 샘플의 층간 오버레이 오차를 측정하는 오버레이 측정 방법으로서, 상기 제1 오버레이 마크와 상기 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하는 단계와, 상기 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추는 단계와, 상기 오버레이 마크로부터의 반사광을 제1 빔과 제2 빔으로 분리시키는 단계와, 상기 제1 빔을 제1 검출기에 결상시키는 단계와, 상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞도록, 상기 높이 차이(Δh)에 기초하여, 상기 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 단계와, 텔레센트릭 렌즈를 통과하고, 길이가 조절된 광 경로를 거친 상기 제2 빔을 제2 검출기에 결상시키는 단계와, 상기 제1 검출기로 상기 제1 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제1 오버레이 마크 이미지를 생성하고, 상기 제2 검출기로 상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제2 오버레이 마크 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 높이 차이와 상기 제2 오버레이 마크 이미지의 확대 배율의 곱에 비례하여 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 연장되고, 상기 연장된 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 상기 제1 빔의 광 경로에 비해서 길어지도록 상기 제2 빔의 광 경로의 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 제1 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제1 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 단계와, 상기 제2 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제2 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 제1 빔의 중심 파장과 상기 제2 빔의 중심 파장은 서로 다른 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 제1 오버레이 마크 이미지와 상기 제2 오버레이 마크 이미지가 동시에 생성되도록 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기가 동기화된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
본 발명에 따른 오버레이 측정장치 및 방법은 높이 차이가 크며, 광학적 성질이 서로 다른 층 사이의 오버레이 오차를 정확하게 고속으로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 오버레이 마크의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 오버레이 마크의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 오버레이 마크의 어미자에 초점을 맞춘 상태에서 획득된 신호의 위치별 강도의 변화 파형을 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 오버레이 마크의 아들자에 초점을 맞춘 상태에서 획득된 신호의 위치별 강도의 변화 파형을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치의 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 컬러 필터를 통과한 제1 조명의 파장에 따른 강도를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 제2 컬러 필터를 통과한 제2 조명의 파장에 따른 강도를 나타낸 도면이다.
도 8은 제5에 도시된 빔 컴바이너를 통과한 조명의 파장에 따른 강도를 나타낸 도면이다.
도 9는 샘플에 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크에 조명이 조사되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 5에 도시된 제1 검출기에서 획득된 제1 오버레이 마크 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 5에 도시된 제2 검출기에서 획득된 제2 오버레이 마크 이미지를 나타낸 도면이다.
도 12는 제1 오버레이 마크 이미지와 제2 오버레이 마크 이미지를 조합하여 얻은 이미지를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치의 개념도이다. 오버레이 측정장치는 반도체 웨이퍼와 같은 샘플의 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2) 사이의 오차를 측정하여 서로 다른 층 사이의 오버레이 오차를 측정하는 장치이다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 오버레이 마크(OM2)는 이전 층에 형성된 오버레이 마크이며, 제1 오버레이 마크(OM1)는 현재 층에 형성된 오버레이 마크일 수 있다. 오버레이 마크는 반도체 웨이퍼의 다이 영역에 반도체 디바이스 형성을 위한 층을 형성함과 동시에 스크라이브 레인에 형성된다. 예를 들어, 제2 오버레이 마크(OM2)는 절연막 패턴과 함께 형성되고, 제1 오버레이 마크(OM1)는 절연막 패턴 위에 형성되는 포토레지스트 패턴과 함께 형성될 수 있다.
이런 경우 제1 오버레이 마크(OM1)는 외부로 노출되어 있으나, 제2 오버레이 마크(OM2)는 포토레지스트 층에 의해서 가려진 상태이며, 포토레지스트 재료로 이루어진 제1 오버레이 마크(OM1)와는 광학적 성질이 다른 산화물로 이루어진다. 또한, 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2)의 초점면은 서로 다르다.
본 발명은 제1 오버레이 마크(OM1)에 초점을 맞춘 상태에서 제1 오버레이 마크(OM1)를 이루는 재료의 광학적 성질에 적합한 빔을 사용하여 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 획득한다. 그리고 제2 오버레이 마크(OM2)에 초점을 맞춘 상태에서 제2 오버레이 마크(OM2)를 이루는 재료의 광학적 성질에 적합한 빔을 사용하여 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 획득한다. 그리고 이들 제1 오버레이 마크 이미지(I1)와 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 이용하여 오버레이 오차를 정확하게 고속으로 측정할 수 있다.
오버레이 마크로는 박스 인 박스(box in box, BIB, 도 1 참조), AIM(advanced imaging metrology) 오버레이 마크 등 현재 사용되고 있는 다양한 형태의 오버레이 마크를 사용할 수 있다. 이하에서는 주로 구조가 간단한 박스 인 박스 형태의 오버레이 마크를 기준으로 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정장치는 높이 차이 검출 광학계(10)와, 조명 광학계(20)와, 메인 빔 스플리터(30)와, 제1 검출기(40)와, 제2 검출기(50)와, 결상 광학계(60)와, 텔레센트릭 결상 광학계(70)를 포함한다.
높이 차이 검출 광학계(10)는 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2)의 높이 차이(Δh)를 측정하는 역할을 한다. 높이 차이 검출 광학계(10)는 다양한 광학 요소들을 이용하여 구성할 수 있다. 높이 차이 검출 광학계(10)는 자동 초점용 광학계로도 사용할 수 있다.
예를 들어, 높이 차이 검출 광학계(10)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 광원(11)과, 광원(11)으로부터의 빔을 평행으로 만드는 시준기(13, collimation lens)와, 빔 스플리터(15)와, 이미지 센서(19)를 포함할 수 있다. 또한, 결상 광학계(60), 조명 광학계(40), 텔레센트릭 결상 광학계(70)와 공통으로 사용하는 핫 미러(17), 빔 스플리터(31), 대물렌즈(32)를 더 포함할 수 있다.
광원(11)으로는 레이저 다이오드 또는 발광다이오드를 사용할 수 있다. 광원(11)은 적외선 파장 대역의 광을 생성할 수 있다.
광원(11)에서 생성된 광은 시준기(13), 빔 스플리터(15)를 투과한다. 광원(11)으로 레이저를 사용하는 경우에는 빔 스플리터(15)로 편광 빔 스플리터를 사용할 수 있다. 반사 및 투과 과정에서 광량이 줄어드는 것을 최소화할 수 있기 때문이다.
핫 미러(17)는 적외선 파장 대역에 속하는 광을 반사시키는 역할을 한다. 핫 미러(17)에서 반사된 광은 빔 스플리터(31)를 투과하여 대물렌즈(32)에 입사한다.
대물렌즈(32)는 광을 샘플(S) 표면의 측정위치에 집광시키고, 측정위치에서의 반사된 반사광을 수집하는 역할을 한다. 대물렌즈(32)에서 수집된 반사광은 다시 빔 스플리터(31)를 투과한 후에 핫 미러(17)에서 반사된다. 핫 미러(17)에서 반사된 반사광은 빔 스플리터(15)에서 이미지 센서(19) 쪽으로 반사된 후 초점 렌즈(18)에 의해 이미지 센서(19)에 집광된다. 적외선 파장 대역에 속하는 광은 핫 미러(17)를 투과하지 못하므로, 제1 검출기(40)로는 높이 차이 측정을 위해 사용되는 빛이 입사하지 않는다.
이미지 센서(19)는 샘플(S)로부터의 반사광을 수광한다. 이미지 센서(19)는 CCD 센서나 CMOS 센서일 수 있다. 이미지 센서(19)로부터의 영상의 대비(Contrast)를 분석하면 초점이 맞았는지 판단할 수 있다. 따라서 대물렌즈(32)와 샘플(S) 사이의 거리에 따른 검출기(19)로부터의 광학 신호를 분석하여, 제1 오버레이 마크(OM1)에 초점이 맞았을 때의 대물렌즈(32)의 위치와 제2 오버레이 마크(OM2)에 초점이 맞았을 때의 대물렌즈(32)의 위치를 찾을 수 있다. 그리고 이들 위치를 비교하면 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2)의 높이 차이(Δh)를 알 수 있다.
조명 광학계(20)는 오버레이 마크에 조명을 비추는 역할을 한다. 조명 광학계는 다향한 광학요소들을 이용하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 조명 광학계(20)는 조명원(21), 빔 스플리터(22), 제1 컬러 필터(24, color filter), 제2 컬러 필터(25), 미러들(23, 27), 빔 컴바이너(26, beam combiner) 및 대물렌즈(32)를 포함할 수 있다.
조명원(21)은 넓은 파장 대역의 빛을 발생시킨다. 조명원(21)으로는 할로겐 램프, 제논 램프, 슈퍼컨티늄 레이저(supercontinuum laser), 발광다이오드, 레이저 여기 램프(laser induced lamp) 등을 사용할 수 있다.
빔 스플리터(22)는 조명원(21)으로부터 나온 빔을 두 개의 빔으로 분리시키는 역할을 한다. 즉, 빔 스플리터(22)는 조명원(21)으로부터 나온 빔의 일부는 투과시키고, 일부는 반사시켜서 조명원(21)으로부터 나온 빔을 두 개의 빔으로 분리시킨다.
제1 컬러 필터(24)는 빔 스플리터(22)에서 분리된 빔 중에서 빔 스플리터(22)를 투과한 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 현재 층에 형성된 제1 오버레이 마크(OM1)의 검출에 적합하도록 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 제1 오버레이 마크(OM1)를 이루는 물질에 대한 반사율이 높아지도록 중심 파장을 조절할 수 있다. 제1 컬러 필터(24)는, 예를 들어, 서로 나란하게 배치된 복수 개의 원형 또는 선형 가변 필터를 포함할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 컬러 필터를 통과한 제1 조명의 파장에 따른 강도(intensity)를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 컬러 필터(24)를 통과한 제1 조명은 중심 파장이 짧아지며, 밴드 폭이 감소한다.
제2 컬러 필터(25)는 빔 스플리터(22)에서 분리된 빔 중에서 빔 스플리터(22)에서 반사된 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 이전 층에 형성된 제2 오버레이 마크(OM2) 검출에 적합하도록 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 제1 오버레이 마크(OM1)를 이루는 물질에 대한 투과율이 높고, 오버레이 마크(OM1)를 이루는 물질에 대한 반사율이 높아지도록 중심 파장을 조절할 수 있다. 제2 컬러 필터(25)는, 예를 들어, 서로 나란하게 배치된 복수 개의 원형 또는 선형 가변 필터를 포함할 수 있다.
빔 스플리터(22)에서 반사된 빔은 빔 스플리터(22)와 제2 컬러 필터(25) 사이에 설치된 미러(23, mirror)에 의해서 제2 컬러 필터(25)를 향하도록 빔의 경로가 변경된다.
도 7은 도 5에 도시된 제2 컬러 필터를 통과한 제2 조명의 파장에 따른 강도를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 컬러 필터(25)를 통과한 제2 조명은 중심 파장이 길어지며, 밴드 폭이 감소한다.
빔 컴바이너(26)는 제1 조명과 제2 조명을 합하는 역할을 한다. 예를 들어, 제1 조명은 빔 컴바이너(26)를 투과하고, 제2 조명은 미러(27)에 의해서 빔 컴바이너(26)를 향하도록 빔의 경로가 변경된 후 빔 컴바이너(26)에서 반사되어, 빔 컴바이너(26)를 투과한 제1 조명과 다시 합쳐진다.
도 8은 제5에 도시된 빔 컴바이너를 통과한 조명의 파장에 따른 강도를 나타낸 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 빔 컴바이너(26)를 통과한 조명은 제1 조명의 파장 대역과 제2 조명의 파장 대역을 모두 포함한다.
빔 컴바이너(26)에서 합쳐진 조명은 릴레이 렌즈(28)를 거쳐 빔 스플리터(31)에서 반사되어 대물렌즈(32)를 향한다.
대물렌즈(32)는 빔 스플리터(31)에서 반사된 조명을 샘플(S)의 측정위치에 집광시키고, 측정위치에서의 반사된 빔을 수집하는 역할을 한다. 대물렌즈(32)는 대물렌즈(32)와 샘플(S) 사이의 거리 조절을 위한 렌즈 초점 액추에이터(33, lens focus actuator)에 설치된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 조명(실선)과 제2 조명(점선)이 함께 샘플(S)에 비춰진다.
메인 빔 스플리터(30)는 대물렌즈(32)에서 수집된 빔을 두 개의 빔으로 분리하는 역할을 한다. 메인 빔 스플리터(30)는 입사광을 스펙트럼적으로 구별되는 두 개의 출력 빔으로 나누는 빔 스플리터(30)일 수 있다. 예를 들어, 메인 빔 스플리터(30)는 튜브 빔 스플리터와 다이크로익 필터(dichroic filter)를 포함할 수 있다. 다이크로익 필터는 특정 파장의 빔을 투과시키는 필터이다. 대물렌즈(32)에서 수집된 빔은 빔 스플리터(31)와 핫 미러(17)를 투과한 후 메인 빔 스플리터(30)에서 두 개의 빔으로 분리된다. 즉, 제1 오버레이 마크(OM1) 검출용 제1 빔과 제2 오버레이 마크(OM2) 검출용 제2 빔으로 분리된다. 제1 빔은 실질적으로 제1 조명과 파장 대역이 동일할 수 있으며, 제2 빔은 제2 조명과 파장 대역이 동일할 수 있다.
도 6과 7에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(OM1) 검출에 적합한 제1 조명과 제2 오버레이 마크(OM2) 검출에 적합한 제2 조명은 중심 파장에 차이가 있으며, 밴드 폭 좁으므로, 다이크로익 필터를 이용해서 용이하게 두 개의 빔들로 분리할 수 있다.
제1 검출기(40)는 메인 빔 스플리터(30)에서 분리된 빔 중 하나인 제1 빔을 수광하여 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 생성하는 역할을 한다.
도 10은 도 5에 도시된 제1 검출기에서 획득된 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 검출기(40)에서 획득된 제1 오버레이 마크 이미지(I1)는 제1 오버레이 마크(OM1)가 선명하게 표시되며, 제2 오버레이 마크(OM2)는 흐리게 표시된다. 제1 오버레이 마크(OM1)를 기준으로 초점이 맞춰져 있기 때문이다.
제2 검출기(50)는 메인 빔 스플리터(30)에서 분리된 빔 중 다른 하나인 제2 빔을 수광하여 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 생성하는 역할을 한다.
제2 검출기(50)는 제1 검출기(40)와 동기화될 수 있다. 오버레이 측정 과정에서의 진동에 의해서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위함이다. 제1 검출기(40)와 제2 검출기(50)의 동기화는, 예를 들어, 검출기 컨트롤러(82)에서 소프트웨어 동기화 신호를 생성하고, 검출기들(40, 50)로 전달하는 방법으로 수행될 수 있다. 이때, 신호의 지연을 방지하기 위해서, 생성된 동기화 신호는 광케이블을 거쳐 검출기들(40, 50)로 전달될 수 있다. 동기화 신호는 별도의 외부 트리거 소스에서 생성될 수도 있다.
도 11은 도 5에 도시된 제2 검출기에서 획득된 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 나타낸 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 검출기(50)에서 획득된 제2 오버레이 마크 이미지(I2)는 제2 오버레이 마크(OM2)가 선명하게 표시되며, 제1 오버레이 마크(OM1)는 흐리게 표시된다. 텔레센트릭 결상 광학계(70)에 의해서 제2 오버레이 마크(OM2)가 선명하게 표시되도록 제2 빔의 광 경로가 조절되었기 때문이다.
도 10의 이미지와 도 11의 이미지를 정렬하여 조합하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2) 모두가 선명하게 표시된 오버레이 마크 이미지를 획득할 수 있다.
결상 광학계(60)는 제1 빔을 제1 검출기(40)에 결상시키는 역할을 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 결상 광학계(60)는 튜브 렌즈(65)와 제1 광학 필터(68)를 포함할 수 있다. 또한, 결상 광학계(60)는 다른 광학계들의 대물렌즈(32), 빔 스플리터(31), 핫 미러(17), 메인 빔 스플리터(30)도 사용한다.
대물렌즈(32)는 샘플(S)로부터 반사된 광을 수집한다. 대물렌즈(32)에서 수집된 광은 메인 빔 스플리터(30)에서 제1 빔과 제2 빔으로 분할된다. 메인 빔 스플리터(30)를 투과한 제1 빔은 튜브 렌즈(65)에 의해서 제1 검출기(40)에 집광된다. 이때, 제1 오버레이 마크를 기준으로 초점을 맞춘다. 따라서 제1 검출기(40)에서 생성된 제1 오버레이 마크 이미지(I1)에서는 제1 오버레이 마크(OM1)가 선명하게 표시되며, 제2 오버레이 마크(OM2)는 상대적으로 흐리게 표시된다.
제1 광학 필터(68)는 제1 검출기(40)의 전단에 배치되며, 제1 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 제1 오버레이 마크 이미지(I1) 획득용으로 2차 조정하는 역할을 한다. 제1 광학 필터(68)는 선형 가변 필터 또는 회전형 가변 필터일 수 있다. 일부 실시예에서 제1 광학 필터(68)는 생략될 수도 있다.
텔레센트릭 결상 광학계(70)는 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2) 사이의 높이 차이(Δh)에 기초하여 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하여 제2 빔을 제2 검출기(50)에 결상시키는 역할을 한다. 또한, 제2 빔의 주광선이 제2 검출기(50)에 수직으로 입사하도록 하는 역할을 한다.
텔레센트릭 결상 광학계(70)는 광 경로 조절부(75)와, 텔레센트릭 렌즈(77)와, 제2 광학 필터(78)를 포함한다.
광 경로 조절부(75)는 거울들(71, 72, 73)과, 거울 스테이지(74)와, 제어기(79)를 포함한다. 거울들(71, 72, 73)은 메인 빔 스플리터(30)로부터 반사된 제2 빔을 반사시켜서 제2 검출기(50)에 입사시키는 역할을 한다. 본 실시예에서 광 경로 조절부(75)는 세 개의 거울들(71, 72, 73)을 포함한다.
일부 실시예에서, 거울 스테이지(74)는 도면상 우측에 배치되는 두 개의 거울들(71, 72)을 동시에 직선 이동시키는 역할을 할 수 있다. 이들 두 개의 거울들(71, 72)을 도면상 우측으로 이동시키면, 메인 빔 스플리터(30)와 거울(71) 사이의 거리와 거울들(72, 73) 사이의 거리가 멀어지면서 광 경로가 길어진다.
제어기(79)는 높이 차이(Δh)에 기초하여 거울 스테이지(74)의 이동 거리를 조절하는 역할을 한다. 제어기(79)는 제2 빔의 전체 광 경로가 제1 빔의 전체 광 경로에 비해서 높이 차이(Δh)와 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율의 곱에 기초하여 거울 스테이지(74)를 이동시킨다. 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율은 실제 제2 오버레이 마크(OM2)의 크기와 이미지상에서의 제2 오버레이 마크의 크기의 비율을 의미한다.
일부 실시예에서, 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율은 제1 오버레이 마크 이미지(I1)의 확대 비율과 동일할 수 있다.
텔레센트릭 렌즈(77)는 제2 빔의 광 경로의 거리와 이미지의 확대 배율을 독립적으로 만드는 역할을 한다. 텔레센트릭 렌즈(77)는 광축과 제2 빔의 주광선이 평행으로 간주될 수 있는 렌즈이다. 텔레센트릭 렌즈(77)는 메인 빔 스플리터(30)와 제2 검출기(50) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 메인 빔 스플리터(30)와 광 경로 조절부(75) 사이에 배치될 수 있다.
텔레센트릭 렌즈(77)를 사용하므로, 제2 빔의 광 경로가 변화하여도 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율을 고정시킬 수 있다. 따라서 측정된 높이 차이(Δh)에 비례하여 거울 스테이지(74)의 이동 거리를 조절하는 방법으로 확대 배율의 변경 없이, 초점을 맞출 수 있다. 제2 검출기(50)에서 생성된 제2 오버레이 마크 이미지(I2)에서는 제2 오버레이 마크(OM2)가 선명하게 표시되며, 제1 오버레이 마크(OM1)는 상대적으로 흐리게 표시된다.
제2 광학 필터(78)는 제2 검출기(50)의 전단에 배치되며, 제2 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 제2 오버레이 마크 이미지(I2) 획득용으로 2차 조정하는 역할을 한다. 제2 광학 필터(78)는 선형 가변 필터 또는 회전형 가변 필터일 수 있다. 일부 실시예에서 제2 광학 필터(78)는 생략될 수도 있다.
이하에서는 상술한 오버레이 측정장치를 이용한 오버레이 측정방법에 대해서 설명한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 오버레이 측정방법은, 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하는 단계(S1)와, 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추는 단계(S2)와, 오버레이 마크로부터의 반사광을 2개의 빔으로 분리시키는 단계(S3)와, 제1 빔을 제1 검출기에 결상시키는 단계(S4)와, 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 단계(S5)와, 텔레센트릭 렌즈를 통과하고, 길이가 조절된 광 경로를 거친 제2 빔을 제2 검출기에 결상시키는 단계(S6)와, 제1 검출기로 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 생성하고 제2 검출기로 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 생성하는 단계(S7)를 포함한다.
제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하는 단계(S1)에서는 대비 검출 방식, 위상차 검출 방식 등의 자동 초점 장치와 같은 높이 차이 검출 광학계를 이용하여 제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2) 사이의 높이 차이(Δh)를 검출한다.
다음, 조명 광학계를 이용하여 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비춘다(S2).
도 9에 도시된 바와 같이, 조명은 제1 오버레이 마크 이미지(I1) 획득에 적합한 파장 대역과, 제2 오버레이 마크 이미지(I2) 획득에 적합한 파장 대역을 포함하는 조명일 수 있다.
다음, 오버레이 마크로부터의 반사광을 2개의 빔으로 분리시킨다(S3). 제1 빔은 제1 오버레이 마크의 이미지 획득에 적합한 파장 대역의 빔일 수 있으며, 제2 빔은 제2 오버레이 마크의 이미지 획득에 적합한 파장 대역의 빔일 수 있다.
다음, 제1 빔을 제1 검출기에 결상시킨다(S4).
본 단계에서는 제1 오버레이 마크(OM1)의 이미지 획득에 적합한 파장 대역의 제1 빔을 제1 검출기(40)에 결상시킨다.
다음, 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절한다(S5).
본 단계에서는 제2 오버레이 마크(OM2)에 초점을 맞도록, S1 단계에서 검출된 높이 차이(Δh)에 기초하여, 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절한다. 제2 오버레이 마크(OM2)가 아래층에 형성되므로, 제2 빔의 광 경로를 늘려야 한다.
다음, 텔레센트릭 렌즈를 통과한 제2 빔을 제2 검출기에 결상시킨다(S6).
본 단계에서는 제2 오버레이 마크(OM2)의 이미지 획득에 적합한 파장 대역의 제2 빔을 제2 검출기(50)에 결상시킨다.
다음, 제1 검출기로부터 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 생성하고, 제2 검출기로부터 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 생성한다(S7).
본 단계에서는 제1 검출기로부터 제1 오버레이 마크(OM1)가 선명하게 표시된 제1 오버레이 마크 이미지(I1)를 생성한다.
제1 오버레이 마크(OM1)와 제2 오버레이 마크(OM2)의 높이 차이가 크기 때문에, 제1 오버레이 마크(OM1)에 초점이 맞으면, 제2 오버레이 마크(OM2)에는 초점이 맞지 않으므로, 제1 오버레이 마크 이미지(I1)에서는 제2 오버레이 마크(OM2)가 흐리게 표시된다.
또한, 제2 검출기로부터 제2 오버레이 마크(OM2)가 선명하게 표시된 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 생성한다. 제2 오버레이 마크 이미지(I2)에서는 제1 오버레이 마크(OM1)가 흐리게 표시된다.
텔레센트릭 렌즈를 통과하였기 때문에 제2 빔의 광 경로가 변화하여도 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율이 변화하지 않는다. 텔레센트릭 렌즈를 사용하지 않으면, 광 경로의 길이 변화에 의해서 제2 오버레이 마크 이미지(I2)의 확대 배율이 변화하므로, 제1 오버레이 마크 이미지(I1)와 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 조합하여 오버레이 마크 이미지를 획득하기 어렵다.
이때, 일부 실시예에서 제1 오버레이 마크 이미지(I1)와 제2 오버레이 마크 이미지(I2)가 동시에 생성되도록 제1 검출기(40)와 제2 검출기(50)가 동기화될 수 있다. 오버레이 측정 과정에서의 진동에 의해서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위함이다.
그리고 제1 오버레이 마크 이미지(I1)과 제2 오버레이 마크 이미지(I2)를 이용하여 오버레이 오차를 측정한다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환할 수 있을 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
S: 샘플
OM1: 제1 오버레이 마크
OM2: 제2 오버레이 마크
10: 높이 차이 측정 광학계
20: 조명 광학계
30: 메인 빔 스플리터
40: 제1 검출기
50: 제2 검출기
60: 결상 광학계
70: 텔레센트릭 결상 광학계

Claims (11)

  1. 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크가 형성된 샘플의 층간 오버레이 오차를 측정하는 오버레이 측정 장치로서,
    상기 제1 오버레이 마크와 상기 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이(Δh)를 검출하도록 구성된 높이 차이 검출 광학계와,
    상기 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추도록 구성된 조명 광학계와,
    상기 오버레이 마크로부터의 반사광을 제1 빔과 제2 빔으로 분리하도록 구성된 메인 빔 스플리터와,
    상기 제1 빔을 수광하여 상기 제1 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제1 오버레이 마크 이미지를 생성하도록 구성된 제1 검출기와,
    상기 제2 빔을 수광하여 상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제2 오버레이 마크 이미지를 생성하도록 구성된 제2 검출기와,
    상기 제1 빔을 상기 제1 검출기에 결상시키도록 구성된 결상 광학계와,
    상기 높이 차이에 기초하여 상기 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 광 경로 조절부와, 상기 메인 빔 스플리터와 상기 제2 검출기 사이에 배치되며, 상기 제2 빔을 상기 제2 검출기에 결상시키는 텔레센트릭 렌즈를 포함하는 텔레센트릭 결상 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 경로 조절부는,
    상기 메인 빔 스플리터와 상기 제2 검출기 사이에 배치되어, 상기 제2 빔을 상기 제2 검출기를 향해 반사시키는 적어도 하나의 거울과,
    적어도 하나의 상기 거울을 직선 이동시켜 상기 제2 빔의 상기 광 경로의 길이를 조절하도록 구성된 거울 스테이지와,
    상기 높이 차이에 기초하여 상기 거울 스테이지를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 높이 차이와 상기 제2 오버레이 마크 이미지의 확대 배율의 곱에 비례하여 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 연장되고, 상기 연장된 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 상기 제1 빔의 광 경로에 비해서 길어지도록 상기 거울 스테이지를 제어하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결상 광학계는 상기 제1 검출기의 전단에 배치되며, 상기 제1 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제1 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 제1 광학 필터를 더 포함하고,
    상기 텔레센트릭 결상 광학계는 상기 제2 검출기의 전단에 배치되며, 상기 제2 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제2 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 제2 광학 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터는 선형 또는 회전형 가변 필터인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 오버레이 마크 이미지와 상기 제2 오버레이 마크 이미지가 동시에 생성되도록 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기가 동기화된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
  7. 서로 다른 층에 각각 형성된 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크가 형성된 샘플의 층간 오버레이 오차를 측정하는 오버레이 측정 방법으로서,
    상기 제1 오버레이 마크와 상기 제2 오버레이 마크 사이의 높이 차이를 검출하는 단계와,
    상기 샘플 상의 오버레이 마크에 조명을 비추는 단계와,
    상기 오버레이 마크로부터의 반사광을 제1 빔과 제2 빔으로 분리시키는 단계와,
    상기 제1 빔을 제1 검출기에 결상시키는 단계와,
    상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞도록, 상기 높이 차이에 기초하여, 상기 제2 빔의 광 경로의 길이를 조절하는 단계와,
    텔레센트릭 렌즈를 통과하고, 길이가 조절된 상기 광 경로를 거친 상기 제2 빔을 제2 검출기에 결상시키는 단계와,
    상기 제1 검출기로 상기 제1 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제1 오버레이 마크 이미지를 생성하고, 상기 제2 검출기로 상기 제2 오버레이 마크에 초점이 맞춰진 제2 오버레이 마크 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 높이 차이와 상기 제2 오버레이 마크 이미지의 확대 배율의 곱에 비례하여 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 연장되고, 상기 연장된 상기 제2 빔의 상기 광 경로가 상기 제1 빔의 광 경로에 비해서 길어지도록 상기 제2 빔의 광 경로의 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제1 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 단계와,
    상기 제2 빔의 중심 파장 및 밴드 폭을 상기 제2 오버레이 마크 이미지 획득용으로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 빔의 중심 파장과 상기 제2 빔의 중심 파장은 서로 다른 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 오버레이 마크 이미지와 상기 제2 오버레이 마크 이미지가 동시에 생성되도록 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기가 동기화된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
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