KR102581524B1 - 전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 방법 - Google Patents

전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

전자 빔(2)에 의해 야기된 기판(1)의 손상(D)을 측정하는 방법은, 전자 빔(2)의 노출 영역(1a)에서 기판(1)의 기계적 및/또는 화학적 물성치들(P2)의 측정을 제공하는 원자 힘 현미경(AFM)을 이용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 노출 영역(1a)에서 물성치(P2)의 측정(S2)에 기초하여 손상(D)을 나타내는 손상 파라미터(Sd)를 산출하는 단계를 더 포함한다.

Description

전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 방법
본 발명은 기판과 상호작용하는 전자 빔에 관한 것으로, 특히 상기 전자 빔 상호작용의 결과로서 야기될 수 있는 어떠한 기판 손상을 측정하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어, SEM(scanning electron microscopy) 또는 전자 빔(electron beam, ebeam) 검사는 계량 및 검사, 예를 들어, CD(critical dimension)-SEM 또는 DR(defect review)-SEM 측정들을 위해 반도체 산업에서 사용된다. ebeam 검사 및 SEM 계량을 위한 현재의 도전들은 예를 들어 다음을 포함할 수 있다:
1. 더 작은 특징 크기들(예를 들어, 10 nm 이하) 및 기기 디자인의 복잡도 증가(예를 들어, 3D).
2. 매우 전자 민감하고(electron sensitive), 수축 또는 물질에 다른 손상을 야기할 수 있으며, 특히 해상도를 증가시키기 위해 더 높은 전자 에너지가 요구되는, 낮은 k(강성), 새로운 저항 등과 같은 새로운 물질의 적용.
3. 전자가 일부 레이어(layer)을 통해 볼 수 있도록 더 깊게 관통하도록 하되, 감지 레이어(sensitive layer)에 손상을 증가시킬 수 있는, 더 높은 전자 에너지를 채택하는 전자 빔들에 의한 새로운 검사 방법들의 도입.
이들 및 다른 도전들은 전자 빔이 사용되는 경우 기기 또는 레이어에 대한 손상 레벨을 정확하게 측정하는 것을 중요하게 만든다. 예를 들어, Stevens 등(J. Phys. Chem. Lett. 2009, 113, 18441-18443)은 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)에 의해 연구된 나노스케일(nanoscale) 전자 빔 손상을 기술하였다. 이 논문은 빔 손상에 의해 생성된 패인 부분의 깊이(손상된 및 손상되지 않은 표면 간의 높이의 차이)가 노출 시간 및 프로브 전류 둘 다에 상관관계가 있음을 기재하였다. 그러나, 특히 상기 손상이 표면 아래에서 더 깊게 발생한 경우, 모든 종류의 손상이 표면 토폴로지를 변화시키는데 관련되어 있는 것은 아니다.
전자 빔에 의해 야기된 기판, 또한 상기 표면 아래의 손상을 보다 정확하게 측정하는 방법이 제공될 필요가 있다.
일 측면에서, 본 발명은 전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 상기 전자 빔의 노출 영역에서 상기 기판의 기계적 및/또는 화학적 물성치(material properties)의 측정을 제공하는 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)을 이용하는 단계를 포함한다. 상기 노출 영역에서 상기 물성치의 측정에 기초하여 손상 파라미터를 산출하는 단계는 상기 손상을 나타내도록 산출될 수 있다. 예를 들어, 상기 손상 파라미터는 접착성 및/또는 점탄성 물성치를 포함하는 물성치에 기초하여 산출된다.
AFM에 의해 물성치의 상기 측정이, 탐지될 수는 없지만, 예를 들어 상기 기판 표면에서 토폴로지(높이)에 대한 변화로서 필연적으로 드러낼 수 없는, 상기 기판에 대한 전자-유발된(electron-induced) 변화를 드러낼 수 있음을 알 수 있다. 상기 기판 표면의 높이가 비교적 영향을 받지 않음에도 불구하고, 예를 들어 접착성, 마찰, 점착성 및/또는 탄성과 같은 물성치는 심하게 변화될 수 있다. 유리하게, 발명자들은 그러한 물성치의 측정이 단지 토폴로지 변화를 측정하는 것보다 더 민감할 수 있음을 발견하였다. 이론에 얽매이지 않고, 이는 전자 빔에 의해 야기된 기계적 및/또는 화학적 물성치들 내의 변화가 손상이 심각하고 집중된 일부 경우에 토폴로지 변화(예를 들어, 자국)로서 단지 드러내기 때문일 수 있다. 따라서, 본 발명은 토폴로지 측정들보다 전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 더 정확한 방법을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, 손상 파라미터는 상기 노출 영역의 물성치를 상기 전자 빔이 상기 기판과 상호작용하지 않는 비노출 영역에서 측정된 참조 특성과 비교함으로써 산출된다. 예를 들어, 비노출 영역의 참조 특성은 상기 전자 빔을 인가하기 전에 상기 노출 영역에서 측정된다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 비노출 영역의 참조 특성은 상기 노출 영역에 중복되지(overlapping) 않는 참조 영역에서 측정될 수 있다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역의 물성치를 소정의 참조 특성과 비교함으로써 산출된다. 노출 영역들의 상기 손상 파라미터를 비노출 영역의 손상 파라미터 또는 소정의 참조 특성과 비교함으로써, 상기 전자 빔에 의해 야기되는 어떠한 변화들이 쉽게 수량화될 수 있다. 예를 들어 손상 심각도는, 상기 손상 파라미터를 상기 노출 영역의 물성치 및 참조 특성, 예를 들어 비노출 영역 또는 소정의 특성 간의 소정의 역치 차이와 비교함으로써 산출될 수 있다.
기판 손상을 나타내는 물성치는 다양한 AFM 기법들을 이용해서 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 방법들은 힘-거리(force-distance) 측정을 포함한다. 예를 들어, 힘-거리 커브(curve)는, 각각의 거리에서 대응하는 힘을 측정하는 동안, 상기 AFM 팁 및 상기 기판 표면 간의 거리를 변화시킴으로써 획득될 수 있다. 일반적으로, 상기 커브는 상기 팁이 상기 기판 표면에 접근하거나 또는 이격되는지에 따라 다른 경로(path)를 추종할 수 있다. 예를 들어, 상기 커브의 방향 계수(directional coefficient) 또는 도함수(derivative), 예를 들어 그것의 최대값 또는 다른값,이 상기 AFM 팁 아래의 상기 영역에서 물질의 탄성 또는 강성을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 표면으로부터 상기 팁을 이격시키는 동안 발생하는 네가티브 (당기는) 힘이 조사(investigation) 중인 상기 영역에서 물질의 접착성을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 팁이 상기 기판 표면에 (역으로) 눌려질 수 있는 거리는 조사 종인 상기 영역에서 상기 물질의 변형 특성(deformability)을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 팁이 상기 기판 표면을 누름에 따라 상기 커브에서의 최대 힘(maximum force)은 조사 중인 상기 영역에서 물질의 첨두힘(peak force) 특성을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 팁에 접근하고 이격하는 커브들 간의 영역은 조사 중인 상기 영역에서 상기 물질들의 점착성 또는 에너지 분산 특성을 측정하는데 사용될 수 있다. 또한 힘-거리 커브의 다른 특징들, 또는 특징들의 조합이 물성치를 측정하는데 사용될 수 있다.
상기 전자 빔에 의해 야기된 손상은 상기 기판 표면에 한정되지 않을 수 있는데, 예를 들어, 상기 노출 영역 아래의 상기 기판 내에 손상으로서 추가적이고 배타적으로 드러낼 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서 상기 AFM은 표면 아래 물성치를 측정하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 원자 힘 현미경은 초음파 발생기와 결합될 수 있다. 상기 기판을 가로지르는(traversing) 초음파는 표면 아래 특징들과 상호작용할 수 있다. 이러한 상호작용은 상기 표면에 연결된 AFM에 의해, 예를 들어 상기 팁과 표면 간의 접촉을 통해, 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판에서 초음파는 AFM 팁을 통해 AFM 캔틸레버의 진동을 야기하는 AFM 캔틸레버에 연결된다.
일부 실시예들에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역에서 상기 원자 힘 현미경의 접촉 강성 또는 파동 산란(wave scattering)을 측정함으로써 산출된다. 예를 들어, 상기 AFM 캔틸레버의 진동 진폭은 상기 기판에 접촉하는 상기 AFM 팁의 접촉 강성에 의존한다. 일부 실시예들에서, 상기 접촉 강성은 상기 기판 및/또는 표면 아래에서 상기 물성치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 손상 파라미터는 상기 AFM 캔틸레버의 진동 진폭을 측정한 값에 기초할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 AFM 팁이 상기 기판에 접촉하는 동안 상기 AFM 캔틸레버의 접촉 공진 주파수는 상기 기판 또는 상기 표면 아래에서 상기 물성치를 측정한 값이다. 다른 또는 추가적인 실시예들은 헤테로다인 힘 현미경(heterodyne force microscopy), 원자힘 음파 현미경(atomic force acoustic microscopy) 또는 힘 변조 현미경(force modulation microscopy)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 기판을 통과한 초음파는 상기 AFM의 접촉 공진 주파수 근처의 변조 주파수에 의해 변조된다. 예를 들어, 상기 접촉 공진 주파수 근처의 상기 변조 주파수는 상기 AFM 캔틸레버의 비공진 진동과 비교하여 둘 이상의 요소에 의해 상기 AFM 캔틸레버 진동의 진폭 증가를 야기한다. 상기 접촉 공진 주파수는 AFM 팁이 상기 전자 빔의 노출 영역 또는 상기 기판의 비노출 영역에 접촉하였는지 여부에 따라 이동할(shift) 수 있다. 따라서, 상기 접촉 공진 주파수의 이동(shifting)은 상기 노출 영역 및 상기 비노출 영역 간의 초음파에 의해 야기된 상기 캔틸레버 진동들의 진폭 차이를 야기할 수 있다. 상기 진폭 차이는 일부 실시예들에서 상기 손상 파라미터를 산출하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예들은 기판의 계량(metrology) 또는 검사(inspection)를 위한 개량된 방법을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은, 상기 기판의 노출 영역을 지향하는 전자 빔의 수단들에 의해 계량 또는 검사를 수행하는 단계; 및 상기 노출 영역에서 상기 전자 빔에 의해 야기된 상기 기판의 어떠한 손상을 측정하기 위해 여기서 기술된 바와 같은 방법을 적용하는 단계;를 포함한다. 예를 들어, 상기 측정된 손상은 역치와 비교될 수 있고, 비교에 따라 상기 기판을 유지하거나 또는 폐기하는 결정이 내려진다.
이들 및 다른 특징들, 실시예들, 장치의 장점들, 본 발명의 시스템 및 방법은 다음의 설명, 첨부된 청구항, 및 첨부 도면으로부터 더 잘 이해될 수 있을 것이다:
도 1a 내지 도 1c는 AFM을 이용하여 전자 빔 손상을 측정하는 일 실시예의 단계들을 개략적으로 보여준다;
도 2는 AFM 팁이 상기 기판(아래)에 접근하고 이격되는 다양한 상(phase)에 대해 힘-거리 커브(위)를 개략적으로 보여준다;
도 3은 표면 아래 물성치를 측정하기 위한 초음파 AFM의 일 실시예를 개략적으로 보여준다;
도 4는 접촉 공진 주파수에 따라 진동 진폭을 나타내는 커브를 개략적으로 보여준다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 시스템 및 방법에 대한 설명을 모호하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 기기들 및 방법들의 상세한 설명이 생략될 수 있다. 특정 실시예들을 기술하기 위해 사용된 용어들은 본 발명을 제한하기 위한 의도가 아니다. 여기서 사용되는 바와 같이, 단수의 형태들은, 문맥상 명확하게 다르게 표시하지 않는 한, 복수의 형태를 포함하려는 의도이다. "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 항목들의 하나 이상의 어떠한 조합 및 모든 조합을 포함한다. "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 언급된 특징이 존재하는 것을 명시하는 것으로, 하나 이상의 다른 특징들이 존재하거나 또는 추가되는 것을 배제하는 것이 아님을 이해할 수 있다. 일 방법의 특정 단계가 또 다른 단계의 다음에 언급된 경우, 다르게 명시되지 않는 한, 다음 단계에 곧바로 뒤따르거나 또는 상기 특정 단계를 수행하기 전에 하나 이상의 중간 단계들이 수행될 수 있음을 또한 이해할 수 있다. 구조들 및 구성요소들 간의 연결이 기술된 경우, 다르게 명시되지 않는 한, 이러한 연결은 직접 또는 중간 구조들 또는 구성요소들을 통해 형성될 수 있음을 마찬가지로 이해할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들이 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명이 보다 구체적으로 기술된다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 기술된 실시예들에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시예들은 이러한 개시가 철저하고 완전하게 되도록, 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하도록 제공된다. 예시된 실시예들의 설명은 전체 기술된 설명의 부분으로서 간주되는 첨부 도면들과 연계하여 해석되도록 의도하였다. 상기 도면들에서, 시스템, 구성요소, 레이어 및 영역의 절대적이고 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장되었을 수 있다. 실시예들은 가능한 이상적인 실시예들 및 본 발명의 중간 구조들의 개략도 및/또는 단면도를 참조하여 기술될 수 있다. 상기 상세한 설명 및 도면들에서, 전반에 걸쳐 유사한 번호들은 유사한 요소를 나타낸다. 관련 용어들뿐만 아니라 파생 용어들도 기술된 바와 같이 또한 논의된 도면에 도시된 바와 같이 그 방향(orientation)을 언급하는 것으로 이해되어야만 한다. 이러한 관련 용어들은 설명의 편의를 위한 것으로 다르게 언급되지 않는 한 해당 시스템이 특정 방향으로 이해되거나 동작될 것을 요구하는 것이 아니다.
도 1a 내지 도 1c는 원자 힘 현미경(AFM)을 이용하여 전자 빔(2)에 의해 야기된 기판(1)의 손상(D)을 측정하는 방법을 개략적으로 보여준다. 도 1a는 상기 AFM가 상기 기판의 비노출 영역(1b)에서 기계적 및/또는 화학적 물성치들(P1)에 대한 측정(S1)을 제공하는 것을 보여준다. 도 1b는 상기 전자 빔(2)이 상기 기판(1)과 상호작용하여 노출 영역(1a)에 손상(D)을 야기하는 것을 보여준다. 도 1c는 상기 AFM이 상기 전자 빔(2)의 상기 노출 영역(1a)에서 상기 기판(1)의 기계적 및/또는 화학적 물성치들(P2)에 대한 측정(S2)을 제공하는 것을 보여준다. 상기 노출 영역(1a)에서 상기 물성치(P2)의 측정(S2)에 기초하여, 손상(D)을 나타내는 손상 파라미터(Sd)가 산출된다.
일 실시예에서, 상기 손상 파라미터(Sd)는, 상기 노출 영역(1a)에서의 상기 물성치(P2)와 상기 전자 빔(2)이 상기 기판(1)과 상호작용하지 않는 비노출 영역에서 측정된 참조 특성(reference properties)(P1)을 비교함으로써 산출된다. 예를 들어, 비노출 영역의 참조 특성(P1)은 상기 전자 빔을 인가하기 전에 상기 노출 영역에서 측정된다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 비노출 영역의 참조 특성(P1)은 상기 노출 영역(1a)에 중복되지(overlapping) 않는 참조 영역(1b)에서 측정된다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 상기 손상 파라미터(Sd)는 상기 노출 영역의 상기 물성치(P2)와 소정의 참조 특성(P1)을 비교함으로써 산출된다. 일부 실시예들에서, 손상 심각도는 상기 손상 파라미터(Sd)와 상기 노출 영역(1a)의 상기 물성치(P2) 및 참조 특성(P1) 간의 소정의 역치 차이를 비교함으로써 산출된다. 예를 들어, 상기 손상의 심각도는 상기 기판(1)이 폐기될지 여부를 결정할 수 있다.
어떤 면에서, 본 발명의 방법들 및 시스템들은 기판의 계량 또는 검사를 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 그러한 방법들은, 기판(1)의 노출 영역을 지향하는 전자 빔(2)의 수단에 의해 계량 또는 검사를 수행하고, 상기 노출 영역(1a)에서 상기 전자 빔(2)에 의해 야기된 상기 기판(1)의 어떠한 손상(D)을 측정하기 위해 여기서 기술된 바와 같은 방법을 적용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 상기 측정된 손상(D)은 역치와 비교될 수 있고, 상기 기판(1)은 상기 비교에 따라 다음의 처리를 위해 유지되거나 또는 폐기된다.
도시된 실시예에서, 레이저 소스(laser source)(13)는 캔틸레버(12)에 영향을 주고 광학 탐지기(14)를 향해 반사하는 레이저 빔(laser beam) L을 제공한다. 상기 광학 탐지기(14)를 이용하여, 진동의 영향 하에 있는 반사된 빔 L의 작은 굴절(deflection)로 인해 상기 캔틸레버(12)에서 진동이 감지될 수 있다. 이것은 추가적인 분석, 예를 들어 프로세서(15)에 의해 상기 손상 파라미터(Sd)를 산출하기 위한 출력 신호(26)를 제공한다. 일부 실시예들에서, 상기 프로세서(15)는 이전의 측정들(S1) 또는 비교를 위한 참조값들을 저장하기 위한 메모리를 포함할 수 있다.
빔 굴절을 측정하기 위한 대안으로서 또는 덧붙여, 다른 방법들이 상기 캔틸레버 굴절 및/또는 진동 주파수/진폭을 측정하도록 구상될 수 있다. 대체 가능한 감지 기법들은, 예를 들어 압전-저항 레이어(piezo-resistive layer), 프로브 굴절을 변화시키는 전기 저항(electrical resistance)의 적용을 포함한다. 이 경우 프로브 굴절은 압전-저항 레이어에 인가된 전기 신호에서 전압 차이를 측정함으로써 감지될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 프로브 굴절은 압전 소자(piezo-electric element) 또는 레이어(layer)를 이용하여 감지될 수 있는데, 그 퍼텐셜(potential)은 캔틸레버 움직임(motion)에 의존하여 변화한다. 대안으로서, 전기용량의(capacitive) 측정이 정전(electrostatic) 감지 기법에 적용될 수 있다. 일부 추가적인 대안들로서, 프로브 굴절을 측정하기 위한 간섭계(interferometer)를 적용하거나, 또는 프로브 및 기판 간의 온도 차이를 이용하는 열(thermal) 방법에서 열속(heat flux) 측정을 수행할 수 있다. 통상의 기술자는 이러한 기법들에 익숙할 것이며, 본 발명의 실시예들에 이를 적용할 수 있다.
도 2는 AFM 팁이 먼저 상기 기판(아래에 도시된)에 접근하고 그런 다음 이격되는 다양한 상(phase) (i)-(vi)에 대해 힘-거리(force distance) 커브(200)를 개략적으로 보여준다;
상(phase) (i)에서, AFM 팁은 기판과 상호작용하는 힘을 무시할 수 있는 표면으로부터 떨어진 거리에서 시작한다. 상 (ii)에서 상기 AFM이 상기 표면에 접근함에 따라, 상기 AFM 팁이, 예를 들어 반 데르 발스의 힘(Van-der-Waals-forces)에 의해 상기 표면에 끌리게 된다. 이는 여기서 네가티브 힘으로서 등록된 상기 기판을 향해 상기 AFM 캔틸레버의 굴절을 야기할 수 있다. 상 (iii)에서 상기 AFM 팁을 상기 표면에 더욱 가깝게 가져올수록, 밀어내는(repulsive) 상호작용, 예를 들어 이온(ionic) 또는 파울리 반발력(Pauli-repulsion)이 역할을 시작한다. 어느 지점에서 척력이 인력에 대응하고, 상 (iv)에서 최대 힘까지 증가할 수 있다. 이 지점에서, 움직임이 역전될 수 있고, 상기 AFM 팁이 상기 표면으로부터 이격된다. 상기 팁이 이격됨에 따라, 상 (v)에서 상기 AFM 팁에 의해 야기되어 상기 표면에 부작되는 접착력을 경험할 수 있다. 마지막으로, 상기 AFM 팁이 더욱 당겨질수록, 상 (vi)에서 상호작용하는 힘이 다시 무시될 수 있을 때까지 상기 거리가 증가될 수 있다.
일부 실시예들에서 손상 파라미터는 접착성 및/또는 점탄성 물성치를 포함하는 물성치에 따라 산출된다. 예를 들어, 물성치는 도시된 바와 같은 상기 원자 힘 현미경(AFM)의 힘-거리 측정(200), 또는 다른 수단에 기초하여 산출된다. 일 실시예에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역(1a)의 탄성 또는 강성(K)에 기초하여 산출된다. 또 다른 또는 추가적인 실시예에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역(1a)의 접착성(Fadh)에 기초하여 산출된다. 또 다른 또는 추가적인 실시예에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역(1a)의 변형 특성(Zdef)에 기초하여 산출된다. 또 다른 또는 추가적인 실시예에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역(1a)의 첨두힘 특성(Fmax)에 기초하여 산출된다. 또 다른 또는 추가적인 실시예에서, 상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역(1a)의 점착성 또는 에너지 분산 특성(ΔE)에 기초하여 산출된다.
도 3은 상기 기판(1)에 초음파(US)를 생성하도록 구성된 초음파 발생기(20)를 포함하는 AFM 시스템의 일 실시예를 보여준다.
상기 AFM의 도시된 실시예에서, 프로브(plobe)(10)는 스캔 헤드(scan head)(39)에 부착된다. 상기 스캔 헤드(39)는 기판(1)의 표면에 관하여 상기 프로브(10)가 스캐닝하도록 한다. 상기 프로브(10)는 캔틸레버(12) 및 프로브 팁(11)으로 구성된다. 스캐닝하는 동안, 상기 프로브 팁(11)은 상기 기판(1)의 상기 표면에 접촉하여 움직인다. 예를 들어 상기 프로브 팁(11)은 접촉 모드(상기 프로브 팁(11) 및 상기 기판(1)의 상기 표면 간의 지속적인 접촉) 또는 태핑(tapping) 모드(상기 캔틸레버(12)에 진동이 인가되는 각각의 사이클 동안, 상기 프로브 팁(11) 및 상기 기판(1)의 상기 표면 간의 주기적인 접촉)에서, 상기 기판(1)의 상기 표면을 가로질러 스캔될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 AFM는 상기 기판(1)의 비노출 또는 노출 표면 영역들 아래에서 표면 아래(subsurface) 물성치(P1, P2)를 측정하도록 설정된다. 일 실시예에서, 상기 AFM 팁(11)은 조사(1a) 중인 상기 영역에 접촉하여 이동한다. 또 다른 또는 추가적인 실시예에서, 상기 손상 파라미터(Sd)는 상기 노출 영역(1a)에서 상기 원자 힘 현미경(AFM)의 접촉 강성(Kc)을 측정함으로써 산출된다. 일반적으로, 상기 기판(1)에서 초음파(US)는 상기 AFM 팁(11)을 통해 상기 AFM 캔틸레버(12)에 연결되어 상기 AFM 캔틸레버(12)의 진동을 야기한다. 예를 들어, 상기 AFM 캔틸레버(12)의 진동 진폭 "A"는 상기 기판(1)에 접촉하는 상기 AFM 팁(11)의 접촉 강성(Kc)에 의존할 수 있다. 접촉 강성(Kc)은, 예를 들어 상기 기판에 접촉하는 상기 팁의 결합된 강성으로서, 예를 들어 상기 팁의 이동 기능으로서 상기 팁에 의해 나타나는 힘의 유도(derivate), 수량화될 수 있다. 상기 접촉 강성(Kc)은 상기 기판(1) 표면 아래의 물성치(P2)에 의존할 수 있다고 인식될 것이다. 결국, 상기 접촉 강성은 상기 AFM 캔틸레버(12)에서 진동하는 모드들을 결정할 수 있다.
일부 실시예들에서 상기 AFM 캔틸레버(12)의 접촉 공진 주파수 "fcr"는 상기 접촉 강성(Kc)에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 AFM 팁(11)이 상기 기판(1)에 접촉하는 동안, 상기 AFM 캔틸레버(12)의 접촉 공진 주파수 "fcr"는 상기 기판(1)에서 또는 상기 표면 아래에서 상기 물성치(P2)에 대한 측정일 수 있다. 상기 접촉 공진 주파수 "fcr"는 예를 들어 상기 기판(1)을 통해 상기 초음파(US)에서 변조 주파수 "fm"을 포함함으로써 탐색될 수 있다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 초음파는 상기 팁(미도시)에서, 또는 상기 팁과 샘플에서 모두 동시에(미도시) 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파(US)는 상기 AFM의 접촉 공진 주파수 "fcr" 근처의 변조 주파수 "fm"에 의해 변조될 수 있다. 상기 변조 주파수 "fm"가 상기 접촉 공진 주파수 "fcr"에 더 가까워질수록, 해당 주파수에서 상기 AFM 캔틸레버(12)에 진동을 초래하는 진폭 "A"가 더 높아진다. 따라서, 일부 실시예들에서, 상기 손상 파라미터(Sd)는 상기 AFM 캔틸레버(12)의 진동 진폭 "A"에 대한 측정(S2)에 기초할 수 있다.
상기 변조 주파수 "fm"에 더하여, 상기 초음파(US)는 다른 신호 성분들, 예를 들어 캐리어 주파수(carrier frequency) "fc"를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어 주파수 "fc"는 상기 기판 물질과의 상호작용을 결정하도록 비교적 높은 주파수일 수 있는 반면, 상기 변조 주파수 "fm"는 상기 캔틸레버의 접촉 공진 주파수 근처의 비교적 낮은 주파수일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어 주파수 "fc"는 10 MHz 이상, 예를 들어 20 내지 100 MHz 사이이다. 예를 들어, 상기 변조 주파수 "fm"는 상기 캐리어 주파수 "fc" 이하, 예를 들어 적어도 10의 인수(factor)에 의해, 예를 들어 10 kHz 내지 5 MHz 사이이다. 물론 다른 주파수들도 조사 중인 시스템의 명세 및/또는 상기 캔틸레버의 고유 특성(intrinsic property)에 따라 구상될 수 있다.
초음파 힘 현미경(ultrasonic force microscopy)은, 예를 들어 초음파 신호를 상기 기판에 인가하고, 초음파를 상기 캔틸레버 공진 주파수에 가까운 변조 주파수 "fm"로 변조함으로써 구현될 수 있다. 상기 변조 주파수에서 출력 신호를 감지하고 상기 진폭 및/또는 상(phase)을 분석함으로써, 표면 아래 구조들이 이미지화될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 이는 고주파수(fc) 초음파 신호가 상기 표면 아래 구조들에 의해 동요될(perturbed) 수 있다는 사실에 의해 설명될 수 있다. 상기 표면 아래 구조들에 대한 정보는 이러한 동요(perturbation)를 통해 전달되고, 상기 프로브 팁의 굴절, 즉 상기 캔틸레버 공진 주파수에서 또는 근처의 출력 감지 신호에서 측정될 수 있다.
도시된 실시예에서, 신호 생성 및 분석 시스템(30)은 신호를 생성하고 출력하는데 사용된다. 제 1 신호 발생기(31)는 캐리어 주파수 "fc"에서 제 신호를 제공한다. 제 2 신호 발생기(32)는 변조 주파수 "fm"에서 제 2 신호를 제공한다. 상기 주파수들은 믹싱(mixed) 신호를 생성하는 믹서(mixer)(33)에 대한 입력으로서 제공될 수 있는데, 예를 들어 3가지 주파수 성분들을 제공한다: 캐리어 주파수 fc, 주파수 성분 fc-fm를 획득하기 위해 상기 변조 주파수 "fm"에 의해 낮아진(lowered) 캐리어 주파수 fc, 및 주파수 성분 fc+fm를 획득하기 위해 상기 변조 주파수 "fm"에 의해 증가된 캐리어 주파수 fc. 예를 들어, 바람직한 신호 성분 비율(예를 들어, fc : (fc-fm) : (fc+fm) = 1 : 0.5 : 0.5)에서 이러한 주파수 성분 신호들을 제공하는 것은 주파수 "fm"에서 진폭이 변조하는 주파수 "fc"를 갖는 진폭 변조된 파장을 산출할 수 있다.
도시된 실시예에서, 단일 초음파 발생기(20)(transducer)가 특정 셋(set)의 주파수들에서 초음파(US)를 생성하기 위해 도시되었다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 다중 초음파 발생기들(미도시)이 호모다인(homodyne) 또는 헤테로다인(heterodyne) 설정 방식으로 사용될 수 있다. 예를 들어 추가적인 주파수가 상기 AFM 프로브에, 예를 들어 변조된 레이저 빔 L 또는 다른 수단에 의해 직접 인가될 수 있다. 나아가, 신호들이 대체 가능한 또는 도시된 것과는 다른 추가적인 주파수들 또는 단지 단일 (변조) 주파수에서 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 신호들은 상기 발생기(20)에 제공되기 전에 전력 증폭기(power amplifier)(미도시)에서 증폭될 수 있다. 도시된 실시예에서, 연결 매체(21)(예를 들어, 물)가 상기 발생기(20) 및 상기 기판(1) 사이의 음향 연결(acoustic coupling)을 제공하기 위해 사용된다. 대체 가능한 실시예들에서, 이것은 생략될 수 있다. 도시된 실시예에서, 상기 초음파 발생기(20)는 상기 기판(1) 아래에 위치한다. 이것은 상기 초음파(US)가 상기 초음파 발생기(20) 및 측정 지점(상기 AFM 팁에서) 사이의 상기 물성치에 의해 영향을 받는다라는 장점을 갖는다. 대안으로서, 상기 초음파 발생기(20)는 다른 곳에 위치할 수 있다.
도시된 실시예에서, 레이저(13)는 상기 AFM 캔틸레버(12) 상의 위치에 광 빔(light beam) "L"을 전송한다. 상기 AFM 캔틸레버(12)의 진동하는 움직임이 반사된 빔의 굴절을 야기하고, 충돌하는(impinging) 빔의 위치를 감지하는 센서(14), 예를 들어 사분면 검출기(quadrant detector)에 의해 측정된다. 상기 센서(14)는 측정 신호(S2)를 유발한다.
하나의 경로(path)에서, 상기 신호(S2)의 고주파수 성분들은 고대역 필터(34)에 의해 분석 시스템(30)으로 추출된다. 특히, 통과된 신호는 상기 변조 주파수 "fm"에서 특정 진폭 "A"를 갖는 주파수 성분을 포함한다. 상기 진폭 "A"는 예를 들어 복조기(demodulator)(35)에 의해 참조로서 원래의 변조 주파수 "fm"을 이용하여 획득될 수 있다. 예를 들어, 상기 복조기(35)는 로크-인 증폭기(lock-in amplifier)를 포함할 수 있다. 상기 진폭 "A"는 상기 접촉 강성(Kc)을 산출하기 위해 프로세서(36)에 의해 처리될 수 있다. 상기 접촉 강성은 상기 손상 파라미터(Sd)를 산출하기 위해 프로세서(15)에 의해 사용될 수 있다. 물론 상기 프로세서들(36, 15)은 통합될 수 있다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 상기 접촉 강성(Kc)을 산출하는 단계는 생략될 수 있고, 상기 손상 파라미터(Sd)는 직접 상기 진동 진폭 A으로부터 산출될 수 있다. 대안으로서, 또는 덧붙여, 상기 접촉 강성(Kc)은 직접 상기 손상 파라미터(Sd)에 동일시될 수 있다.
또 다른 경로에서, 상기 신호(S2)의 저주파수 성분들은 상기 기판 표면 너머의 상기 AFM 팁 사이의 거리 또는 높이 "Z"의 측정으로서 저대역 필터(37)에 의해 추출된다. 측정된 거리는 희망하는 거리 "Z0"와 함께, 예를 들어 상기 프로브(10)의 희망하는 평균 힘/굴절에 대응하여 비교기(38)에 반영될 수 있다. 상기 비교기의 출력 신호는 상기 프로브(10)가 부착되는 상기 스캔 헤드(39)의 높이를 제어하는데 사용될 수 있다.
본 실시예가 상기 기판을 통해 초음파가 인가되는 것을 보여주는 반면, 초음파 AFM은 팁(tip)을 통해, 또는 조합을 통해 수행될 수도 있다. 따라서, 헤테로다인 힘 현미경(heterodyne force microscopy), 원자힘 음파 현미경(atomic force acoustic microscopy), 도파관 초음파 힘 현미관(waveguide ultrasonic force microscopy), 힘 변조 현미경(force modulation microscopy)과 같은 다양한 실시예들이 구상될 수 있다. 또한, 초음파는 압변환자(piezo transducer), 정전 구동(electrostatic actuation), 광열 구동(photo thermal actuation) (예를 들어 광 빔 "L"을 통해) 등과 같은 다양한 방식으로 생성될 수 있다.
도 4는 상기 변조 주파수 "fm" 및 상기 접촉 공진 주파수 "fcr" 사이의 근접도(proximity)에 따른 진동 진폭 "A"를 나타내는 커브를 개략적으로 보여준다.
도시된 바와 같이, 상기 접촉 공진 주파수 "fcr" 근처의 상기 변조 주파수 "fm"는 상기 AFM 캔틸레버(12) 진동의 진폭 증가를 야기한다. 예를 들어 상기 진폭은 상기 AFM 캔틸레버(12)의 비공진 진동에 비해 둘 이상의 요소에 의해 증가할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 접촉 공진 주파수의 위치는, 상기 AFM 팁이 상기 전자 빔("fcr,on")의 노출 영역 또는 상기 기판 ("fcr,off")의 비노출 영역에 접촉했는지 여부에 따라 이동한다. 아래 커브에 도시된 바와 같이, 특정 변조 주파수들에서, 상기 접촉 공진 주파수 "fcr"의 이러한 이동은, 상기 노출 영역(1a) 및 상기 비노출 영역(1b) 사이에서 상기 초음파에 의해 야기되는 상기 (캔틸레버) 진동의 진폭 차이 "dA"를 초래한다. 일 실시예에서, 상기 진폭 차이 "dA"는 상기 손상 파라미터를 산출하는데 사용된다.
명확하고 정확한 설명을 위해, 여기서는 특징들이 동일 또는 분리된 실시예들의 일부로서 기술되었다. 그러나, 본 발명의 범위는 기술된 특징들의 전부 또는 일부의 조합들을 갖는 실시예들을 포함할 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 실시예들이 AFM 접촉 힘(contact force) 측정 및/또는 초음파 AFM을 위해 도시된 반면, 화학적 및/또는 기계적 물성치를 측정하기 위해 본 발명의 이점을 갖는 기술 분야에서 통상의 기술자들은 또한 대체 가능한 방식들을 구상할 수 있다. 예를 들어, QNM(quantitative nano-mechanical) 또는 첨두힘 매핑(peak force mappin)과 같은 다른 AFM 기법들이 채택될 수 있다. 광학적인, 기계적인, 및/또는 전기적인 구성요소들이 하나 이상의 대체 가능한 구성요소들과 결합되거나 또는 분리될 수 있다. 본 실시예는 전자 빔 손상을 측정하는데 특별한 장점을 제공하고, 또한 다른 유형의 손상을 측정하는데에도 일반적으로 적용될 수 있음을 이해할 수 있다. 여기서 기술된 방법들은 접촉-모드 유형의 AFM에 적용되는 것이 바람직하다. 그러나, 비록 태핑 모드에서 주기적인 접촉 순간들의 지속이 비교적 짧고, 동요(disturbance)에 대한 적절한 필터링이 요구될 수 있음에도 불구하고, 또한 태핑 모드와 같은 다른 모드들을 이용해서 적용될 수도 있다.
마지막으로, 상기 기술된 구성은 본 시스템 및/또는 방법들을 단지 예시하기 위한 것으로, 어떠한 특별한 실시예 또는 실시예 그룹으로 첨부된 청구항들을 한정하기 위한 것으로 이해되어서는 안 된다. 따라서 상기 상세한 설명 및 도면들은 예시적인 방식으로 이해되어야 하며, 첨부된 청구항들의 범위를 제한하는 의도가 아니다. 첨부된 청구항들을 해석함에 있어서, "포함하는"이라는 단어는 주어진 청구항 내에 열거된 것이 아닌 다른 요소 또는 동작의 존재를 배제하는 것이 아니고; 하나의 요소에 대해 단수로 표현된 단어는 이러한 요소들이 복수 개 존재한다는 것을 배제하는 것이 아니고; 청구항 내의 어떠한 참조 기호들은 그들의 범위를 제한하는 것이 아니고; 각각의 "수단"은 동일 또는 다른 항목, 또는 구현된 구조 또는 기능에 의해 표현될 수 있으며; 특별히 다르게 명시되지 않는 한 개시된 어떠한 기기 또는 부분은 함께 결합되거나 다른 부분들로 분리될 수 있다는 점을 이해하여야만 한다. 특정 측정들이 서로 다른 청구항들에서 열거되었다는 사실은 이러한 측정들의 조합이 장점으로 사용될 수 없다는 점을 나타내지는 않는다. 특히, 청구항들의 모든 가능한 조합들은 내재적으로 개시된 것으로 간주된다.

Claims (15)

  1. 전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 전자 빔의 노출 영역에서 상기 기판의 기계적 물성치 및 화학적 물성치 중 어느 하나 이상의 측정을 제공하고 초음파 발생기를 포함하는 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)을 이용하는 단계; 및
    상기 노출 영역에서 상기 물성치의 측정에 기초하여 손상을 나타내는 손상 파라미터를 산출하는 단계를 포함하며,
    AFM 팁이 상기 기판에 접촉하는 동안 AFM 캔틸레버의 접촉 공진 주파수는 상기 기판의 상기 물성치에 대한 측정이고,
    상기의 초음파는 상기 AFM의 접촉 공진 주파수 근처의 변조 주파수에 의해 변조되어 상기 기판에 인가되는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 파라미터는 접착성 물성치 및 점탄성 물성치 중 어느 하나 이상을 포함하는 물성치에 기초하여 산출되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 파라미터는, 상기 노출 영역에서의 상기 물성치와 상기 전자 빔이 상기 기판과 상호작용하지 않는 비노출 영역에서 측정된 참조 특성(reference properties)을 비교함으로써 산출되는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    손상 심각도(severity)는, 상기 손상 파라미터와 상기 노출 영역의 상기 물성치 및 참조 특성 간의 소정의 역치 차이를 비교함으로써 산출되는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물성치는 상기 원자 힘 현미경의 힘-거리(force-distance) 측정에 기초하여 산출되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 파라미터는,
    상기 노출 영역의 탄성 또는 강성;
    상기 노출 영역의 접착성;
    상기 노출 영역의 변형 특성;
    상기 노출 영역의 첨두힘(peak force) 특성;
    상기 노출 영역의 점착성 또는 에너지 분산 특성;
    의 하나 이상에 기초하여 산출되는, 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원자 힘 현미경은 상기 기판의 노출 영역 아래의 표면 아래(subsurface) 물성치를 측정하는데 사용되는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 파라미터는 상기 노출 영역에서 상기 원자 힘 현미경의 접촉 강성을 측정함으로써 산출되는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에서 초음파는 AFM 팁(tip)을 통해 AFM 캔틸레버(cantilever)의 진동을 야기하는 AFM 캔틸레버에 연결되고,
    상기 AFM 캔틸레버의 진동 진폭은 상기 기판에 접촉하는 상기 AFM 팁의 접촉 강성에 의존하며,
    상기 손상 파라미터는 상기 AFM 캔틸레버의 상기 진동 진폭을 측정한 값에 기초하는, 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    접촉 공진 주파수 근처의 변조 주파수는, AFM 캔틸레버의 비공진(off-resonant) 진동과 비교하여 둘 이상의 요소에 의해 AFM 캔틸레버 진동의 진폭 증가를 야기하는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    접촉 공진 주파수는 AFM 팁이 상기 전자 빔의 노출 영역 또는 상기 기판의 비노출 영역에 접촉하였는지 여부에 따라 이동하고(shift),
    상기 접촉 공진 주파수의 이동(shifting)은 상기 노출 영역 및 상기 비노출 영역 간의 초음파에 의해 야기된 캔틸레버 진동들의 진폭 차이를 야기하며,
    상기 진폭 차이는 상기 손상 파라미터를 산출하는데 사용되는, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    기판의 노출 영역을 지향하는 전자 빔 수단에 의해 계량(metrology) 또는 검사(inspection)를 수행하는 단계;
    상기 노출 영역에서 상기 전자 빔에 의해 야기된 상기 기판의 손상을 측정하는 단계;
    상기 측정된 손상을 역치와 비교하는 단계; 및
    상기 비교에 따라 상기 기판을 유지하거나 또는 폐기하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 전자 빔에 의해 야기된 기판의 손상을 측정하는 시스템에 있어서,
    상기 전자 빔의 노출 영역에서 상기 기판의 기계적 물성치 및 화학적 물성치 중 어느 하나 이상의 측정을 제공하도록 설정되고 초음파 발생기를 포함하는 원자 힘 현미경; 및
    상기 노출 영역에서 상기 물성치의 측정에 기초하여 손상을 나타내는 손상 파라미터를 산출하여 출력하도록 설정된 프로세서;를 포함하며,
    AFM 팁이 상기 기판에 접촉하는 동안 AFM 캔틸레버의 접촉 공진 주파수는 상기 기판의 상기 물성치에 대한 측정이고,
    상기의 초음파는 상기 AFM의 접촉 공진 주파수 근처의 변조 주파수에 의해 변조되어 상기 기판에 인가되는, 시스템.
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