KR102622581B1 - 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 ocd 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 장비에 원자힘현미경과 마이크로스폿 분광타원계를 구비하여 반도체 시료에 대한 OCD 정보를 신속하고 정밀하게 획득할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치는, 본체의 일측에 탐침부를 구비하는 프로브를 이용하여 반도체 시료의 표면 특성에 대응되는 제2 계측정보를 생성하는 원자힘현미경과, 상기 프로브의 양측에 편광자 모듈과 검광자 모듈이 동일 입사각을 갖도록 상호 대칭되게 배치되어 편광자 모듈로부터 반도체 시료에 투사되는 편광이 반도체 시료에서 반사되어 입력되도록 구성되되, 편광자 모듈은 190 nm~1000 nm 파장대역의 광을 편광으로 변환하여 반도체 시료에 수십 μm 스폿사이즈로 조사하고, 검광자 모듈은 반사광의 특정 편광에 대응되는 제1 계측정보를 생성하는 마이크로스폿 분광타원계 및, 마이크로스폿 분광타원계를 구동하여 획득한 제1 계측정보를 근거로 해당 반도체 시료에 대한 제1 OCD 정보를 획득하고, 제1 OCD 정보를 근거로 반도체 시료의 정밀분석영역을 탐색하며, 원자힘현미경을 구동하여 정밀분석영역에 대한 제2 계측정보를 획득하여 해당 반도체 시료의 OCD 정보를 결정하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치{Optical Critical Dimension metrology apparatus equipped with microspot spectroscopic ellipsometer}

본 발명은 반도체 OCD 측정장치에 관한 것으로, 하나의 장비에 원자힘현미경과 마이크로스폿 분광타원계를 구비하여 반도체 시료에 대한 OCD 정보를 신속하고 정밀하게 획득할 수 있는 기술에 관한 것이다.

최근 반도체 박막의 고집적화로 박막 두께가 얇아짐에 따라 초박막의 정밀분석이 더욱 중요해지고 있다.

반도체 박막을 정밀분석하는 방법으로 원자힘현미경(AFM: Atomic Force Microscope)이 있다.

원자힘현미경은 탐침부가 형성된 프로브에 특정 처리를 행하여 토포그래피 (topography) 이외에도 시료의 표면의 다양한 물리적 성질을 매핑함으로써, 다양한 광 임계 치수(OCD : Optical Critical Dimension, 이하 "OCD"라 칭함)를 계측한다.

도1은 일반적인 원자힘현미경의 구조를 예시한 개략적인 사시도이며, 도2는 탐침부의 휨을 측정하는 원리를 설명한 개념도이다.

도1을 참조하면, 원자힘현미경(10)은, 반도체 시료(1)의 표면에 접촉 또는 비접촉 상태로 위치하는 탐침부(11)를 구비하는 프로브와, 반도체 시료(1)를 XY 평면에서 X 방향 및 Y 방향으로 스캔하는 XY 스캐너(12), 탐침부(11)와 연결되어 탐침부(11) 를 Z 방향으로 상대적으로 작은 변위로 이동시키는 Z 스캐너(13), 탐침부(11)와 Z 스캐너(13)를 상대적으로 큰 변위로 Z 방향으로 이동시키는 Z 스테이지(14), XY 스캐너(12)와 Z 스테이지(14)를 고정하는 고정 프레임(15)을 포함하여 구성된다.

원자힘현미경(10)은 반도체 시료(1)의 표면을 탐침부(11)로 스캔하여 토포그래피 등의 계측 이미지를 얻는다.

반도체 시료(1)의 표면과 탐침부(11)의 수평 방향의 상대이동은 XY 스캐너 (12)에 의해 행하여질 수 있으며, 반도체 시료(1)의 표면을 따르도록 탐침부(11)를 상하로 이동시키는 것은 Z 스캐너(13)에 의해 행하여질 수 있다.

도2를 참조하면, 탐침부(11)의 휨(deflection)은 레이저 시스템에 의해 측정될 수 있는데, 구체적으로 휨 측정은 탐침부(11)에 주사되어 반사되는 레이저 빔 (16)을 포토다이오드 센서(17)가 센싱함으로써 행할 수 있다. 이러한 포토다이오드 센서(17)에 의해 측정될 수 있는 것은 탐침부(11)의 휨 정보 뿐만 아니라, 탐침부(11)가 진동하고 있는 경우에는 그 진폭이나 위상일 수도 있다.

즉, 탐침부(11)를 반도체 시료(1)의 표면에 접촉시킨 상태에서, XY스캐너(12)에 의해 반도체 시료(1)을 스캔 라인을 따라 스캔하면서 탐침부(11)의 휜 정도를 측정하거나, 탐침부(11)를 공진 주파수로 진동시키면서 반도체 시료(1)의 표면과 접촉시키지 않은 채로 탐침부(11)의 진동의 변동(예를 들어, 주파수, 진폭, 위상 등) 을 피드백함으로써 OCD 측정을 위한 계측 이미지를 획득한다.

그러나, 이러한 원자힘현미경을 이용한 OCD 계측 방식은 정밀 계측이 가능한 반면, 반도체 시료 전체에 대한 OCD정보 획득을 위해 많은 시간이 요구되는 단점이 있다.

한편, 반도체 시료의 물리적 특성을 보다 신속하게 계측하기 위한 다른 방법으로, 마이크로스폿 분광타원계(μ-spot spectroscopic ellipsometer)가 있다.

마이크로스폿 분광타원계는 반도체 시료 표면을 조명하는 면적을 매우 작게 하는 집속 광학계를 포함한 분광타원계로서, 현재까지는 초박막 계측장비로서 주로 활용되어 왔으며, 최근에는 반도체 OCD 장비로서의 활용성이 제기되고 있다.

이에, 반도체 시료의 보다 신속하고 정밀한 OCD 계측을 위해 원자힘현미경과 마이크로스폿 분광타원계를 결합하는 방법이 제안될 수 있다.

그러나, 분광타원계에서 얇은 박막을 정밀분석하기 위한 핵심 요소는 보다 짧은 파장까지 측정 파장대역을 확장하는 것인데, 일반적인 상용 분광타원계의 파장대역은 DUV(Deep UV)를 포함하지 않는 240 ~ 950 nm 정도로, 이와 같이 파장 대역이 제한되는 원인은 Si photo-diode array로 구성되는 광 검출기와 렌즈, 편광자, 광섬유 등의 광학소자의 광흡수 특성에서 비롯한다. 특히, 대부분의 광학소자는 DUV 영역의 빛을 흡수하며 특히 광섬유를 사용할 경우 길이에 비례하여 흡수 광량이 지수함수적으로 증가하기 때문에 파장대역을 축소시키는 주된 요인이 되고 있다.

또한, 현재 반도체 제조사의 생산 라인에서 사용되는 마이크로스폿 분광타원계의 스폿사이즈는 약 30 ㎛ 내외이며 상용 분광타원계의 스폿사이즈는 약 1 mm 정도로, 분광타원계에서 스폿사이즈를 수십 μm로 줄이는 것은 반사율이나 투과율을 측정하는 일반적인 광학 계측기에서 스폿사이즈를 줄이는 것과는 성격이 다르다.
일반적으로 스폿사이즈를 줄이기 위해서는 초점거리가 짧은 고배율 광학계를 적용하는데, 이 경우 NA(Numeric Aperture : 개구수)가 커지고 시료와 광학계 사이의 거리가 짧아지게 된다. 그리고, 일반 광학 계측기의 경우에는 입사광과 출사광이 시료면에 수직으로 입사/출사하지만, 타원계의 경우 편광상태를 다루기 때문에 빛이 시료면에 비스듬하게 입사/출사하게 되고 이에 따른 시료와 광학계의 간섭을 피하기 위해서는 작업거리가 매우 긴 LWD(Long Working Distance) 광학계가 적용되고 있다.

더구나, DUV 영역까지 넓은 파장대역을 확보한 LWD 광학계에서 스폿사이즈를 줄이는 것은 어려우며, 스폿사이즈를 줄이기 위해서는 초점거리가 짧은 고배율 광학계를 적용해야 하는데 이 경우 NA(Numeric Aperture : 개구수)가 커지고 시료와 광학계 사이의 거리가 짧아지게 된다.
여기서, 고배율 광학계일수록 NA가 커진다는 것은 도3과 같이 렌즈(21) 중앙을 통과하는 빔이 시료(1)의 표면과 이루는 입사각과 렌즈(21) 끝을 통과하는 빔이 시료(1)의 표면과 이루는 입사각 간의 차이가 커지는 것을 의미하며, 이에 따라 다중 입사각효과가 증대된다. 도3의 (a)광학계 구조에 비해 (b)광학계 구조에서 NA가 커짐을 알 수 있다.

삭제

타원법에서는 편광 상태를 제어하고 측정하는데 이를 위하여 빛은 시료면에 비스듬히 입사되며 입사각에 따라 타원상수 표현식이 달라지므로 이러한 다중 입사각은 측정값의 분석에서 새로운 오차를 유발하는 원인이 된다.

이에, 반도체 OCD 측정을 위해서는 DUV 영역까지 넓은 파장대역을 확보한 LWD 광학계에서 다중 입사각을 최소로 하면서도 편광 상태에 끼치는 영향이 적고 스폿사이즈를 수십 ㎛ 크기로 줄일수 있는 마이크로스폿 타원계의 광학 설계가 요구된다.

또한, 원자힘현미경 장비와 마이크로스폿 분광타원계를 하나의 장치로 구현하는 경우, 편광자 모듈과 검광자 모듈 사이에 위치하는 원자힘현미경의 프로브와의 공간적 간섭이 발생하지 않는 기구적인 형상 및 배치가 요구된다.

1. 한국등록특허 제10-1005179호 (명칭 : 광학적 간섭을 이용한 OCD 측정 방법 및 장치)

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 하나의 장비에 원자힘현미경과 마이크로스폿 분광타원계를 구비하되, 원자힘현미경의 프로브를 중심으로 양측에 마이크로스폿 분광타원계의 편광자 모듈과 검광자 모듈을 상호 대향되게 배치하여, 마이크로스폿 분광타원계를 통해 OCD를 일정 면적 단위로 신속하게 계측함과 더불어, 정밀검사가 요구되는 특정 미세 영역에 대해서는 원자힘현미경을 구동하여 OCD 계측을 수행함으로써, 보다 신속하게 반도체 OCD 계측을 수행할 수 있도록 해 주는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.

또한, DUV 영역까지 넓은 파장대역에 걸쳐 각종 광학수차들을 최소로 하여 수십 ㎛ 의 스폿사이즈를 제공함과 동시에 원자힘현미경의 헤드와의 공간적 간섭이 발생하지 않게 배치할 수 있도록 고배율 굴절광학계를 채택함으로써, 마이크로스폿 분광타원계와 원자힘 현미경을 하나의 장비에 구현할 수 있도록 된 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치를 제공함에 또 다른 기술적 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 본체의 일측에 탐침부를 구비하는 헤드를 이용하여 그 하측에 배치된 반도체 시료의 표면 특성에 대응되는 제2 계측정보를 생성하는 원자힘현미경과, 상기 반도체 시료의 상측에 배치된 헤드의 양측에 반도체 시료를 중심으로 편광자 모듈과 검광자 모듈이 동일 입사각을 갖도록 상호 대칭되게 배치되어 편광자 모듈로부터 반도체 시료에 투사되는 편광이 반도체 시료에서 반사되어 입력되도록 구성되되, 편광자 모듈은 190 nm~1000 nm 파장대역의 광을 편광으로 변환하여 반도체 시료에 수십 μm 스폿사이즈로 조사하고, 검광자 모듈은 반사광의 특정 편광에 대응되는 제1 계측정보를 생성하는 마이크로스폿 분광타원계 및, 마이크로스폿 분광타원계를 구동하여 획득한 제1 계측정보를 근거로 해당 반도체 시료에 대한 제1 OCD 정보를 획득하고, 제1 OCD 정보를 근거로 반도체 시료의 정밀분석영역을 탐색하며, 원자힘현미경을 구동하여 정밀분석영역에 대한 제2 계측정보를 획득하여 해당 반도체 시료의 OCD 정보를 결정하는 제어수단을 포함하여 구성되고, 상기 편광자 모듈과 검광자 모듈은 다수개의 렌즈가 광경로상에 순차로 배열되는 굴절광학계로 이루어지는 렌즈부를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치가 제공된다.

또한, 상기 헤드는 일정 면적을 갖는 프로브와 프로브로부터 돌출되어 반도체 시료 표면에 대해 X,Y,Z축으로 상대이동시키면서 반도체 시료의 표면정보를 획득하는 탐침부를 포함하여 구성되고, 상기 편광자 모듈과 검광자 모듈은 각각 반도체 시료측에 인접하게 위치하는 몸체의 하측이 하단으로 갈수록 외경이 감소되는 형태의 스테핑구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치가 제공된다.

또한, 상기 편광자 모듈은 일정 길이를 갖는 몸체 내측에 광원, 편광자, 렌즈부가 상측에서 하측으로 순차로 배치되고, 상기 검광자 모듈은 일정 길이를 갖는 몸체 내측에 렌즈부, 검광자, 광 검출부가 하측에서 상측으로 순차로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치가 제공된다.

또한, 상기 렌즈부는 반도체 시료로 출력되는 편광이 20 μm 스폿사이즈를 만족하는 배율을 가지면서, 반도체 시료와의 거리가 50 mm 이상인 LWD(Long Working Distance) 조건을 만족하도록 렌즈의 개수와 렌즈의 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치가 제공된다.

또한, 상기 편광자 모듈과 검광자 모듈의 몸체의 하측 내부는 하단으로 갈수록 내경이 감소하는 형태의 스테핑구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치가 제공된다.

본 발명에 의하면, DUV 영역까지 넓은 파장대역을 확보한 LWD 광학계에서 수십 ㎛ 스폿사이즈를 형성하는 마이크로스폿 분광타원계를 원자힘현미경과의 공간적 간섭이 발생되지 않도록 본체상에 배치함으로써, 보다 신속하게 정밀하게 반도체 OCD 정보를 계측할 수 있다.

도1은 일반적인 원자힘현미경의 구조를 예시한 도면.
도2는 도1에 도시된 탐침부(11)의 휨을 측정하는 원리를 설명한 개념도
도3은 일반 분광타원계과 고배율 마이크로스폿 분광타원계의 차이점을 설명하기 위한 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치의 구성을 도시한 도면.
도5는 도4에 도시된 헤드(110) 구성을 예시한 도면.
도6은 도4에 도시된 편광자 모듈(210)의 내부구성을 설명하기 위한 도면.
도7은 도4에 도시된 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도4는 본 발명에 따른 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

도4를 참조하면, 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치는본체(C)의 상측에 원자힘현미경(100)과 마이크로스폿 분광타원계(200)가 구비되고, 본체(C) 내측에 제어수단(300)이 구비되어 구성된다.

원자힘현미경(100)은 본체(C) 상측에 반도체 시료(1)의 표면정보를 획득하기 위한 헤드(110)를 구비함과 더불어, 헤드(110)를 통해 반도체 시료(1)의 표면상태정보를 획득하기 위한 Z 스캐너 등의 시료 이송수단을 포함한 각종 구성요소들을 구비하여 구성되며(도1 참조), 이하에서는 원자힘현미경 구성 및 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 헤드(110)는 도5에 도시된 바와 같이, 일정 면적을 갖는 프로브(111)와, 이 프로브(111) 돌출되어 반도체 시료(1) 표면에 대해 X,Y,Z축으로 상대이동하면서 반도체 시료(1)의 표면정보를 획득하는 탐침부(112)로 이루어지고, 탐침부(112)는 반도체 시료(1) 표면에 접촉되게 배치되거나 반도체 시료(1) 표면에 거의 인접한 비접촉상태로 위치하도록 배치된다.

이러한 원자힘현미경(100)은 탐침부(112)에 의해 획득되는 반도체 시료(1)의 표면상태정보를 제어수단(300)으로 전송한다. 예컨대, 원자힘현미경(100)은 탐침부(112)를 통해 측정된 표면 정보에 대응되는 제2 계측 이미지를 생성하여 제어수단(300)으로 전송한다.

마이크로스폿 분광타원계(200)는 제어된 편광상태를 반도체 시료(1)에 입사시키고 반사되는 빛의 편광상태 변화를 분석하여 반도체 시료(1)의 광물성을 결정하는 장비로서, 편광자 모듈(210)과 검광자 모듈(220)로 이루어지고, 편광자 모듈(210)과 검광자 모듈(220)은 상기 헤드(110)를 중심으로 헤드(110)의 양측면에 동일 입사각을 갖도록 상호 대칭되게 배치된다.

즉, 편광자 모듈(210)과 검광자 모듈(220)은 반도체 시료(1) 표면에 대한 수직선을 기준으로 대향측에 65° 내지 70°의 입사각을 갖도록 경사지게 각각 배치되어, 편광자 모듈(210)에서 반도체 시료(1)로 투사된 입사광이 반도체 시료(1)의 표면으로부터 반사되어 검광자 모듈(220)로 입사되도록 구성된다.

이러한 편광자 모듈(210)은 도6에 도시된 바와 같이, 일정 길이를 갖는 몸체(211) 내측에 상단에서 하단측으로 광원(212)과 핀홀(213), 편광자(214), 렌즈부(215)가 순차로 배치되어 구성된다.

이때, 몸체(211)의 하측은 하단으로 갈수록 그 외경이 감소되는 형태의 스테핑 구조(211a)로 이루어진다. 이는 몸체(211)의 하단이 원자힘현미경(100)의 헤드(110)와 함께 반도체 시료(1)측에 가깝에 위치되는 바, 원자힘현미경(100)의 헤드(110) 형상을 고려하여 목적하는 입사각을 유지하면서 헤드(110)와 공간적으로 간섭되지 않도록 하기 위함이다.

광원(212)은 파장이 190 nm인 DUV 대역부터 파장이 1000 nm인 NIR 대역에 걸친 매우 넓은 파장대역의 광, 즉 백색광을 발생한다.

이러한 광원(212)에서 방출되는 빛은 핀홀(213)을 통해 편광자(214)로 입력되는데 이때, 핀홀(212)은 약 100 μm 크기를 갖는다.

편광자(214)는 핀홀(213)의 하측에 배치되어 광원(212)으로부터 출력되는 광을 직선편광된 광으로 편광시켜 출력한다. 이때, 편광자(214)는 190 nm 대역의 DUV 파장영역까지 편광 출력이 가능한 MgF₂로 제조된 편광자로 구성될 수 있다.

렌즈부(215)는 색수차를 제거하기 위해 둘 이상의 다수 렌즈들이 광경로상에 순차로 배열된 굴절광학계 구조로 형성되어, 편광자(214)로부터 출력되는 편광을 집속하여 몸체(211)의 하단에 형성된 개구홀(211b)을 통해 반도체 시료(1)측으로 투사한다. 이때, 렌즈부(215)를 구성하는 렌즈들은 DUV대역의 광을 흡수하지 않는 물질로 이루어지며, 도6에는 5개의 렌즈가 순차 배치된 구조가 예시되어 있다.

또한, 상기 MgF₂로 제조된 편광자(214)에서 출력되는 편광은 정상광선과 이상광선의 분리각이 매우 작기 때문에, 렌즈부(215)는 편광의 이상광선을 최대한 분리시켜 정상광선이 출력될 수 있도록 다수 렌즈들이 배열된다.

또한, 렌즈부(215)는 반도체 시료(1) 표면에 20 μm 스폿사이즈의 편광을 투사하기 위해서는 렌즈 배율을 높게 설정하여야 하는데, 렌즈부(215)의 배율이 높아지면 초점거리가 짧아지고, 이로 인해 일정 이상의 LWD (Long Working Distance)를 확보할 수 없게 되어 반도체 시료(1)와 광간섭이 발생할 수 있는 바, 본 발명에서는 이를 고려하여 20 μm 스폿사이즈의 편광 투사가 가능한 배율을 가지면서, 50 mm 이상의 LWD 조건을 만족할 수 있도록 렌즈부(215)를 구성하는 렌즈의 개수 및 렌즈 위치를 결정할 수 있다. 예컨대, 5 개의 렌즈를 순차 배열하여 5 배 광학계를 구현할 수 있다.

또한, 편광자 몸체(211)의 하측 내측도 그 외측과 대응되게 개구홀(211b)로 갈수록 보다 작은 내경을 갖는 스테핑 구조를 형성하여 렌즈부(215)를 통과한 이상광선이 제거되고 정상광선만이 개구홀(211b)을 통해 반도체 시료(1)로 투사되도록 구성될 수 있다.

이때, 반도체 시료(1) 표면에서 반사되는 빛의 편광상태는 시료의 다층구조, 각 층의 두께와 조밀도, 굴절률 등 여러 요인의 영향을 받게 되고, 이로 인해 반사광의 편광상태가 변화되어 검광자 모듈(220)로 입사된다.

검광자 모듈(220)은 일정 길이를 갖는 검광자 몸체 내측에 하측에서 상측으로 렌즈부와 검광자 및 광 검출부가 순차로 배치되어 구성되고, 광 검출부를 통해 검출된 반사광에 대응되는 제1 계측이미지를 제어수단(300)으로 전송한다.

여기서, 검광자 몸체는 편광자 몸체(211)와 마찬가지로, 그 하측이 하단에서 상측으로 갈수록 외경이 커지는 스테핑 구조로 이루어지고, 하단에는 반도체 시료(1)에서 반사되는 반사광을 유입하기 위한 개구홀이 형성된다. 또한, 검광자 몸체는 편광자 몸체(211)와 마찬가지로 그 내측이 하단에서 상측으로 갈수록 외경이 커지는 스테핑 구조로 이루어질 수 있다.

그리고, 검광자 모듈(220)에 구비되는 렌즈부는 편광자 모듈(210)의 렌즈부(215)에 대응되는 구조로 구성되어 검광자 몸체(211)의 개구홀을 통해 입사되는 반사광을 평행광으로 변환하여 출력하고, 검광자는 렌즈부를 통해 입력되는 반사광 중 특정 편광만을 통과시키며, 광 검출부는 검광자를 통과하는 반사광의 각 파장별 빛의 세기를 측정하여 이에 대응되는 제1 계측 이미지를 생성한다.

한편, 도4에서 제어수단(300)은 원자힘현미경(100)과 마이크로스폿 분광타원계(200)를 구동제어하여 OCD 획득을 위한 제1 및 제2 계측이미지를 수집하고, 제1 및 제2 계측이미지를 이용하여 해당 반도체 시료(1)의 OCD 정보를 결정한다.

이때, 제어수단(300)은 마이크로스폿 분광타원계(220)를 구동하여 일정 면적단위로 제1 계측이미지를 수집하고, 수집된 제1 계측이미지에서 정밀측정이 요구되는 정밀분석영역이 존재하면, 반도체 시료(1)를 이동시켜 해당 정밀분석영역에 원자힘현미경(100)의 탐침부(112)를 위치되도록 한 후, 원자힘현미경(100)을 구동하여 제2 계측이미지를 수집하도록 제어한다.

도7은 도5에 도시된 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도7을 참조하면, 반도체 시료(1)가 지지대에 배치된 상태에서, 제어수단(300)은 먼저 마이크로스폿 분광타원계(200)를 구동시켜 20 μm 스폿사이즈 단위로 반도체 시료(1)에 대한 제1 계측이미지를 획득한다(ST100). 이때, 제어수단(300)은 반도체 시료(1)의 위치를 변화시키면서 마이크로스폿 분광타원계(200)를 통한 제1 계측이미지를 획득한다.

그리고, 제어수단(300)은 제1 계측이미지를 수치해석하여 해당 반도체 시료(1)의 제1 OCD 정보를 획득한다(ST200). 이때, 제어수단(300)은 반도체 시료의 두께, 위상, 진폭 등을 포함하는 각종 OCD 정보를 획득할 수 있다.

또한, 제어수단(300)은 제1 계측이미지로부터 획득된 제1 OCD 정보를 분석하여 정밀분석이 요구되는 조건을 만족하는 정밀분석영역을 탐색한다. 예컨대, 제1 계측이미지로부터 획득된 제1 OCD 정보와 기 등록된 해당 반도체 시료의 기준 OCD 정보를 비교하여 적어도 하나의 파라미터(두께, 위상, 진폭 등)가 일정 이상의 오차를 갖는 영역을 정밀분석영역으로 설정할 수 있다.

그리고, 제어수단(300)은 정밀분석영역이 탐색되면, 반도체 시료(1)의 정밀분석영역에 원자힘현미경(100)의 탐침부(112)가 위치하도록 반도체 시료(1)를 이송시킨다(ST300).

이어, 제어수단(300)은 원자힘현미경(100)을 구동하여 정밀분석영역에 대한 제2 계측이미지를 획득하고, 이 제2 계측이미지를 분석하여 해당 정밀분석영역에 대한 제2 OCD 정보를 획득한다(ST400, ST500).

그리고, 제어수단(300)은 마이크로스폿 분광타원계(200)를 통해 획득한 제1 OCD 정보 중 정밀분석영역에 대해서는 원자힘현미경(100)을 통해 획득한 제2 OCD정보로 대체하여 해당 반도체 시료에 대한 OCD 정보를 확정한다(ST600).

한편, 상기 실시예에 있어서는 반도체 시료(1) 전체에 대해 마이크로스폿 분광타원계(200)를 통한 제1 계측이미지를 획득한 후 정밀분석영역을 탐색하도록 실시하였으나, 마이크로스폿 분광타원계(200)를 통해 일정 면적 단위로 제1 계측이미지를 획득하여 정밀분석영역을 탐색하는 동작을 반복수행함으로써, 반도체 시료 전체에 대한 OCD 정보를 확정하도록 실시하는 것도 가능하다.

100 : 원자힘현미경, 110 : 헤드,
111 : 프로브, 112 : 탐침부,
200 : 마이크로스폿 분광타원계, 210 : 편광자 모듈,
220 : 검광자 모듈, 211 : 몸체,
212 : 광원, 213 : 핀홀,
214 : 편광자, 215 : 렌즈부,
300 : 제어수단, C : 본체.

Claims (5)

1. 본체의 일측에 탐침부를 구비하는 헤드를 이용하여 그 하측에 배치된 반도체 시료의 표면 특성에 대응되는 제2 계측정보를 생성하는 원자힘현미경과,
   상기 반도체 시료의 상측에 배치된 헤드의 양측에 반도체 시료를 중심으로 편광자 모듈과 검광자 모듈이 동일 입사각을 갖도록 상호 대칭되게 배치되어 편광자 모듈로부터 반도체 시료에 투사되는 편광이 반도체 시료에서 반사되어 입력되도록 구성되되, 편광자 모듈은 190 nm~1000 nm 파장대역의 광을 편광으로 변환하여 반도체 시료에 수십 μm 스폿사이즈로 조사하고, 검광자 모듈은 반사광의 특정 편광에 대응되는 제1 계측정보를 생성하는 마이크로스폿 분광타원계 및,
   마이크로스폿 분광타원계를 구동하여 획득한 제1 계측정보를 근거로 해당 반도체 시료에 대한 제1 OCD 정보를 획득하고, 제1 OCD 정보를 근거로 반도체 시료의 정밀분석영역을 탐색하며, 원자힘현미경을 구동하여 정밀분석영역에 대한 제2 계측정보를 획득하여 해당 반도체 시료의 OCD 정보를 결정하는 제어수단을 포함하여 구성되고,
   상기 편광자 모듈과 검광자 모듈은 다수개의 렌즈가 광경로상에 순차로 배열되는 굴절광학계로 이루어지는 렌즈부를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 헤드는 일정 면적을 갖는 프로브와 프로브로부터 돌출되어 반도체 시료 표면에 대해 X,Y,Z축으로 상대이동하면서 반도체 시료의 표면정보를 획득하는 탐침부를 포함하여 구성되고,
   상기 편광자 모듈과 검광자 모듈은 각각 반도체 시료측에 인접하게 위치하는 몸체의 하측이 하단으로 갈수록 외경이 감소되는 형태의 스테핑구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 편광자 모듈은 일정 길이를 갖는 몸체 내측에 광원, 편광자, 렌즈부가 상측에서 하측으로 순차로 배치되고,
   상기 검광자 모듈은 일정 길이를 갖는 몸체 내측에 렌즈부, 검광자, 광 검출부가 하측에서 상측으로 순차로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 렌즈부는 반도체 시료로 출력되는 편광이 20 μm 스폿사이즈를 만족하는 배율을 가지면서, 반도체 시료와의 거리가 50 mm 이상인 LWD(Long Working Distance) 조건을 만족하도록 렌즈의 개수와 렌즈의 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 편광자 모듈과 검광자 모듈의 몸체의 하측 내부는 하단으로 갈수록 직경이 감소하는 형태의 스테핑구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로스폿 분광타원계가 구비된 반도체 OCD 측정장치.