KR20060017931A - 기판에 형성된 패턴의 검사방법 및 이를 수행하기 위한검사장치 - Google Patents
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Abstract
통계적 추론함수를 이용한 기판 패턴 검사방법이 개시된다. 먼저 다수의 기준용 기판 상에 형성된 각 기준패턴에 대응하는 광신호 데이터와 상기 각 기준패턴에 관한 패턴특성 데이터를 각각 저장하여 광신호군 및 패턴 특성군을 생성하고, 상기 광신호군과 상기 패턴특성군 사이의 통계적 추론함수를 생성한다. 검사대상 패턴이 형성된 검사용 기판 상으로 검사광을 조사하여, 상기 검사대상 패턴으로부터 반사되는 검사용 광신호 데이터를 생성한다. 상기 검사용 광신호 데이터와 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴특성 값을 추론하고 상기 추론된 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 검사한다. 오차범위를 벗어나는 패턴에 관한 광신호 데이터 및 실측 패턴특성 데이터는 광신호군 및 패턴특성군으로 저장되어 통계적 추론함수를 갱신한다. 따라서, 저비용으로 신속하게 기판에 헝성된 패턴을 검사할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 기판 패턴 검사장치의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 스펙트로스코픽 엘렙소메타를 이용한 조광부 및 광검출부의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 표 2에 주어진 기준용 광신호 데이터와 선폭 측정값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 기준광의 파장과 상관계수와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 기준용 광신호 데이터와 선폭 측정값 사이의 선형회귀선의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 의한 기판 패턴의 검사방법을 나타내는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 스테이지 200 : 조광부
300 : 광검출부 400 : 저장부
500 : 중앙처리부 600 : 제어부
700 : 표시부 900 : 기판 패턴 검사장치
410 : 제1 저장유닛 420 : 제2 저장유닛
510 : 버퍼 520 : 함수생성 유닛
522 : 상관성 분석기 530 : 추론유닛
540 : 판단유닛
본 발명은 기판에 형성된 패턴의 검사방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 패턴특성과 상기 패턴특성을 나타내는 광신호 간의 통계적 추론함수에 근거하여 검사 대상 패턴의 패턴특성을 검사하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 집적회로의 집적도가 향상됨에 따라 반도체 소자의 선폭(design rule), 접촉영역(contact area) 또는 임계치수(critical dimenstion) 등은 지속적으로 감소되고 있으며, 이에 따라 검출되는 불량의 크기도 점점 작아져서 검출이 어려워지고 있다. 상기 임계취수의 감소에 따라 악화되는 치명적인 불량으로서, 웨이퍼 상에 막질을 형성한 후 증착되는 층간 절연막에서의 보이드(void)와 배선이나 스택형 커패시턴스를 위한 컨택(contact)의 브리지 불량을 들 수 있다.
이와 같은 불량의 많은 부분은 패턴 형성과정에서 발생한 패턴불량에 기인하 는 것이므로, 반도체 장치 제조를 위한 단위공정마다 증착되는 막의 두께나 노광 또는 식각에 의해 형성되는 패턴의 두께나 폭 등을 계측하여 패턴의 불량여부를 검사하는 단계를 구비한다. 즉, 계측된 양들이 허용되는 공정범위에 포함되는지 여부를 판단하여 공정상 허용되는 오차범위를 벗어나면 공정조건을 변경하여 상기 패턴불량을 차단함으로써 패턴불량에 기인하는 치명적 불량을 미리 방지하고 있다.
공정이 완료된 패턴의 불량여부를 검사하기 위해, 주사전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용한 SEM 측정방법이나 패턴으로부터 반사하는 광을 분석하는 광학 측정방법이 널리 사용되고 있다.
상기 SEM 측정방법에 의하면, 먼저 패턴이 형성된 기판을 정교하게 절단하고, 절단된 면으로 전자빔을 주사하여 이차전자를 발생시킨다. 상기 이차전자를 검출하여 패턴에 관한 2차원 이미지로 생성하고 상기 2차원 이미지로부터 직접 패턴의 폭이나 높이 등을 측정한다. 따라서, 측정대상 패턴의 폭이나 높이가 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 직접 확인한다. 그러나, 상기와 같은 SEM 측정방법은 비록 정확한 결과를 제공하기는 하지만, 진공상태에서 측정되어야 한다는 점과 분석결과를 얻기까지 시간이 오래 걸린다는 점에서 한계를 가지고 있다. 따라서, 상기 SEM측정방법은 검사대상 기판이 많은 경우에는 공정효율을 저해하는 중요한 요인으로 작용한다.
또한, 상기 광학 측정방식에 의하면, 반복적이고 주기적인 패턴을 가진 기판으로 광을 조사하여 상기 패턴으로부터 반사되는 광학적인 신호를 취득한다. 복잡한 격자함수와 전자기 함수를 사용하여 상기 광학적인 신호를 해석하여 상기 패턴 의 선폭이나 두께 등에 관한 정보를 얻고, 상기 정보가 허용 오차범위에 포함되는 지여부를 판단하여 패턴의 불량여부를 검사한다. 그러나, 상기 광학 측정방식은 주로 2차원적인 격자(matrix) 패턴에 대해 높은 정밀도를 가지며, 일반적인 반도체 공정에서 제조되는 모든 패턴에 대해 적용할 수 없는 단점이 있다. 또한, 하부막질이 복잡하거나 검사 대상 패턴이 단순하지 않은 경우에는 검출된 광학적인 신호에 관한 해석이 불가능하다는 점과 막대한 비용이 소요되는 서버(server)를 필요로 한다는 단점이 있다.
그러나, 기판에 형성된 패턴의 불량여부를 확인하기 위해 패턴의 물리적 특성에 관한 정확한 측정이 반드시 필요한 것은 아니며, 패턴이 미세화 됨에 따라 정확한 측정 자체가 어렵다는 문제점도 있다. 이에 따라, 패턴의 불량여부를 검사하는 다양한 방법들이 연구되고 있다.
예를 들면, 일본 공개특허 제2002-261139호는 공정조건의 변동과 패턴의 표면으로부터 반사된 반사광의 레벨 변화량 사이의 분산(variance) 구하여 원하는 막 두께나 패턴 폭을 형성할 수 있는 최적 공정조건을 유지하는 방법을 개시하고 있다. 또한, 일본공개특허 2001-330421호에 의하면, 기판으로 공급된 광의 출력 펄스에 대한 상기 기판으로부터 반사된 광의 검출 펄스의 비율에 근거하여 상기 기판의 면적에 대해 상기 패턴의 면적이 차지하는 비율인 패턴 면적 비율을 산출하여 패턴불량을 검사한다.
그러나, 상기 일본공개특허 제2002-261139호는 상기 반사광과 패턴의 물리적 특성에 대한 통계적 분석은 전혀 이루어져 있지 않으므로, 최적 반사광과 최적 패 턴 사이의 관계를 일의적으로 확정할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 상기 일본공개특허 제2001-330421호는 패턴의 면적비율을 출력펄스에 대한 검출펄스의 비율로 구할 수 있기 위해서는 검사대상 패턴이 기판의 표면에서 주기적으로 반복되어야 한다. 따라서, 기판 전체에 걸쳐 주기적으로 반복되지 않는 패턴에 대해서는 적용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 검사대상 패턴의 물리적 특성에 대한 정확한 측정을 수반하지 않으면서 신속하게 패턴불량을 확인할 수 있는 방법은 여전히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 검사대상 기판에 형성된 패턴의 불량여부를 저비용으로 신속하게 수행할 수 있는 기판 패턴의 검사방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 또 다른 목적은 상기 기판 패턴의 검사방법을 수행하기 위한 기판 패턴 검사장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 패턴의 검사방법에 의하면, 먼저 다수의 기준용 기판 상에 형성된 각 기준패턴에 대응하는 다수의 기준용 광신호 데이터를 구비하며 상기 기준용 기판으로 공급되는 기준광의 파장별로 구별되는 다수의 광신호군 및 상기 각 기준패턴에 관한 패턴특성 데이터를 구비하는 패턴특성군을 생성한다. 상기 다수의 광신호군으로부터 선택된 광신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성군에 포함되는 다수으 패턴특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성한다. 검사대상 패턴이 형성된 검 사용 기판 상으로 검사광을 조사한 후, 상기 검사대상 패턴으로부터 반사되는 검사용 반사광을 검출하여 검사용 광신호(inspection light signal) 데이터를 생성한다. 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴특성 값을 추론한다. 상기 추론된 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 검사하여 상기 검사대상 패턴의 불량여부를 검사한다. 상기 검사광은 후술하는 신뢰파장을 갖도록 설정하여 회귀분석의 대상이 되는 변량들의 상관도를 높인다.
이때, 상기 추론함수를 생성하기 위하여, 먼저 상기 각 광신호군에 포함된 상기 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 기준용 패턴특성 데이터 사이에 상관성 분석을 반복적으로 수행하여 상기 광신호군마다 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성 데이터 사이의 상관성을 구한다. 허용 가능한 상관성을 갖는 상기 광신호군 및 이에 대응하는 기준광의 파장을 각각 신뢰 신호군 및 신뢰 파장으로 설정하고, 상기 신뢰 신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 다수의 패턴특성 데이터 사이에 회귀선을 추정한다.
상기 검사대상 패턴에 대한 추론 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되지 않으면, 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴특성을 직접 측정하여 실측 패턴특성 값을 구하여 패턴 불량여부를 판단한다. 이때, 상기 검사용 광신호 및 상기 실측 패턴 특성값을 상기 광신호군 및 패턴 특성군에 각각 추가하여 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군을 형성하고, 상기 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군 사이에 통계적 추론함수를 재생성하는 단계를 더 포함한다. 따라서, 회귀분석을 위한 산포 데이터에 실측 공정데이터를 추가함으로써 상기 통계적 추론함수의 신뢰도를 높일 수 있다. 선택적으로, 상기 허용오차 범위에 포함되는 검사대상 패턴에 대해서도 검사용 광신호 데이터와 실측 패턴 특성값을 상기 광신호군 및 패턴특성군에 각각 추가할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 패턴 검사장치는 검사대상 기판을 구비하는 검사용 기판을 고정하고 지지하는 지지유닛 및 상기 지지유닛을 구동시켜 상기 검사용 기판의 위치를 조정하기 위한 구동유닛을 구비하는 스테이지를 포함한다. 상기 지지유닛에 고정된 상기 검사용 기판의 표면으로 검사광을 조사하는 조광부 및 상기 검사용 기판의 표면으로부터 반사한 반사광을 검출하여 상기 검사대상 패턴에 관한 검사용 광신호 데이터를 생성하는 광검출부를 구비한다. 제다수의 광신호군을 저장하는 제1 저장유닛 및 패턴 특성군을 저장하기 위한 제2 저장유닛을 포함하는 저장부가 구비된다. 상기 제1 저장유닛에는 다수의 기준용 기판에 형성된 각 기준패턴에 대응하는 다수의 기준용 광신호 데이터를 상기 각 기준용 기판으로 공급된 기준광의 파장을 따라 분류한 다수의 광신호군이 저장되며, 상기 제2 저장유닛에는 상기 각 기준패턴을 실제 측정하여 구한 다수의 기준용 패턴특성 데이터를 구비하는 패턴 특성군이 저장된다. 상기 검사대상 패턴에 대한 불량여부를 판정하기 위한 중앙처리부가 구비된다. 상기 중앙처리부에서는 상기 저장부에 저장된 데이터들을 통계적으로 가공하여 상기 광신호 데이터와 상기 패턴 특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하고, 상기 통계적 추론함수와 상기 검사용 광신호 데이터를 이용하여 검사대상 패턴에 대한 패턴 특성값을 추 론하여 불량여부를 판정한다. 이때, 상기 허용오차 범위를 벗어나는 추론 패턴특성 값을 갖는 불량패턴에 관한 검사용 광신호 데이터를 상기 제1 저장유닛으로 전송하고, 상기 불량패턴을 측정한 측정 패턴 특성 데이터를 상기 제2 저장유닛으로 전송하기 위한 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 통계적 추론함수와 검사대상 패턴에 관한 광신호 데이터를 이용하여 상기 검사대상 패턴의 패턴 특성을 추론하고 상기 추론된 패턴특성과 오차범위를 비교하여 패턴의 불량여부를 판정한다. 따라서, 작은 비용으로 신속하게 패턴검사 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기 형성된 광신호군 및 패턴특성군의 기준용 광신호 데이터 및 기준용 패턴특성 데이터에 각 검사공정에서 측정된 검사용 광신호 데이터 및 실측 패턴 특성값을 추가하여 상기 광신호군 및 패턴 특성군을 개선할 수 있다. 따라서, 검사공정이 진행될수록 상기 통계적 추론함수의 변량수가 증가하여 검사의 신뢰도가 증가한다. 이에 따라, 검사 대상 패턴의 패턴특성에 대한 정확한 측정이 이루어지지 않더라도 패턴불량을 정확하게 판단할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 기판 패턴 검사장치의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 기판 패턴 검사장치(900)는 검사용 기판(W)을 지지하기 위한 스테이지(100), 상기 검사용 기판(W)으로 검사광을 조사하는 조광부(200), 상기 검사대상 패턴에 관한 검사용 광신호 데이터를 생성하는 광검출부(300), 기준용 광신호 데이터 및 기준용 패턴특성 데이터를 저장하는 저장부(400), 상기 검사대상 패턴의 불량여부를 판정하는 중앙처리부(500), 상기 스테이지(100) 및 제어부(600)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 스테이지(100)는 검사대상 패턴을 구비하는 검사용 기판(W)을 고정하고 지지하는 지지유닛(110) 및 상기 지지유닛(110)을 구동시켜 상기 검사용 기판(W)의 위치를 조정하기 위한 구동유닛(120)을 구비한다. 일실시예로서, 상기 검사용 기판(W)은 반도체 소자를 제조하기 위한 반도체 기판이며, 상기 검사대상 패턴은 소정의 노광공정을 거친 포토레지스트 패턴 또는 식각공정의 마스크 패턴일 수 있다. 상기 지지유닛(110)은 상부면이 평탄한 평판으로 형성되어 소정의 공정을 거쳐 형성된 패턴의 불량여부를 검사하기 위한 검사용 기판(W)을 고정하고 지지한다. 상기 구동유닛(120)은 상기 지지유닛(110)의 하부면에 연결되어 상기 지지유닛(110)의 위치를 이동시킴으로써 상기 지지유닛(110)의 상부면에 고정된 상기 검사용 기판(W)의 위치를 조정한다. 일실시예로서, 상기 구동유닛(120)은 3차원적으로 이동 가능한 이송기구를 포함하며 상기 구동유닛(120)과 전기적으로 연결된 구동 드라이버(130)에 의해 그 동작이 제어된다. 상기 구동 드라이버(130)는 상기 제어부(600)에 의해 그 동작이 조절된다. 따라서, 상기 제어부(600)에 의해 상기 검사용 기판(W)의 위치를 조절한다.
상기 조광부(200)는 상기 지지유닛(110)에 고정된 검사용 기판(W)의 표면으로 검사광을 조사하며, 상기 광검출부(300)는 상기 검사용 기판(W)의 표면으로부터 반사한 반사광을 검출하여 상기 검사대상 패턴에 대한 검사용 광신호 데이터를 생성한다.
일실시예로서, 상기 조광부(200)는 광을 생성하는 광원(210) 및 상기 광원(210)에서 발생한 광을 슬릿광으로 형성하기 위한 빔 스플리터(beam splitter,220)를 포함하며, 상기 광검출부(300)는 상기 검사용 기판(W)의 표면으로부터 반사하는 반사광을 검출하기 위한 검출렌즈(310) 및 상기 검출렌즈(310)를 경유한 반사광으로부터 상기 검사용 광신호 데이터를 생성하는 검출유닛(320)을 포함한다.
일실시예로서, 상기 광원(210)은 불화 크립톤(KrF) 엑시머 레이저 광원, 불화 아르곤(ArF) 액시머 레이저 광원, 불소(F2) 엑시머 레이저 광원 또는 아르곤(Ar) 레이저 광원 등과 같은 레이저 광원이며, 상기 광은 상기 광원으로부터 발생한 자외선(Ultra violet ray) 또는 극자외선(Deep Ultra Violet ray)을 포함한다. 또한, 일실시예로서, 상기 빔 스플리터(220)는 오목렌즈(222)와 볼록렌즈(224)의 쌍으로 구성된 렌즈 조합체로 형성하며, 상기 검사대상 패턴의 패턴특성에 대한 측정속도를 증가시킨다.
상기 검출렌즈(310)는 상기 반사광을 집광하기 위하여 소정의 개구율을 갖는 대물렌즈로 형성되며, 상기 검출유닛(320)은 상기 검출렌즈(320)로부터 검출된 반사광을 가공하여 상기 검사용 광신호 데이터를 생성한다. 일실시예로서, 상기 검출렌즈(320)는 촬상소자 센서(charge coupled sensor, CCD sensor)를 포함한다. 상기 CCD 센서(320)는 검출되는 광량에 따른 자유전하량의 변화를 전기적 신호로 변환하 여, 상기 반사광을 검출하여 전기적 신호로 변환한다. 상기 반사광의 세기나 주파수 등과 같은 광학적 특성은 상기 검사대상 패턴이 상기 검사용 기판(W) 상에 형성된 물리적 특성에 따라 변화한다. 즉, 상기 패턴의 선폭이나 두께 등에 따라 상기 반사광의 광학적 특성은 변화한다. 상기 CCD 센서(320)에 의해 출력되는 전기적 신호는 상기 반사광의 광량에 비례하므로 상기 CCD 센서(320)는 상기 반사광의 세기를 일의적으로 나타낸다. 따라서, 상기 검사용 광신호 데이터는 상기 CCD 센서(320)에 의해 측정 가능한 반사광의 세기일 수 있다.
상기 조광부(200) 및 광검출부(300)는 상술한 바와 같은 구조를 갖는 일반적인 패턴 구조분석용 광학장치뿐 아니라, 비파괴 방식으로 패턴의 두께를 측정할 수 있는 스펙트로스코픽 일립소메타(Spectroscopic Ellipsometer, SE)를 이용할 수도 있다. 즉, 상기 검사용 기판의 표면으로부터 반사된 편광을 수평 및 수직성분으로 분해하고 양 성분간의 세기차이(intensity ratio) 또는 위상차(phase difference)를 검사용 광신호 데이터로 이용한다.
도 2는 상기 SE를 이용한 조광부 및 광검출부의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상기 조광부(200)는 광을 생성하는 광원(210) 및 상기 광원에서 발생한 광을 편광으로 형성하기 위한 편광기(240)를 포함하며, 상기 광검출부(300)는 상기 검사용 기판(W)의 표면으로부터 반사하는 반사광을 검출하기 위한 검출렌즈(310), 상기 검출렌즈(310)를 경유한 광을 수평 및 수직 편광성분으로 분해하는 성분분해 유닛(330) 및 상기 수평 및 수직 편광 성분의 세기비율(intensity ratio) 또는 위상차(phase difference)를 계산하기 위한 검출유닛(320)을 포함한다. 상기 편광기(240)는 상기 광원에서 발생한 광 중 특정방향으로 진동하는 광파만 통과시킴으로써 상기 검사용 기판(W)의 표면으로 편광을 공급한다. 일실시예로서, 상기 성분분해 유닛(330)은 프리즘을 이용하며, 상기 프리즘을 통과한 반사광은 수직 편광성분과 수평 편광성분으로 분해된다. 상기 검출유닛(320)에서는 종래의 스펙트로스코픽 엘립소메트리(Spectroscopic Ellipsometry) 이론에 의해 상기 수직 및 수평 편광성분의 세기 비율(intensity ratio,Ψ) 및 위상차(phase difference,Δ)를 계산한다. 이때, 상기 검사용 광신호 데이터는 상기 세기비율(Ψ)의 탄젠트 값 (tanΨ)또는 상기 위상차의 코사인 값(cosΔ) 중의 어느 하나를 이용한다.
상기 저장부(400)는 기준용 광신호 데이터 및 기준용 패턴특성 데이터를 저장한다. 상기 저장부(400)에 저장된 데이터는 통계적으로 처리되어 기판에 형성된 패턴의 패턴특성과 광신호 데이터 사이의 통계적 추론함수가 생성된다. 상기 통계적 추론함수는 후술하는 검사용 광신호 데이터를 이용하여 검사대상 패턴에 대한 추론 패턴특성을 제공하며, 상기 추론 패턴 특성을 기초로 패턴의 불량여부를 판단한다. 따라서, 상기 데이터들은 본 발명에 의한 패턴 검사방법을 수행하기 위한 기준 데이터로서의 역할을 하며, 검사용 기판에 대한 검사공정과는 별도의 공정에 의해 측정되어야 한다.
상기 기준용 데이터를 형성하기 위해 검사대상 패턴을 형성하는 공정이 완료된 다수의 기준용 기판을 준비한다. 즉, 검사대상 패턴을 형성하는 공정을 먼저 선 정하고, 선정된 공정을 거친 기판을 다수 준비한다. 이때, 상기 기준용 기판은 가능한 공정변경의 범위를 모두 포함할 수 있도록 준비한다.
이하에서는, 일실시예로서 상기 검사대상 패턴이 포토레지스트 패턴이고 선정된 공정이 노광공정인 경우에 상기 포토레지스트 패턴의 선폭을 검사하는 공정을 설명하기로 한다. 그러나, 이와 같은 기술이 상기 포토레지스트 패턴의 선폭 검사방법 및 검사장치에 한정되지 않음은 자명하다.
노광공정에 의한 포토레지스트 패턴의 선폭은 기판의 표면으로 조사되는 노광량과 초점거리에 의해 가장 큰 영향을 받는다. 따라서, 상기 노광량과 초점거리를 최적 선폭을 구현하는 최적 노광량 및 최적 초점으로부터 소정의 양만큼 변화시키면 상기 포토레지스트 패턴의 선폭도 최적선폭으로부터 벗어나게 된다. 상기 기준용 기판은 공정변화에 따른 모든 선폭의 변화를 포함하도록 준비한다. 표 1은 상기와 같은 공정조건 변화와 선폭변화를 개념적으로 나타낸 표이다.
| B-3a | B-2a | B-a | B | B+a | B+2a | B+3a | |
| A+2d | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 |
| A+d | 불량 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 불량 |
| A | 불량 | 관리한계 | 관리한계 | 정상조건 | 관리한계 | 관리한계 | 불량 |
| A-d | 불량 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 관리한계 | 불량 |
| A-2d | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 | 불량 |
표 1에서 B는 노광공정에서의 최적 노광량을 의미하며, A는 최적 초점거리를 나타낸다. 따라서, 표 1의 '정상조건'에서 포토레지스트 패턴은 최적선폭을 가지 며, '관리한계'영역은 선폭에 대한 상기 노광량 및 초점거리의 공정오차 범위를 나타낸다. '불량'영역은 공정상 허용할 수 없는 선폭을 갖는 패턴형성공정을 나타낸다. 상기 기준용 기판은 상기 '정상조건' 및 '관리한계'영역에 대응하는 기판뿐만 아니라 상기'불량'영역에 대응하는 기판도 포함할 수 있도록 준비한다.
상술한 바와 같이 준비된 다수의 기준용 기판에 대해 상술한 바와 같은 조광 및 광검출 시스템을 이용하여 상기 기준용 기판 상에 형성된 기준패턴(포토레지스트 패턴)에 대한 기준용 광신호 데이터를 생성한다. 또한, 주사전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)과 같은 선폭 측정장치를 이용하여 상기 각 기준패턴에 대한 선폭을 직접 측정한다. 일실시예로서, 노광공정의 모든 공정변화를 나타낼 수 있는 24개의 기판을 선정하고, 각 기판에 형성된 기준용 패턴의 선폭 및 기준용 광신호 데이터를 측정하였다. 표 2는 각 기준용 기판에 대해 측정된 기준용 선폭 및 기준용 광신호 데이터의 일부를 나타내는 표이다.
| 파장 | 400.42 | 401.03 | 401.63 | … | 435 | 435.5 | 436 | … | 595.65 | 597.62 | 599.61 | 선폭 |
| S01 | 1.94931 | 1.90818 | 1.86599 | … | 0.707 | 0.694 | 0.682 | … | 0.89779 | 0.91077 | 0.92375 | 177.7 |
| S02 | 1.96401 | 1.92338 | 1.88140 | … | 0.717 | 0.705 | 0.693 | … | 0.89448 | 0.90773 | 0.92105 | 177.2 |
| S03 | 2.01758 | 1.97892 | 1.93744 | … | 0.753 | 0.740 | 0.728 | … | 0.86867 | 0.88226 | 0.89600 | 178.5 |
| S04 | 2.09997 | 2.06783 | 2.03229 | … | 0.808 | 0.793 | 0.780 | … | 0.82892 | 0.84277 | 0.85665 | 179.6 |
| S05 | 2.15227 | 2.13796 | 2.11586 | … | 0.877 | 0.861 | 0.846 | … | 0.80582 | 0.81974 | 0.83359 | 184.2 |
| S06 | 1.94919 | 1.90506 | 1.86057 | … | 0.711 | 0.699 | 0.687 | … | 0.88434 | 0.89844 | 0.91268 | 172.8 |
| S07 | 1.97502 | 1.93098 | 1.88472 | … | 0.731 | 0.718 | 0.705 | … | 0.86949 | 0.88391 | 0.89838 | 176.5 |
| S08 | 1.94716 | 1.90119 | 1.85465 | … | 0.726 | 0.713 | 0.701 | … | 0.86530 | 0.87965 | 0.89380 | 177.8 |
| S09 | 2.07599 | 2.03083 | 1.98192 | … | 0.779 | 0.765 | 0.751 | … | 0.83219 | 0.84682 | 0.86143 | 178.9 |
| S10 | 2.11331 | 2.07816 | 2.03986 | … | 0.812 | 0.796 | 0.782 | … | 0.81741 | 0.83172 | 0.84610 | 181.8 |
| S11 | 1.95329 | 1.90793 | 1.86040 | … | 0.718 | 0.705 | 0.693 | … | 0.87827 | 0.89295 | 0.90763 | 175.6 |
| S12 | 1.86498 | 1.81885 | 1.77299 | … | 0.688 | 0.676 | 0.664 | … | 0.88849 | 0.90318 | 0.91785 | 175.6 |
| S13 | 1.89333 | 1.84527 | 1.79716 | … | 0.709 | 0.696 | 0.684 | … | 0.87405 | 0.88874 | 0.90330 | 177.0 |
| S14 | 1.97527 | 1.91965 | 1.86592 | … | 0.733 | 0.719 | 0.707 | … | 0.86094 | 0.87562 | 0.89047 | 178.3 |
| S15 | 2.10883 | 2.06627 | 2.01963 | … | 0.794 | 0.779 | 0.765 | … | 0.82427 | 0.83901 | 0.85367 | 179.5 |
| S16 | 2.05754 | 2.01196 | 1.96549 | … | 0.758 | 0.744 | 0.731 | … | 0.86520 | 0.88012 | 0.89499 | 176.3 |
| S17 | 2.04638 | 1.99899 | 1.95074 | … | 0.755 | 0.741 | 0.728 | … | 0.86817 | 0.88307 | 0.89796 | 177.5 |
| S18 | 2.07113 | 2.02527 | 1.97759 | … | 0.773 | 0.758 | 0.745 | … | 0.84204 | 0.85687 | 0.87178 | 179.3 |
| S19 | 2.09098 | 2.04657 | 2.00116 | … | 0.782 | 0.768 | 0.754 | … | 0.84385 | 0.85877 | 0.87358 | 181.5 |
| S20 | 2.19782 | 2.16822 | 2.13447 | … | 0.862 | 0.845 | 0.829 | … | 0.78926 | 0.80420 | 0.81897 | 181.8 |
| S21 | 2.09498 | 2.05159 | 2.00442 | … | 0.781 | 0.767 | 0.753 | … | 0.85361 | 0.86852 | 0.88346 | 179.8 |
| S22 | 2.15765 | 2.12315 | 2.08446 | … | 0.830 | 0.814 | 0.799 | … | 0.82325 | 0.83799 | 0.85268 | 182.1 |
| S23 | 2.18184 | 2.15158 | 2.11610 | … | 0.849 | 0.833 | 0.818 | … | 0.81670 | 0.83154 | 0.84640 | 183.2 |
| S24 | 2.20080 | 2.17854 | 2.15120 | … | 0.885 | 0.867 | 0.850 | … | 0.78154 | 0.79651 | 0.81134 | 183.4 |
| 상관도 | 0.854 | 0.865 | 0.871 | … | 0.903 | 0.904 | 0.908 | … | 0.859 | 0.861 | 0.864 |
표 2에서 S01 내지 S24는 기준용 기판을 나타내며, 파장은 상기 각 기준용 기판으로 조사된 기준광의 파장(nanometer, nm)을 나타내고 있다. 선폭은 SEM 장비로 측정한 상기 기준패턴의 선폭(㎛)을 나타낸다. 기준용 광신호 데이터는 각 파장을 갖는 편광을 상기 기준용 기판으로 주사한 후, 반사된 편광의 수직 및 수평성분의 광세기 비율에 탄젠트 값(tanΨ)을 나타낸다.
상기 기준용 광신호 데이터는 각 파장별로 하나의 광신호군을 형성한다. 즉, 특정 파장에 대응하는 광신호군은 각 기준용 기판으로 그 특정파장을 조사한 후 생성되는 다수의 기준용 광신호 데이터를 포함한다. 따라서, 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 기준광의 파장을 따라 다수의 광신호군을 생성한다. 상기 다수의 광신호 군은 상기 저장부(400)의 제 1 저장유닛(410)에 저장된다. 상기 기준용 기판에 형성된 각 기준패턴에 관한 측정선폭은 선폭군을 형성하고, 상기 저장부(400)의 제2 저장유닛(420)에 저장된다.
상기 중앙처리부(500)는 상기 저장부에 저장된 기준용 광신호 데이터 및 선폭 측정 데이터들을 통계적으로 가공하여 상기 광신호 데이터와 상기 선폭 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하고, 상기 통계적 추론함수와 상기 검사용 광신호 데이터를 이용하여 검사대상 패턴에 대한 패턴 특성값을 추론하여 불량여부를 판정한다.
구체적으로, 상기 중앙처리부(500)는 상기 저장부(400)에 저장된 다수의 광신호군 및 선폭군에 저장된 기준용 광신호 데이터 및 상기 선폭데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하기 위한 함수 생성유닛(520)을 구비한다. 일실시예로서, 상기 함수 생성유닛(520)은 회귀분석기를 포함한다. 바람직하게는, 상기 함수 생성유닛(520)은 서로 독립적이고 연속적인 변량들인 상기 광신호군의 파장과 상기 선폭 데이터와의 상관성을 확인하기 위한 상관성 분석기(522)를 더 포함한다.
상관성 분석(correlation analysis)은 독립적이고 연속적인 변량들간의 상호 관련성을 확인하기 위한 통계적 분석으로서, 상관계수에 의해 상관정도를 정량화하여 표현한다. 두 변량들 간의 상관관계를 분석하는 단순 상관분석 (simple correlation analysis)은 일반적으로 피어선 상관계수(Pearson's correlation coefficient, r)에 의해 표현된다. 상기 피어선 상관계수(r)는 -1과 +1 사이의 실수값으로 표현되며, 절대값의 크기가 1에 가까우면 비례관계가 있다는 의미이며, 0 에 가까우면 비례관계가 없음을 의미한다. 따라서, -1이면 반비례관계이며, +1인 경우에는 정비례관계를 의미한다.
상기 피어선 계수는 아래와 같은 식(1)로 표현된다.
이때, n은 대비되는 표본의 개수로서 본 실시예의 경우는 24이며, X 및 Y는 대비되는 양 변량으로서, 본 실시예에의 경우에는 기준용 광신호 데이터와 선폭을 나타낸다. 또한, SX 및 SY는 X 및 Y 변량의 표준편차이다.
상기 다수의 기준용 광신호 데이터는 상기 제1 저장유닛(410)으로부터 상기 상관성 분석기(522)로 전송되고, 상기 다수의 패턴특성 데이터는 상기 제2 저장유닛(420)으로부터 상기 상관성 분석기(522)로 전송된다. 상기 상관성 분석기(522)는 전송된 다수의 기준용 광신호 데이터 및 다수의 패턴특성 데이터를 상기 식(1)에 따라 계산하여 상관계수를 생성한다. 상기 상관성 분석기(522)는 상술한 바와 같은 과정을 각 광신호군마다 반복적으로 수행하여 각 광신호군별로 상관계수를 생성한다. 표 2의 하단에는 식 (1)에 의해 계산된 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 선폭 사이의 상관계수가 상기 광신호군 별로 계산되어 있다. 즉, 상기 상관계수는 상기 기준광의 파장별로 생성된다.
상기 함수 생성유닛(520)은 상기 광신호군별로 계산된 다수의 상관계수 중 허용가능한 상관계수를 갖는 광신호군을 신뢰 신호군으로 설정하고 상기 신뢰 신호 군에 포함된 다수의 광신호 데이터와 상기 패턴특성군에 포함된 다수의 패턴특성 데이터 사이에 회귀분석을 수행하여 통계적 추론함수를 생성한다. 이하에서는, 상기 신뢰신호군에 대응하는 상기 기준광의 파장을 신뢰파장이라 한다.
일실시예로서, 상기 허용가능한 상관계수의 범위를 0.9이상으로 설정하면, 표 1에 주어진 다수의 광신호군 중 상기 기준광의 파장이 약 435nm 내지 436nm의 범위에 대응하는 광신호군이 상기 신뢰신호군으로 선택된다. 나머지 광신호군과 비교하여 상기 신뢰신호군은 상대적으로 높은 정의 상관관계(positive correlation)를 가지므로, 상기 신뢰신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 선폭은 상대적으로 강한 정비례관계를 형성한다. 즉, 약 435nm 내지 436nm의 파장을 갖는 기준광을 조사하는 경우, 상기 기준광의 광신호 데이터가 증가하면 상기 선폭도 증가할 가능성이 상대적으로 높다.
도 3은 표 2에 이산적으로 주어진 기준용 광신호 데이터와 선폭 측정값의 관계를 연속적으로 나타내는 그래프이며, 도 4는 기준광의 파장과 상관계수와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 기준용 광신호 데이터들과 기준패턴의 선폭은 기준광의 파장이 420nm 내지 440nm 인 경우에 가장 높은 정의 상관계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상기 기준광이 436nm의 파장을 갖는 경우에 가장 높은 상관계수를 갖는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 검사대상 패턴의 공정의 특성과 패턴의 특성 및 검사공정의 환경을 고려하여 적절한 범위의 허용가능 상관계수를 선택하고 상기 허용가능 상관계수에 대응하는 신뢰신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터만 회귀분석에 사용 함으로써 추론되는 회귀선의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 상기 검사용 기판으로 주사하는 검사광을 상기 신뢰파장을 갖는 광으로 형성하여 상기 회귀선을 이용하여 추론하는 검사대상 패턴에 관한 패턴특성값의 신뢰도를 향상한다. 상기 노광공정에 의한 포토레지스트 패턴의 선폭을 검사하는 공정의 경우, 상기 상관계수의 허용범위는 0.8 이상이면 만족할만한 검사결과를 제공한다. 그러나, 상기 상관계수의 허용범위는 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성, 검사공정에서 요구되는 검사 정확도 및 검사공정의 수행환경 등에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
상기 함수생성 유닛(520)은 상기 신뢰신호군에 포함된 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성군에 포함된 다수의 기준용 패턴특성 데이터(본 실시예의 경우 선폭측정 값)를 두 변수로 설정하여 회귀분석을 수행한다.
이하에서는, 표 2에 나타난 측정 데이터를 참조하여 상기 기준광이 435nm의 파장을 갖는 경우 기준용 광신호 데이터와 선폭 측정값 사이의 선형 회귀분석을 수행한다. 그러나, 상기 435nm의 파장에 대응하는 광신호군은 임의로 선택된 것이며, 상기 신뢰신호군은 모두 선형회귀분석을 하여 통계적 추론함수를 형성할 수 있음은 자명하다.
상기 상관성 분석은 서로 독립적인 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 선폭 측정값 사이의 상관성을 분석하는 것이지만, 상기 회귀분석은 변량들간의 함수적인 관련성을 추정하기 위하여 수학적 모형을 가정하고 관측자료로부터 이 모형을 추정하는 통계분석이다. 따라서, 회귀분석은 종속변수와 독립변수 사이의 추정된 함수관계를 제공한다.
도 5는 기준광이 435nm인 경우의 기준용 광신호 데이터와 선폭 측정값 사이의 선형회귀선을 나타내는 그래프이다. 그래프에서 가로축은 선폭을 나타내며 세로축은 기준용 광신호 데이터를 나타내며, 최소제곱법을 이용하여 선형회귀분석을 수행한 결과이다.
최소제곱법은 상기 수학적 모형을 1차함수로 가정하고, 통계적 방법을 이용하여 오차의 제곱합이 최소가 되도록 가정된 상기 1차함수의 기울기와 절편을 추정하는 방법이다.
즉 수학적 모형을 
로 가정하면 아래 식 (2) 및 식 (3)과 같이 통계적으로 추정된다.
여기서, 변수 x 및 는 기준용 광신호 데이터 및 이들의 평균값을 의미하며, 변수 y 및 는 기준패턴의 선폭 및 이들의 평균값을 의미한다. n은 데이터의 개수로서 본 실시예의 경우는 24이다. y는 독립변수 또는 예측변수를 의미하며, x는 종속변수 또는 준거변수를 의미한다. 따라서, 광을 조사하여 검출된 광신호 데이터는 종속변수 또는 준거변수로 기능하며, 선폭이나 두께 등과 같은 패턴의 패턴특성은 독립변수 또는 예측변수로 기능한다.
표 2에 주어진 측정 데이터와 상기 식 (2) 및 식 (3)을 이용하여 선형회귀선 을 추정하면 도 5에 나타난 바와 같은 1차함수를 얻을 수 있으며, 이때 회귀선의 신뢰도를 결정하는 결정계수(coefficient of determination)는 0.917을 보이고 있다. 상기 결정계수는 이산적으로 분포하는 각 데이터가 상기 선형회귀선으로부터 떨어진 정도를 나타내는 수치로서 상기 피어선 상관계수의 제곱과 같다. 따라서, 상기 결정계수는 항상 0과 1사이의 실수값으로 표현되며, 상기 결정계수의 값이 클수록 회귀선의 신뢰도가 높아진다.
검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성을 고려하여 적당한 결정계수를 갖도록 상술한 바와 같이 회귀선을 추정하면, 검사목적에 부합하는 회귀선을 얻을 수 있다. 일실시예로서, 상기 결정계수는 0.6 이상의 범위에서 검사대상 공정의 특성을 고려하여 결정한다. 이하에서는, 허용할 수 있는 결정계수를 갖도록 상기 회귀분석에 의해 추론된 회귀식을 통계적 추론함수라 한다.
따라서, 상기 함수 생성유닛(520)에서는 허용 상관계수를 갖는 광신호 데이터와 패턴 특성 데이터에 대하여 회귀분석을 수행하여 허용가능한 결정계수를 갖는 통계적 추론함수를 구한다.
상기 중앙처리부(500)는 상기 검사용 광신호 데이터와 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴 특성값을 추론하는 추론유닛(530) 및 상기 추론된 패턴 특성값이 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 판단하는 판단유닛(540)을 포함한다. 상기 광검출부에서 생성된 검사용 광신호 데이터는 상기 중앙처리부 내의 버퍼(510)에 임시로 저장된다. 상기 추론유닛(530)은 상기 함수생성 유닛(520)에서 생성된 통계적 추론함수와 상기 버퍼(510)에 저장된 상기 검사용 광신 호 데이터를 전송받아 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴특성값을 추론한다. 즉, 상기 통계적 추론함수에 근거하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴 특성값을 추론한다. 이어서, 상기 추론된 선폭이 소정의 공정오차 범위에 포함되는지 여부를 상기 판단유닛(540)에서 판단한다. 상기 추정선폭이 공정오차 범위를 벗어나며 불량패턴으로 결정한다.
본 실시예에서는 상기 기준용 광신호 데이터와 관련하여 상기 포토레지스트 패턴의 선폭만을 대비하여 상관성 분석 및 회귀분석을 수행하였지만, 상기 포토레지스트 패턴의 두께도 고려하여 상관성 분석 및 회귀분석을 수행할 수 있음은 자명하다. 즉, 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 포토레지스트의 선폭 및 두께와의 상관관계를 분석하여 상기 통계적 추론함수를 생성할 수 있다. 상기 상관성 분석은 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 선폭 및 두께 사이의 관계를 나타내는 상간계수 벡터에 의해 정량화 될 수 있으며, 상기 회귀선은 상기 기준 패턴의 폭 및 두께를 예측변수로 하고 상기 검사용 광신호 데이터를 준거변수로 하는 중다회귀선으로 추정된다. 일실시예로서, 상기 중다회귀선의 결정계수는 0.8 이상으로 설정한다. 그러나, 이는 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성과 검사 정확도에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
상기 스테이지(100), 상기 조광부(200), 광검출부(300), 저장부(400) 및 중앙처리부(500)는 상기 제어부(600)에 의해 서로 유기적으로 기능함으로써 기판 패턴 검사장치를 구성한다. 바람직하게는, 상기 판단유닛(540)의 결과를 시각적으로 표시하기 위한 표시부(700)를 더 포함할 수 있다. 일실시예로서, 상기 표시부는 컴 퓨터용 모니터를 포함한다.
상기 판단유닛(540)의 결과는 상기 제어부(600)에 의해 제어되어 상기 표시부(700)에 디스플레이 된다. 따라서, 작업자가 검사대상 패턴의 불량여부를 쉽게 확인할 수 있도록 한다. 만약, 상기 판단유닛(540)에 의해 상기 검사대상 패턴이 불량패턴으로 판단되면, 상기 제어부(600)는 상기 중앙처리부(500)의 버퍼(510)에 저장된 상기 검사용 광신호 데이터를 상기 저장부(400)의 제1 저장부(410)로 전송한다. 또한, 상기 스테이지(100)의 지지유닛(110)에 고정된 상기 검사용 기판(W)의 위치를 이동하여 선폭을 실측한다. 상기 제어부(600)로부터 신호를 전송받은 상기 스테이지(100)의 구동 드라이버(130)는 상기 구동유닛(120)을 3차원적으로 이동시킨 후 소정의 이송수단(미도시)을 구동하여 상기 검사용 기판(W)을 선폭 실측 룸(미도시)으로 이송한다. 상기 검사용 기판(W)에 대한 실측 선폭은 상기 제어부(700)에 의해 상기 저장부(400)의 제2 저장부(420)로 저장된다.
따라서, 검사공정이 진행될수록 상기 광신호군 및 패턴특성군의 데이터가 축적되어 상기 광신호군 및 패턴특성군에 기초하여 생성된 통계적 추론함수의 신뢰성을 높인다. 정상패턴으로 판단된 검사대상 패턴에 대해서도 마찬가지로 실측 선폭 및 검사용 광신호 데이터를 상기 저장부(400)로 저장할 수 있음은 자명하다. 그러나, 이는 신뢰성 있는 통계적 추론함수를 생성하기 위한 것이며, 충분한 크기를 갖는 모집단이 이루어졌다면 정상패턴에 대한 실측 선폭 및 검사용 광신호 데이터는 저장부(400)로 반드시 저장되어야 하는 것은 아니다.
이하에서, 상기 기판 패턴 검사장치를 이용한 패턴의 검사방법에 대하여 설 명한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시에에 의한 기판 패턴의 검사방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 검사대상 패턴을 검사하기 위하여 먼저 다수의 기준용 기판 상에 형성된 기준패턴을 대상으로 통계적 추론함수를 생성한다(단계 S10).
도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 통계적 추론함수를 생성하기 위해 먼저 기준용 광신호 데이터로 구성되는 다수의 광신호군을 형성한다(단계 S101). 상기 광신호군을 형성하기 위해 검사대상 패턴을 형성하는 공정이 완료된 다수의 기준용 기판을 준비한다. 상기 기준용 기판은 가능한 공정변경의 범위를 모두 포함할 수 있도록 준비한다.
이어서, 준비된 다수의 기준용 기판에 대해 반사도 측정장치 또는 분광기 등과 같은 조명 및 광검출 시스템을 이용하여 상기 기준용 기판 상에 형성된 기준패턴에 대한 다수의 기준용 광신호 데이터를 생성한다. 또한, 주사전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)과 같은 측정장치를 이용하여 선폭이나 두께 등과 같은 기준패턴의 패턴특성을 직접 측정하여 다수의 기준용 패턴특성 데이터를 생성한다.
상기 다수의 기준용 광신호 데이터는 상기 기준광의 파장에 따라 다수의 광신호군으로 분류되어 상기 저장부(400)의 제1 저장부(410)에 저장된다. 일실시예로서, 스펙트로스코픽 엘렙소메타를 이용하여 상기 기준용 기판의 표면으로 편광을 공급한 후, 상기 기준패턴으로부터 반사되는 반사광을 검출하여 수직 및 수평성분으로 분해한다. 이어서, 상기 수직 및 수평성분의 세기비율(intensity ratio)에 관한 탄젠트값을 상기 기준용 광신호 데이터로 저장한다. 다른 실시예로서, 레이저 광을 조사한 후 반사되는 반사광의 세기를 검출하여 상기 기준용 광신호의 데이터로 저장할 수도 있다. 상기 기준용 광신호 데이터는 패턴 두께를 측정할 수 있는 종래의 광학적 방법을 이용하여 생성할 수 있음은 자명하다. 상기 광신호군은 동일한 파장을 갖는 기준광을 상기 다수의 기준용 기판으로 각각 주사하여 생성한 다수의 기준용 광신호 데이터를 포함한다. 따라서, 상기 광신호군은 상기 기준광의 파장과 일대일 대응하도록 형성된다.
마찬가지로, 상기 각 기준용 패턴특성 데이터를 구비하는 하나의 패턴 특성군을 생성하여 상기 저장부(400)의 제2 저장부(420)에 저장한다(단계 S102).
이어서, 상기 각 광신호군에 포함된 기준용 광신호 데이터와 상기 기준용 패턴특성 데이터 사이에 상기 상관성 분석기(421)에서 상관성 분석을 수행한다 (단계 S103). 상기 상관성 분석(correlation analysis)은 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 기준용 패턴특성 데이처 사이의 상호 관련성을 상관계수(correlation coefficient)에 의해 정량적으로 표현한다. 일실시예로서, 상기 상관계수로서 피어선 상관계수(Pearson's correlation coefficient, r)를 이용한다. 상기 상관계수는 -1과 1 사이의 값을 가지며 절대값이 1에 가까울수록 두 변수 사이에 비례관계가 성립하는 것이며, 0에 가까울수록 비례관계가 성립하지 않는다. 음수이면 역비례관계이며, 양수이면 정비례관계를 갖는다.
허용가능한 상관계수를 갖는 광신호군을 신뢰신호군으로 선택하고, 상기 신뢰신호군에 포함된 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 기준용 패턴특성 데이터를 이용하여 상기 함수생성 유닛(420)에서 회귀분석을 수행한다(단계 S104). 일실시예로서, 최소제곱법을 이용한 선형회귀분석을 수행하여 1차함수로 표현되는 회귀식을 추정한다. 이때, 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성, 검사대상 패턴의 특성, 검사공정의 정밀도 기타 검사공정의 환경 등을 고려하여 적절한 범위의 결정계수를 선택한다. 일실시예로서, 상기 노광공정의 포토레지스트 패턴에 대한 검사공정은 결정계수가 0.6 이상이면 신뢰할 수 있는 검사결과를 제공한다.
따라서, 상기 함수 생성유닛(520)은 상기 신뢰신호군에 포함되는 다수의 광신호 데이터만 회귀분석에 이용함으로써 신뢰성 있는 통계적 추론함수를 생성한다.
본 실시예에서는 상기 기준용 광신호 데이터와 관련하여 기준패턴의 1가지 패턴특성만을 대비하여 상관성 분석 및 회귀분석을 수행하였지만, 2가지 이상의 패턴특성을 고려하여 상관성 분석 및 회귀분석을 수행할 수 있음은 자명하다. 즉, 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 기준패턴의 선폭 및 두께와의 상관관계를 분석하여 상기 통계적 추론함수를 생성할 수도 있다. 상기 상관성 분석은 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 선폭 및 두께 사이의 관계를 나타내는 상관계수 벡터에 의해 정량화 될 수 있으며, 상기 회귀선은 상기 기준 패턴의 폭 및 두께를 예측변수로 하고 상기 검사용 광신호 데이터를 준거변수로 하는 중다회귀선으로 추정된다. 일실시예로서, 상기 중다회귀선의 결정계수는 0.8 이상으로 설정한다. 그러나, 이는 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성과 검사 정확도에 따라 달라질 수 있음은 자 명하다.
검사대상 패턴이 형성된 검사용 기판(W)을 상기 스테이지(100)의 지지유닛(110)에 고정한 후, 상기 기판의 표면으로 검사광을 조사하고(단계 S20), 상기검사대상 패턴으로부터 반사되는 검사용 반사광을 검출하여 검사용 광신호 데이터를 생성한다(단계 S30).
상기 검사용 광신호 데이터는 상기 기준용 광신호 데이터와 대응하여 결정한다. 일실시예로서, 스펙트로스코픽 엘렙소메타를 이용하여 상기 검사용 기판의 표면으로 상기 신뢰파장을 갖는 편광을 상기 검사용 기판의 표면으로 주사한 후, 상기 검사대상 패턴으로부터 반사되는 반사광을 검출하여 수직 및 수평성분으로 분해한다. 이어서, 상기 수직 및 수평성분의 세기비율(intensity ratio)에 관한 탄젠트 값을 상기 검사용 광신호 데이터로 상기 중앙처리부(500)의 버퍼(510)에 저장한다. 상기 수직 및 수평성분의 위상차에 관한 코사인 값을 상기 검사용 광신호 데이터로 저장할 수 있음은 자명하다. 다른 실시예로서, 상기 신뢰파장을 갖는 자외선 또는 극자외선을 상기 검사용 기판의 표면으로 주사한 후, 상기 검사대상 패턴으로부터 반사되는 반사광의 세기를 검출하여 상기 중앙처리부(500)의 버퍼(510)에 저장한다.
이어서, 상기 함수생성 유닛(520)에서 생성된 통계적 추론함수와 상기 버퍼(510)에 저장된 상기 검사용 광신호 데이터은 상기 중앙처리부(500)의 추론유닛(530)으로 전송되고, 상기 추론유닛은 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴 특성값을 추론한다(단계 S40). 일실시예로서, 상기 통계적 추론함수가 패턴의 선폭과 광신호 데이터의 1차함수로 주어진다면, 상기 1차함수에 상기 검사용 광신호 데이터를 삽입하여 검사대상 패턴에 대한 선폭을 추정한다. 이어서, 상기 추정된 패턴특성이 소정의 공정오차 범위에 포함되는지 여부를 상기 판단유닛(540)에서 판단한다(단계 S50). 상기 추정 패턴특성이 공정오차 범위를 벗어나면 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴특성을 SEM 장비와 같은 측정수단을 이용하여 실제로 측정한다(단계 S70). 실측된 패턴 특성값이 허용 오차범위에 포함된다면, 상기 검사대상 패턴은 양호한 패턴으로 표시부(700)에 표시하고(단계 S1000), 여전히 허용 오차범위를 벗어난다면 불량패턴으로 표시부(700)에 디스플레이 한다(단계 S1100).
이때, 상기 제어부(600)는 상기 검사용 광신호 데이터 및 실측된 패턴특성값을 상기 저장부(400)의 제1 및 제2 저장부(410, 420)에 저장하여, 상기 광신호군 및 패턴특성군의 데이터 크기를 변경한다(단계 S91). 이후, 변경된 광신호군에 포함된 광신호 데이터 및 변경된 패턴특성군에 포함된 패턴 특성 데이터를 이용하여 상술한 바와 같은 방법으로 새로운 통계적 추론함수를 재생성한다. 이후의 검사공정에서는 상기 재생성된 통계적 추론함수를 이용함으로써 추론의 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 추정 패턴특성이 공정오차 범위에 포함되면, 검사대상 패턴은 불량을 포함하고 있지 않은 것이므로 양호한 패턴으로 표시부(700)에 디스플레이 하고(단계 S1000) 패턴 검사공정을 종료한다. 선택적으로, 상기 제어부(600)는 상기 중앙처리부(500)의 버퍼(510)에 저장된 상기 검사용 광신호 데이터를 상기 제1 저장부 (410)에 저장하고, 상기 검사대상 패턴의 패턴특성을 실측하여 상기 제2 저장부(420)에 저장하여 상기 광신호군 및 패턴특성군을 변경할 수도 있다(단계 S90). 만약, 상기 광신호군 및 패턴특성군이 변경되었다면, 변경된 광신호군에 포함된 광신호 데이터 및 변경된 패턴 특성군에 포함된 패턴 특성 데이터를 이용하여 상술한 바와 같은 방법으로 새로운 통계적 추론함수를 생성한다. 이후의 검사공정에서는 상기 갱신된 통계적 추론함수를 이용함으로써 추론의 신뢰성을 높일 수 있다.
따라서, 기판에 형성된 패턴불량을 검사하기 위해 기존의 통계적 데이터를 이용하므로 각 패턴마다 정확한 측정을 수행하였던 종래의 검사방법과 비교하여 검사속도를 현저하게 향상할 수 있다. 또한, 각 패턴에 대한 물리적 측정을 요구하지 않으므로 다양한 패턴을 검사할 수 있다.
본 발명에 의하면, 통계적 추론함수와 검사대상 패턴에 관한 광신호 데이터를 이용하여 상기 검사대상 패턴의 패턴 특성을 추론하고 상기 추론된 패턴특성과 오차범위를 비교하여 패턴의 불량여부를 판정한다. 따라서, 작은 비용으로 신속하게 패턴검사 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기 형성된 광신호군 및 패턴특성군의 기준용 광신호 데이터 및 기준용 패턴특성 데이터에 각 검사공정에서 측정된 검사용 광신호 데이터 및 실측 패턴 특성값을 추가하여 상기 광신호군 및 패턴 특성군을 개선할 수 있다. 따라서, 검사공정이 진행될수록 상기 통계적 추론함수의 변량수가 증가하여 검사의 신뢰도가 증가한다. 이에 따라, 검사 대상 패턴의 패턴특성에 대한 정확한 측정이 이루어지지 않더라도 패턴불량을 정확하게 판단 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 광신호군 및 패턴특성군을 실험적으로 누적하여 사용하므로 광신호의 모델링을 위한 별도의 고비용 서버가 필요하지 않으며, 통계적 처리기법을 이용하므로 고속 측정이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 종래의 패턴검사공정이 갖는 치명적 결함인 처리량의 한계를 쉽게 극복할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (31)
- 다수의 기준용 기판 상에 형성된 각 기준패턴에 대응하는 다수의 기준용 광신호 데이터를 구비하며 상기 기준용 기판으로 공급되는 기준광의 파장별로 구별되는 다수의 광신호군과 상기 각 기준패턴에 관한 패턴특성 데이터를 구비하는 패턴 특성군을 생성하는 단계;상기 다수의 광신호군으로부터 선택된 광신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성군에 포함되는 다수의 패턴특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하는 단계;검사대상 패턴이 형성된 검사용 기판 상으로 검사광을 조사하는 단계;상기 검사대상 패턴으로부터 반사되는 검사용 반사광을 검출하여 검사용 광신호(inspection light signal) 데이터를 생성하는 단계;상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴특성 값을 추론하는 단계; 및상기 추론된 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제1항에 있어서, 상기 추론함수를 생성하는 단계는,상기 각 광신호군에 포함된 상기 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 기준용 패턴특성 데이터 사이에 상관성 분석을 반복적으로 수행하여 상기 광신호군마다 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성 데이터 사이의 상관성을 구하는 단계; 및허용 가능한 상관성을 갖는 상기 광신호군 및 이에 대응하는 기준광의 파장을 각각 신뢰 신호군 및 신뢰 파장으로 설정하고, 상기 신뢰 신호군에 포함되는 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 다수의 패턴특성 데이터 사이에 회귀선을 추정하는 단계를 포함하며, 상기 검사광은 상기 신뢰파장을 갖는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제2항에 있어서, 상기 기준광 및 검사광은 자외선 광 또는 극자외선 광을 포함하며, 상기 기준용 또는 검사용 광신호 데이터는 상기 기준용 또는 검사용 기판으로부터 반사되는 반사광의 세기(intensity)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제2항에 있어서, 상기 기준광 및 검사광은 상기 기준패턴 및 검사대상 패턴에 대하여 경사지게 입사되는 편광을 포함하며, 상기 기준용 및 검사용 광신호 데이터는 상기 편광의 수직 및 수평성분 사이의 세기 비율(intensity ratio)에 대한 탄젠트(tangent) 값 또는 위상차(phase difference)에 관한 코사인(cosine) 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제2항에 있어서, 상기 기준용 광신호 데이터와 기준용 패턴특성 데이터 사이 의 상관성은 피어선 상관계수(pearson's correlation coefficient, r)에 의해 정량적으로 표현되는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제5항에 있어서, 상기 허용 가능한 상관성은 상기 피어선 상관계수의 절대값이 0.9 이상의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제2항에 있어서, 상기 패턴특성 데이터는 전자 주사 현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 측정되는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제1항에 있어서, 상기 패턴특성 데이터는 상기 기준패턴의 폭(width) 또는 두께(thickness)인 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제8항에 있어서, 상기 회귀선은 상기 폭 또는 두께를 예측변수(predictor)로 하고 상기 검사용 광신호를 준거변수(criterion)로 하는 단순회귀선인 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제9항에 있어서, 상기 단순회귀선의 결정계수(determination coefficient, r2)는 상기 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성에 따라 결정되며, 0.6 이상의 범 위를 갖는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기준용 패턴특성 데이터는 상기 패턴의 폭(line width) 및 두께(thickness)인 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제11항에 있어서, 상기 회귀선은 상기 폭 및 두께를 예측변수(predictor)로 하고 상기 검사용 광신호를 준거변수(criterion)로 하는 중다회귀선인 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제12항에 있어서, 상기 중다회귀선의 중다결정계수(multiple determination coefficient, r2)는 상기 검사대상 패턴을 형성하는 공정의 특성에 따라 결정되며, 0.8 이상의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제1항에 있어서, 상기 검사대상 패턴에 대한 추론 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되지 않으면, 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴특성을 직접 측정하여 실측 패턴특성 값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제14항에 있어서, 상기 실측 패튼 특성값은 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하 여 구하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제14항에 있어서, 상기 검사용 광신호 및 상기 실측 패턴 특성값을 상기 광신호군 및 패턴 특성군에 각각 추가하여 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군을 형성하는 단계; 및상기 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군 사이에 통계적 추론함수를 재생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 제1항에 있어서, 상기 검사대상 패턴에 대한 패턴특성을 직접 측정하여 실측 패턴특성 값을 구하는 단계;상기 검사용 광신호 데이터 및 상기 실측 패턴 특성값을 상기 광신호군 및 패턴 특성군에 각각 추가하여 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군을 형성하는 단계; 및상기 변경된 광신호군 및 변경된 패턴 특성군 사이에 통계적 추론함수를 재생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 패턴 검사방법.
- 검사대상 패턴을 구비하는 검사용 기판을 지지하는 스테이지;상기 검사용 기판의 표면으로 검사광을 조사하는 조광부;상기 검사용 기판의 표면으로부터 반사한 반사광을 검출하여 상기 검사대상 패턴에 관한 검사용 광신호 데이터를 생성하는 광검출부;다수의 기준용 기판에 형성된 각 기준패턴에 대응하는 다수의 기준용 광신호 데이터 및 상기 각 기준패턴에 관하여 측정된 패턴특성 데이터를 통계적으로 가공하여 상기 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하고, 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 검사대상 패턴에 대한 패턴 특성값을 추론하여 불량여부를 판정하는 중앙처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 스테이지는 상기 검사대상 기판을 지지하는 지지유닛, 상기 지지유닛을 구동시키기 위한 구동유닛 및 상기 구동유닛을 제어하기 위한 구동 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 조광부는 광을 생성하는 광원 및 상기 광원에서 발생한 광을 슬릿(slit) 광으로 형성하기 위한 스플리터(splitter)를 포함하며, 상기 광검출부는 상기 기판의 표면으로부터 반사하는 반사광을 검출하기 위한 검출렌즈 및 상기 검출렌즈를 경유한 반사광으로부터 상기 검사용 광신호 데이터를 생성하기 위한 검출유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제20항에 있어서, 상기 광원은 불화 크립톤(KrF) 엑시머 레이저 광원, 불화 아르곤(ArF) 액시머 레이저 광원, 불소(F2) 엑시머 레이저 광원 또는 아르곤(Ar) 레 이저 광원 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제21항에 있어서, 상기 광은 자외선 또는 극자외선이며 상기 검출유닛은 상기 반사광의 세기(intensity)를 측정하기 위한 CCD(charge coupled device) 센서이며, 상기 검사용 광신호 데이터는 상기 반사광의 세기인 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 조광부는 광을 생성하는 광원 및 상기 광원에서 발생한 광을 편광으로 형성하기 위한 편광기를 포함하며, 상기 광검출부는 상기 검사용 기판의 표면으로부터 반사하는 반사광을 검출하기 위한 검출렌즈, 상기 검출렌즈를 경유한 광을 수평 및 수직 편광성분으로 분해하는 성분분해 유닛 및 상기 수평 및 수직 편광 성분의 세기비율(intensity ratio) 또는 위상차(phase difference)를 계산하기 위한 검출유닛을 포함하며, 상기 검사용 광신호 데이터는 상기 세기비율의 탄젠트 값 또는 상기 위상차의 코사인 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 중앙처리부는 상기 광검출부로부터 생성된 검사용 광신호 데이터를 저장하기 위한 버퍼, 상기 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 다수의 패턴특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하기 위한 함수 생성유닛, 상기 통계적 추론함수를 이용하여 상기 검사용 광신호 데이터로부터 상기 검사대상 패턴에 관한 패턴특성 값을 추론하는 추론유닛 및 상기 추론된 패턴특성 값이 허용 오차범위에 포함되는지 여부를 판단하는 판단유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제24항에 있어서, 상기 다수의 기준용 광신호 데이터를 상기 각 기준용 기판으로 공급된 기준광의 파장을 따라 분류한 다수의 광신호군을 저장하는 제1 저장유닛 및 상기 각 기준패턴의 패턴특성을 측정하여 구한 다수의 기준용 패턴특성 데이터를 구비하는 패턴특성군을 저장하는 제2 저장유닛을 구비하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제25항에 있어서, 상기 함수 생성유닛은 상기 제1 저장유닛으로부터 전송된 각 광신호군에 포함된 다수이 기준용 광신호 데이터와 상기 제2 저장유닛으로부터 전송된 다수의 기준용 패턴특성 데이터 사이에 상관성 분석을 하여 상기 각 광신호군 별로 다수의 상관계수(correlation coefficient)를 생성하는 상관성 분석기를 더 포함하며, 허용 가능한 상관계수를 갖는 광신호군에 포함된 다수의 기준용 광신호 데이터와 상기 패턴특성군에 포함된 패턴 특성 데이터 사이의 통계적 추론함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제25항에 있어서, 상기 허용 오차범위를 벗어나는 추론 패턴특성 값을 갖는 불량패턴에 관한 검사용 광신호 데이터를 상기 제1 저장유닛으로 전송하고, 상기 불량패턴을 측정한 측정 패턴특성 데이터를 상기 제2 저장유닛으로 전송하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 패턴특성 데이터는 기판 상에 형성된 패턴의 폭 또는 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제28항에 있어서, 상기 통계적 추론함수는 상기 기준 패턴의 폭 또는 두께를 예측변수로 하고 상기 검사용 광신호 데이터를 준거변수로 하는 단순회귀선을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제28항에 있어서, 상기 통계적 추론함수는 상기 기준 패턴의 폭 및 두께를 예측변수로 하고 상기 검사용 광신호 데이터를 준거변수로 하는 중다회귀선을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
- 제18항에 있어서, 상기 판단유닛의 결과를 시각적으로 표시하기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 패턴 검사장치.
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