KR20080073179A

KR20080073179A - 다층구조체의 결함검사장치

Info

Publication number: KR20080073179A
Application number: KR1020070011864A
Authority: KR
Inventors: 김의석; 이정우; 정윤진; 이성진; 안성민; 강성욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-08-08
Also published as: CN101241165B; CN101241165A

Abstract

결함의 검사감도를 높이면서도 검사를 빠르게 수행할 수 있도록 한 다층구조체의 결함검사장치를 개시한다. 이 결함검사장치는 검사대상인 다층구조체로 X선을 방사하며 X선의 반사조건을 만족시키는 X선 방사장치와, 다층구조체의 결함으로 인하여 다층구조체를 투과한 형광 X선을 검출하는 검출센서를 포함한다.

Description

다층구조체의 결함검사장치{APPARATUS FOR INSPECTING DEFECTS OF MULTILAYER OBJECTIVE}

도 1은 본 발명에 따른 다층구조체 결함검사장치의 구성도이다.

도 2는 도 1의 X선 조사장치로부터 조사된 X선의 반사 및 투과 상태를 나타낸 것이다.

도 3은 다층구조체에 극자외선을 조사할 경우 입사각 변화에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.

도 4는 다층구조체에 짧은 파장의 X선을 조사할 경우 입사각 변화에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: X선 조사장치, 11: X선원,

12,13: 단색화장치, 15c: 형광 X선,

20: 다층구조체, 30: 스테이지,

40: 검출센서.

본 발명은 다층구조체의 결함검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물질을 투과하는 X-ray의 형광현상을 검출하여 결함을 검사하는 다층구조체의 결함검사장치에 관한 것이다.

반도체소자 제조를 위해 쓰이는 마스크나 웨이퍼와 같은 다층구조체의 결함을 검사방법으로는 검사영역으로 레이저광을 조사하여 검사영역으로부터 반사 및 산란되는 광의 감도를 검출하는 방법이 알려져 있다.

미국특허 6,954,266호에 개시된 결함검사장치는 대략 13.5nm 파장의 극자외선(EUV:Extreme Ultra Violet)을 확대광학장치 및 반사경을 이용하여 마스크의 검사영역으로 조사한 후, 검사영역으로부터 반사 및 산란되는 광의 감도를 검출함으로써 내부의 결함 유무를 판정하도록 되어 있다. 즉 마스크의 검사영역에 결함이 있을 경우, 결함에 의해 산란되는 광이 화상검출기에 확대 결상되도록 함으로써 결함을 판정할 수 있게 한 것이다.

이처럼 결함을 검사할 때 미세한 결함을 검출하기 위해서는 검사영역에 조사되는 극자외선의 스폿크기(Spot size)를 작게 하여야 한다. 미세결함을 쉽게 판단하기 위해서는 결함을 포함한 신호와 결함을 포함하지 않는 신호의 차가 커야 하는데, 스폿크기가 작으면 결함에 의하여 검출되는 신호가 상대적으로 커질 수 있기 때문이다.

그러나 이러한 결함검사장치는 미세결함의 검출을 위해 극자외선 스폿크기를 작게 할 경우 검사시간이 오래 걸리는 문제가 있었다. 반대로 극자외선 스폿크기를 크게 할 경우 검사시간을 단축할 수 있지만 검사감도가 낮아질 수 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 결함의 검사감도를 높이면서도 검사를 빠르게 수행할 수 있도록 하는 다층구조체의 결함검사장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층구조체의 결함검사장치는 검사대상인 다층구조체로 X선을 방사하며 상기 X선의 반사조건을 만족시키는 X선 방사장치와, 상기 다층구조체의 결함으로 인하여 상기 다층구조체를 투과한 형광 X선을 검출하는 검출센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 X선 방사장치는 X선원과, 상기 X선원으로부터 방사된 X선 중 검사파장의 X선을 상기 다층구조체로 반사시키며 상기 반사조건을 만족시키는 단색화장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 검출센서는 상기 다층구조체의 상기 X선이 조사되는 면 반대편에 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 다층구조체를 지지하는 스테이지를 더 포함하고, 상기 검출센서는 상기 스테이지에 마련된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 검출센서는 전하결합소자 또는 스펙트로미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 다층구조체의 결함검사장치는 도 1에 도시한 바와 같이, X선을 방사하는 X선 방사장치(10), 검사대상인 다층구조체(20)를 지지하는 스테이지(30), 결함의 검출을 위한 검출센서(40)를 포함한다. 다층구조체(20)는 반도체소자의 제조를 위한 웨이퍼나 마스크처럼 다층박막을 포함하는 검사물체이고, 결함검사장치는 이러한 다층구조체(20)의 박막 내에 존재하는 위상형 결함(Phase defect)을 검출하는 장치이다.

X선 방사장치(10)는 X선(15a)을 방사하는 X선원(11)과, X선원(11)으로부터 방사된 X선(15a)을 다층구조체(20)의 표면으로 반사시키는 단색화장치(12,13)(Monochrometer)를 포함한다. 단색화장치(12,13)는 X선원(11)으로부터 방사되는 X선(15a)으로부터 매우 짧은 검사파장(대략 1.54Å의 파장)의 X선(15b)을 선별하여 다층구조체(20)로 반사시킨다. 도 1의 예는 단색화장치(12,13)가 2개 설치된 것이나, 종래 극자외선의 파장보다 훨씬 짧은 1.54Å 정도의 파장을 가진 X선(15b)을 다층구조체(20)로 선별하여 반사하기 위해서는 2개 이상의 단색화장치가 설치될 수도 있다.

단색화장치(12,13)는 도 2에 도시한 바와 같이, 다층구조체(20)로 조사되는 짧은 파장 X선(15b)의 반사조건(브래그조건:Bragg condition)을 만족하는 입사각(θ)을 구현한다. 즉 X선(15b)의 입사각(θ)은 X선(15b)이 다층구조체(20)의 내부의 결정구조에 의해 반사할 수 있는 조건이 되도록 한다. X선(15b)의 반사를 위한 브래그조건은 sinθ=mλ/2d로 표현된다. 여기서 θ는 X선(15b)의 입사각이고, λ는 입사되는 X선(15b)의 파장이고, d는 다층박막의 층간 거리이다. 따라서 이러한 반 사조건을 만족하는 X선(15b)의 입사각(θ)은 X선의 파장과 다층박막의 형태에 따라 달라질 수 있다.

검출센서(40)는 도 2에 도시한 바와 같이, 다층구조체(20)의 하부에 배치된다. 즉 검출센서(40)는 X선(15b)이 조사되는 면의 반대편에 설치된다. 이는 다층구조체(20) 내부의 결함(21)으로 인하여 다층구조체(20)를 투과하는 형광 X선(15c)을 검출센서(40)가 검출할 수 있도록 한 것이다. 다층구조체(20)에 결함(21)이 존재하면, 결함(21)으로 인해 그 부분의 입사각이 달라진다. 따라서 이 부분에서는 X선(15b)의 반사조건이 만족되지 않으므로 X선(15b)이 반사하지 않고 다층구조체(20)를 투과한다. 투과하는 X선은 다층구조체 내부와 반응하여 원소가 에너지를 흡수하여 들뜨는 현상을 야기함으로써 형광 X선(15c)이 방출되도록 한다. 검출센서(40)는 이러한 형광 X선(15c)을 검출함으로써 결함을 판단할 수 있도록 한다.

검출센서(40)는 도 2에 도시한 바와 같이, 위와 같은 방식으로 결함(21)을 검출할 수 있도록 다층구조체(20)의 검사영역 폭과 대응하는 폭으로 이루어지는 것이 좋다. 이러한 검출센서(40)는 전하결합소자(CCD)나 스펙트로미터(Spectrometer) 등으로 이루어질 수 있다. 검출센서(40)는 다층구조체(20)를 지지하는 스테이지(30)에 의해 지지되는 형태로 설치되거나 별도의 지지수단(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 검출센서(40)에 의해 검출된 신호는 도면에 나타내지는 않았지만 데이터처리수단과 영상처리수단 등에 의해 화상으로 구현됨으로써 다층구조체(20)의 결함(21)을 화면을 통해 확인할 수도 있다.

한편 본 발명처럼 매우 짧은 파장의 X선(15b)을 이용하여 결함을 검출하는 검사장치는 종래의 극자외선을 이용하는 검사장치에 비하여 결함의 검사를 현저히 빠르게 수행할 수 있고 검사감도도 현저히 높일 수 있다. 아래에서는 이러한 원리에 대하여 설명한다.

파장의 길이가 매우 짧은 X선(15b)을 반도체제조용 마스크와 같은 다층구조체(20)로 조사할 경우에는 도 2의 예처럼 입사각(θ)이 매우 작을 때 반사가 생긴다. 즉 위에 언급한 브래그조건이 만족된다. 그리고 이처럼 작은 입사각(θ)으로 조사되는 X선(15b)은 좁고 긴 형태의 스폿(16)(Spot)을 구현한다. 좁고 길이가 긴 스폿(16)은 다층구조체(20)의 검사길이(L) 전체로 X선(15b)을 조사할 수 있으므로 결함(21)의 검출을 빠르게 수행할 수 있도록 한다. 종래의 예와 비교하여 설명하면 다음과 같다.

도 3과 도 4는 수 nm 두께의 박막층을 가진 다층구조체에 각각 극자외선과 X선을 조사할 경우 입사각 변화에 따른 반사율을 나타낸 그래프들이다. 도 3은 13.5nm 파장을 가진 극자외선을 조사한 경우이고, 도 4는 1.54Å 파장을 가진 X선을 조사한 경우이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 종래 극자외선의 경우는 입사각(θ)이 대략 42~48도 영역에서 최대의 반사가 생긴다. 이 범위에서 반사조건이 만족되는 것이다. 그런데 이처럼 입사각(θ)이 크면 검사영역에 조사되는 스폿의 크기가 작아질 수 밖에 없으므로 검사영역 전체의 결함을 검출하는데 많은 시간이 걸린다. 또 미세결함을 검출하기 위해서는 집광수단을 이용하여 스폿크기를 더욱 작게 해야 하므로 결함의 검사시간이 더욱 길어질 수 밖에 없다.

그러나 본 발명에서 이용하는 매우 짧은 파장의 X선(15b)은 도 4에 도시한 바와 같이, 입사각(θ)이 0.5~0.6도 영역에서 반사가 최대가 되는 제1피크(P1)가 생기고, 입사각(θ)이 0.9~0.95도 영역에서 제1피크(P1)보다 작은 정도의 반사가 생기는 제2피크(P2)가 생긴다. 이처럼 짧은 파장의 X선(15b)은 매우 작은 입사각(θ)에서 반사가 생기므로 도 2에 도시한 바와 같이, 검사영역에 조사되는 스폿(16)을 좁게 길게 형성할 수 있다. 즉 스폿(16)이 검사영역 전체길이(L)를 동시에 커버할 수 있다. 실제로 이러한 스폿(16)은 종래 극자외선의 스폿에 비하여 100,000배 정도 크게할 수 있어서 150mm 정도의 길이를 가진 마스크도 커버할 수 있다. 따라서 본 발명의 결함검사장치는 극자외선을 이용하는 종래 결함검출장치보다 결함의 검출을 현저히 빠르게 수행할 수 있다.

또 종래 극자외선은 도 3에 도시한 바와 같이, 반사가 생기는 입사각(θ)의 피크 폭이 대략 6도 범위(42~48도 영역)이다. 이는 6도 정도의 반사범위 내에서 입사각(θ)의 변화가 생기더라도 반사가 가능하므로 미세결함의 경우 검출이 어렵다는 것을 의미한다. 이처럼 극자외선을 이용하면 반사조건이 만족되는 입사각의 범위가 크기 때문에 검출감도가 낮아 미세결함의 경우 검출이 어려울 수 있다.

반면에 짧은 파장의 X선(15b)은 도 4에 도시한 바와 같이, 반사가 생기는 입사각(θ)의 제1피크(P1) 폭이 대략 0.1도 범위(0.5~0.6도 영역)이고, 제2피크(P2)의 폭이 대략 0.05도 범위(0.9~0.95도 영역)이다. 이는 반사조건이 만족되는 입사각(θ)의 범위가 매우 좁기 때문에 그 만큼 결함의 검출감도를 높일 수 있다는 것을 의미한다. 즉 본 발명은 검사영역에 존재하는 미세결함에 의하여 X선(15b)의 입 사각이 미세하게 변하는 경우 반사가 생기지 않고 다층구조체(20)를 투과하게 되고, 투과하는 X선에 의한 형광 X선(15c)을 검출센서(40)가 검출할 수 있기 때문에 종래보다 결함(21)의 검출감도를 현저히 높일 수 있다.

특히 도 4에서 입사각(θ)이 0.9~0.95도 영역인 제2피크(P2)는 제1피크(P1)에 비하여 반사율이 낮기는 하지만 반사범위가 0.05도 정도로 극히 협소하기 때문에 이 범위의 입사각(θ)으로 X선(15b)을 조사한 상태에서 결함 검출을 수행하면 결함의 검출감도를 더욱 높일 수 있다. 이는 종래 극자외선 방식에 비하여 결함의 감출 감도를 대략 100배정도 향상시킬 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조체의 결함검사장치는 검사영역에 조사되는 스폿을 종래보다 크게할 수 있고 결함의 검출감도가 민감한 짧은 파장의 X선을 이용하는 것이고 다층구조체를 투과하는 형광 X선을 검출센서가 검출하는 방식으로 결함을 검사하기 때문에 종래보다 결함의 검사를 현저히 빠르게 수행할 수 있고 검사감도도 현저히 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

검사대상인 다층구조체로 X선을 방사하며 상기 X선의 반사조건을 만족시키는 X선 방사장치와,

상기 다층구조체의 결함으로 인하여 상기 다층구조체를 투과한 형광 X선을 검출하는 검출센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.
제1항에 있어서,

상기 X선 방사장치는 X선원과, 상기 X선원으로부터 방사된 X선 중 검사파장의 X선을 상기 다층구조체로 반사시키며 상기 반사조건을 만족시키는 단색화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.
제1항에 있어서,

상기 검출센서는 상기 다층구조체의 상기 X선이 조사되는 면 반대편에 마련되는 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.
제1항에 있어서,

상기 다층구조체를 지지하는 스테이지를 더 포함하고,

상기 검출센서는 상기 스테이지에 마련된 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.
제1항에 있어서,

상기 검출센서는 전하결합소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.
제1항에 있어서,

상기 검출센서는 스펙트로미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층구조체의 결함검사장치.