KR20080094291A - 패턴 균일도 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주기가 있는 패턴의 CD 균일도 및 위상결함 불균일 정보를 높은 정밀도를 유지하면서 고속으로 검사할 수 있는 패턴 균일도 검사장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 주기적인 패턴을 갖는 시료에 광원을 통해 단파장의 레이저 빔을 조사하고, 상기 시료에 조사된 후 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔의 주파수를 검출기를 통해 검출하여, 검출한 반사 빔의 주파수와 광원에서 출사된 기준 빔의 주파수를 증폭기를 통해 비교한 후 시료에서 반사된 레이저의 진폭과 위상 신호를 측정하여 측정된 레이저의 진폭과 위상 신호 분석으로 상기 시료 패턴의 CD 균일도 및 위상결함 정보를 검사하는 것이다.

Description

패턴 균일도 검사장치{Apparatus for inspecting uniformity of pattern}

도 1은 본 발명에 의한 헤테로다인 편광측정기의 개념도이다.

도 2는 본 발명에 의한 헤테로다인 편광기술의 S/N비를 설명한 도식도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 헤테로다인 기반 패턴 균일도 검사장치의 개념도이다.

도 4A는 SEM으로 측정한 CD 균일도 맵이다.

도 4B는 본 발명의 헤테로다인 편광기술을 기반으로 측정한 CD 균일도 맵이다.

도 4C는 본 발명의 헤테로다인 편광기술을 기반으로 측정한 위상 불균일도 맵이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 시료 20 : 제만 레이저

30 : 편광자 40 : 검출기

50 : 증폭기 60 : 빔 조절기

70 : 광학계 71 : 프리즘

72,73 : 제1 및 제2렌즈 80 : 검사부

본 발명은 패턴 균일도 검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주기가 있는 패턴의 CD 균일도 및 위상결함 불균일 정보를 검사할 수 있는 패턴 균일도 검사장치에 관한 것이다.

일반적으로 패턴 균일도 검사장치는 주기가 있는 패턴(pattern)이 형성되는 시료에 레이저를 조사하고, 그 조사에 의한 상기 시료로부터의 반사광을 검출하여 시료에 형성되는 패턴의 결함을 검사하는 장치이다.

패턴 균일도 검사장치는 패턴과 박막이 다층으로 도포되어 있는 시료와, 백색광을 발생하는 램프 광원부와, 조명광을 평행광으로 만드는 렌즈A와, 시료에서 반사된 빛을 집광하는 렌즈B와, 반사된 빛을 감지하는 제1센서와, 시료를 투과한 빛을 집광하는 렌즈C와, 투과된 빛을 감지하는 제2센서를 포함한다. 상기 제1센서는 시료에 조사된 일부의 빛이 시료 표면에서 반사되어 감지될 때 파장별 반사율을 측정하기 위해 분광기능을 가지는 센서를 사용하며, 상기 제2센서도 제1센서와 마찬가지로 모든 파장별 투과율을 측정하기 위해 분광기능을 가지는 센서를 사용한다.

이러한 패턴 균일도 검사장치는 반도체 제조 공정에서 마스크나 웨이퍼 시료에 형성되는 패턴의 균일도나 이물 결함 등을 검사하는 데에 이용되고 있다.

패턴 균일도 검사장치의 동작을 설명하면, 램프 광원부에서 발생된 백색광은 스테이지에 안치되는 반도체 제조용 재료인 시료에 조사되고, 시료에 조사된 빛의 일부가 시료 표면에서 반사되어 렌즈B를 통해 제1센서에 집광됨으로써 시료의 반사율을 측정하고, 시료를 투과한 빛이 렌즈C를 통해 제2센서에 집광됨으로써 시료의 투과율을 동시에 측정할 수 있으며, 상기 제1 및 제2센서는 분광센서를 적용함으로써 190㎚에서 1000㎚ 파장까지의 투과율/반사율을 측정한다. 일반적으로 관련 기술의 스펙트럼 측정결과는 패턴 시료의 형상에 따른 스펙트럼별 모델링을 통해 패턴 시료의 형상 정보를 얻는데 사용된다. 이러한 기술은 OCD(Optical CD)기술이라고 불리며, 기존의 이미징 기술로 측정하기 어려운 서브 마이크로 사이즈의 패턴에 대한 프로파일(profile) 측정을 스케테로미트리(scatterometry) 원리를 이용하여 구현하는 기술이다. 현존하는 광학 마이크로스코프의 횡분해능 한계로 약 수백nm 이하의 패턴 크기를 갖는 시료에 대해서는 현재 스케테로미트리(scatterometry) 방법이 광학적으로 측정할 수 있는 유일한 방식이며, Scanning Electron Microscope(SEM)이나 Atomic Force Microscope(AFM)에 비해 속도 측면에서 강점을 가지기 때문에 최근 본격적으로 포토마스크(photomask)나 웨이퍼 패턴(wafer pattern) 균일도 검사에 적용되기 시작한 기술이다.

그런데, 이러한 종래 패턴 균일도 검사장치는 투과율과 반사율 스펙트럼 결과를 동시에 측정할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 한 점의 투과 및 반사율을 측정하기 위해 최소 수 초 이상의 오랜 측정시간이 필요하며, 이러한 이유로 6인치의 포토마스크 시료나 300㎜ 웨이퍼 시료 패턴과 같은 넓은 면적을 갖는 시료(대면적 시료)의 균일도 검사에 있어서는 검사속도의 한계 및 광원의 불안정도 등 시스템적 문제 때문에 사용하기에 어려움이 많다. 느린 검사속도는 램프 및 분광센서 사용에 의한 신호 레벨 저하에 의해 발생한다. 일반적으로, 안정도 향상을 위해 주기적으로 램프의 세기를 모니터링함으로써 투과 및 반사율 측정결과에 신호의 파동(fluctuation)을 반영하고 있지만, 지속적인 실시간 모니터링이 아니기 때문에 검사 안정도에 있어서 근본적인 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제만 레이저를 이용한 헤테로다인(heterodyne) 편광기술을 기반으로 주기적인 패턴으로 구성되는 대면적 시료의 균일도를 높은 정밀도를 유지하면서 고속으로 검사할 수 있는 패턴 균일도 검사장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 시료에서 반사된 레이저의 진폭(amplitude)과 위상(phase) 분석을 통해 레이저 파장 이하의 미세형상과 시료에 발생할 수 있는 예상치 않는 위상결함 정보를 고속, 고정밀로 검사할 수 있는 패턴 균일도 검사장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 패턴 균일도 검사장치는 주기적인 패턴을 갖는 시료; 단파장의 레이저 빔을 상기 시료에 조사하는 광원; 상기 시료에 조사되어 반사되는 빔의 주파수를 검출하는 검출기; 상기 검출기에서 검출한 반사 빔의 주파수와 상기 광원에서 출사된 기준 빔의 주파수를 비교하여 상기 시료에서 반사된 레이저의 진폭과 위상 신호를 측정하는 증폭기; 상기 증폭기를 통해 측정된 레이저의 진폭과 위상 신호를 분석하여 상기 시료 패턴의 CD 균일도 및 위상결함 정보를 검사하는 검사부를 포함한다.

또한, 상기 시료는 100㎚ 이하의 크기를 갖는 웨이퍼 주기 패턴 또는 WGP(Wire Grid Polarizer) 패턴을 갖는 대면적 시료이다.

또한, 상기 광원은 서로 수직 편광되어 있고, 주파수가 2.13㎒ 차이가 나는 2개의 레이저 빔을 출사하는 제만 레이저이다.

또한, 상기 검출기는 상기 시료에 조사된 후 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔의 광량을 2.13㎒의 맥놀이 주파수로 검출하는 포토 다이오드이다.

또한, 상기 증폭기는 상기 검출기에서 검출한 2.13㎒의 맥놀이 주파수를 이용하여 상기 제만 레이저와 위상 동기화된 신호만을 추출하여 레이저의 진폭과 위상 신호를 측정한다.

또한, 본 발명의 패턴 균일도 검사장치는 상기 광원에서 출사된 레이저 빔의 스폿 크기를 조절하는 빔 조절기; 상기 빔 조절기에 의해 스폿 크기가 조절된 빔이 상기 시료에 조사되도록 광로를 변환하고 상기 시료에 조사된 후 반사되어 나온 빔의 광로를 안내하는 광학계; 상기 시료에 조사된 후 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔을 투과시켜 상기 검출기에 입사하는 편광자를 더 포함한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 헤테로다인 편광측정기의 개념도이다.

도 1에서, 헤테로다인 편광측정기는 패턴과 박막이 다층으로 도포되어 있는 마스크와 같은 주기 패턴 시료(10)와, 서로 수직 편광되어 있고 주파수 차이가 2.13㎒ 차이가 나는 2개의 빛을 상기 시료(10)에 조사시키는 제만 레이저(20, Zeeman Laser:광원)와, 상기 시료(10)에 조사된 빛이 마스크의 형상정보와 위상결점 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔을 투과시키는 편광자(30, Polarizer)와, 상기 편광자(30)를 통과한 반사 빔의 광량을 검출하는 검출기(40, Photo-diode)와, 상기 검출기(40)에서 검출한 반사 빔의 광량과 상기 제만 레이저(20)에서 조사된 빛의 기준 신호를 비교 증폭하여 제만 레이저(20)와 위상 동기화된 신호만 추출하여 시료(10)에서 반사된 레이저의 진폭(Amplitude)과 위상(Phase) 신호를 동시에 측정하는 증폭기(50, Lock-in amplifier)를 포함한다.

도 1에서 제안한 헤테로다인 편광측정기는 반도체 산업의 리소그래피 마스크 및 반도체 웨이퍼에 전사된 100㎚이하의 주기 패턴 균일도 검사, 그리고 약 100㎚ 크기의 메탈 패턴의 주기적인 배열에 의해 구성되는 광학소자인 WGP(Wire Grid Polarizer) 등 주기적인 패턴으로 구성되는 대면적 시료(10)의 균일도(패턴 크기 균일도 및 박막 두께 균일도 등)를 고속으로 검사할 수 있는 장치이다.

헤테로다인 기술은 서로 수직 편광되어있고 주파수가 각기 다른 빔을 출사하는 제만 레이저(20)를 사용함으로써 도 2에서 알 수 있듯이 라디오 주파수 대역인 약 2㎒ 신호를 다루기 때문에, 램프 및 파워(power), 그 외의 모든 외부 노이즈에 매우 강한 강점을 가지고 있다. 이러한 이유로 기존의 모노다인(monodyne) 방식에 비해 신호 대 잡음 비(S/N비)의 최적화를 달성할 수 있으며, 안정도 있는 정밀한 측정이 가능하다는 강점을 갖는다. 또한, 시료(10)에서 반사된 레이저의 진 폭(Amplitude)과 위상(Phase)을 동시에 측정하여 패턴의 CD 균일도 뿐만 아니라 시료(10)의 위상 시프트(phase shift)를 유발시키는 모든 위상 결함(phase defect) 정보를 동시에 얻을 수 있는 강점도 있다. 이러한 원리를 이용한 2차원 균일도 맵(map)은 측정 대상물인 시료(10)의 point by point 스캐닝에 의하여 얻어진다.

이와 같이, 본 발명은 시료(10)에서 반사된 레이저의 진폭(Amplitude)과 위상(Phase) 분석을 통하여 레이저 파장이하의 미세형상과 시료(10)에 발생할 수 있는 예상치 않는 위상결함 정보를 고속, 고정밀로 측정하는 방법을 구현하게 된다.

이러한 시료(10)의 주기 패턴 균일도를 검사하기 위한 장치의 보다 구체화된 개념도를 도 3에 제시하였으며, 도 1과 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 병기한다.

도 3에서, 본 발명의 헤테로다인 기반 패턴 균일도 검사장치는 패턴과 박막이 다층으로 도포되어 있는 마스크와 같은 주기 패턴 시료(10)와, 서로 수직 편광되어 있고 주파수가 각기 다른 빔을 출사하는 제만 레이저(20)와, 상기 제만 레이저(20)에서 출사된 레이저 빔의 스폿 크기를 조절하기 위한 빔 조절기(60, Iris)와, 상기 빔 조절기(60)에 의해 스폿 크기가 조절된 빔이 시료(10)에 조사되도록 광로를 변환하고 시료(10)에 조사된 후 반사되어 나온 빔의 광로를 안내하는 광학계(70)와, 상기 시료(10)에 조사된 빛이 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔을 투과시키는 편광자(30)와, 상기 편광자(30)를 통과한 반사 빔의 광량을 2.13㎒의 맥놀이 주파수로 검출하는 검출기(40)와, 상기 검출기(40)에서 검출한 반사 빔의 2.13㎒의 맥놀이 주파수와 제만 레이저(20)에서 출 사된 빔의 기준신호 주파수를 비교 증폭하여, 제만 레이저(20)와 위상 동기화된 신호만 추출하여 시료(10)에서 반사된 레이저의 진폭(Amplitude)과 위상(Phase) 신호를 동시에 측정하는 증폭기(50)와, 상기 증폭기(50)를 통해 측정된 레이저의 진폭과 위상 신호를 분석하여 시료(10) 패턴의 CD 균일도 뿐만 아니라 시료(10)의 위상 시프트를 유발시키는 모든 위상결함 정보를 동시에 검사하는 검사부(80)를 포함한다.

상기 제만 레이저(20)는 서로 수직 편광되어 있고 주파수가 2.13㎒ 차이가 나는 단파장(약 632㎚)의 2개 빔을 출사하는 레이저 캐비티(21)와, 상기 레이저 캐비티(21)에서 출사된 빔을 전기적 신호로 변환하여 기준신호 주파수를 상기 증폭기(50)에 전달하는 기준주파수 변환부(22)를 포함한다.

상기 광학계(70)는 빔 조절기(60)에 의해 1차적으로 스폿 크기가 수십 ㎛크기 까지 줄어든 빔이 반사되어 시료(10)에 조사되도록 90도 아래로 빔의 방향을 바꾸고 시료(10)에 조사된 후 반사되어 나온 빔이 다시 반사되어 상기 편광자(30)에 투과되도록 빔의 방향을 바꾸는 프리즘(71)과, 상기 프리즘(71)에서 반사된 빔을 집속하여 상기 시료(10) 면에 레이저 빔의 초점을 맺게 하는 제1렌즈(72)와, 상기 시료(10)에서 반사되어 나온 빛이 다시 렌즈(72)를 통과하고 프리즘(71)에 의해 반사된 빛을 집광하는 제2렌즈(73)를 포함한다.

상기 검사부(80)는 제만 레이저(20)에서 출사되는 빔의 기준신호 주파수 진폭을 모니터링하여 제만 레이저(20)에서 출사되는 빔의 세기를 실시간으로 체크한다.

이하, 상기와 같이 구성된 패턴 균일도 검사장치의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.

제만 레이저(20)에서 출사된 빔은 빔 조절기(60)에 의해 1차적으로 스폿 크기가 조절되어 스폿 직경이 줄어 들며, 스폿 직경이 줄어든 레이저 빔은 프리즘(71)에 의해 반사되어 90도 아래로 방향을 바꾼다. 프리즘(71)에서 반사된 빔은 제1렌즈(72)에 의해서 측정하고자 하는 시료(10) 면에 초점을 맺게 되는데, 이때 레이저 빔의 스폿 크기는 수십 ㎛크기 까지 구현할 수 있다.

상기 시료(10)에 조사된 후 반사되어 나온 빛은 다시 제1렌즈(72)를 통과하고 프리즘(71)에 의해 반사되어 45도로 회전되어 있는 편광자(30)로 입사된다. 상기 편광자(30)로 입사된 빛은 시료(10)에 조사된 빔이 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔으로 편광자(30)를 통과하게 된다.

상기 편광자(30)를 통과한 반사 빔은 2.13㎒의 맥놀이 주파수로 검출기(40)를 통해 검출되고, 검출기(40)에서 검출된 2.13㎒의 맥놀이 주파수는 증폭기(50)로 입력되어 제만 레이저(20)에서 출사된 기준신호 주파수와 비교 증폭된다.

따라서, 상기 증폭기(50)는 제만 레이저(20)와 위상 동기화된 신호만 추출하게 되고, 여기서 시료(10)에서 반사된 레이저의 진폭(Amplitude)과 위상(Phase) 신호를 동시에 측정할 수 있게 된다.

상기 증폭기(50)에서 측정된 레이저의 진폭과 위상 신호는 검사부(80)로 입력되고, 검사부(80)에서는 레이저의 진폭과 위상 분석을 통해 레이저 파장 이하의 미세 형상과 시료(10)에 발생할 수 있는 예상치 않는 위상결함 정보를 고속, 고정 밀로 검사하게 된다.

또한, 상기 검사부(80)는 시간에 따른 레이저 기준 빔의 진폭과 위상 변화량을 실시간으로 모니터링하여 시스템의 검사 안정도를 보상하도록 한다.

도 4는 본 발명에서 제안한 패턴 균일도 검사장치를 이용하여 0.3㎛ CD를 갖는 주기 패턴 시료(10)를 측정한 결과와 동일 시료(10)에 대해 SEM으로 측정한 결과를 비교한 자료이다.

도 4A는 SEM으로 측정한 CD 균일도 맵이고, 도 4B는 본 발명의 헤테로다인 편광기술을 기반으로 측정한 CD 균일도 맵이며, 도 4C는 본 발명의 헤테로다인 편광기술을 기반으로 측정한 위상 불균일도 맵이다. 각 측정 결과를 비교해 본 결과 본 발명에서 제안한 헤테로다인 편광기술 기반의 균일도 검사의 정밀도를 평가할 수 있다. 또한, 본 발명을 통해 얻은 CD 균일도의 2차원 맵은 종래 기술과 비교하여 동일하나, 그 검사속도는 100배 이상 빠르다는 것을 확인하였다.

그리고, 종래 기술이 CD 균일도와 위상 불균일도를 동시에 검사하는 것이 불가능한 것에 비해, 본 발명 추가적인 시간 없이 위상 지연까지 측정할 수 있어 CD 균일도 맵은 물론이고 위상 불균일도 맵까지 동시에 얻을 수 있다는데 차별성이 있다. 다시 말해, 본 발명으로 원하지 않는 박막의 불균일이라던지, 오염물에 대한 정보를 CD 균일도 검사를 수행하면서 동시에 얻어낼 수 있는 것이다. 이러한 특징으로 본 발명은 패턴 검사에 대한 기능뿐만 아니라 불균일 검사에 대한 기능도 동시에 제공함으로써 대면적 시료의 균일도를 보다 정확히 고속으로 검사할 수 있는 큰 강점을 갖는다. 그리고, 추가 기능으로서 빔 조절기(60)를 이용하여 스폿 크기 를 변경할 수 있기 때문에, 다양한 패턴에 대해 보다 유연하게 대응할 수 있는 강점이 있다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 패턴 균일도 검사장치에 의하면, 제만 레이저를 이용한 헤테로다인(heterodyne) 편광기술을 기반으로 주기적인 패턴으로 구성되는 대면적 시료의 균일도를 높은 정밀도를 유지하면서 고속으로 검사할 수 있기 때문에 종래 스펙트럼 검사방법에 비해 100배 이상의 고속 균일도 맵 결과를 얻을 수 있으며 종래 기술이 검사할 수 있는 CD 균일도 맵 이외에 위상 불균일도 맵을 동시에 얻을 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시료에서 반사된 레이저의 진폭(amplitude)과 위상(phase) 분석을 통해 레이저 파장 이하의 미세형상과 시료에 발생할 수 있는 예상치 않는 위상결함 정보를 고속, 고정밀로 검사함으로써 패턴의 CD 균일도 뿐만 아니라 시료의 위상 시프트(phase shift)를 유발시키는 모든 위상 결함 정보를 동시에 검사할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 주기를 가진 패턴의 균일도 검사에 헤테로다인 편광기술을 이용함으로써 S/N 값을 최적화할 수 있으며, 스폿 크기 가변 기능을 통해 검사 패턴 변화에 효율적으로 대응할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 주기적인 패턴을 갖는 시료;

   단파장의 레이저 빔을 상기 시료에 조사하는 광원;

   상기 시료에 조사되어 반사되는 빔의 주파수를 검출하는 검출기;

   상기 검출기에서 검출한 반사 빔의 주파수와 상기 광원에서 출사된 기준 빔의 주파수를 비교하여 상기 시료에서 반사된 레이저의 진폭과 위상 신호를 측정하는 증폭기;

   상기 증폭기를 통해 측정된 레이저의 진폭과 위상 신호를 분석하여 상기 시료 패턴의 CD 균일도 및 위상결함 정보를 검사하는 검사부를

   포함하는 패턴 균일도 검사장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 시료는 100㎚ 이하의 크기를 갖는 웨이퍼 주기 패턴 또는 WGP(Wire Grid Polarizer) 패턴을 갖는 대면적 시료인 패턴 균일도 검사장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광원은 서로 수직 편광되어 있고, 주파수가 2.13㎒ 차이가 나는 2개의 레이저 빔을 출사하는 제만 레이저인 패턴 균일도 검사장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 검출기는 상기 시료에 조사된 후 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔의 광량을 2.13㎒의 맥놀이 주파수로 검출하는 포토 다이오드인 패턴 균일도 검사장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 증폭기는 상기 검출기에서 검출한 2.13㎒의 맥놀이 주파수를 이용하여 상기 제만 레이저와 위상 동기화된 신호만을 추출하여 레이저의 진폭과 위상 신호를 측정하는 패턴 균일도 검사장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광원에서 출사된 레이저 빔의 스폿 크기를 조절하는 빔 조절기;

   상기 빔 조절기에 의해 스폿 크기가 조절된 빔이 상기 시료에 조사되도록 광로를 변환하고 상기 시료에 조사된 후 반사되어 나온 빔의 광로를 안내하는 광학계;

   상기 시료에 조사된 후 마스크의 형상정보와 위상결함 정보에 의해 편광정보가 변화된 반사 빔을 투과시켜 상기 검출기에 입사하는 편광자를 더 포함하는 패턴 균일도 검사장치.

Images