KR20100096199A - 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 광학 시스템 및 방법 - Google Patents

비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 광학 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비-파괴 기법에 의해 비아-홀의 횡단면 프로파일, 깊이, 폭, 기울기, 언더컷, 및 그 밖의 다른 파라미터들 중 하나 이상을 획득하기 위한 새로운 시스템 및 방법을 제공한다. 광학 시스템은, 하나 이상의 광선을 생성하여 이를 하나 이상의 비아-홀을 포함하고 있는 구조의 영역 내의 샘플로 향하도록 하는 조명 시스템을 포함하고; 조명된 영역에서 반사되는 빛의 패턴을 수집하도록 기능하고 구성되는 검출 시스템을 포함하고, 빛 패턴은 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 나타내며; 검출 시스템에 연결되는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은, 패턴이 반사된 비아-홀을 설명하는 파라미터들의 세트를 나타내는 데이터를 포함하는 미리 지정된 이론적 모델을 저장하기 위한 메모리 유틸리티와, 검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 수신 및 분석하고 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성되는 데이터 처리 및 분석 유틸리티를 포함한다.

Description

비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 광학 시스템 및 방법{OPTICAL SYSTEM AND METHOD FOR MEASUREMENT OF ONE OR MORE PARAMETERS OF VIA-HOLES}
본 발명은 측정 기법의 분야에 관한 것으로, 특히, 소위 TSV(Through-Silicon Via)의 파라미터들의 측정을 위한 광학 시스템 및 방법에 관한 것이다.
소형화 및/또는 탑재 신뢰성에 대한 요구를 충족시키기 위하여 반도체 산업에서 집적 회로(IC)에 대한 패키징 기술이 증대된 발전을 이루었다. 웨이퍼가 다이싱(dicing) 되기 전에 IC 패키지의 여러 특징부가 웨이퍼 내에 형성되도록 하는 웨이퍼 레벨 처리(Wafer level processing, WLP) 기법이 발전되어 왔다. 예를 들어, 특정 WLP 기법들이 사용되어 그 밖의 다른 웨이퍼 처리 단계들과 하나가 되게 하는 소자 상호 연결 특징부를 형성함으로써, IC 칩이 다이싱 된 후에 와이어 본딩을 형성해야 할 이유를 피할 수 있다.
일반적으로, 이러한 WLP 기법들은 IC 패키지 제조 공정이 능률화되고 통합될 수 있도록 한다. 더욱이, WLP 기법은 일반적으로 웨이퍼 위의 매트릭스에 배열되는 복수의 IC 칩 상에서 병렬로 수행될 수 있고, 이로써, 여전히 웨이퍼 스테이지에 있는 동안 복수의 IC 칩이 형성되고 시험될 수 있다. 복수의 IC 칩에 걸쳐 병렬로 WLP 기법들을 수행함으로써, IC 패키지 제조 처리량이 증가되고, 이에 따라, IC 패키지를 제작 및 시험하는데 요구되는 총 시간과 비용이 감소된다. 이에 더하여, 웨이퍼 레벨에 특징부(가령, 소자 상호 연결부)를 형성함으로써, IC 패키지의 전체 크기가 축소될 수 있다.
소자 상호 연결부을 형성하는데 이용되는 WLP 기법들 중 하나가 TSV(through silicon via)의 형성과 관계된다. TSV는 일반적으로, 반도체 기판 및/또는 기판 위에 형성되는 다양한 물질 층을 통과해 홀(비아-홀(via-hole))을 생성하고, 그 후 상기 홀에 관통 전극을 형성함으로써 형성된다. 관통 전극은 IC 칩의 내부 특징부(가령, 신호 단자, 데이터 전송 회선, 트랜지스터, 버퍼 등)에 연결될 수 있다. 이에 더하여, 관통 전극은 외부 단자를 거쳐 IC 칩의 외부의 특징부(가령, PCB)에 연결될 수도 있다.
이용 중인 공정의 유형에 따라, 웨이퍼 및 그 밖의 다른 기판에서 물질의 서로 다른 층을 이룬 스택(stack)에 비아-홀이 형성될 수 있다. 이러한 홀은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE)에 기초한 식각 또는 조사(ablation)에 의한 레이저 드릴링에 의해 통상적으로 형성된다. 이온 식각은 물질, 식각 속도, 측벽 기울기, 매끈한 정도, 및 그 밖의 다른 파라미터들에 대해 최적화된 다양한 공정에 의해 수행될 수 있다. 잘 알려진 식각 방법은, 반-등방성(semi-isotropic etching) 식각과 증착을 번갈아 하는 단계들에 기초한 보쉬 방법(Bosch method)이다.
소위 "비아-퍼스트 방식(via-first approach)"에서, 식각 마스크 및 포토 레지스트 및/또는 그 밖의 다른 좀 더 강한 마스크 물질을 이용한 식각에 의해 홀이 실리콘에 먼저 형성된다. 마스크 물질 층은 두꺼운 실리콘 위의 비교적 얇은 층이다. 비아-홀이 레이저-드릴링에 의해 형성되는 경우, 어떠한 식각 마스크 물질도 사용되지 않으며, 홀은 오직 두꺼운 실리콘에서만 형성된다. 비아-홀 직경은 1 마이크론에서 수십 마이크론까지 정률로 증가하는 범위일 수 있고, 깊이-직경 종횡비(aspect-ratio)는 5 이하에서 최대 30 이상일 수 있다. 홀 사이에 구현될 수 있는 최소 피치가, 수직으로 적층된 IC 사이를 전기 신호가 커버해야 하는 거리를 최소화하는데 있어 결정적인 파라미터이다. 최소 피치는 일반적으로 최소 홀 직경의 적은 배수이다.
소위 "비아-라스트 방식(via-last approach)"에서, 웨이퍼 전면의 전도성 물질까지, 실리콘을 관통하여 웨이퍼 후면에 홀이 형성된다. 이러한 경우에서, 비아-퍼스트에서와 같은 실리콘 위의 가능한 식각 마스크 물질에 더하여, 홀의 바닥(즉, 웨이퍼 전면에 가까움)이, 서로 다른, 어쩌면 전도성인 물질(가령, 구리)에서 형성된다. 따라서, 층을 이룬 스택은, 가능한 마스킹 층(masking layer), 실리콘 측벽, 및 전도성 바닥을 포함할 수 있다.
비아-라스트 방식에 있어서 추가적인 선택 사항이, 유전성 절연 물질을 포함하는 웨이퍼 전면 상의 물질의 전체 스택을 통과하는 식각 또는 레이저 드릴링에 기초한다. 홀의 바닥은 실리콘 기판의 깊은 곳에 있다. 이러한 경우, 층을 이룬 스택이 가능한 마스킹 층, 여러 유전 물질의 측벽, 실리콘의 측벽, 및 실리콘의 바닥을 포함할 수 있다. 비아-라스트에서, 홀은 일반적으로 비아-퍼스트에서보다 더 큰 직경과 피치(가령, 수십 마이크론)로 형성되며, 이러한 홀은 웨이퍼의 앞 표면 위에 미리 형성되어 있는 구리 패드의 밑면과 연결되도록 일반적으로 목표된다.
본 발명은, 비-파괴 기법에 의해, 비아-홀(via-holl)의 횡단면 프로파일, 깊이, 폭, 기울기, 언더컷(undercut), 및 그 밖의 다른 파라미터들 중 하나 이상을 획득하기 위한 새로운 광학 시스템 및 방법을 제공한다. 식각 공정 및 그 이후의 코팅 공정을 제어하기 위하여, 비아-홀 프로파일이 결정되어야 한다. 예를 들어, 홀의 깊이를 제어하는 것은 정확한 수직 장소에 도달하는데 있어 결정적이다. 홀의 내부를, 일반적으로 장벽층(barrier layer)으로 효과적으로 코팅하고 그 이후에 상기 홀을 전도성 물질로 채우는 능력은 홀의 기하학적 프로파일에 따라 결정된다.
홀의 횡단면 프로파일을 제어하기 위하여, 물리적으로 파과적인 분열 또는 식각이 일반적으로 수행된다. 그 후 횡단면은 광학-현미경, 주사 전자 현미경(scanning-electron-microscope), 또는 주사 이온 현미경(scanning-ion-microscope)에 의한 이미지화를 위해 노출된다.
본 발명은, 특히, 하나 이상의 광선을 생성하고 이를 하나 이상의 비아-홀을 포함하는 구조의 영역의 샘플을 향하도록 하기 위한 조명 시스템을 포함하는 광학 시스템을 제공함으로써, 상기 구조에서 하나 이상의 비아-홀에 대한 하나 이상의 파라미터를 결정할 수 있도록 한다. 비아-홀에서 반사된 빛이, 검출기를 포함하는 검출 시스템에 의해 수집된다. 검출 시스템은 조명된 영역으로부터 반사되는 빛의 패턴을 수집하도록 기능하고 구성되며, 이러한 빛 패턴은 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 나타낸다. 검출기에 입사하는 반사된 빛의 패턴이 검출 시스템에 연결된 제어 시스템에 의해 분석되고, 홀에 대한 하나 이상의 패턴이 얻어진다. 제어 시스템은, 패턴이 반사된 비아-홀을 설명하는 파라미터들의 세트를 나타내는 데이터를 포함하는 미리 지정된 이론적 모델을 저장하기 위한 메모리 유틸리티를 포함하고, 검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 수신 및 분석하여 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성되는 데이터 처리 및 분석 유틸리티를 포함한다. 단일 홀의 측정에 관한 모든 이하의 설명은, 임의의 장소 또는 반복적인 어레이 구조에 배치되는 다수의 홀에도 적용 가능하다.
일부 실시예에서, 검출 시스템은, 샘플 표면에 대하여 원계 관계(far field relation) 또는 푸리에 관계(Fourier relation)로 위치되는 광 민감성 표면을 포함한다.
샘플로의 입사 광선은 다음의 파라미터 즉, 법선으로부터 입사-선속(incident-beam)의 경사, 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 둥근 바닥(bottom rounding), 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅 등 중에서 일부 또는 전부에 따라, 홀 내에서 서로 다른 반사를 겪는다.
측벽에서 반사된 빛 패턴이 측벽의 모양과 파라미터를 효과적으로 설명하고, 이들의 분석을 가능하게 한다. 예를 들어, 홀의 바닥이 상당한 정도로 둥글게 되어 있는 경우, 바닥으로부터 반사된 광선은, 입사 선속(incident beam)이 샘플의 표면에 수직인 때조차, 측벽을 탐침할 수 있는 2-차원 팬(fan)으로 효과적으로 뻗어 나간다. 홀의 바닥이 본질적으로 평평한 경우, 측벽에 대한 정보를 획득하기 위하여 입사 선속의 제어된 기울기가 요구된다.
일부 실시예에서, 조명 시스템은 복수의 광원을 포함한다. 광원은 서로 다른 입사각으로 샘플 표면에 방출할 수 있고, 검출 시스템은 각을 이루는 서로 다른 위치에 대응하는 복수의 빛 패턴을 수집한다. 복수의 광원 중 둘 이상의 광원이 서로 다른 파장의 광선을 생성할 수 있다.
조명 시스템은 샘플 표면에 대한 입사각을 정하도록 구성된 구경(aperture)과 관련되는 광원을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 조명 시스템은 LED 또는 레이저의 어레이를 포함한다.
조명 시스템은 복수의 광선을 샘플에 포커싱하도록 구성되는 대물 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 어레이는 대물 렌즈의 후-초점면에 위치되며, 상기 후-초점면은 샘플 표면 평면과 푸리에 관계 또는 원계 관계를 갖는다. 상기 어레이는 또한, 샘플 표면 평면과 푸리에 관계 또는 원계 관계를 갖는 평면에 위치될 수도 있다. 상기 어레이는 격자형(grid-like) 패턴으로 배열될 수 있다.
비아-홀의 하나 이상의 파라미터가 이하, 즉, 비아-홀의 기하학적 프로파일, 횡단면 프로파일, 깊이, 폭, 기울기, 언더컷, 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 바닥 둥글게 하기, 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은, 임의의 장소 또는 반복적인 어레이 배열에서의 샘플에 분포되어 있는 다수의 홀의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성된다.
검출 시스템은, 반사된 빛의 패턴을 수집하고 이러한 패턴을 검출기 상에서 이미지화되도록 구성되는 렌즈를 포함할 수 있다.
시스템은 비아-홀을 둘러싸는 영역으로부터 반사된 빛 패턴의 부분을 차단하도록 구성되는 편광자 또는 공간 필터 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 광범위한 형태에 따르면, 하나 이상의 비아-홀에 대한 파라미터를 결정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 파라미터들의 세트를 갖는 하나 이상의 비아-홀의 초기 이론적 프로파일을 나타내는 데이터와, 이론적 프로파일에 기초한 모델 상을 제공하는 단계를 포함하고, 파라미터들의 세트는, 패턴이 반사된 비아-홀을 설명하고, 분석되어야 할 샘플의 상의 형태학적 특성에 기초하며; 하나 이상의 비아-홀을 가지고 있는 샘플의 영역을 조명하는 단계를 포함하고; 상기 영역에서 반사되고, 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 나타내는 빛의 패턴을 수집하는 단계를 포함하고; 검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 모델 상과 비교하고, 샘플에서의 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터와 모델 상 사이의 상관 관계의 정도를 판단하는 단계를 포함하고, 상관 관계의 정도가 지정 범위를 넘어서는 경우, 이러한 상들 간의 차이에 기초하여 파라미터들의 새로운 세트를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 하나 이상의 조명 파라미터를 변화시키는 단계와, 이러한 변화에 대응하는 반사된 빛의 복수의 패턴을 수집하는 단계와, 검출된 빛 패턴을 나타내는 각각의 상 데이터를 대응하는 모델 상과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 조명 파라미터가 이하, 즉, 샘플 표면에 대한 광선의 입사각, 입사 광선의 파장, 입사 광선의 발산 각도, 샘플의 영역을 조명하는 조명원과 샘플 표면 사이의 회전 각도, 입사 광선의 편각으로부터 선택된다.
상기 방법은 샘플 표면에 대한 광선의 입사각을 변화시키는 단계와, 홀의 모양의 형태학(morphology)을 나타내는, 서로 다른 입사각의 함수로서, 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함한다.
그 밖의 다른 실시예에서, 상기 방법은, 입사 광선의 발산 각도를 변화시키는 단계와, 반사된 빛 패턴의 분해능과 비아-홀의 파라미터의 정확성을 변화시키는, 서로 다른 발산 각도의 함수로서, 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함한다.
그 밖의 다른 실시예에서, 상기 방법은, 입사 광선의 파장을 변화시키는 단계와, 벽의 홀의 가리비형(scalloping) 프로파일의 깊이와 피치를 나타내는, 서로 다른 파장의 함수로서, 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함한다.
이론적 프로파일의 파라미터가 이하의 파라미터들, 즉, 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 바닥 둥글게 하기, 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
상기 방법은, 샘플, 광원, 및 광원과 편광자 앞에 위치되는 구경 중 하나 이상을 회전시킴으로써, 샘플 표면의 평면에 대하여 광선의 입사 평면을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 코팅 전후에 측정을 수행함으로써, 그리고 측정 간의 차이를 분석함으로써, 바이-홀에 증착된 코팅층의 두께 분포와 기하학적 프로파일을 특정 짓는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은, 상의 형태학적 특성을 이용하여, 검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 서로 다른 프로파일로 분할하는 단계를 포함한다. 형태학적 특성은 하나 이상의 입사각, 측벽 각도를 나타내는 입사각 주위의 반사각의 협각 퍼짐(spread), 홀의 종횡비를 나타내는 빛의 반사 패턴에서 링의 개수, 바닥이 약간 둥근 것을 나타내는 하이 앵글(high angle)에서의 빛의 반사 패턴의 부분, 표면 거칠기의 표시로서 감소되거나 흐릿한 빛 패턴에 대한 상의 대칭성으로부터 선택된다.
상기 방법은 영역으로부터 산란(scatter)되는 빛의 패턴을 수집하는 단계와, 홀의 모양과 종횡비를 나타내는 산란된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 분석하는 단계를 포함한다.
본 발명을 이해하고 본 발명이 실제에서 어떻게 실현될 수 있는지 볼 수 있도록, 첨부 도면과 관련하여, 오직 제한 없는 예시로서 실시예들이 기술될 것이다.
도 1은 코팅 전(1a)과 후(1b) 비아-홀로부터 광선의 반사를 도식적으로 나타낸다.
도 2a-2b는 본 발명의 광학 시스템의 구성의 두 예시를 도식적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 개시 내용에 따른 측정 분석의 흐름도를 도식적으로 나타낸다.
도 4a-4d는 서로 다른 종횡비를 갖는 원통형 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
도 5a-5c는 서로 다른 측벽 각도를 갖는 원뿔형 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
도 6a-6c는 부분적으로 둥근 바닥을 갖는 원통형 홀을 나타내고, 큰 입사각(약 14-30°의 범위)과 작은 입사각(약 2°)으로 반사되는 광선에 있어서, 상기 부분적으로 둥근 바닥을 갖는 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
도 7a-7f는 서로 다른 둥근 바닥 반경을 갖는 도 7e에서 도시된 마스크 층과 살짝 원뿔형인 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
도 8a-8c는 평평한 바닥의 서로 다른 부분을 갖는 살짝 원뿔형 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
도 9는 가리비형 홀의 전형적인 횡단면을 도식적으로 나타낸다.
도 10은 사각형 개구부와 둥근 바닥을 갖는 홀로부터 반사되는 시뮬레이트된 패턴을 나타낸다.
본 발명의 원리가 홀 프로파일을 분석하는데 어떻게 이용될 수 있는지에 관한 예시를 도시하는 도 1a-1b에 대한 참조가 이루어진다. 이러한 특정 예시에서, 코팅 전(1a)과 후(1b) 비아-홀에서의 광선의 반사가 도시되며, 상기 코팅은 확산-장벽, 절연성 또는 전도성 물질 층(가령, 반-투과성(semi-transparent))을 이용해 이루어질 수 있다. 본 발명은 이러한 코팅 층의 두께와 프로파일 측정을 가능하게 한다. 비-투과성 코팅 층에 있어서, 코팅 단계 전·후에 측정을 수행함으로써, 그리고, 이들 측정 간의 차이를 분석함으로써 상기 코팅 층의 두께 분포가 특징 지어질 수 있다. 투과성 코팅 층에 있어서, 측정 간의 차이를 분석함으로써, 또는 코팅 단계 이후에 단일 측정을 함으로써, 이들 코팅 층의 두께 분포가 위와 유사하게 특징 지어질 수 있다. 특히 복잡한 구조를 이용하는 특정한 경우에서, 선-코팅(pre-coating) 단계로부의 측정 결과가 후-코팅(post-coating) 측정의 분석 계산에 주어질 수 있어 계산을 간소화하거나 결과의 정확성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 광학 시스템(100)을 일반적으로 도시하는 도 2a에 대한 참조가 이루어진다. 광학 시스템(100)은 하나 이상의 홀을 포함하고 있는 영역에서 샘플(106)에 광선을 방출하는 조명 시스템(102)을 포함한다. 홀에서 반사된 빛 패턴이 검출기(104)(가령, 샘플 표면에 대하여 원계 관계로 위치되는 영역 검출기)에서 수집된다. 입사 광선과 반사 광선의 광 경로가 광선 분리기/결합기(110)에 의해 공간적으로 이격되고, 따라서, 반사된 빛이 검출기로 전파될 수 있다. 검출기(104)의 출력이, 검출기(104)로의 반사된 빛 입사의 패턴을 나타내는 데이터를 수신하고 상기 데이터를 분석하여 홀의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성되는 제어 유닛(108)에 연결된다.
샘플로의 입사 광선이, 이하의 파라미터들, 즉 법선으로부터 입사-선속(incident-beam)의 경사, 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 둥근 바닥(bottom rounding), 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅 등 중에서 일부 또는 전부를 따라, 홀의 경계면에서 서로 다른 반사를 겪는다. 일부 실시예에서, 비아-홀의 파라미터들 중 하나 이상의 파라미터의 분석을 가능하게 하기 위하여, 위에서 나열된 것들 중 하나 이상의 파라미터를 변화시킴으로써 측정이 수행되어야 하며, 이들 측정 간의 차이를 이용하여 하나 이상의 대응 파라미터의 값을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 입사 광선의 각도가 달라지고, 서로 다른 각도에서 측정이 수행된다. 조명 시스템(102)은, 파라미터 민감도를 개선하거나 분석을 간소화하는, 또는 파라미터 민감도를 개선하거나 분석을 간소화하는 여러 탈축(off-axis) 각도에서 다수의 광원(가령, 좁은 영역 광원)을 포함할 수 있다. 광학 정보 내용을 획득하기 위한 탈축 각도의 범위가 홀의 모양, 특히 홀의 종횡비에 따라 달라진다. 수직 입사로부터의 경사가 더 클수록, 광선은 구조 내에서 더 많은 개수의 반사를 겪는다.
다수의 광원은 동시에 또는 독립적으로 동작될 수 있다. 다수의 광원은 동일한 파장, 또는 서로 다른 파장일 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 각도로부터 동시에 정보를 수집하기 위하여, 조명 시스템은 컬러 CCD 카메라와 관련되는 서로 다른 컬러의 다수의 광원을 포함할 수 있다.
또한, 샘플로의 입사각을 정하는 것은 구경(aperture)과 관련되는 넓은 영역 광원에 의해 산출될 수 있다. 이러한 구경은 정적일 수 있고, 스캔될 수 있으며, 전환(switchable)될 수도 있다. 따라서 광원은 각도의 범위에 걸쳐 스캔될 수 있고, 각을 이룬 연속적인 위치에서 일련의 상들이 획득될 수 있다. 이러한 구성은, 시험되는 구조가 벽의 각도, 특히 재-진입(re-entrant) 프로파일에서 뚜렷한 각의 변화를 갖는 경우 특히 유용할 수 있고, 이로 인해, 반사된 빛의 패턴-대-입사각에서의 뚜렷한 변화를 초래할 수 있다. 대안적으로, 광범위한 광대역 광원을 이용하고, 공간적으로 등급이 매겨진 분광 필터를 상기 광원 앞에 배치시키고, 시변 분광 필터(가령, 필터 휠(filter wheel))를 통해, 검출기에서의 상 획득과 동기화되는 상을 획득함으로써, 스캐닝이 이루어질 수 있다.
조명 시스템(102)은 또한, 작은 광원의 어레이(가령, 개별적으로 주소 설정 가능한 발광 다이오드(LED))에 의해 구현되어, 구조의 비교적 넓은 영역을 조명할 수 있다. 비아-홀의 파라미터들의 결정을 간소화하기 위하여, 이러한 어레이는 샘플 표면에 대하여 원계 관계 또는 푸리에 관계를 갖는 평면에 배치될 수 있고, 광 민감성 검출 표면과 결합할 수 있다.
본 발명의 광학 시스템의 또 다른 구성을 도시하는 도 2b에 대한 참조가 이루어진다. 이러한 특정 예시에서, 광학 시스템(200)은, 샘플(106)로 포커싱되는 대물 렌즈(208)의 후-초점면에 위치되는 광원(LED 또는 레이저)의 어레이를 포함하는 조명 시스템(202)을 포함하며, 여기서 후-초점면은 샘플 평면과 푸리에 관계로 나타난다. 또한 상기 어레이는 평면에 위치될 수 있고, 상기 어레이는 샘플과 푸리에 관계를 갖는 평면 위에서 이미지화된다. 서로 다른 파장의 LED가 격자형 패턴으로 배열되어, 각각의 홀 모양에 대한 최적의 입사각과 파장을 이용하는 측정의 시작(set-up)에서 자유도를 제공할 수 있다. 어레이의 밀도가, 계산된 이론적 모델의 요구되는 분해능에 기초하여, 측정의 충분한 각 분해능(angular resolution)이 가능하도록 기능한다.
또한, 샘플로의 입사 선속의 발산 각도도 달라질 수 있다. 비교적 작은 발산 각도는, 감소된 빛 패턴 세기를 희생시키는 좀 더 뚜렷하고 좀 더 분별 가능한 검출기 상의 특징부 야기할 수 있고, 따라서, 측정 통합 시간이 증가될 수 있다. 더 큰 발산 각도는 측정 시간을 감소시키지만, 검출기 상의 상의 특징부의 분해능을 저하시킬 수 있고, 따라서, 홀 프로파일의 파라미터를 정확히 구별짓는 능력을 감소시킬 수 있다. 발산 각도를, 상에서의 분해능이 작은 규모의 산란 효과 및/또는 광학 시스템의 분해능에 의해 제한되는 경우에 가능한 가장 큰 값까지 변화시킴으로써, 측정 시작(set up) 프로세스 동안 발산 각도가 최적화될 수 있다.
전술된 바와 같이, 검출기(104)는, 샘플 표면에서 반사되고 산란되는 빛의 패턴 획득할 수 있는 위치로 광학 시스템(100)에 위치된다. 검출기(104)는 샘플로부터 이격되게 배치되어 빛 패턴의 원계 상(image)을 획득할 수 있다. 대안적으로, 광학 요소가 검출기(104) 앞에 배치되어 검출기를 위치시키는데 있어 좀 더 유연성을 가지도록 할 수 있다. 이는, 바람직하게, 더 좋게 최적화되거나 좀 더 소형화된 광학 시스템의 구조를 가능하게 할 수 있다.
렌즈(210)가 사용되어 반사된 빛의 패턴을 수집할 수 있고, 이러한 반사된 빛의 패턴을 검출기(104)의 광 민감성 표면상에 이미지화할 수 있다. 선택 사항으로, 검출기 위의 상이 샘플에 대하여 푸리에 관계이도록 렌즈가 구성될 수도 있다.
일부 실시예에서, 광선과 샘플의 상호 작용 전 또는 후에, 편광자가 광 경로에 위치될 수 있다. 편광 광선 분리기/결합기가 사용될 수 있다. 대안적으로, 교차되는 두 개의 편광자가 샘플 앞·뒤 광 경로에 위치되어, 홀을 둘러싸는 구조의 영역으로부터 직접 반사된 빛 패턴을 차단하도록 할 수 있다.
그 밖의 다른 실시예에서, 입사 평면이 샘플의 축에 대하여 회전될 수 있다(방위각). 비-원형 홀(가령, 장방형 개구부를 갖는 홀)에 있어서, 회전되는 입사 평면을 이용하여 비아-홀 모양에 대한 정보를 획득할 수 있다. 회전은, 샘플 및/또는 소스 및/또는 소스 앞의 구경을 회전시킴으로써 이루어질 수 있다. 회전은 편광자의 가능한 회전과 조합될 수 있다. 실질적으로 원형인 개구부를 갖는 홀에 있어서, 홀들이 격자형 배열로 가깝게 일정한 간격을 두고 있는 경우 회전되는 입사 평면이 사용될 수 있고, 홀 배열의 회절 패턴의 배향이 분석을 위한 추가적인 정보를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 샘플 표면에 광학적으로 결합되는 위치로 공간 필터(가령, 시야 구경(field stop))가 광학 경로에 포함되어, 샘플과 상호 작용하는 측정된 광선의 측면 범위를 제한할 수 있고, 공간 필터는 입사 선속(incident beam) 경로, 또는 샘플과 검출기 사이의 광 경로 중 하나에 위치된다.
일부 실시예에서, 샘플 표면의 평면에 결합하는 장소로 추가적인 상 검출기(imaging detector)가 광학 시스템에 부가되어 측정 장소의 검증을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 샘플 표면의 상을 제공하도록 CCD 카메라가 추가되어, 패턴 인식에 의하여, 선호되는 측정 장소에서의 정렬을 가능하게 한다. 개별적 수단에 의해, 또는, 홀 측정에 사용되는 입사 광선을 이용함으로써 패턴 인식을 위한 조명이 수행될 수 있다.
광선의 파장에 관한 홀 치수(직경)의 큰 규모의 크기(가령, 멀티-마이크론 범위)로 인해 입사 광선이 비간섭성일 수 있다. 이는, 사용되는 광원의 가간섭성 길이, 개구수(numerical aperture), 및 조명 시스템의 그 밖의 파라미터들에 따라 달라진다. 비간섭성 조명을 이용하는 시스템은, 랜덤 패턴이라든지 또는 격자형 패턴이라든지의 홀의 배열에 민감하지 않으며, 스페클 효과(speckle effect)에 영향을 받지 않는다. 낮은 가간섭성 또는 비간섭성은 간섭 효과의 부재로 인해 샘플로부터의 반사의 모델링을 간소화할 수 있다.
바꾸어 말하면, 가간섭성은 이러한 간섭 효과로 인해 구조에 대한 추가적인 정보를 제공할 수 있다. 추가적으로, 작은 정도의 푸리에-평면 관계 또는 원계 관계를 갖는 거의 평행 광원을 이용함으로써 반사 패턴의 가능한 스미어링(smearing) 현상을 줄일 수 있다.
게다가, 측정된 구조보다 상당히 작은 파장을 갖는 비간섭성 광선의 반사 패턴이 크기 불변(scale invariant)인 각도-기반 정보만을 제공하고, 따라서 홀의 모양의 판단이 가능하지만 홀의 절대적은 크기의 판단은 가능하지 않다.
측면 가간섭성 길이가 홀의 직경보다 크거나 세로 가간섭성 길이가 홀의 깊이보다 긴 경우, 반사되 패턴은 회절 및 간섭 효과를 포함하고 있을 수 있다. 구조의 물질과 파장에 대한 정보에 기초하여, 이들 효과는 단지 상대적인 것이 아니라 절대적인 기하학적 값을 판단할 수 있다.
조명 시스템이 (가령, 둘 이상의 서로 다른 광원을 이용하여) 서로 다른 파장의 둘 이상의 비간섭성 광선을 생성하는 경우, 각각의 파장으로부터 수집된 반사된 빛의 패턴은 반사성의 파장 분산(wavelength dispersion)을 제외하고, 어떠한 추가적인 정보도 제공하지 않는다. 가간섭성 효과가 나타날 때, 이러한 효과는 홀의 치수에 더 가까운 치수의 더 긴 파장에 대하여 더 강하다. 반사 패턴 상의 가간섭성의 효과를 감소시키기 위하여, 더 넓은 파장 범위를 갖는 광원이 사용될 수 있다. 또한, 높은 세기가 요구되는 경우, 초연속(super continuum) 광원(가령, 광섬유-레이저)과 같은 광대역 가간섭성 광원이 사용될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 반사 패턴에 절대적인 홀 크기 정보가 없는 경우 추가적인 채널이 시스템의 일부로서 구현되어, 예를 들어 고배율 상 채널(imaging channel)을 이용하여, 홀의 개구부의 폭을 측정할 수 있다. 따라서, 두 채널로부터의 정보의 조합이 모양 정보와 크기 정보 모두를 제공할 수 있다.
홀의 깊이를 판단하기 위하여, 수직 입사에서 가간섭성 조명 사용될 수 있고, 바닥 반사와 홀의 주변 영역 사이의 간섭이 측정될 수 있다. 특정 파라미터(가령, 깊이, 직경 등과 같은 홀 치수)의 절대 측정을 전체 홀 횡단면의 상대 측정(가령, 홀의 모양/기하학적 구조/프로파일 등의 판단)과 조합함으로써, 절대 조건에서 전체 횡단 측정을 제공할 수 있다.
게다가, 반사의 위상(phase) 측정이 홀 프로파일(가령, 깊이 프로파일)에 대한 추가적인 정보를 제공할 수 있다. 이는, 샘플과의 상호 작용 이전에 입사 광선의 일부를 분할(split off)하고, 분할된 입사 광선과 반사 광선의 간섭을 야기함으로써 수행될 수 있다. 이러한 분할된 빔은 전체 검출기 광 민감성 표면을 덮도록 확장될 수 있고, 따라서, 세기 측정에 민감한 위상을 생성할 수 있다.
모든 유형의 광원에 있어서, 교정 절차가 수행되어, 잘 알려져 있는 반사성 샘플(가령, 단일-크리스탈 실리콘 웨이퍼)에서 반사될 때 검출기에서 수집되는 빛 패턴을 특징지을 수 있다. 이러한 교정은 조명 시스템 소스와 광학 시스템 구조의 안정성에 따라 주기적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 기법의 일반적인 흐름도를 도시하는 도 3에 대한 참조가 이루어진다. 본 발명의 개시 내용에 따라, 단계(302)에서, 검출 시스템에 연결되는 제어 시스템이, 특히 파라미터들의 유한 집합에 의해 특징지어지는 하나 이상의 비아-홀의 초기 가상 프로파일을 나타내는 데이터를 판단하도록 구성된 데이터 처리 유틸리티를 포함한다. 초기 이론적(가상) 프로파일이 메모리 유틸리티에 저장된다. 단계(304)에서, 데이터 처리 유틸리티는 이론적 프로파일을 이용하여 이론적 모델 상을 생성한다. 단계(306)에서, 하나 이상의 홀 프로파일의 측정 상이 검출 시스템에 의해 획득되고 데이터 분석 유틸리티에 의해 블록(308)에서 모델 상과 비교된다. 미리 지정된 미터법(metric)(310)(즉, 상들의 일반적인 형태학상의 프로파일 조정)이 사용되어 모델 상과 측정 상 간의 상관 관계의 질을 정량화한다. 상들 간의 적합도(fit)가 지정 범위 내에 있지 않은 경우, 상들과, 파라미터에 대한 프로파일의 알려져 있는 종속성 사이의 차이에 기초하여 새로운 프로파일(즉, 파라미터들의 새로운 세트)이 생성된다. 일단 적합도가 획득되면, 관련 이론적 모델의 파라미터들이 단계(312)에 도시된 바와 같이 광학 시스템의 출력으로 간주되고, 이러한 정보가 사용자에게 제공되어 홀 형성의 구조를 제어할 수 있다.
분석이, 진행중인 측정 흐름의 일부로서 수행되는 경우, 초기 이론적 프로파일은 이전 측정의 출력 결과에 기초할 수 있다. 이는 원하는 적합도를 획득하기 위해 요구되는 반복의 횟수를 감소시킬 수 있다.
파라미터들의 세트의 생성이, 측정된 상들의 일반적인 형태학 분석에 기초를 둘 수 있다. 측정된 상의 형태학적 특성이 이하의 내용 즉, 입사각에 대한 상의 대칭성; 측벽 각도를 나타내는 입사각 주위의 반사각의 협각 퍼짐(spread), 홀의 종횡비를 나타내는 반사된 상에서의 링의 개수, 비교적 하이 앵글에서의 살짝 둥근 바닥을 나타내는 반사된 빛 패턴의 부분, 표면 거칠기 표시로서 감소되거나 흐릿한 빛 패턴, 및 그 밖의 다른 것들 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 가령, 광원의 다수의 입사각으로부터 다수의 측정 상들이 획득된다. 측정된 다수의 상들이 이론적 프로파일로부터 생성되는 모델 상의 대응하는 다중성(multiplicity)의 생성을 야기하고, 이에 따라 비교 미터법이 정의된다. 그 후 모든 이미지에 대하여 적합도(fit)가 병렬로 수행된다.
이론적 프로파일로부터 생성되는 상은, 기하학적 광선 추적 계산에 기초할 수 있고, 물리적 광소자에 근거한 회절 기반 계산에 기초할 수 있으며, 위 두가지 모두에 기초할 수도 있다. 계산 시간을 줄이기 위하여, 일련의 이론적 프로파일이 먼저 계산되어 메모리 유틸리티에 저장될 수 있다. 프로파일은 공정 조건의 이론적 범위에 기초하여 생성될 수 있고, 또는 실제 샘플의 특성에 기초할 수도 있다. 공정 조건의 이론적 범위는 광학 시스템의 측정 조건의 파라미터들과 함께 제어 시스템의 입력이 될 수 있다. 따라서 제어 시스템은 가능한 이론적 프로파일의 범위를 제공한다. 그 이후에 이러한 이론적 프로파일이 이용되어 상을 생성할 수 있고, 이러한 상들은 도면에 도시된 바와 같은 데이터 베이스에 저장된다.
또한 계산 시간은, 상의 형태학적 특성을 인식함으로써(즉, 패턴 인식), 그리고 상을 특정 프로파일 집단으로 분할함으로써 감소될 수 있다. 분할은 하나 이상의 형태학적 특정을 이용하여 수행될 수 있다.
이러한 형태학적 특성은 또한 공정 익스커션(process excursion)을 인식하기 위해서도 이용될 수 있는데, 가령, 상에서의 감소된 빛 패턴의 세기가, 가령, 보쉬-유형 식각 공정에 의해 형성되는 개선된 가리비형의 지표일 수 있다. 블록(314)에 도시되는 공정 경보가 이러한 파라미터에 울릴 수 있다.
측정의 적응 모드가, 특히, 잘 알려지지 않은 홀 프로파일의 샘플의 분석이 수행될 때 구현될 수 있다. 이러한 측정의 적응 모드에서, 강하게 인식 가능한 특징부를 갖는 뚜렷한 상이 얻어질 때까지 측정 상을 연속하여 획득하는 동안, 조명 시스템 파라미터가 달라질 수 있다. 달라질 수 있는 파라미터는 입사의 각도, 회전 각도, 파장, 발산 각도를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 인식 가능한 특징부로는 언더필된 링(under-filled ring), 점(spot), 하이-앵글 신호 링, 첨단(cusp)을 갖는 링, 측벽 반사의 개수에 의존하는 대역이 포함되나, 이에 한정되는 것은 아니다.
서로 다른 종횡비를 갖는 원통형 홀로부터 반사된 모델링된 패턴을 도시하는 도 4a-4d에 대한 참조가 이루어진다. 다양한 파라미터들에 의해 야기되는 반사 효과가 분리될 수 있다. 평평한 바닥을 갖는 실질적으로 원통형인 홀에 있어서, 측벽과 바닥을 경유하는 반사의 개수가 입사각과 종횡비의 직접 함수이다. 반사된 상에서의 링의 개수는 홀의 종횡비를 나타낸다. 링의 개수가 많을수록, 홀의 종횡비는 더 커진다. 게다가, 접하는 링의 채우기가 다수의 추가적인 반사에 따라 증가한다. 입사각이 클수록, 링 채우기가 더 균질해진다.
도 5a-5c에 대한 참조가 이루어지며, 상기 도면에서, 서로 다른 측벽 각도(sidewall angle, SWA)를 갖는 원뿔형 홀에서 반사된 모델링된 패턴이 도시된다. 반사된 패턴은, 홀이 비-연직 측벽 각도(SWA)를 가질 때와 다르다는 것이 관찰되었다. 양의 기울기에 있어서, SWA가 증가하고 첨단(즉, 단일 포인트)이 나타남에 따라 링들이 자신들을 포개기 시작한다. SWA 및/또는 입사각 증가는, 첨단(cusp)이 다수의 링으로 분할되도록 한다. 음(재-진입)의 기울기에 있어서, 링이 축소되고 날개형 모양으로 외부를 향해 바뀌기 시작한다. 더 높은 종횡비 및/또는 입사각에서, 벽들 사이의 다수의 반사가 링을 채우고 이중 링을 형성한다.
둥근 바닥은, 좀 더 변화가 있는 바닥의 각도 범위로 인해, 평평한 바닥보다 훨씬 더 큰 각도 범위에서 광선이 반사하도록 한다. 평평하지 않은 바닥(가령, 둥근 바닥)의 면적이 넓을수록, 전술된 링 밖으로 반사되는 광선의 백분위수가 더 커진다. 광선은 약 수십 도의 각도의 범위로 반사된다. 전체 반사 각의 범위가 분석될 수 있고, 또는 주 측벽과 바닥 반사의 감소된 각 범위의 상이 개별적으로 분석될 수 있다. 도 6a-6c에 대한 참조가 이루어지며, 상기 도면에서, 입사각은 14의 종횡비(AR)와 +1도 SWA에서 법선으로부터 2도이다. 도 6a는 바닥의 외부 가장자리를 둥글게 하는 것(rounding)에 의해 야기되는 반사의 넓은 각 범위(약 14-30°)가 나타난다. 도 6b는 바닥의 평평한 부분에서 작은 각도(2°)로의 반사가 도시되며, 여기서 링의 부분적 채우기는, 더 높은 각도로 반사되어 나가는 광선의 부분에 기인한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 둥근 바닥이 바닥 면적의 절반 이상을 차지한다.
도 7a-7e에 대한 참조가 이루어지며, 상기 도면에서, 마스크 층으로 코팅되어 있고, 9 마이크론에서 2 마이크론(도 7a가 9 마이크론, 도 9b가 7 마이크론, 도 7c가 5 마이크론, 도 7d가 3 마이크론, 도 7e가 2 마이크론의 바닥 반경을 가짐)까지 달라지는 서로 다른 바닥 반경을 갖는 살짝 원뿔형인 홀(도 7f에 도시되어 있음)에 있어서의 서로 다른 반사 패턴이 도시된다. 이러한 특정 예시에서, 홀의 깊이가 30 마이크론, 상부 직경이 2.7 마이크론, 바닥 직경이 2.5 마이크론, 마스크 두께가 2 마이크론이다. 바닥 직경이 감소함에 따라 통합 시간은 증가한다. 도 7a의 N의 공칭 통합 시간에 통합 시간이, 도 7b에서 토d이 1.5N이고, 도 7c에서 3N, 도 7d에서 6N, 그리고, 도 7e에서 11N이다. 홀의 바닥이 둥글게 된 경우, 일반적인 입사광이 이용될 수 있다. 둥글게 된 바닥으로부터 반사된 빛이 홀의 바닥으로부터 퍼져 나가는 2차원 팬(fan)으로 뻗어 나가고, 이러한 빛이 측벽을 엄밀히 조사(probe)할 수 있다. 측벽 반사의 개수는 홀 프로파일의 둥근 바닥의 반경과 종횡비에 따라 달라진다. 임의의 측벽 기울기가 반사된 팬의 각도의 변화를 야기하고, 결과로서 생기는 측정된 상이 측벽 기울기 반사의 개수에 따라 달라지는 대역을 포함하고 있다. 따라서, 검출기에 수집된 반사된 빛 패턴이 더 큰 공간적 범위에 걸쳐 펼쳐진다. 이러한 반사는 또한 재-진입 측벽 프로파일을 엄밀히 조사할 수 있다. 바닥 반경의 수축과 결부되는 증가하는 각도의 퍼짐으로 인해, 다수의 반사에 의해 야기되는 손실 때문에, 증가된 측정 통합 시간 또는 증가된 광원 세기가 요구된다. 평평한 바닥을 가진 홀과의 비교에서, 둥근 바닥을 갖는 홀에 있어서 각각의 광선은 홀의 내부에서 더 많은 개수의 반사를 겪고, 측벽으로의 입사 각도는 평평한 바닥에 있어서보다 더 낮다.
둥근 바닥으로부터의 효과를 측벽 기울기로 인한 효과와 구별하는 것은, 상을 이론적 모델에 기초한 상에 맞춤으로써 이루어질 수 있다. 파라미터 구별이 어려운 경우, 측정은 추가적인 입사의 각도에서 수행될 수 있다.
본질적으로 정반사인, 홀 외부의 샘플 표면으로부터 반사된 광선은 홀에서부터의 반사 광선보다 훨씬 더 강하고 공간적으로 좀 더 집중된다. 게다가, 홀에서부터 반사된 광선 신호가 홀에서부터 산란된 광선 신호보다 훨씬 더 강하고 공간적으로 더 집중된다. 따라서, 반사된 모든 정보를 동시에 획득하고 측정할 수 있도록 넓은 동적 범위가 요구된다. 추가적으로, 공간 필터(가령, 마스크)를 반사된 광선으로 삽입하는 것이 유용할 수 있으며, 이러한 공간 필터는, 오직 정반사성 광선의 영역만을 차단하여 정반사를 제거하거나, 축에 가까운 정반사성 광선의 영역을 차단하여 홀 외부의 평평한 영역에서 반사된, 산란된 광선 신호를 제거할 수 있고, 따라서, 반사된 광선의 포화를 경험하지 않고 충분한 검출 통합 시간이 가능하도록 한다. 더 약한 하이 앵글 반사와 산란이 분석될 필요가 있는 경우, 가령, 구경 조리개(aperture stop) 차단을 적절히 제공함으로써, 축에 가까운 반사를 차단하는 것이 가능하다.
또한, 홀 외부의 평평한 영역에서 반사된 빛을 필터링하기 위하여, 입사광을 편광시키고, 경로에서 90도로 회전된 편광자를 검출기에 제공하는 것이 가능하다. 이는 검출기로부터 요구되는 동적 범위를 줄일 수 있다. 그 후, 검출기에 의해 수집된 빛은 오직, 입사의 편광 평면 밖의 방향을 갖는, 홀에서 반사를 겪는 비스듬한 광선만이 될 것이다.
홀이 평평하지 않은 바닥을 가진 경우, 바닥에서의 반사각의 연속적인 구배로 인해 반사된 빛 패턴이 좀 더 복잡해진다. 그렇다면, 영상은, 홀 외부로부터의 정반사를 차단하면서, 큰 동적 범위에서 수집 및 분석되어야 한다. 따라서, 평평하지 않은 바닥을 갖는 홀에 있어서, 더 긴 검출기 통합 시간, 또는 더 큰 세기를 갖는 입사광이 요구된다.
도 8에 대한 참조가 이루어지며, 상기 도면은 서로 다른 평평한 바닥의 부분을 갖는 살짝 원뿔형인 홀에서 반사되는 패턴을 도시한다. 도면으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 평평한 바닥 면적의 부분이 증가할 때, 링이 채워진다. +/- 0.3의 각 퍼짐이 2도의 연직 입사광에 더해졌다.
홀 개구부의 모양은 일반적으로 원형이나, 바닥에, 사각형, 타원형, 원을 향해 차츰 줄어드는 사각형 개구부를 갖는 홀과 마찬가지로 둥근 모서리를 갖는 사각형, 또는 둥근 사각형을 포함하는 다양한 개구부를 갖는 홀의 프로파일을 특징 짓기 위해 본 발명이 이용될 수 있다.
게다가, 측벽으로의 얕은 입사각으로 인하여, 홀에서 반사된 빛이 부분적으로 또는 전체적으로 편광될 수 있다. 입사 광선을 의도적으로 편광시킴으로써 측벽 반사의 타원 편광 분석적(ellipsometric) 효과를 추출할 수 있다. 타원 편광 분석적 효과는 투명하고 얇은 금속 코팅을 포함하여 측벽에 대한 코팅의 측정에 이용될 수 있다. 기판 또는 코팅 물질에 의한 측벽 상의 여러의 반사의 흡수가, 광선이 겪는 반사의 개수에 따라, 일부 반사된 빛 패턴의 세기의 단계적 감소를 야기한다. 이러한 세기의 단계적 감소는 홀 프로파일에 대한 정보를 획득하기 위하여 모델링되고 사용될 수 있는 추가적인 파라미터이다.
홀 내의 비교적 작은 뚜렷한 특징부가, 반사된 빛 패턴에 회절 효과를 추가시킨다. 이는 입사 선속의 요구되는 각 발산(angular divergence)에 영향을 미칠 수 있다. 입사 선속 각도를 스캐닝함으로써 이러한 회절 효과, 이들 효과의 규모의 판단 및 횡단면 내의 장소에 대한 좀 더 세부적인 감지를 가능하게 할 수 있다.
빛 패턴 세기 또는 명암에 대한 증가된 배경 노이즈와 손실이, 홀의 측벽과 바닥의 거칠기에 의해 야기되는 산란에 기인한다. 산란된 광선이 부분적으로 또는 전체적으로 홀의 바닥으로부터 퍼져 나간다는 사실로 인해, 홀의 수직 축에 가까운 산란된 광선의 세기가 더 크다. 따라서, 산란된 광선의 공간 프로파일은 홀 개구부 및 종횡비의 모양에 대한 정보를 포함하고 있다. 식각된 홀의 형성에 일반적으로 이용되는 특정 기법들이 조직적인 측벽 거칠기를 야기할 수 있다(가령, 도 9에 도시된 바와 같이 잘 알려진 보쉬 식각 공정에 의해 야기된 가리비형). 가리비형의 깊이 및 피치는 입사 광선의 파장을 변화시킴으로써 분석될 수 있다. 가리비형 원보다 더 킨 파장은 이러한 효과에 의해 적게 영향을 받을 것이다.
파장 치수의 범위에서 작은 홀-개구부에 있어서, 반사된 빛 패턴은 회절 효과를 가지고 있다. 따라서 이러한 이론적 모델은, 단일 홀-개구부의 모양으로부터 회절된 빛과 홀 외부의 샘플 표면으로부터의 기하학적 반사의 회선(convolution)에 기초한다. 홀의 직경에 비해 큰 측면 가간섭성을 갖는 광선이 사용될 수 있고, 홀-개구부의 영역으로부터의 반사의 원계 패턴이 분석되어 절대적인 크기를 획득할 수 있다. 홀이 조밀한 주기적 어레이에 배열되는 경우, 유효한 측면 가간섭성 길이에 따라 추가적인 회절 효과가 나타날 수 있다. 회절 상(diffraction image)이 분석될 수 있고, 홀-개구부의 절대적인 크기가 시스템의 기하학적 구조와 광선의 파장에 대한 정보에 근거하여 획득될 수 있다.
도 10에 대한 참조가 이루어지며, 상기 도면에서 중간 모양을 갖는 홀(가령, 둥근 모서리를 갖는 사각형 홀)에서의 반사를 도시한다. 도면으로부터 관찰할 수 있는 바와 같이, 반사된 패턴은 점과 부분적 링의 조합을 포함하고 있다. 실질적으로 장방형 모양의 개구부와 평평한 벽을 갖는 홀에 있어서, 반사는 점 모양을 유지하고, 링으로의 확장이 발생하지 않는다. 이는 또한 경사진 평평한 벽에 있어서의 경우이기도 하다. 점의 개수와 위치는 종횡비, 측벽 기울기 및 입사각에 따라 달라진다.

Claims (28)

  1. 구조 내의 하나 이상의 비아-홀(via-holl)의 하나 이상의 파라미터를 결정하기 위한 광학 시스템에 있어서, 상기 광학 시스템은,
    하나 이상의 광선을 생성하고, 상기 광선을 하나 이상의 비아-홀을 가지고 있는 구조의 영역의 샘플로 향하도록 하는 조명 시스템과,
    조명된 영역으로부터 반사된 빛의 패턴을 수집하도록 기능하고 구성되는 검출 시스템으로서, 빛의 패턴은 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 나타내는 특징의, 상기 검출 시스템과, 그리고
    검출 시스템에 연결되는 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은, 패턴이 반사된 비아-홀을 설명하는 파라미터들의 세트를 나타내는 데이터를 포함하고 있는 미리 지정된 이론적 모델을 저장하기 위한 메모리 유틸리티와, 검출된 빛 패턴을 나타내는 상(imaage) 데이터를 수신 및 분석하고 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성되는 데이터 처리 및 분석 유틸리티를 포함하는 특징의, 상기 제어 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 시스템은, 샘플 표면에 대하여 원계 관계(far-field relation) 또는 푸리에 관계(Fourier relation)로 위치되는 광 민감성 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 시스템은 복수의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 샘플 표면에 대해 서로 다른 입사각으로 방출하고, 상기 검출 시스템은 각을 이룬 서로 다른 위치에 대응하는 복수의 빛 패턴을 수집하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 광원 중 둘 이상의 광원이 서로 다른 파장의 광선을 생성하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    조명 시스템은 샘플 표면으로의 입사각을 정하도록 구성된 구경(aperture)과 관련되는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    조명 시스템은 LED 또는 레이저의 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    조명 시스템은 복수의 광선을 샘플로 포커싱하도록 구성되는 대물렌즈를 포함하고, 상기 어레이는 상기 대물 렌즈의 후-초점면에 위치되며, 상기 후-초점면은 샘플 표면 평면과 푸리에 관계 또는 원계 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 어레이는 샘플 표면 평면과 푸리에 관계 또는 원계 관계를 갖는 평면에 위치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 어레이는 샘플 표면 평면과 푸리에 관계 또는 원계 관계를 갖는 평면에 대하여 이미지화되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 어레이는 격자형(grid-like) 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 비아-홀의 상기 하나 이상의 파라미터는 상기 비아 홀의 기하학적 프로파일, 횡단면 프로파일, 깊이, 폭, 기울기, 언더컷(undercut), 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 둥근 바닥(bottom rounding), 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템은,
    임의의 장소 또는 반복적인 어레이 배열에서 샘플에 분포되어 있는 다수의 홀의 파라미터를 결정하도록 기능하고 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 시스템은 반사된 빛의 패턴을 수집하고 상기 검출기 상에서 상기 패턴을 이미지화하도록 구성되는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 비아-홀을 둘러싸는 영역으로부터 반사된 빛 패턴의 일부를 차단하도록 구성되는 편광자 또는 공간 필터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  16. 하나 이상의 비아-홀(via-holl)의 파라미터를 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    파라미터들의 세트를 갖는 하나 이상의 비아-홀의 초기 이론적 프로파일을 나타내는 데이터와 상기 이론적 프로파일에 기초한 모델 상(image)을 제공하는 단계로서, 상기 파라미터들의 세트는, 패턴이 반사된 비아-홀을 설명하고, 분석되어야 할 샘플의 상의 형태학적 특성에 기초를 두는 특징의, 상기 데이터와 모델 상을 제공하는 단계와,
    하나 이상의 비아-홀을 가지고 있는 샘플의 영역을 조명하는 단계와,
    상기 영역으로부터 반사되고, 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 나타내는 빛의 패턴을 수집하는 단계와,
    검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터와 상기 모델 상 데이터를 수신 및 비교하고, 상기 샘플에서의 상기 비아-홀의 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    검출된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터와 상기 모델 상 사이의 상관 관계의 정도를 판단하는 단계를 포함하며, 상기 상관 관계의 정도가 지정 범위를 넘어서는 경우, 상들 간의 차이에 기초한 새로운 파라미터 세트를 생성하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    하나 이상의 조명 파라미터를 변화시키는 단계와, 상기 변화에 대응하는 반사된 빛의 복수의 패턴을 수집하는 단계와, 검출된 빛 패턴을 나타내는 각각의 상 데이터를 대응하는 모델 상과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조명 파라미터는 샘플 표면으로의 광선의 입사각, 입사 광선의 파장, 입사 광선의 발산 각도, 샘플의 상기 영역을 조명하는 조명원과 샘플 표면 사이의 회전 각도, 입사 광선의 편광으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    샘플 표면으로의 광선의 입사각을 변화시키는 단계와, 홀의 모양의 형태학(morphology)을 나타내는, 서로 다른 입사각의 함수로서 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    입사 광선의 발산 각도를 변화시키는 단계와, 반사된 빛 패턴의 분해능과 상기 비아-홀의 파라미터의 정확성을 변화시키는, 서로 다른 발산 각도의 함수로서 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    입사 광선의 파장을 변화시키는 단계와, 벽의 홀의 가리비형(scalloping) 프로파일의 깊이와 피치(pitch)를 나타내는, 서로 다른 파장의 함수로서 반사된 빛 패턴을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    이론적 프로파일의 파라미터는 홀 개구부 모양, 종횡비, 측벽 기울기, 측벽 기울기 변화, 둥근 바닥, 표면 거칠기, 표면 흡수, 표면 코팅 중 하나 이상으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    샘플, 광원, 상기 광원과 편광자 앞에 위치되는 구경 중 하나 이상을 회전시킴으로써, 샘플 표면의 평면과의 관계에서 광선의 입사 평면을 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  25. 제 16 항에 있어서,
    코팅 전과 후에 측정을 수행함으로써, 그리고, 측정 간의 차이를 분석함으로써, 상기 비아-홀에 배치되는 코팅층의 두께 분포와 기하학적 프로파일을 특징 짓는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  26. 제 16 항에 있어서,
    검출된 빛 패턴을 나타내는 상기 상 데이터를 상기 상의 형태학적 특성을 이용하여 서로 다른 프로파일로 분할하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀의 파라미터 결정 방법.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 형태학적 특성은 하나 이상의 입사각에 대한 상의 대칭성, 측벽 각도를 나타내는 입사각 주위의 반사각의 협각 퍼짐(narrow-angle spread), 홀의 종횡비를 나타내는 반사된 빛의 패턴에서 링의 개수, 하이 앵글(high angle)에서의 살짝 둥근 바닥을 나타내는 반사된 빛의 패턴의 일부분, 또는 표면 거칠기를 표시로서 감소되거나 흐릿한 빛 패턴으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 비아-홀 결정 방법.
  28. 제 16 항에 있어서,
    상기 영역으로부터 산란되는 빛의 패턴을 수집하는 단계와, 홀의 모양 및 종횡비를 나타내는 산란된 빛 패턴을 나타내는 상 데이터를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비아-홀 결정 방법.

















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