KR20100122123A - 박막 구조의 특징화를 포함하여, 타원편광 측정, 반사 측정 및 산란 측정을 위한 간섭측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 일 방법은, 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여, 박막과 상기 박막을 지지하는 기판을 포함하는 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

박막 구조의 특징화를 포함하여, 타원편광 측정, 반사 측정 및 산란 측정을 위한 간섭측정 방법{INTERFEROMETRY METHOD FOR ELLIPSOMETRY, RELECTOMETRY, AND SCATTEROMETRY MEASUREMENTS, INCLUDING CHARACTERIZATION OF THIN FILM STRUCTURE}

본 발명은 박막을 갖는 물체 또는 이종(異種) 물질의 이산(離散) 구조의 표면 토포그래피의 측정에 관한 것이다.

이러한 측정은 평면 패널 디스플레이 구성 요소와 반도체 웨이퍼 도량형의 특성화와, 원 위치(in-situ)에서의 박막과 이종 물질 분석에 연관되어 있다.

타원편광법은 복잡한 표면의 광학적 특성을 분석하기 위하여 사용될 수 있다. 타원편광법은 60°의 경사각도, 혹은 가변 각도를 사용하거나 또는 다중 파장을 사용하여 조사되었을 때 생기는 표면의 복잡한 반사율의 차이에 의존한다. 많은 종류의 타원편광 측정기가 관련 기술분야에 알려져 있다.

종래의 타원편광 측정기에서 쉽게 얻을 수 있는 것보다 더 높은 분해능을 얻기 위하여, 마이크로 타원편광 측정기는, 다양한 조명 각도가 필드 위치로 맵핑되는 동공 평면(pupil plane)으로도 알려진 대물렌즈의 후방 집속 평면에서의 위상 및/또는 강도 분포를 측정한다. 이러한 디바이스는, 동공 평면 복굴절 물질을 분석하기 위하여 교차 편광자(polarize) 및 버트란드 렌즈(Bertrand lens)를 사용하는, 역사적으로 결정학 및 광물학에 연계된 전통적인 편광 현미경 또는 "코노스코프"("conoscopes")를 현대화한 것이다.

일 측면에 따른 본 발명은 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여, 박막과 상기 박막을 지지하는 기판을 포함하는 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

다른 측면에 따른 본 발명은 단색 주사 간섭측정 시스템과; 상기 주사 간섭측정 시스템에 연결된 전자 프로세서로서, 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하도록 구성된 전자 프로세서를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

본 발명의 기술사상은 많은 장점으로 구현된다. 예를 들어, 간섭 대물렌즈 에 대해 샘플의 수직 주사에 의해 생성된 간섭 패턴의 주파수 영역의 분해를 통해 예를 들어 한 픽셀씩을 기초로 광학적인 특성과 동시에 표면 지형을 위하여 표면 구조를 분석하는 수단을 제공할 수 있다. 이러한 접근법은 기기의 동공 평면에 직접 접근할 필요 없이, 반사된 광으로부터 진폭과 위상 정보를 모두 사용하여 표면의 각도-의존 및 파장-의존 광 특성에 대한 접근을 제공한다.

도 1은 리니크-타입의 주사 간섭 측정 시스템의 개략도.
도 2는 대물렌즈를 통한 시험 샘플의 조명을 도시하는 도면.
도 3은 박막 구조의 도면.
도 4는 550nm 단색광과 0.9-NA 리니크형 대물렌즈를 사용하여, Si 상에 1.8㎛의 SiO₂로 이루어진 도 3에 도시된 구조에 대해, 양면으로부터의 간섭 신호는 함께 결합되는, 시뮬레이션된 간섭 패턴{I(ζ,h)}을 도시하는 도면.
도 5는 도 4와의 비교를 위해 단순한 단일-표면 SiO₂ 샘플(즉, 박막이 없는)에 대해 시뮬레이션된 간섭 패턴{I(ζ,h)}을 도시하는 도면.
도 6은 공간 주파수가 식 4에 따른 입사각도와 관련되는, 도 3의 박막 구조를 수직으로 주사함으로써 생성된 도 4 신호의 푸리에 변환의 진폭{Q(φ,h)}을 도시하는 그래프.
도 7은 낮은 공간 주파수에서 증가하는 진폭은 입사의 얕은 각도에서 증가하는 반사율의 결과인, 단일 표면 샘플에 대한 도 5의 신호의 푸리에 변환의 진폭{Q(Φ,h)}을 도시하는 그래프.
도 8은 0.02-㎛ 증분으로 세 가지 막 두께에 대해 도 3의 Si 상의 SiO₂박막 구조에 대한

의 예상 결과를 비교하는 그래프(수학식 9 참조).
도 9는 도 3의 박막 구조를 수직으로 주사함으로써 생성된 도 4의 신호에 대한 공간 주파수의 함수로서 위상

의 그래프로서, 공간 주파수는 수학식 4에 따라 입사 각도에 관련되고, 위상의 기울기뿐만 아니라 도 10의 단일-표면 반사와 비교되는 뚜렷한 비선형성을 주목해야 하는, 그래프.
도 10은 도 9와의 비교를 위해, 단일-표면 패턴에 대한 도 5의 신호에 대한 공간 주파수의 함수로서 위상

의 그래프.
도 11은 미라우 타입의 주사 간섭 측정 시스템의 개략도.
도 12는 동공 평면에서의 방사상 편광을 도시하는 도면.

발명의 실시예는 적어도 부분적으로, 시험 샘플 또는 기준 미러를 간섭 측정기에 대해 주사함으로써(예를 들면, 빛을 시험 샘플 또는 기준 미러에 집속하는데 사용된 대물렌즈를 향해 또는 그로부터 멀어지는 방향으로) 생성된 간섭 패턴에서의 대응하는 공간 주파수 때문에 간섭 측정기(예, 높은 NA 대물렌즈를 갖는)에서 다양한 입사 각도가 구별될 수 있다는 인식에 기초한다. 그러므로, 이러한 간섭 패턴의 수학적인 공간 주파수 분해는, 샘플 표면으로부터 반사(또는 산란)된 빛의 상대적인 진폭과 위상에 대한 접근을 각도의 함수로서 제공한다. 이러한 지식은, 대물렌즈의 동공에서 조명분포의 교정과 동공 평면에 걸친 조명의 편광 상태와 함께, 동공 평면을 검출기 어레이 상에 직접 영상처리하지 않고도, 시야 내의 모든 픽셀에 대한 다중-각도 반사(또는 산란) 진폭 및 위상 정보를 제공한다. 이들 다중-각도 데이터는, 높은 측면 해상도로, 동시에 표면 높이 프로파일 정보를 가지고, 한 픽셀씩을 기초로 하여 박막 두께 및/또는 복합 굴절율과 같은 샘플 표면 특성을 제공하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 기술사상은 전형적으로 간섭 측정기, 예를 들어 미라우(Mirau), 리닉크(Linnik), 미켈슨(Michelson) 타입 등의 간섭 대물렌즈를 구비하는 간섭 현미경에 구현된다. 대물렌즈는 입사각(Φ)의 범위에 걸쳐 샘플 표면으로부터의 빛을 조사하고 모은다. 대략 0.75의 개구수(NA)를 갖는 간섭 대물렌즈에 대해 Φ= 0 내지 50°이다. 조명의 편광은 방사상, 선형, 원형, 필드 의존형, 또는 조정가능할 수 있다. 전형적으로 장치는, 전자 카메라가 샘플 상의 필드 위치에 대응하는 픽셀의 어레이에 대한 간섭 강도 데이터를 수집하는 동안, 대물렌즈의 광축에 평행한 축을 따라 샘플 표면을 변위시키기 위한 기계적인 주사기(또는 샘플에 대해 등가 움직임의 대물렌즈)를 더 포함한다. 선택적으로, 간섭측정기의 기준 행정(leg)이 주사될 수 있다. 그 결과는, 샘플로부터 일련의 대물렌즈 거리에 대해 컴퓨터 메모리에 저장되는 각 픽셀의 샘플 위치에 대한 강도 데이터이다.

일부 기술사상의 구현은, 컴퓨터는 각 픽셀에 대한 간섭 데이터를 예를 들어 푸리에 분석을 통해 주파수 영역으로 변환시켜, 간섭 데이터에 존재하는 구성 공간 주파수의 진폭과 위상을 회복시킴으로써 나타난다. 컴퓨터는 이들 데이터를 분석하고, 진폭과 위상을, 입사각, 편광 및/또는 샘플의 파장에 의존한 광학 특성을 포함하여, 샘플의 표면 구조를 나타내는 모델과 비교한다. 이러한 분석은 표면 높이와 박막 두께와 같은 파라미터를 결정한다.

일부 기술사상의 구현은, 각도 의존성 분석에 더하여 물질의 광학적인 특성을 파장의 함수로서의 상세 분석을 수행하기 위하여, 파장을 선택하거나, 다중 파장을 간섭측정기에 전달함으로써 나타난다. 일부 기술사상의 구현은, 입사각도와 파장의 함수로서 표면의 회절 및 산란 특성을 통해 표면 구조 정보를 결정하기 위하여, 샘플로부터 산란된 광을 분석함으로써 나타난다.

본 발명의 기술사상은 많은 장점으로 구현된다. 예를 들어, 간섭 대물렌즈 에 대해 샘플의 수직 주사에 의해 생성된 간섭 패턴의 주파수 영역의 분해를 통해 예를 들어 한 픽셀씩을 기초로 광학적인 특성과 동시에 표면 지형을 위하여 표면 구조를 분석하는 수단을 제공할 수 있다. 이러한 접근법은 기기의 동공 평면에 직접 접근할 필요 없이, 반사된 광으로부터 진폭과 위상 정보를 모두 사용하여 표면의 각도-의존 및 파장-의존 광 특성에 대한 접근을 제공한다.

이제, 본 발명의 하나 또는 그 이상의 기술사상의 구현이 다른 양상과 특징으로 어떻게 나타나는지 일반적으로 요약한다.

일반적으로, 일 양상에 있어서, 본 발명은, 검출기 상의 기준 광과 간섭하기 위하여 일정 범위의 각도에 걸쳐 시험 물체로부터 나오는 시험 광을 영상처리하는 단계로서, 시험 및 기준 광은 공통 소스로부터 유도되는, 시험광의 영상처리 단계와, 각각의 각도에 대해, 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 소스로부터 검출기로의 광 경로 길이 차이를 시험 광이 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키는 단계와, 광 경로 길이 차이가 각각의 각도에 대해 변화함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여 시험 물체의 광 특성의 각도 의존성을 결정하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

이러한 방법의 실시예는 다음의 특징 중 임의의 특징을 포함할 수 있다.

입사 각도의 범위는 0.7 이상, 또는 보다 바람직하게는 0.9 이상의 개구수에 대응할 수 있다.

검출기는 다중 검출기 소자를 구비한 카메라일 수 있고, 영상처리 단계는 시험 물체의 다른 위치로부터 카메라 상의 대응하는 위치를 향해 나오는 시험 광을 영상처리하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 광 특성의 각도-의존성을 결정하는 단계는, 시험 물체의 각 다른 위치에서의 광 특성의 각도-의존성을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

광 특성의 각도-의존성은 시험 물체 상에 입사되는 시험 광의 각도의 함수로서 광 특성의 변화에 관련될 수 있다. 이러한 방법은, 시험 광이 입사 각도의 범위에 걸쳐 다수 위치 각각에 입사되도록, 시험 광으로 시험 물체의 다수 위치를 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 조명 단계 및 영상처리 단계는 공통의 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 또한 공통의 소스는 공간적으로 확장된 소스일 수 있다.

다른 실시예에서, 광 특성의 각도-의존성은 시험 물체로부터 산란(또는 회절)되는 시험 광의 각도의 함수로서의 광 특성 변화에 관련될 수 있다. 이러한 방법은 시험 물체 상의 균일한 입사 각도를 갖는 시험 광으로 시험 물체의 다수 위치를 조명하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기에서 영상처리 단계는 시험 물체의 각 위치로부터 검출기 상의 대응하는 위치로 일정한 각도 범위에 걸쳐 산란되는 시험 광을 영상처리하는 단계를 수반할 수 있다. 이러한 경우, 조명 단계 및 영상처리 단계는 공통의 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 또한 공통의 소스는 점 소스일 수 있다.

영상처리는 영상처리 단계에 수반된 광학 시스템의 동공 평면에서 시험 광을 편광시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

이러한 방법은 시험 광으로 시험 물체를 조명하는 단계와, 시험 물체를 조명하기 위하여 사용된 광학 시스템의 동공 평면에서 시험 광을 편광시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

공통의 소스는 단색일 수 있다. 예를 들어, 공통 소스는 중심 파장과, 중심 파장의 2% 보다 적은 스펙트럼 대역폭을 가질 수 있다.

각각의 각도에 대해 광 경로 길이 차이를 동시에 변화시키는 단계는 시험 샘플로부터 나오는 시험 광을 모으는데 사용된 대물렌즈에 대해 시험 물체를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.

각각의 각도에 대해 광 경로 길이 차이를 동시에 변화시키는 단계는, 기준 미러 상에 기준 광의 집속하는데 사용된 대물렌즈에 대해 기준 광을 반사시키는데 사용된 기준 미러를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.

각각의 각도에 대해 광 경로 차이를 동시에 변화시키는 단계는 미라우 간섭 대물렌즈 내에 위치한 빔 스플리터를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.

각각의 각도에 대해 광 경로 차이를 동시에 변화시키는 단계는 공간 코히어런스 길이를 한정할 수 있고, 적어도 한 각도에 대해 광 경로 차이는 공간 코히어런스 길이보다 더 긴 범위에 걸쳐 변할 수 있다.

광 특성의 각도-의존성을 결정 단계는, 각각의 각도에 대해 광 경로 길이 차이가 동시에 변함에 따라 검출기로부터 간섭 신호를 측정하는 단계와, 좌표에 대한 켤레 변수(conjugate variable)에 의존하는 변환된 신호를 생성하기 위하여 각각의 각도에 대한 광 경로 길이 차이에 선형적으로 비례하는 좌표에 대해 간섭 신호를 변환하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 켤레 변수는 공간 주파수일 수 있다.

켤레 변수는 시험 물체에 입사되거나 그로부터 나오는 시험 광의 각도에 대한 직접 맵핑을 제공할 수 있다. 예를 들어, 켤레 변수가 공간 주파수(K)일 때, 공간 주파수와 각도(Φ) 사이의 직접 맵핑은

로 주어지는데, 여기에서 λ는 시험 광의 파장이다. 예를 들어, 나오는 광이 시험 샘플로부터 반사될 때, 공간 주파수와 각도 사이의 직접 맵핑은

로 주어진다.

변환된 신호는 광 특성의 각도-의존성에 대한 직접 맵핑을 제공한다. 예를 들어, 변환은 푸리에 변환에 대응할 수 있다.

광 특성은 시험 물체의 복잡한 반사율에 관련될 수 있다. 예를 들어, 광 특성은 시험 물체의 복잡한 반사율의 진폭에 관련될 수 있다. 또한, 광 특성은 시험 물체의 복잡한 반사율의 위상에 관련될 수 있다.

광 특성의 각도-의존성은, 광 경로 길이 차이가 각각의 각도에 대하여 변함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여 그리고 영상처리에 수반된 광 시스템의 사전 교정된 각도-의존 특성에 기초하여 결정될 수 있다.

이 방법은 광 경로 길이 차이가 변함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여 시험 광의 표면 높이 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 방법은 시험 및 기준 광 사이의 간섭으로부터 결정된 광 특성의 각도-의존 변화를 시험 물체를 위한 모델의 것과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 시험 물체는 기판 상의 적어도 하나의 박막을 포함할 수 있고, 이 방법은 이러한 비교에 기초하여 박막의 두께를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이러한 일 실시예에 있어서, 광 특성은 시험 샘플의 복잡한 반사율의 각도-의존성의 진폭을 포함하고, 박막의 두께의 결정은 복잡한 반사율의 각도-의존성의 진폭을 모델의 것과의 비교에 기초한다. 또한, 이 실시예는 이 비교에 기초한 시험 물체를에 대한 표면의 높이 프로파일을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 특성은 시험 샘플의 복잡한 반사율의 각도-의존성의 위상을 더 포함할 수 있고, 표면의 높이 프로파일의 결정은 박막의 결정된 두께 및 복잡한 반사율의 각도-의존성의 위상을 결정된 두께에 대한 모델의 것과 비교하는 것에 기초한다.

마지막으로, 시험 및 기준 광은 제 1파장을 가질 수 있고, 이 방법은 이 제 1파장과 다른 제 2파장을 갖는 시험 및 기준 광을 위해 영상처리 단계, 변화시키는 단계, 및 결정하는 단계를 반복하는 단계를 더 포함한다.

일반적으로, 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 시험 물체에 대한 주사 간섭 측정 데이터에 기초하여 시험 물체의 광 특성의 각도-의존성을 결정 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

본 방법은 제 1방법과 관련하여 상술한 특징 중 임의의 특징을 더 포함할 수 있다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 검출기 상의 기준 광과 간섭하기 위하여 일정 범위의 각도에 걸쳐 시험 물체로부터 나오는 시험 광을 영상처리하는 단계로서, 시험 및 기준 광은 단색의 공통 소스로부터 유도되고, 시험 물체는 기판 상의 적어도 하나의 박막을 포함하는, 영상처리 단계와, 각각의 각도에 대해, 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 소스로부터 검출기까지의 광 경로 길이 차이를 시험 광이 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키는 단계와, 광 경로 길이 차이가 각각의 각도에 대해 변함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여 박막의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 박막과 박막을 지지하는 기판을 포함하는 시험 물체 상의 박막의 두께를 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭 측정 데이터에 기초하여 결정하는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.

상술한 제 3 및 제 4방법의 실시예는 제 1방법과 관련하여 상술한 특징 중 임의의 특징을 더 포함할 수 있다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 광 소스와, 검출기와, 검출기 상의 기준 광과 간섭하기 위하여 시험 물체로부터 일정한 범위의 각도에 걸쳐 나오는 시험 광을 영상처리하도록 구성된 주사 간섭 측정기로서, 시험 및 기준 광은 광 소스로부터 유도되고, 주사 간섭 측정기는 각각의 각도에 대해 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 소스로부터 검출기까지의 광 경로 길이 차이를, 시험 광이 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키도록 더 구성되는 주사 간섭 측정기와, 검출기와 주사 간섭 측정기에 연결된 전자 프로세서로서, 광 경로 길이 차이가 검출기에 의해 측정되는 각각의 각도에 대해 변화함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여, 시험 물체의 광 특성의 각도-의존성을 결정하도록 구성되는 전자 프로세서를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 단색 광 소스와, 검출기와, 검출기 상의 기준 광과 간섭하기 위하여 시험 물체로부터 일정 범위의 각도에 걸쳐 나오는 시험 광을 영상처리하도록 구성된 주사 간섭 측정기로서, 시험 및 기준 광은 단색 광 소스로부터 유도되고, 상기 주사 간섭 측정기는 각각의 각도에 대해 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 소스로부터 검출기까지의 광 경로 길이 차이를 시험 광이 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키도록 더 구성되는 주사 간섭 측정기와, 검출기와 주사 간섭 측정기에 연결된 전자 프로세서로서, 광 경로 길이 차이가 각각의 각도에 대해 변화함에 따라 시험 및 기준 광 사이의 간섭에 기초하여, 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하도록 구성되는 전자 프로세서를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 주사 간섭 측정 시스템과, 상기 주사 간섭 측정 시스템에 연결된 전자 프로세서로서, 상기 주사 간섭측정 시스템에 의해 생성된 시험 물체에 대한 주사 간섭측정 데이터에 기초하여 시험 물체의 광 특성의 각도-의존성을 결정하도록 구성되는 전자 프로세서를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 단색 주사 간섭측정 시스템과, 상기 주사 간섭측정 시스템에 연결된 전자 프로세서로서, 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하도록 구성되는 전자 프로세서를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

일반적으로, 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 검출기 상의 기준 광과 간섭시키기 위하여 시험 물체로부터 일정 범위의 각도에 걸쳐 나오는 시험 광을 영상처리하도록 구성된 주사 간섭 측정기로서, 상기 시험 및 기준 광은 공통 소스로부터 유도되고, 상기 주사 간섭측정기는 각각의 각도에 대해 상기 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 상기 소스로부터 상기 검출기까지의 광 경로 길이 차이를, 상기 시험 광이 상기 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키도록 구성되고, 상기 시험 물체로부터 나오는 상기 시험 광을 모으도록 위치된 대물 렌즈와 상기 대물렌즈의 동공 평면 내에 위치한 적어도 하나의 편광 광학기를 포함하는 주사 간섭 측정기를 포함하는 장치를 특징으로 한다.

예를 들어, 적어도 하나의 편광 광학기는 동공 평면에 걸쳐 변화하는 편광을 나타낼 수 있다.

또한, 적어도 하나의 편광 광학기는 하나의 편광자와 적어도 하나의 파장판(waveplate)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 편광 광학기는 동공 평면 내의 다른 위치에 위치한 두 개의 파장판을 포함할 수 있다.

일반적으로 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은, 검출기 상의 기준 광을 간섭시키기 위하여 시험 물체로부터 일정 범위의 각도에 걸쳐 나오는 시험 광을 영상처리하도록 구성된 주사 간섭 측정기로서, 상기 시험 및 기준 광은 공통 소스로부터 유도되고, 상기 주사 간섭측정기는, 각각의 각도에 대해 상기 시험 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 상기 소스로부터 상기 검출기까지의 광 경로 길이 차이를, 상기 시험 광이 상기 시험 물체로부터 나오는 각도에 의존하는 비율로 동시에 변화시키도록 더 구성되고, 실제적으로 시준된 광으로 상기 시험 물체를 조명하도록 구성된 소스 모듈을 포함하는 주사 간섭측정기를 포함하는 장치를 특징으로 한다. 예를 들어, 이 장치는 공통의 소스를 더 포함할 수 있고, 공통의 소스는 단색 소스일 수 있다.

또한, 임의의 선행하는 장치 발명의 실시예는 제 1방법과 관련하여 상술된 대응하는 특징 중 임의의 특징으로 포함할 수 있다. 달리 한정되지 않는다면, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속한 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 언급되는 모든 출판물, 특허 출원, 등록특허, 및 참고문헌은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 병합된다. 대립 시, 정의를 포함하는 본 명세서가 이를 제어할 것이다.

본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 도면과 관련한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

（실시예）

도 1은 리니크 타입의 주사 간섭 측정기를 도시한다. 소스(미도시)로부터의 조명 광(102)은 기준 광(106)을 한정하기 위하여 빔 스플리터(104)에 의해 부분적으로 전달되고, 측정 광(108)을 한정하기 위하여 빔 스플리터(104)에 의해 부분적으로 반사된다. 측정 광은 측정 대물렌즈(110)에 의해 시험 샘플(112)(예, 하나 이상의 이종 물질의 단일 또는 다중 층의 박막을 포함하는 샘플)상에 집속된다. 유사하게, 기준 광은 기준 대물렌즈(114)에 의해 기준 미러(116) 상에 집속된다. 바람직하게, 측정 및 기준 대물렌즈는 공통의 광 특성(예, 정합된 개구수)을 갖는다. 시험 샘플(112)로부터 반사(산란 또는 회절)된 측정 광은 측정 대물렌즈(110)를 통해 다시 전달되고, 빔 스플리터(104)에 의해 전달되며, 영상처리 렌즈(118)에 의해 검출기(120) 상에 영상처리된다. 유사하게, 기준 미러(116)로부터 반사된 기준 광은 기준 대물렌즈(114)를 통해 다시 전달되며, 빔 스플리터(104)에 의해 반사되어, 영상처리 렌즈(118)에 의해 검출기(120)상에 상이 영상처리되고, 검출기에서 측정 광과 간섭한다.

단순화를 위하여, 도 1은 시험 샘플과 기준 미러 상의 특정 지점에 각각 집속되고, 후속적으로 검출기 상의 대응하는 지점에서 간섭하는 측정 및 기준 광을 도시한다. 이러한 광은, 간섭측정기의 측정 및 기준 행정을 위한 동공 평면에 수직으로 전달되는 조명 광의 부분에 대응한다. 조명 광의 다른 부분은 궁극적으로 시험 샘플과 기준 미러 상의 다른 지점을 조명하고, 검출기 상의 대응하는 지점에 영상처리된다. 이것은 도 1에서 점선(122)으로 도시되었고, 이는 시험 샘플 상의 다른 지점으로부터 나오고, 검출기 상의 대응하는 지점에 영상처리되는 주요 광선에 대응한다. 주요 광선은 측정 대물렌즈(110)의 후방 집속 평면인, 측정 행정의 동공 평면(124)의 중앙에서 교차한다. 주요 광선과는 다른 각도로 시험 샘플로부터 나오는 광은 동공 평면(124)의 다른 위치에서 교차한다.

바람직한 실시예에 있어서, 검출기(120)는 시험 샘플 및 기준 미러 상의 다른 지점에 대응하는 측정 및 기준 광 사이의 간섭을 독립적으로 측정하기 위한(즉, 간섭 패턴을 위한 공간 해상도를 제공하기 위한) 다중 소자(즉, 다중-픽셀) 카메라이다.

시험 샘플(112)에 연결된 주사 스테이지(126)는 도 1에 주사 좌표(ζ)로 표시된 바와 같이 측정 대물렌즈(110)에 대해 시험 샘플의 위치를 주사한다. 예를 들어, 주사 스테이지는 압전 트랜스듀서(PZT)에 기초할 수 있다. 검출기(120)는, 시험 샘플의 상대 위치가 주사됨에 따라 검출기의 하나 이상의 픽셀에서 광 간섭의 강도를 측정하여, 그 정보를 분석을 위해 컴퓨터(128)에 전달한다.

주사는 측정 광이 시험 샘플 상에 집속되는 영역에서 발생하므로, 주사는 소스로부터 검출기까지의 측정 광의 광 경로 길이를, 시험 샘플에 입사하고 그로부터 나오는 측정 광의 각도에 따라, 다르게 변화시킨다. 결과적으로, 측정 및 기준 광의 간섭 부분 사이에서 소스로부터 검출기까지의 광 경로 길이 차이(OPD)는 시험 샘플에 입사하고 그로부터 나오는 측정 광의 각도에 따라, 주사 좌표(ζ)에 대해 다르게 크기가 정해진다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, (측정 대물렌즈(110)에 대해 시험 샘플(112)를 주사하는 대신) 기준 대물렌즈(114)에 대해 기준 미러(116)의 위치를 주사함으로써, 동일한 결과가 얻어질 수 있다.

주사 좌표(ζ)에 대해 OPD가 얼마나 변하는 지의 차이는 검출기의 각 픽셀에서 측정된 간섭 신호의 제한된 코히어런스 길이를 초래한다. 예를 들어, (주사 좌표의 함수로서) 간섭 신호는 전형적으로 λ/2(NA)² 정도의 공간 코히어런스 길이를 갖는 포락선에 의해 변조되고, 여기에서 λ는 조명 광의 공칭 파장이고, NA는 측정 및 기준 대물렌즈의 개구수이다. 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 간섭 신호의 변조는 시험 샘플의 반사율에 대한 각도-의존 정보를 제공한다. 제한된 공간 코히어런스를 증가시키기 위하여, 주사 간섭측정기의 대물렌즈는 바람직하게 큰 개구수 예를 들어 0.7 이상(또는 보다 바람직하게는 0.9 이상)을 한정한다.

간섭 신호는, 조명 소스의 스펙트럼 대역폭과 관련된 제한된 시간 코히어런스 길이에 의해 더 변조될 수 있다. 그러나 본 명세서에 대해, 조명 소스는 공칭적으로 단색이고, 시간 코히어런스에서의 임의의 제한은 제한된 공간 코히어런스에 대해 적다고 간주된다. 예를 들어, 조명 소스는 중심 파장의 대략 2%보다 적은 대역폭을 가질 수 있다.

도 1의 리닉크 간섭측정기를 다시 참조하면, 측정 대물렌즈(110)는 일정 범위의 입사각도( φ)에 걸쳐 시험 샘플의 표면을 조명하고 관찰한다. 이제 단색 조명을 가정하는 단순화된 모델을 사용하여 간섭 효과가 수학적으로 계산될 것이다. 그 후, 샘플 표면의 광 특성이 간섭 패턴의 각도-의존 기여로의 수학적인 분해에 의해 어떻게 회복되는 지가 설명될 것이다.

시험 샘플 표면의 복잡한 진폭의 반사율은 z(φ)이고, 대응하는 강도의 반사율 Z(φ)은 다음과 같다.

（수학식 1）

샘플 표면에 대한 반사시 위상 변화(PCOR : phase change on reflection)는 다음과 같다.

（수학식 2）

수학식 2에서 "arg"는 복잡한 진폭 반사율의 위상을 되돌린다.

각 입사 각도에 대한 간섭 효과를 별도로 고려하는 단순화된 스칼라(편광되지 않은) 모델에 있어서, 단일 샘플 지점 또는 카메라 픽셀에 대한 간섭 패턴은 다음의 수학식 3에 비례한다.

（수학식 3）

여기에서 ζ는 주사 위치(PZT에 의해 동작되는)이고, h는 샘플 표면의 높이 프로파일이다. 파라미터 R₀(φ), V₀(φ) 및 α₀(φ)은, 시험 샘플(112)과 무관한 기준 미러(116)를 포함하는 간섭측정기 광학기의 DC 레벨, 콘트라스트 및 위상 값이다. 이하에서 더 기술되는 바와 같이, 교정 절차는 알려진 광 특성의 알려진 결함을 사용하여 이들 파라미터를 결정한다. R₀(φ), V₀(φ) 및 α₀(φ) 파라미터는 기기의 광 특성을 수용하기 위하여, 필요한 필드 의존성을 포함할 수 있다.

간섭 효과의 공간 주파수 K(φ)는 다음의 수학식 4에 따른 각도(φ)의 함수로서 감소한다.

（수학식 4）

여기에서, λ는 조명 파장이고, 측정 광은 시험 샘플로부터 반사된다고(즉, 측정 광은 시험 샘플에 입사한 각도와 동일한 각도로 시험 샘플로부터 나온다고) 간주한다. 수학식 4는 측정 광(또는 기준 광)은 일정 범위의 각도에 걸쳐 전달되는 주사가 이루어지고, 따라서 측정 및 간섭 광의 간섭 부분 사이에서 OPD는 시험 샘플에 입사되는 측정 광의 각도에 의존하는 주사 좌표(ζ)에 대해 다르게 크기가 정해진다. 결과적으로, 수학식 4는 간섭 신호에서의 공간 주파수와 입사각도 사이의 고유 관계를 설명한다.

소스 광은 동공에 걸쳐 공간적으로 완벽하게 비간섭성(incoherent)이고, 단색이며, 간섭 현상에 대한 모든 각도-의존 기여의 순수한 효과는 다음의 수학식 5의 비간섭성 중첩 적분에 의해 주어진다.

（수학식 5）

여기에서, φ_MAX = arcsin(NA)이고, 다음의 예에서 사용된 다음 수학식 6의 가중 함수는 광에 의해 균일하게 조명되는 동공을 위해 적합하고, 이는 도 2(각도가 φ가 아니라 Ψ에 의해 표시되는)의 도면의 고려로부터 명확해진다.

（수학식 6）

각 픽셀에 대해, 전자 카메라와 컴퓨터 제어 장치는 일정한 범위의 주사 위치(ζ)에 걸쳐 간섭 패턴(I(ζ,h))을 측정한다. 높이(h)와 유효 반사율(z(φ))은 필드에 걸쳐 변하고, 각 픽셀에 대해 다를 수 있다.

공간 주파수와 입사각도 사이의 고유 관계는 적분된 패턴(I(ζ,h))에 대한 개별 기여(g(φ,ζ,h))를 회복하는 수단을 제공한다. 제 1단계는 예를 들어 푸리에 변환을 통해 완전한 간섭 패턴의 분해를 수행하는 것이다.

（수학식 7）

제한된 주사의 실제 요건은, 수학식 7에서 모든 ζ에 걸친 적분을 정확한 결과를 위해 필요한 만큼의 간섭 신호를 포함하는 제한된 범위의 값으로 끝수를 버린다. 간섭 패턴을 유사하게 분해하는 어떠한 다른 변환도 사용될 수 있다. 공간 주파수 영역으로의 변환은 일반적으로 주파수 영역 분석(FDA : frequency domain analysis)으로 불린다.

분해{q[K(φ),h]}는 다음과 같이 해석될 수 있다. 영 공간 주파수 또는 DC 항은 각도(φ)의 함수로 분리될 수 없고, 따라서 다음 수학식 8이 성립한다.

（수학식 8）

모든 다른 공간 주파수에 대해, 실제보다 훨씬 적은 공간 주기를 갖는 성분은 적분에서 범위가 정해질 수 있고, q[K(φ),h]의 크기는 다음 수학식 9와 같다.

（수학식 9）

복잡한 위상은 다음 수학식 10과 같다.

（수학식 10）

*

본 발명의 일 실시예에 있어서, 광 시스템 특성(α₀(φ),P(φ),V₀(φ))은 종래의 교정, 예를 들어 수학식 3을 수반하는 설명에서 언급한 바와 같은 알려진 결함 샘플을 통해 결정되어 왔다. 예를 들어, 광 시스템 특성이 수학식 9 및 10으로부터 추출될 수 있도록, 알려진 표면 높이와 반사율을 갖는 시험 샘플에 대한 측정이 이루어질 수 있다. 결정되고 있는 광 시스템 특성에 대해, 수학식 9 및 10은 표면 높이(h)에 대한 정보와, 입사각도(φ)의 범위에 걸친 표면의 두 가지 광 특성(Z(φ) 및 α_Z(φ))을 제공한다. 광 특성(Z(φ) 및 α_Z(φ))은 이들 자체가, 물질과 박막의 알려진 광 특성과 같은 기본 정의에 의해 막 두께와 같은 특정 표면 파라미터와 연결된다. 따라서, 이들 파라미터는 표면 높이와 함께 측정 위상(α_Q(φ,h)) 및 q[K(φ),h]의 진폭(Q(φ,h))에 가장 잘 어울리도록 조절될 수 있다.

일 예로서, 도 3의 박막 구조를 고려한다. 이 구조의 유효 반사율은 다음의 수학식 11로 주어진다.

（수학식 11）

여기에서, r₁(φ), r₂(φ')는 각각 상부 및 하부 표면의 반사율이고, φ'는 φ와 스넬의 법칙(Snell's law)으로부터 계산된 하부 표면 상의 입사각도이다. 박막(수학식 11)은 K(φ)에 강한 의존성을 갖는 뚜렷한 간섭 효과를 만들어 낸다.

이 예의 양적인 설명을 위하여, 실리콘(Si; 굴절율 n₂= 3.96+0.03i) 상의 이산화 실리콘(SiO₂; 굴절율 n₁= 1.46)의 1.8㎛ 막과 550 nm의 조명 파장을 고려해보자. 유효 반사율(z(φ))은 경계면의 반사율에 대해 수학식 11과 프레스넬 공식(Fresnel equation)을 따른다. 간섭 대물렌즈에 대한 이 샘플 표면의 주사는 도 4에서와 같은 신호를 생성한다. 비교를 위해, 도 5는 단순한 단일-표면의 SiO₂ 샘플(즉, 박막 층이 없는 두꺼운 SiO₂ 샘플)에 대한 시뮬레이션된 간섭 패턴(I(ζ,h))을 도시한다.

데이터 획득 이후, 컴퓨터는 각 영상 픽셀에 대해 도 4의 것과 유사한 신호를 주파수 영역으로 변환시킨다. 신호와 변환은, 표면 지형, 광 시스템 파라미터, 및 막 두께에서의 필드 변동으로 인해 픽셀마다 다를 수 있다. 도 6은 도 4에서의 신호에 대한 각 구성 공간 주파수 의 기여의 크기(이 경우, 진폭)를 도시한다. 이 결과는, 도 5에 도시된 간섭 신호를 갖는 단순한 단일-표면 구조에 의해 생성된, 도 7에 도시된 주파수 영역의 크기와 비교될 때, 매우 뚜렷한 특징을 보인다.

예를 들어 교정으로서 도 7을 사용하여, 도 6과 도 7의 비교를 통해, 박막의 존재를 명백하게 결정할 수 있다. 또한, 도 6을 샘플의 유효 반사율에 기초한 이론적인 기대치와 비교함으로써, 컴퓨터는 예를 들어 SiO₂와 Si의 알려진 특성을 가정하여 막의 두께를 결정할 수 있다. 이것은 도 8로 도시되었고, 도 8은 3개의 다른 막의 예상 결과를 비교하는데, 이 중 하나(1.80 ㎛)의 결과만이 도 6의 푸리에 변환된 간섭 데이터와 양호하게 부합된다.

푸리에 변환 위상을 위하여 유사한 분석이 또한 유용하다. 도 9 및 도 10은 박막 구조와 단순한 균질의 단일 표면 샘플 사이의 차이를 도시한다. 도 9에서 뚜렷한 비선형성은 박막 효과의 명백한 조짐이다. 여기에서 다시, 측정과 이론 사이의 비교는 수학식 10에 기초하여 중요한 박막 두께 정보를 제공한다. 또한, 진폭 정보로부터 유도된 두께 정보는 사용하여, 수학식 11로부터 α_z(φ)를 결정할 수 있고, 다른 픽셀간의 표면 높이 변동(h)을 추출하기 위하여 이를 수학식 10에서 사용할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 도 1의 것과 다른 간섭측정 시스템이 카메라의 각 픽셀에서 주사 간섭측정 데이터(I(ζ,h))를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 간섭측정 시스템은 도 11에 도시된 미라우-타입의 간섭측정기가 될 수 있다.

도 11을 참조하면, 소스 모듈(205)은 조명 광(206)을 빔 스플리터(208)에 제공하고, 빔 스플리터(208)는 조명광을 미라우 간섭측정 대물렌즈 어셈블리(210)로 유도한다. 어셈블리(210)는 대물렌즈(211), 기준 미러(215)를 한정하는 작은 중앙 부분에 반사 코팅을 갖는 기준 플랫(212), 및 빔 스플리터(213)를 포함한다. 동작 중에, 대물렌즈(211)는 조명 광을 기준 플랫(212)을 통해 시험 샘플(220)을 향해 집속된다. 빔 스플리터(213)는 기준 광(222)을 한정하기 위하여 집속 광의 제 1부분을 기준 미러(215)를 향해 반사시키고, 측정 광(224)을 한정하기 위하여 집속 광의 제 2부분을 시험 샘플(220)을 향해 투과시킨다. 따라서, 빔 스플리터(213)는 시험 샘플(220)로부터 반사(또는 산란)된 측정 광을 기준 미러(215)로부터 반사된 기준 광과 결합시키고, 대물렌즈(211)와 영상처리 렌즈(230)는 검출기(예, 다중-픽셀 카메라)(240) 상에서 간섭하기 위하여 결합된 광을 영상처리한다. 도 1의 시스템에서와 같이, 검출기로부터의 측정 신호는 컴퓨터(미도시)로 보내진다.

도 11의 실시예에서의 주사는 미라우 간섭측정 대물렌즈 어셈블리(210)에 연결된 압전 트랜스듀서(PZT)(260)를 수반하고, 압전 트랜스듀서는 대물렌즈(211)의 광축을 따라 시험 샘플(220)에 대해 전체로서 어셈블리(210)를 주사시켜 카메라의 각 픽셀에서 주사 간섭측정 데이터(I(ζ,h))를 제공하도록 구성된다. 그 대안으로서, PZT는 어셈블리(210)외에도 시험 샘플에 연결되어 PZT 작동기(270)에 의해 표시되는 이들 사이의 상대 동작을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 주사는 기준 미러(215)와 빔 스플리터(213) 중 하나 또는 이들 모두를 대물렌즈(211)에 대해 대물렌즈(211)의 광 축을 따라 이동시킴으로써 제공될 수 있다.

소스 모듈(205)은 공간적으로 확장된 소스(201), 렌즈(202와 203)에 의해 형성된 망원경, 및 렌즈(202)의 전방 집속 평면(렌즈(203)의 후방 집속 평면과 일치)에 위치한 조리개(204)를 포함한다. 이 장치는 공간적으로 소스를 향해 확장된 것을 미라우 간섭측정 대물렌즈(210)의 동공 평면(245) 상에 영상처리하는데, 이는 쾨흘러(Koehler) 영상처리의 일 예이다. 조리개의 크기는 시험 샘플(220) 상의 조명 필드의 크기를 제어한다. 다른 실시예에 있어서, 소스 모듈은 공간적으로 확장된 소스가 시험 샘플 상에 직접 영상처리되는 장치를 포함하는데, 이러한 처리는 임계 영상처리로 알려져 있다. 어떤 형태의 소스 모듈이든 도 1의 리니크 타입의 주사 간섭측정 시스템과 함께 사용될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 주사 간섭측정기는 미켈슨(Michelson) 타입이 될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 주사 간섭측정기 시스템은 시험 샘플에 대한 각도-의존 산란 또는 회절 정보, 즉 산란를 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 주사 간섭측정 시스템은, 시험 샘플에 의해 산란 또는 회절될 수 있는 오직 매우 좁은 입사각도에 걸친 시험 입사(예, 실질적으로 수직 입사 또는 그렇지 않을 경우 시준된)를 통해 시험 샘플을 조사하는데 사용될 수 있다. 샘플로부터 나오는 광은 상술한 바와 같이 기준 광을 간섭하기 위하여 카메라에 영상처리된다. 상술한 실시예에서 반사 광에 대한 것과 같이, 주사 간섭측정 신호의 각 성분의 공간 주파수는 시험 샘플로부터 나오는 시험 광의 각도에 의존하고 이 각도에 따라 변할 것이다. 실질적으로 수직 입사를 위해 공간 주파수는 다음 수학식 12에 따라 변한다.

（수학식 12）

수학식 4와 다른 것은 수직 입사로 인해 2의 계수가 되는 점이다. 수학적인 분석의 다른 부분은 변하지 않고 남아 있지만, 산란 또는 회절 시험 샘플로부터의 주사 간섭측정 데이터(I(ζ,h))는 수학식 7 내지 수학식 10에 따라 분석되어, 시험 샘플에 대한 각도-의존, 위상 및 진폭의 산란/회절 계수를 제공할 수 있다. 따라서, 푸리에 분석을 수반하는 수직 주사(즉, 대물렌즈의 광 축을 따른 주사)는, 대물렌즈의 후방 집속 평면을 직접 액세스하거나 영상처리 함이 없이, 나오는 각도의 함수로서 회절 및/또는 산란된 광의 측정을 허용한다. 또한, 상기와 같이, 이러한 광 특성의 각도 의존성은 영상처리 시스템 및 카메라 픽셀 크기의 해상도에 기초하여 시험 샘플의 영역에 걸쳐 국부적으로 결정될 수 있다. 실질적으로 수직 입사 조명을 제공하기 위하여, 예를 들어 소스 모듈은, 점 소스를 동공 평면상에 영상처리하도록, 또는 그렇지 않을 경우 조명 광이 측정 대물렌즈의 개구수를 채우는 정도를 감소시키기도록 구성될 수 있다. 산란 측정 기술은, 광을 더 높은 각도로 회절 및/또는 산란시키는 격자 라인, 에지, 또는 일반 표면의 거칠기와 같은 샘플 표면의 이산 구조를 분석하는데 유용할 수 있다.

상기 실시예에 있어서, 동공 평면에서의 광의 편광 상태는 랜덤한 것으로, 즉 s 편광(입사 평면에 직교하는)과 p 편광(입사 평면에 직교하는)의 대략 동일한 양으로 이루어지는 것으로 간주된다. 동공 평면(예, 리니크 간섭측정기의 경우 측정 대물렌즈의 후방 집속 평면과, 미라우 간섭측정기에서는 공통 대물렌즈의 후방 집속 평면)에 위치한 방사 편광자를 통해 구현될 수 있는 것과 같은 순수한 s 편광을 포함하는 다른 편광도 가능하다. 이러한 방사 편광은 도 12에 도시되었다. 다른 가능한 편광은 방사 p 편광, 원형 편광, 및 타원편광 측정을 위한 변조된(예, 한 상태가 다른 상태에 뒤따르는 두 상태) 편광을 포함한다. 달리 말하면, 시험 샘플의 광 특성은 각도 의존성에 대해서 뿐만아니라, 편광 의존성 또는 선택된 편광에 대해서도 분석될 수 있다. 이러한 정보는 또한 박막 구조 특징화의 정확도를 개선하는데 사용될 수 있다.

이러한 타원편광 측정을 위하여, 주사 간섭측정 시스템은 동공 평면 내에서 고정되거나 가변적인 편광자를 포함할 수 있다. 다시 도 11을 참조하면, 미라우-타입의 간섭측정 시스템은 예를 들어 시험 샘플에 입사하고 그로부터 나오는 광에 대한 원하는 편광을 선택하기 위하여 동공 평면 내에 편광 광학기(280)를 포함한다. 또한, 편광 광학기는 선택된 편광을 변화시키기 위하여 재구성될 수 있다. 편광 광학기는 편광자, 파장판, 어포다이제이션 개구(apodization aperture), 및/또는 주어진 편광을 선택하기 위한 변조 소자를 포함할 수 있다. 또한, 편광 광학기는 타원편광 측정기의 데이터와 유사한 데이터를 생성하기 위하여, 고정, 조직화 또는 재구성될 수 있다. 예를 들어, s 편광에 대해 방사 방향으로 편광된 동공을 통한 제 1측정은 p 편광에 대한 방사 방향으로 편광된 동공을 수반한다. 다른 예에 있어서, 임의의 원하는 선형 편광 상태를 물체로 향하게 하도록 동공 평면 내에서 회전할 수 있는, 선형으로 편광된 광을 갖는 어포다이즈된(apodized) 동공 평면, 예를 들어 슬릿이나 쐐기 모양을 사용할 수 있거나, 또는 액정 디스플레이와 같은 재구성 가능한 스크린을 사용할 수 있다.

또한, 편광 광학기는 (예를 들어, 다중 편광자 또는 공간 변조기를 포함함으로써) 동공 평면에 걸쳐 가변적인 편광을 제공할 수 있다. 따라서, 예를 들어 얕은 각도보다 더 큰 입사각도에 대해 다른 편광을 제공함으로써, 공간 주파수에 따라 편광 상태를 "구별"("tag")할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 선택 가능한 편광은 편광의 함수로서 위상 이동과 결합될 수 있다. 예를 들어, 선형 편광자를 포함할 수 있는 편광 광학기는 동공 평면에 위치하고, 대향하는 사분 동공 평면에서 2개의 파장판(예를 들어, 8개의 파장판)을 수반한다. 선형 편광은 대물렌즈의 입사 평면에 대해 완전한 범위의 편광 각도를 초래한다. 예를 들어 s 편광된 광이 주도적으로 고정된 위상 이동을 갖도록 파장판이 정렬된다면, 방사 s 편광된 광 및 p 편광된 광 모두 동시에 제공되지만, 서로에 대해 동위상으로 예를 들어, π만큼 이동되어, 간섭측정기가 두 편광 상태 사이의 차이를 기본 신호로서 효과적으로 검출한다.

상술한 바와 같이, 동공 평면에 평광 광학기를 위치시킴으로써, 각도 분석된 다양한 형태의 편광 측정을 허용한다. 그러나, 또 다른 실시예에 있어서, 편광 광학기는 장치 내의 다른 곳에 위치할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광은 시스템 내의 어느 곳에서라도 얻어질 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상술된 반사측정, 산란 측정, 및 타원편광 측정 기술 중 임의의 것이, 관심 대상의 샘플 광 특성의 파장 의존성을 제공하기 위하여, 다른 파장에 대해 순차적으로 반복될 수 있다. 이러한 정보는 보다 더 복잡한 표면 모델에 부합시키기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 광대역 조명을 포함할 수 있다. 예를 들어 조명은, 예를 들어 백색 광 간섭 망원경에서 일반적인 것과 같은, 광대역이 될 수 있다. 이것은 컴퓨터가 복잡한 표면 모델에 대해 최상의 적합도를 찾아낼 수 있는 정보의 양을 증가시킨다.

주사 간섭 측정 시스템을 위한 조명 소스는 예를 들어 레이저, 레이저 다이오드, 광방출 다이오드, 필터링된 백열광 소스 및 아크 램프 중 임의의 것이 될 수 있다.

상술한 방법 및 시스템은 반도체 응용에서 특히 유용하다. 본 발명의 부가적인 실시예는 이하에서 기술되는 반도체 응용 중 임의의 응용을 해결하기 위하여 상술된 임의의 측정 기술 중 임의의 기술의 적용을 포함한다.

현재 표면 지형을 양적으로 측정하는 것은 반도체 산업에서 상당한 관심 사항이다. 전형적인 칩 형상의 적은 크기 때문에, 이들 측정을 수행하기 위해 사용되는 기기는 칩 표면에 평행 및 수직으로 높은 공간 해상도를 가져야만 한다. 엔지니어와 과학자는 공정 제어를 위하여, 그리고 특히 에칭, 연마, 세척 및 패터닝과 같은 공정의 결과로서, 제조 과정에서 발생하는 결함을 검출하기 위하여, 표면 지형 측정 시스템을 사용한다.

공정 제어 및 결함 검출이 특히 유용하기 위해서는, 전형적인 표면 형상의 측면 크기와 비교될 수 있는 측면 해상도와, 허용되는 최소 표면 단계 높이와 비교될 수 있는 수직 해상도를 가져야만 한다. 전형적으로, 이것은 ㎛보다 적은 측면 해상도와 1 nm보다 적은 수직 해상도를 필요로 한다. 또한, 이러한 시스템이 칩 표면과 접촉함이 없이 또는 그렇지 않을 경우 잠재적으로 손상이 되는 힘을 표면에 가하지 않고, 측정을 수행하여 표면을 변형시키거나 결함의 야기를 피하는 것이 바람직하다. 또한, 칩 제조에 사용된 많은 공정의 영향이 패턴 밀도 및 에지 근접도와 같은 국부적인 인자에 강하게 의존한다는 것이 잘 알려져 있기 때문에, 표면 지형 측정 시스템이 높은 측정 산출량과, 관심 대상의 하나 또는 많은 표면 형상을 포함할 수 있는 영역에서 큰 영역에 걸쳐 조밀하게 샘플링할 수 있는 능력을 갖는 것이 매우 중요하다.

칩의 다른 부분 사이에서 전기적인 연결부를 만들기 위한 소위 '듀얼 다마신 구리(dual damascene copper)' 공정을 사용하는 것이 칩 제조자 사이에서 일반화되고 있다. 이것은 적합한 표면 지형 시스템을 사용하여 효과적으로 특징화될 수 있는 공정의 예이다. 듀얼 다마신 공정은 5개 부분 즉, (1) 유전 물질(폴리머 또는 유리와 같은)의 층이 웨이퍼(복수의 개별 칩을 포함하는)의 표면에 증착되는 층간 유전(ILD : interlayer dielectric) 증착, (2) 유전 층이 연마되어 정밀한 광 리소그래피를 위해 적합한 평탄 표면을 생성하는 화학 기계적인 연마(CMP : chemical mechanical polishing), (3) 웨이퍼 표면에 평행하게 이어지는 좁은 트렌치와, 트렌치의 바닥으로부터 하부(미리 규정된) 전기 전도 층으로 이어지는 적은 구멍(via)을 포함하는 복잡한 네트워크가 생성되는, 리소그래피 패터닝과 반응성 이온 에칭 단계의 조합, (4) 트렌치와 구멍이 구리로 채워지는 금속 증착 단계의 조합, (5) 과잉 구리가 제거되어 유전 물질로 둘러싸이고 구리가 채워진 트렌치(및 가능하다면 구멍)의 네트워크를 남기는, 최종 화학 기계적인 연마(CMP) 단계를 갖는 것으로 간주된다.

전형적으로, 트렌치 영역 내의 구리의 두께(즉, 트렌치 깊이), 및 주변 유전체의 두께는 0.2 내지 0.5 ㎛ 범위에 놓인다. 최종 트렌치의 폭은 100 내지 100,000 nm의 범위일 수 있고, 각 칩 내의 구리 영역은 일부 영역에서 평행 라인의 어레이와 같은 규칙적인 패턴을 형성할 수 있고, 다른 영역에서는 뚜렷한 패턴을 갖지 않을 수 있다. 마찬가지로, 일부 영역 내에서, 표면은 구리 영역으로 조밀하게 덮힐 수 있고, 다른 영역에서는 구리 영역이 희박할 수 있다. 연마 비율, 따라서 연마 이후 남는 구리(및 유전체)의 두께가 연마 조건(패드 압력 및 연마 슬러리 화합물과 같은)과 구리 및 주위 유전체 영역의 국부적인 세부 배열(즉, 배향, 근접도 및 형태)에 강하게 그리고 복잡한 방식으로 의존한다는 점을 인식하는 것이 중요하다.

이러한 '위치 의존 연마 비율'은 많은 측면 길이 스케일로 가변적인 표면 지형을 상승시키는 것으로 알려졌다. 예를 들어, 이것은 집합체 상의 웨이퍼 에지에 근접한 근접하여 위치한 칩이 중앙에 근접하여 위치한 것보다 신속하게 연마되어 에지 근처에서는 원하는 것보다 얇고 중앙에서는 원하는 것보다 뚜꺼운 구리 영역을 생성한다는 것을 의미한다. 이것은 '웨이퍼 스케일' 공정의 불균일, 즉 웨이퍼 직경과 비교될 수 있는 길이 스케일 상에 발생하는 불균일의 예이다. 높은 밀도의 구리 트렌치를 갖는 영역이 낮은 구리 라인 밀도를 갖는 가까운 영역보다 높은 비율로 연마되는 것이 또한 알려져 있다. 이것은 높은 구리 밀도 영역에서 'CMP 유도 부식'으로 알려진 현상을 초래한다. 이것은, '칩 스케일' 공정의 불균일, 즉 단일 칩의 선형 치수와 비교될 수 있는( 및 간혹 더 적은) 길이 스케일로 발생되는 불균일의 예이다. '디싱'('dishing')으로 알려진 다른 타입의 칩 스케일 불균일은 구리로 채워진 단일 트렌치 영역(주변 유전체 물질보다 더 높은 비율로 연마되는 경향이 있음) 내에서 발생한다. 폭이 수 ㎛보다 큰 트렌치에 대해, 영향을 받은 라인이 이후에 과도한 전기 저항을 나타내어 칩 고장을 초래하는 결과를 갖는 디싱은 심각해 질 수 있다.

CMP 유도 웨이퍼 및 칩 스케일 공정의 불균일은 본질적으로 예측하기 힘들고, CMP 처리 시스템 내의 조건이 점진적으로 변화함에 따라 시간에 걸친 변화를 겪게 된다. 임의의 불균일이 허용 가능한 한계치 내로 유지되는 것을 보장할 목적으로, 공정 조건을 효과적으로 감시하고 적합하게 조정하기 위하여, 공정 엔지니어가 많은 수 및 폭 넓은 위치에서 칩 상의 빈번한 비-접촉 표면 지형 측정을 수행하는 것이 중요하다. 이것은 상술한 간섭측정 기술의 실시예를 사용하여 가능하다.

보다 일반적으로, 상술한 간섭 측정 기술은 다음의 표면 분석 문제점, 즉 간단한 박막; 다중층 박막; 회절시키거나 그렇지 않을 경우 복잡한 간섭 효과를 생성하는 예리한 에지 및 표면 형상; 분석되지 않은 표면 거칠기; 분석되지 않은 표면 형상, 예를 들어 그렇지 않을 경우 평탄한 표면 상의 파장 이하 폭의 그루브; 이종 물질; 표면의 편광-의존 특성; 및 간섭 현상의 입사각도 의존 교란을 초래하는 표면의 진동 또는 움직임 또는 변형 가능한 표면 형상의 문제점 중 임의의 것을 위하여 사용될 수 있다. 간단한 박막의 경우에 대해, 관심 대상의 가변 파라미터는 막의 두께, 막의 굴절율, 기판의 굴절율, 또는 이들의 일부 조합이 될 수 있다. 이종 물질의 경우에 대해, 예를 들어 표면은 박막과 고체 금속의 조합을 포함할 수 있고, 각도-의존 표면 특성의 적합도는 대응하는 간섭 강도 신호에 대한 부합을 통해 막 또는 고체 금속을 자동적으로 식별하도록 두 표면 구조 타입을 포함할 수 있는 이론적인 예측값의 자료실로 만들어 질 수 있다.

상술된 컴퓨터 분석 방법 중 어떤 방법이라도 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 이 방법은 본 명세서에서 기술한 방법과 수치를 따르는 표준 프로그래밍 기술을 사용하는 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 프로그램 코드는 입력 데이터로 인가되어, 본 명세서에서 기술된 기능을 수행하고 출력 정보를 생성한다. 출력 정보는 디스플레이 모니터와 같은 하나 이상의 출력 디바이스에 인가된다. 각 프로그램은 높은 레벨의 절차상 또는 객체 지향 프로그래밍 언어로 구현되어, 컴퓨터 시스템과 통신한다. 그러나, 프로그램은 원한다면 어셈블리 또는 기계 언어로 구현될 수도 있다. 어떤 경우든, 언어는 컴파일되거나 해석된 언어일 수 있다. 또한 프로그램은 이러한 목적으로 사전 프로그래밍된 전용 집적 회로 상에서 수행될 수 있다.

이러한 각 컴퓨터 프로그램은 바람직하게는 범용 또는 특정 목적의 프로그램 가능한 컴퓨터에 의해 판독 가능한 저장 매체 또는 디바이스(예, ROM 또는 자기 디스크)에 저장되어, 저장 매체 또는 디바이스가 컴퓨터에 의해 판독될 때 본 명세서에서 기술된 절차를 수행하도록 컴퓨터를 구성하고 동작시킨다. 컴퓨터 프로그램은 프로그램 실행 도중에 캐쉬 또는 메인 메모리 내에 상주할 수 있다. 분석 방법은 또한 컴퓨터 프로그램과 함께 구성된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로 구현될 수 있고, 이렇게 구성된 저장 매체는 컴퓨터로 하여금 특정 및 미리 한정된 방식으로 동작하여 본 명세서에서 기술된 기능을 수행하도록 한다.

본 발명의 많은 실시예가 기술되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상과 범주를 벗어남이 없이도 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명은 박막을 갖는 물체 또는 이종 물질의 이산 구조의 표면 지형을 측정 단계에 이용 가능하며, 이러한 측정은 평면 패널 디스플레이 요소, 반도체 웨이퍼 도량형, 및 원 위치에서의 박막 및 이종 물질의 분석에 적절하다.

102: 조명 광 104: 빔 스플리터
106: 기준 광 108: 측정광
110: 측정 대물렌즈 112: 시험 샘플
114: 기준 대물렌즈 116: 기준 미러
118: 영상처리 렌즈 120: 검출기

Claims (2)

1. 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여, 박막과 상기 박막을 지지하는 기판을 포함하는 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
2. 단색 주사 간섭측정 시스템과;
   상기 주사 간섭측정 시스템에 연결된 전자 프로세서로서, 시험 물체에 대한 단색 주사 간섭측정 데이터에 기초하여 시험 물체 상의 박막의 두께를 결정하도록 구성된 전자 프로세서를 포함하는 장치.

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