KR20140019733A

KR20140019733A - 광학 측정 시스템 및 임계치수를 측정하는 방법

Info

Publication number: KR20140019733A
Application number: KR1020130077295A
Authority: KR
Inventors: 세르게이 니콜라에비치 콥띠야에프; 막심 블라디미로비치 리얍꼬; 알렌산더 비아체슬라보비치 슈체르바코프; 알렉세이 드미트리비치 란초프
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-02-17
Also published as: RU2509718C1; KR102026742B1; RU2012133571A

Abstract

나노 물체의 기하학적 매개 변수들을 측정하는 광학 측정 시스템과 임계치수를 측정하는 방법이 개시된다. 개시된 광학 측정 시스템과 임계치수를 측정하는 방법은 조명 광학계의 초점에 따라 조사 대상을 기계적으로 스캐닝하는 것 없이 측정 처리를 신속히 할 수 있도록 산란 방사선의 파장을 변경하면서 나노구조체의 광학 이미지를 디포커싱하는 것에 기초한다. 광학계는, 다른 소자들과 별개로, 산란 방사선의 파장에 의존하는 레벨을 갖는 디포커싱 모듈을 포함한다. 나노구조체의 임계치수에 대한 최적 추정치를 달성하기 위해, 산란 방사선의 다양한 파장에 대응하여 측정된 디포커스된 이미지들의 세트는 기연산된 이미지들의 세트들과 비교한다. 파장에 의존하는 초점 메트릭 곡선의 평가 및 비교에 기반한, 측정된 세트와 기연산된 세트들을 비교하는 방법들 중 하나가 설명된다.

Description

광학 측정 시스템 및 임계치수를 측정하는 방법{Optical measuring system and method of measuring a critical size}

본 개시는 측정 기술에 관한 것이며, 보다 상세하게는 나노 물체의 기하학적 매개 변수들을 측정하기 위한 광학 측정 시스템 및 임계치수를 측정하는 방법에 관한 것이다.

오늘날 반도체칩 제조에 있어서 미세 리소그래피에서의 성과는 물체의 임계치수(Critical Size: CS)를 줄이는 방향으로 달성되어 왔다. "임계치수"라는 용어는 나노구조체의 특징적인 크기를 의미하며, 이러한 크기는 특정한 관심의 대상으로, 수십 나노미터에 해당된다. 현재, 나노구조체의 최소 임계치수는 대략 30 나노미터 정도이며, 가까운 장래에는, 수 나노미터 ~ 20 나노미터로 줄어질 수 있다.

매우 작은 임계치수를 갖는 반도체 구조체의 대량 생산은, 측정 장비의 정밀도 및 신뢰도에 좀 더 가혹한 기준을 요구하며, 또한 측정 과정의 속도와 비용 면에서도 향상될 것을 요구한다. 따라서, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)과 원자 전원 현미경(Atomic-Powered Microscope: АPМ)을 기반으로 측정하는 기존의 방법은 느리고 비용이 많이 들며, 특히 사전에 알려진 토폴로지(topology)를 갖는 칩들의 특징적인 치수가 기설정된 크기들에서 약간 다른 경우에 불량 처리를 하는 단계에서 더욱 그러하다. 이러한 측정과 관련하여, 타원 기법(ellipsometry technique)[1]과, 산란광학(scatterometry)[2]을 기반으로 다양한 광학적 방법들이 개발되어 왔으며, 특히 "광학적 임계치수(Optical Critical Dimension(OCD)"[3]이라는 널리 알려진 방법은 레일리 분해능 한계(Rayleigh resolution limit)보다 작은 반도체 구조의 임계치수를 구별할 수 있게 한다.

상기와 같은 기존의 광학적 분석 방법 각각은 장점과 단점을 모두 가지고 있다.

OCD 방법은 임계치수상의 서브-파형(subundular) 구조의 반사도 인자(reflectivity factor)의 입사 방사선의 파장 및 시야 각도(sight angle)에 대한 의존성(dependence)에 기초한다. 일반적으로, OCD 방법은 두 가지 적용 방법이 사용된다. 그 중 한 방법은, 입사 방사선의 고정된 파장에서, 시야 각도에 대한 반사도 인자의 의존성으로 이루어지고(각도 스캔), 다른 예는 입사 방사선의 고정된 각도에서, 파장에 대한 반사도 인자의 의존성으로 이루어진다(파장 스캔). 실제로, 두 번째 예는 입사 및 반사된 방사선의 스펙트럼을 측정하는 것으로 구성되어 있으며, 이러한 측정의 결과에서 의존성은 반사도 인자와 파장 사이에서 결정된다. 측정 의존도는 임계치수의 여러 값들에서 결정되는 계산된 의존성과 비교된다. 측정 및 계산된 곡선의 최적의 일치는 임계치수의 요구되는 값을 제공한다.

OCD 방법은 일반적으로 반도체 제조에 사용되나, 이 방법은 비주기적 (비순환) 구조체, 작은 집합의 주기(혹은 순환)을 갖는 구조체 또는 하나 또는 여러 개의 분리된 물체로 이루어진 구조체의 분석을 수행하기 위해 적합하지 않다.

"초점을 통한 광학 현미경 주사(optical microscopy scanning through focus; TSOM)"[4] 방법은, 현미경을 이용하여 광축을 따라 물체를 스캐닝하여 생성되는 조사 대상의 낮은 콘트라스트의 (디포커스된) 이미지의 해석에 기초하여, 비순환적이며 분리된 물체를 해석할 수 있게 한다. TSOM의 틀에서, 수십 나노미터의 정밀도의 초점을 가지고 조사 대상인 물체를 이동하는 것을 확보해야 하는 기계적인 스캐닝 시스템은 핵심적인 요소들 중 하나이며, 동시에, 이는 신뢰성의 의미에서, TSOM 측정 설치에서 가장 취약한 요소이다. 필요한 스캐닝 단계의 최소화 및 초점에 따른 물체의 위치 정확도를 위한 요구조건들은 물체의 특성 크기를 줄임에 따라 증가하며, 진동이 있는 경우, 전체 모든 측정 시스템의 측정들과 신뢰성의 정확성을 감소시킬 수 있다. 나아가, 기계적 방법에 의한 스캐닝은 명백하게 반도체 제조에서 실질적으로 중요한 일련의 측정 문제들에서 중요한 측정의 신속성을 제한한다. 이러한 점에서 샘플들 또는 측정 시스템의 개별 요소들의 기계적 스캐닝을 요구하지 않는 검사 방법은 주요한 장점을 가지고 있다.

TSOM 방법[4]은 본 발명의 원형(prototype)으로 선택된다.

본 발명에 따르는 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 초점을 따라 조사 대상의 기계적인 스캐닝 없이 디포커스된 이미지를 처리하는 것에 기초하여 나노구조체의 임계치수를 측정하는 광학 측정 시스템과 방법을 개발하는 것에 있으며, 이러한 접근 방법은 비순환적인 것을 포함하는 다양한 유형의 물체를 측정할 수 있게 한다.

"나노구조체(nanostructure)"라는 용어는 특징적인 크기들 중 적어도 하나의 값이 수 나노미터와 동등하고, 즉 가시광선 영역의 파장 내에서 광학계에 대한 레일리 분해능 한계 이하가 되는 값과 동등하다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따르는 실시예들의 기술적인 결과는 광학 현미경을 기초한 측정 시스템 및 측정 방법의 개발에 의해 달성되며, 이러한 시스템 및 방법에서 물체 이미지의 필요한 디포커싱 레벨의 효과는 물체에 조사되는 산란 방사선(scattered radiation)의 파장을 변경(조정)하는 수단에 의해 확보될 수 있다. "디포커싱 레벨"이라는 용어는 디포커싱 수차(defocusing aberration)에 의해 왜곡되지 않는 이미지를 생성하기 위하여 초점에 따라 물체를 이동시키는데에 필요한 거리 Δ로 이해되어야 한다.

본 발명의 한 측면에 따르는 광학 측정 시스템은 기계적 스캐닝 없이 나노구조체의 임계치수를 측정하는 시스템으로서, 하드웨어 및 소프트웨어 모두를 결합하며,

조사 대상인 나노구조체를 갖는 샘플을 조명하는 조명 모듈;

나노구조체의 광학 이미지를 생성하는 광학 이미지 생성 모듈;

파장에 의존하는 디포커싱 레벨로 디포커싱하는 디포커싱 모듈;

광학 구성 및 조명 조건의 매개 변수들을 조정하고 모니터링하는 조정 및 모니터링 모듈;

다양한 디포커싱 레벨들을 갖는 한 세트의 이미지들을 기록하는 기록 모듈;

다양한 디포커싱 레벨들을 갖는 한 세트의 이미지들을 연산하는 연산 (프로그램) 모듈;

기록(등록)된 디포커스된 이미지들을 연산된 이미지들과 비교하는 비교 (프로그램) 모듈; 및

사용자 인터페이스 (프로그램) 모듈;을 포함한다.

방사선 파장에 의존하는 디포커싱 레벨로 디포커싱을 담당하는 모듈을 구현하는 3개의 다양한 실시예들은 스펙트럼 대역(밴드)의 대역폭에서 다르며, 여기서 분산된 방사선의 파장은 요구되는 디포커싱 범위를 확보하기 위하여 변경될 수 있다. 다양한 디포커싱 레벨을 갖는 이미지들을 기록하는 모듈을 구현하는 2가지 실시예들이 제시되는바, 여기서 모듈은 가변 파장을 가지는 방사선 소스의 사용 및 공간 스펙트럼 분해능을 가지는 방사선 소스의 사용을 기반으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템을 구현하는 실시예들 중 하나에서, 디포커싱 모듈은 서로 평행하며 동형인 2개의 회절 격자들과, 하나의 미러를 포함하며, 이러한 2개의 회절 격자들과 미러는 파장에 의존하는 광 전파 차이를 설정할 수 있게 한다.

광학 측정 시스템의 또 다른 실시예에서, 디포커싱 모듈의 기능이 광학 이미지 생성 모듈의 파이프 렌즈에 의해 색수차 현상을 이용하여 수행될 수 있다.

광학 측정 시스템의 또 다른 실시예에서, 디포커싱 모듈의 기능이 광학 이미지 생성 모듈의 렌즈에 의해 색수차 현상을 이용하여 수행될 수 있다.

광학 측정 시스템의 실시예들 중 하나에서, 디포커스된 이미지들을 기록하는 기록 모듈은, 파장 조정과 함께 조사 대상인 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 연속적으로 기록하는 기능이 실행되며, 검출기 및 조정가능한 파장을 가지는 광원을 포함한다. 검출기는 CCD 검출기, CMOS 검출기, 또는 그밖의 공지의 이미지 센서일 수 있다.

광학 측정 시스템의 구현하는 하나 이상의 실시예에서, 디포커스된 이미지들을 기록하는 모듈은, 광원의 파장 대역 (범위) 내에서 공간 스펙트럼 분해능을 채용하는 수단에 의해 조사 대상인 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 동시에 기록하는 기능이 실행되며, 검출기, 분산 디바이스 및 광대역 스펙트럼을 갖는 광원을 포함한다. 검출기는 CCD 검출기, CMOS 검출기, 또는 그밖의 공지의 이미지 센서일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 기계적 스캐닝 없이 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법으로서,

광학 구성 및 조명 조건의 매개 변수들을 선택하는 단계;

산란 방사선의 다양한 디포커싱 레벨의 다양한 파장에 대응하는, 한 세트의 나노구조체 이미지들의 등록하는 단계;

알려진 범위 내의 임계치수 값을 가지고, 산란 방사선의 다양한 파장들에 대응하는, 다양한 디포커싱 레벨을 가진 나노구조체의 여러 세트들의 이미지들을 연산하는 단계; 및

나노구조체의 한 세트의 측정된 이미지들을 대응되는 세트들의 연산된 이미지들과 비교하고 임계치수 값의 최근사치를 결정하는 단계;를 포함한다.

한 세트의 측정된 이미지들과 연산된 이미지들의 세트들 중 어느 하나가 주어진 정밀도에서 일치하는 경우, 대응되는 임계치수 값의 최근사치는 요구되는 값으로서 사용자 인터페이스를 통해 측정 시스템에 의해 출력(표시)된다. 측정된 이미지들과 연산된 일련의 이미지들의 일치가 요청되는 정밀도로 달성되지 않은 경우, 새로운 좁은 범위의 임계치수 값 변경이 결정되고 마지막 두 단계들이 요청되는 정밀도에 도달할 때까지 반복된다. 그러므로, 나노구조체의 측정된 이미지들을 연산된 이미지들과 비교하는 모듈에서 임계치수 값의 선택은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에서, 이미지들의 라이브러리를 최적화하는 방법과 계산하는 방법이 고려된다. 최적화 방법에서 임계치수 값에 대한 최적의 추정은 측정된 세트와 연산된 세트로부터 대응되는 이미지들의 차이의 절대값들을 동시에 최소화함으로써 이루어진다. 이미지들의 라이브러리를 연산하는 방법에서, 임계치수 값이 알려진 값 범위 내에서 변경되는 경우에 한해, 측정된 이미지들의 세트는 기연산된 이미지들의 세트들과 순차적으로 비교된다. 본 발명의 실시예들에 따르는 측정 방법의 주요부를 이루는 상기한 일련의 단계들의 실행 결과로서, 나노구조체의 측정된 임계치수 값의 최적 추정치가 결정된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 참조번호 101-108로 표시되는 기본 기능을 수행하는 모듈들을 중심으로 산란 방사선의 파장을 변경하며 나노구조체의 광학 이미지의 디포커싱하는 것에 기초하여 임계치수를 측정하는 구성을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임계치수를 측정하는 방법에서, 산란 방사선의 파장을 변경하며 나노구조체의 광학 이미지의 디포커싱하는 것에 기초하여 임계치수를 측정하는 단계 201-205로 이루어진 광학 측정 방법의 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 조정가능한 파장을 갖는 방사선 소스를 이용하여 디포커스된 이미지들을 기록하는 모듈의 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 파장에 의존하는 레벨의 디포커싱을 확보한 모듈을 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 파이프 렌즈의 색수차 현상을 이용하여 파장을 변화시켜 디포커싱을 확보한 모듈과, 파장 조정이 가능한 방사선 소스를 이용하여 디포커스된 이미지를 기록하는 모듈을 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 파이프 렌즈의 색수차 현상을 이용하여 파장을 변화시켜 디포커싱을 확보한 모듈과, 공간 스펙트럼 분해능을 이용하여 디포커스된 이미지를 기록하는 모듈을 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 렌즈의 색수차 현상을 이용하여 파장을 변화시켜 디포커싱을 확보한 모듈과, 파장 조정이 가능한 방사선 소스를 이용하여 디포커스된 이미지를 기록하는 모듈을 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 시스템에서, 렌즈의 색수차 현상을 이용하여 파장을 변화시켜 디포커싱을 확보한 모듈과, 공간 스펙트럼 분해능을 이용하여 디포커스된 이미지를 기록하는 모듈을 구체화한 구현한 광학 구성을 도시한다.
도 9는 파이프 렌즈에서의 색수차 현상을 이용하여 산란 방사선의 파장을 변경할 때 디포커싱 레벨의 변화를 보여주는, 실리콘층에서 대략 500 nm의 폭을 갖는 홈(groove)의 이미지의 일 예이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 조정이 가능한 방사선 소스를 이용한 광학 측정 시스템에서 기록된 다양한 디포커싱 레벨의 점 방사선 소스(point radiation source)의 이미지 세트의 일 예이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 스펙트럼 분해능을 이용한 광학 측정 시스템에서 기록된 다양한 디포커싱 레벨의 점 방사선 소스의 이미지 세트의 일 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

본 발명의 실시예들은 라이트 필드 방법으로 시료에서 반사된 방사선을 기록하는 모드에서 작동하는, 참조문헌 퀄러(Koler) 조명법[9]에 따른 광학 현미경의 구성을 기반으로 구현된다.

도 3, 5, 6, 7 및 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들을 따르는 광학 측정 시스템은, 조명 모듈; 광학 이미지 생성 모듈; 디포커싱 모듈(10); 및 기록 모듈;을 포함한다. 나아가, 도 3, 5, 6, 7 및 8에는 도시되지는 아니하였으나, 광학 측정 시스템은 광학 구성 및 조명 조건의 매개 변수들을 조정하고 모니터링하는 조정 및 모니터링 모듈(도 1의 101 참조)과 연산 모듈, 비교 모듈, 사용자 인터페이스 모듈과 같은 프로그램 모듈을 더 포함할 수 있다.

조명 모듈은 광원(1), 조명 광학계(2), 및 렌즈(4)를 포함하며, 선택한 개구수로 쾰러(Koler) 조명법[9]에 따라 샘플(5)에 조명을 한다. 광원(1)은 파장 λ1 < … <λi < … <λN의 선택된 범위 안에서 조정 가능한 광원일 수 있다. 또는 광원(1)은 파장 조정을 허용하지 않는 대신에 스펙트럼 폭 Δλ = λN - λ1을 갖는 광원일 수도 있다.

광학 이미지 생성 모듈은 렌즈(4), 빔 스플리터(3), 및 파이프 렌즈(6)를 포함한다.

디포커싱 모듈(10)은 파장에 의존하는 레벨의 디포커싱을 수행한다. 도 3에 도시되듯이 상기 디포커싱 모듈(10)과 함께 (상기 디포커싱 모듈(10)로) 들어오는 빔(12)과 (상기 디포커싱 모듈(10)로부터) 나가는 빔(13)의 방향을 분리하는 스플리터(11)가 사용될 수 있다.

기록 모듈은 다양한 디포커싱 레벨을 갖는 한 세트의 이미지들을 기록하는 모듈로서, 조정 가능한 파장 λ1 < … <λi < … <λN을 갖는 광원(1)을 사용하는 경우에는, 검출기(7)와 광원(1)을 포함한다(도 3, 5, 및 7 참조). 또는, 기록 모듈은 스펙트럼 범위 Δλ를 갖는 광원을 사용하는 경우 검출기(7)와 분산 디바이스(14)를 포함하며, 공간 스펙트럼 분해능을 확보한 모듈로 구현될 수 있다(도 6 및 8 참조). 검출기(7)는 CCD 검출기, CMOS 검출기, 또는 그밖의 공지의 이미지 센서일 수 있다.

조사대상인 나노구조체를 갖는 샘플(5)의 이미지들을 조명하고 기록하는데 필요한 것들을 결정하는 광학 구성의 주요 매개 변수는 조명 방사선의 공간 주파수 및 시간적 스펙트럼; 편광 벡터 방향; 모듈(10)의 설계에 의해 구현되는 렌즈(4)의 개구수(NA), 디포커싱 레벨(정도)와 이의 파장에 대한 의존도 중 적어도 하나를 포함한다.

각각의 개별적인 측정에서의 광학 구성의 최적 매개 변수들은 나노구조체의 토폴로지와 임계치수에 의존하며 다음과 같은 변화 범위내에서 정해질 수 있다.

조명 방사선은 λ = 300 ~ 800 나노미터의 파장 범위 내에서 정해지는 의 시간적 스펙트럼을 가질 수 있다.

조명 방사선은 0.1 < (NAill / NA) < 1의 조건을 따르는 공간적 스펙트럼을 가질 수도 있다. 여기서, NAill은 조명 개구수, NA는 렌즈(4) 개구수를 의미한다.

렌즈(4)의 개구수 NA은 0.2 < NA <0.9의 범위내에서 정해질 수 있다.

디포커싱의 레벨 Δ은 0 < Δ < 5*λ/(NA)²을 만족할 수 있다. 여기서, λ는 조명 방사선의 중간 파장이며, NA는 렌즈(4) 개구수를 의미한다.

광학 구성 및 조명 조건의 매개 변수들을 조정하고 모니터링하는 조정 및 모니터링 모듈은, 측정 디바이스; 포토다이오드, 분광계, 검출기; 및 디포커싱을 할 수 있도록 조명 방사선의 공간적 스펙트럼, 방사선 소스의 편광 벡터 방향과 파장을 변경할 수 있는 제어 소자들 중 적어도 일부를 가동시킬 수 있다.

나아가, 상기 조정 및 모니터링 모듈은 다양한 레벨의 디포커싱을 갖는 한 세트의 이미지들을 연산하는 연산 모듈에 광학 구성과 조명 조건의 매개 변수들을 전송하는 기능을 실행한다.

방사선 파장에 대한 디포커싱 레벨의 의존성은 모듈(10) 설계에 의해 구현될 수 있다. 파이프 렌즈(6)에서의 색수차 현상에 기반하여 조명의 파장을 변경시키면서 측정 과정에서 요구되는 디포커싱 레벨 Δ에서의 변경 범위를 확보하는 것이 가능할 수 있다(도 5, 6 참조). 파이프 렌즈(6)의 유리 굴절률이 파장에 의존하는 경우, 파이프 렌즈(6)의 초점 거리(F)에 대하여 다음과 같은 수학식 1이 적용될 수 있다[5]:

여기서, δn은 유리 굴절률의 변화량, δF는 선택된 광원(1)에 대해 조명 방사선 Δλ의 파장의 최대로 허용되는 변화에서의 파이프 렌즈(6)의 초점 거리 변화량을 나타낸다. 그러므로, 최단 파장은 어느 한 평면(8)에서 물체 이미지를 생성할 수 있으며, 최장 파장은 다른 평면(9)에서 물체의 다소 날카로운 이미지를 생성할 수 있다. 렌즈(4)의 색수차가 없는 경우, 디포커싱의 최대 레벨 Δ는 하기의 수학식 2를 만족할 수 있다:

여기서, f는 렌즈(4)의 초점 거리, M(=F/f)은 "렌즈(4)/파이프 렌즈(6)"로 이루어진 시스템의 배율을 나타낸다. 이러한 경우에는, 파장에 의존하는 레벨을 갖는 디포커싱을 할 수 있는 모듈(10)의 기능은 파이프 렌즈(6)에 의해 수행된다.

렌즈들에서의 색수차 현상을 결부시킴으로써, 조명 소스의 파장 Δλ의 변경의 스펙트럼 범위의 폭을 증가시키지 않으면서 최대 디포커싱 레벨을 증가시킬 수 있다(도 7,8 참조). 파이프 렌즈에서의 색수차가 없는 상황하에서, 이러한 경우의 디포킹의 피크 레벨 Δ는 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.

여기서, f는 렌즈(4)의 초점 거리를 나타낸다. 따라서, 일 실시예에 따른 광학계 구성에서, 파장에 의존하는 레벨을 가진 디포커싱을 수행하는 모듈(10)의 기능은 렌즈(4)에 의해 수행된다. 따라서 Δλ에서 방사선 소스의 파장 변화에 디포커싱 레벨의 피크 Δ는 색수차를 갖는 파이프 렌즈(6)의 형태로 모듈(10)을 구현하는 경우보다 M배가 된다.

도 9는 파장 660 nm 및 455 nm의 방사선으로 조명되어 생성된, 대략 500 nm의 폭을 가진 실리콘층에서 표면 홈(superficial groove)의 이미지들의 예들을 도시한다. 이미지들은 초점 라인을 따라 홈의 두 위치, 0 μm와 +20 μm에서 생성된다. 도면에서 쉽게 확인할 수 있듯이, 초점 라인을 따라 한 위치에서 생성된 홈의 이미지들은, 서로 다른 파장에 대해, 서로 다른 레벨의 디포커싱을 가지고 있다. 0 μm 의 위치에서 더 낮은 디포커싱 레벨은 파장 λ = 455 nm에서의 이미지에서 볼 수 있으며, +20 μm의 위치에 더 낮은 디포커싱 레벨은 파장 λ = 660 nm에서 생성된 홈의 이미지에서 볼 수 있다. 이 경우, 파장에 의존하는 레벨의 디포커싱은 초점 거리 F ~ 250 mm를 갖는 파이프 렌즈(6)에 의해 제공된다. 조명 및 기록의 매개 변수들은 NA = 0.25, NAill / NA ~ 0.1와 같이 선택되었다.

파장의 좁은 대역 Δλ 내에서의 파장 변경시 측정에 필요한 디포커싱의 피크 레벨 Δ를 구현하는 것은, 광원에 대한 요구 사항을 낮춘다는 관점에서 유망할 수 있다. 예를 들어, 가시대역의 파장을 갖는 전형적인 레이저 다이오드는 파장의 조정 범위 Δλ~615 nm를 갖는다. 대부분의 유리에 대해 분산 인자 dn/dλ는 ~0,01-0,03 μm^-1로 표현될 수 있다. 따라서 인자 δn/(n-1)는 제한적으로 나타나며 ~ (1-3)·10^-4가 된다. 이러한 경우, 최대 디포커싱 범위 0 < Δ < 5*λ/(NA)²를 구현하는 것은 상당히 문제가 있는데, 예를 들어, NA = 0.9인 색수차를 갖는 렌즈에 대해 디포커싱을 위해 파이프 렌즈(6)에서의 색수차 현상과 렌즈(4)의 색수차 현상을 모두 이용하여 최대 디포커싱 범위는 Δ ~ 0-3 μm (λ= 0.5 μm)가 될 수 있다. 이 경우, 도 4에서 제시된 구성은 파장에 의존하는 레벨을 가진 디포커싱을 할 수 있는 모듈(10)의 다른 예로서 이용될 수 있다.

도 4에 도시되듯이, 평행하게 배열된 동형의 이중 회절격자(401, 402)는 이중 격자 시스템을 이룬다. 평행한 광빔(12)은 회절 격자(401)에 기울어진 각도로 향하며, 상기 회절 격자(401)에서 반사된 이후 상기 회절 격자(401)에 평행하며 동형인 다른 회절 격자 (402)로 향하며, 이후 미러(403)에 입사되며, 미러(403)에 반사된 이후, 전체 경로를 반대 방향으로 진행하여, 상기 광학적 구성으로부터 광빔(12)와 동일 선상에 있는 광빔(13)의 방향으로 빠져 나간다. 회절 격자의 분산의 관점에서, 분산은 회절 격자들(401, 402)의 주기에 의해 결정되는데, 짧은 파들과 긴 파들은 서로 다른 광 경로를 따라 진행하고 회절 격자들(401, 402)의 매개 변수들과 회절 격자들(401, 402) 사이의 거리에 의존하는 광 진행 차이를 갖고서 이중 격자 시스템을 벗어나게 된다. 도 3에 도시된 광학 구성에서의 모듈(10)에 도 4에서 주어진 구성을 적용하면, 좁은 범위의 Δλ 내에서도 광원의 파장 변경시, 필요한 범위의 디포커싱 Δ을 달성할 수 있다.

따라서, 샘플(5)을 조명하는 선택된 조건들에서 나노구조체의 하나의 디포커스된 이미지를 기록하기 위하여, 방사선 소스의 파장의 조정과 검출기(7)에 의한 이미지 캡쳐가 수행된다. 이러한 작업의 반복은 검사 대상인 샘플의 디포커스된 한 세트의 이미지들을 연속적으로 기록할 수 있게 한다. 따라서, 각 이미지를 디포커싱하는 필요한 레벨은 모듈(10)의 특정 설계에 의해 자동적으로 확보될 수 있으며, 샘플(5)의 초점 라인을 따른 기계적인 이동(shifting)은 필요로 하지 않는다.

파장 조정을 억제함으로써 조명 방사선 소스에 대한 요구사항들을 상대적으로 덜 엄격하게 하기 위하여, 도 6, 8에 도시된 구성이 채용될 수 있다. 주어진 구성의 구별되는 특징은 다양한 디포커싱 레벨들의 이미지를 기록하는 기록 모듈에 있으며, 이러한 기록 모듈은 검출기(7)와 분산 디바이스(14)를 포함할 수 있다. 렌즈(4) 및 파이프 렌즈(6)를 통하여 스펙트럼 폭 Δλ를 갖는 광빔이 샘플(5)에 조명되어 형성되는 나노구조체 이미지는 검출기(7)에서 획득된다. 따라서 분산 디바이스(14)는 광선이 파장에 의해 선택적으로 광축으로부터 벗어나게 한다. 따라서 2차원 이미지를 촬상하는 검출기(7)에 의해, 공간 스펙트럼 분해능이 확보된다. 분산 디바이스(14)의 분산의 방향에서, 이는 스펙트럼 분해능이며, 직교하는 방향에서 이는 공간 분해능이다. 도 10a는 도 3, 5, 및 7에 도시된 광학 측정 시스템의 구체적인 실시예에서 광원의 파장을 스캔하면서 생성된, 다양한 디포커싱 레벨을 갖는 한 세트의 점 방사선 소스의 이미지들을 기록한 결과의 예를 보여준다. 도 10b는 도 6, 8에 도시된 공간 스펙트럼 분해능에 기초한 광학 측정 시스템의 실시예들에서 생성된, 다양한 디포커싱 레벨이 한 세트의 점 방사선 소스의 이미지들을 기록한 결과의 예를 보여준다. 점 방사선 소스의 디포커싱 레벨은 (도면에서 조건부로 표시된) 분산 디바이스(14)의 방향에서 수평 축을 따라 변경된다. 이는 λ = λ4에서 0과 같고 λ = λ1 및 λ = λ7에서 피크에 도달한다. 수직 축상에서 점 방사선 소스의 디포커스된 이미지에서의 강도의 공간적 분포는 다르게 된다. 상기 실시예에서, 샘플(5)에 대한 조명의 선택된 조건에서 모든 필요한 디포커스된 이미지들이 동시에 기록된다. 분산 디바이스(14)는 검출기(7)에 의해 디포커스된 이미지의 공간적 분리를 보장하고, 각 이미지에 필요한 디포커싱 레벨은 디포커싱 모듈(10)의 특정 설계에 의해 달성된다. 따라서, 초점 라인을 따라 샘플(5)을 기계적으로 이동하거나 또는 방사선 소스의 파장의 조정하는 것 중 어느 것도 필요로 하지 않는다. 다양한 디포커싱 레벨을 갖는 한 세트의 이미지들을 기록하는 모듈의 공간 스펙트럼 분해능을 가지는 측정 시스템 구성에서, 스펙트럼 분해능과, 이에 따른 검출기의 수평 축을 따라 측정된, 물체의 디포커싱 레벨의 불확실성은, 분산 디바이스(14)의 분산 방향으로의 나노구조체의 크기에 의해, 일반적으로 결정될 수 있다. 이러한 상황은 나노구조체의 임계치수의 측정 및 결정의 결과를 모델링(시뮬레이션)하는 데에 고려되어야 한다.

측정의 결과들은 바람직한 실시예에 따르는 다양한 디포커싱 레벨을 갖는 한 세트의 이미지들을 연산하는 프로그램 모듈에서 모델링되는데, 이러한 프로그램 모듈은, 맥스웰 방정식의 정확한 해법을 기반으로, 엄격한 결맞음파 해석법(Rigorous Coherent Waves Analysis; RCWA)[6]와 시간영역 유한차분법(Finite Differences on Time Domain; FDTD)[7]의 전자기장의 계산 방법들을 결합함으로써 구현될 수 있다. 앞서 보여진, 파장에 의존하는 서로 다른 디포커싱 레벨들을 가진 한 세트의 이미지들의 조명 및 기록 조건들을 결정하는 광학 구성의 매개 변수들과 계산하는데 사용되는 데이터들이 선택되는 임계치수의 변경 범위는, 모듈의 입력 매개 변수의 허용 범위에 사용된다. 반도체 생산에 실질적으로 중요한 계측 문제의 대부분에서 측정된 나노구조체의 임계치수의 변경 범위는 높은 정확도로 알려져 있으며, 디포커스된 이미지들의 순차적인 연산을 위한 초기 범위의 선택은 어려운 일이 아니며, 전문가 평가를 통해 수행될 수 있다. 임계치수 변경의 좀 더 좁고 향상된 범위는 디포커스된 이미지들의 측정 순서와 연산 순서를 비교한 결과로 결정될 수 있다.

기록된 디포커스된 이미지들을 연산된 이미지들과 비교하는 비교 모듈은 측정 시스템의 가장 중요한 모듈 중 하나이다. 비교 모듈은 검사대상인 나노구조체의 기록된 디포커스 이미지들 세트와, 임계치수 변경의 소정 범위에 대해 기연산된 디포커스 이미지들의 수 개 세트들을 입력 받는다. 비교 모듈의 출력으로서 측정된 임계치수에 대한 최선의 추정치는 비교의 결과로 결정되며, 및/또는 임계치수 값의 변경의 좀 더 좁고 정확한 범위가 정의된다. 비교 모듈에 적용할 수 있는 디지털 이미지들을 비교하는 여러 가지 방법들이 종래 기술로서 알려져 있다. 그리고 비교의 결과는 측정된 이미지들의 시퀀스와 라이브러리로부터 기연산된 시퀸스가 얼마나 유사한지를 나타내는 수치로 나타낸다. 다양한 디포커싱 레벨을 가진 이미지들의 시퀀스 분석에 대해, "초점 메트릭(focus metric)"[8]의 개념이 도입될 수 있다. 각 디포커스된 이미지에 특정 매개 변수가 일치를 위해 입력되는데, 이들 매개 변수는 디포커싱 레벨의 물체 토폴로지에 의존한다. 이러한 매개 변수는, 특히, 2차원 데이터 배열(파일)로 구성된 디지털 이미지에 기초하여 계산된 표준 편차에 의해 표현될 수 있다. 초점 메트릭 곡선은 디포커싱의 다양한 레벨에서 나노구조체 이미지에 대한 초점 메트릭을 계산함으로써 생성될 수 있다.

디포커싱 레벨과 산란 방사선의 파장이 앞서 구체화된 광학 구성의 매개 변수들에 의존하는 방법에 의해 서로 연결되어 있으므로, 파장에 의존하는 특정 나노구조체의 초점 메트릭을 기록하고 계산하는 것이 가능하다. 기록된 디포커스된 이미지 세트와 임계치수 변경의 선택된 범위에서 기연산된 디포커스된 이미지 세트들을 처리하는 데에서 생성된, 파장에 의존하는, 초점 메트릭 곡선은 상호 비교될 수 있다. 곡선의 최적의 일치는 임계치수의 측정값에 대한 최선의 추정치를 나타낸다.

전술한 본 발명인 광학 측정 시스템 및 임계치수를 측정하는 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

상기 설명에서 인용한 참고문헌의 리스트는 다음과 같다.

[1] "Handbook of ellipsometry", Harland G. Tompkins, Eugene A. Irene.

[2] Petre Calalin Logofatu et. al., Rom. Journ. Phys., Vol. 55, Nos. 3-4, P. 376-385, Bucharest, 2010.

[3] Ray J. Hoobler and Ebru Apak, Proceedings of SPIE Vol. 5256 23rd Annual BACUS Symposium on Photomask Technology.

[4] Attota, R., Silver, R.M., and Barnes, B.M., "Optical through-focus technique that differentiates small changes in line width, line height, and sidewall angle for CD, overlay, and defect metrology applications," Proc. SPIE 6922, 6922OE-1-13, (2008).

[5] M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, 6th ed. (Pergamon, Oxford, UK, 1989).

[6] M. G. Moharam, Drew A. Pommet, and Eric B. Grann. J. Opt. Soc. Am. A, 12(5):1077{1086}, May 1995.

[7] K.Umashankar, A.Taflove, "A Novel Method to Analyze Electromagnetic Scattering of Complex Objects", IEEE (1982).

[8] Attota, R., Silver R.M.., and Potzick, J., "Optical illumination and critical dimension analysis using the through-focus focus metric," Proc. SPIE, 6289, p. 62890Q-1-10 (2006).

[9] Ray Path in the Transmitted Light, http://www.labor-micro scopes.ru/views/view4.html.

1: 광원 2: 조명 광학계
3: 빔 스플리터 4: 렌즈
5: 샘플 6: 파이프 렌즈
7: 분산 디바이스 10: 디포커싱 모듈
11: 스플리터

Claims

조사 대상인 나노구조체를 갖는 샘플을 조명하는 조명 모듈;
상기 나노구조체의 광학 이미지를 생성하는 광학 이미지 생성 모듈;
상기 광학 이미지를 디포커싱하는 디포커싱 모듈;
다양한 디포커싱 레벨들을 가진 한 세트의 이미지들을 연산하는 연산 모듈;
광학 구성과 조명 조건의 매개 변수들을 조정 및 모니터링하는 것으로서, 다양한 디포커싱 레벨들을 가진 한 세트의 이미지들에 대한 상기 광학 구성과 조명 조건의 매개 변수들을 측정하고 상기 연산 모듈로 전송할 수 있는 조정 및 모니터링 모듈;
다양한 디포커싱 레벨들을 가진 한 세트의 이미지들을 기록하는 기록 모듈; 및
상기 기록된 디포커스된 이미지들을 기연산된 디포커스된 이미지들과 비교하는 비교 모듈;을 포함하며,
산란 방사선의 파장을 변경하며 상기 나노구조체의 광학 이미지를 디포커싱하는 것을 기반으로 상기 나노구조체의 임계치수를 측정하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 디포커싱 모듈은 디포커싱의 레벨이 파장에 의존하며 조건식 0<Δ<5*λ/(NA)²을 만족하도록 상기 광학 이미지를 디포커싱하고, 여기서 λ는 조명 방사선의 평균 파장이며, NA는 상기 렌즈의 개구수인 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조명 모듈은 파장이 조정가능한 광원, 조명 광학계 및 렌즈를 포함하는 광학 측정 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 광원은 λ1 < … < λi< … <λN의 파장 범위 내에서 조정 가능하며, 상기 파장 범위는 300 nm 내지 800 nm의 범위 내에서 설정되는 광학 측정 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 기록 모듈은 검출기와, 파장이 조정가능한 광원을 포함하며, 파장을 조정하면서 상기 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 연속적으로 기록하는 광학 측정 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 기록 모듈은 검출기와, 분산 디바이스와, 광대역 광원을 포함하며, 상기 광원의 파장 범위 내에서의 공간 스펙트럼 분해능을 이용하여 상기 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 동시에 기록하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조명 모듈은 300 nm 내지 800 nm의 파장의 스펙트럼 범위를 갖는 광원과, 조명 광학계 및 렌즈를 포함하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조명 모듈은 쾰러(Koler) 조명법을 사용하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 광학 이미지 생성 모듈은 현미경 광학계를 포함하는 광학 측정 시스템.
제9 항에 있어서,
상기 광학 이미지 생성 모듈은 렌즈, 빔 스플리터 및 파이프 렌즈를 포함하는 광학 측정 시스템.
제10 항에 있어서,
상기 디포커싱 모듈의 상기 파장에 의존하는 기능이 광학 이미지 생성 모듈의 파이프 렌즈에 의해 색수차 현상을 이용하여 수행되는 광학 측정 시스템.
제10 항에 있어서,
상기 디포커싱 모듈의 상기 파장에 의존하는 기능이 광학 이미지 생성 모듈의 렌즈에 의해 색수차 현상을 이용하여 수행되는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 디포커싱 모듈은 서로 평행하며 동형인 2개의 회절 격자들과, 미러를 포함하며, 상기 2개의 회절 격자들과 미러는 파장에 의존하는 광 전파 차이의 설정을 허용하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 조정 및 모니터링 모듈은 광학 구성과 조명 조건의 매개 변수들을 조정하는 기능과, 측정하는 기능과, 모니터링하는 기능 중 적어도 하나를 실행하는 광학 측정 시스템.
제14 항에 있어서,
상기 광학 구성의 적어도 하나의 조정가능하거나, 제어가능하거나, 조정 및 제어가능한 매개변수는 조명의 공간 주파수 스펙트럼, 시간 조명 스펙트럼, 편광 벡터 방향, 렌즈의 개구수, 디포커싱 레벨, 및 상기 파장에 의존하는 디포커싱 레벨을 포함하는 그룹에서 선택되는 광학 측정 시스템.
제15 항에 있어서,
조명 방사선의 공간 스펙트럼은 0.1 < (NAill / NA) <1의 조건을 만족하도록 선택되며, 여기서 NAill은 조명 개구수, NA는 렌즈의 개구수를 나타내는 광학 측정 시스템.
제16 항에 있어서,
상기 렌즈의 개구수 NA는 0.2 < NA < 0.9를 만족하는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 연산 모듈은 엄격한 결맞음파 해석법과 시간영역 유한차분법의 전자기장 계산 방법들을 결합하여 이루어지는 광학 측정 시스템.
제1 항에 있어서,
사용자 인터페이스 모듈;을 포함하는 광학 측정 시스템.
광학 구성 및 조명 조건의 매개 변수들을 선택하는 단계;
산란 방사선의 다양한 디포커싱 레벨을 가지며 다양한 파장에 대응하는 한 세트의 나노구조체 이미지들을 등록하는 단계;
알려진 범위 내의 임계치수 값들을 가지고, 산란 방사선의 다양한 파장에 대응하는, 다양한 디포커싱 레벨들을 가진 여러 세트들의 나노구조체 이미지들을 연산하는 단계; 및
나노 구조체의 한 세트의 측정된 이미지들을　대응하는 세트들의 연산된 이미지들과 비교하고 임계치수 값의 최근사치를 결정하는 단계;를 포함하는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
상기 광학 구성과 조명 조건의 적어도 하나의 매개변수는 조명의 공간 주파수 스펙트럼, 시간 조명 스펙트럼, 편광 벡터 방향, 렌즈의 개구수, 디포커싱 레벨, 및 상기 파장에서의 디포커싱 레벨의 의존성을 포함하는 그룹에서 선택되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
조명 방사선의 스펙트럼은 300 nm 내지 800 nm의 파장 범위 내에서 선택되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
조명 방사선의 공간 스펙트럼은 0.1 < (NAill / NA) <1의 조건을 만족하도록 선택되며, 여기서 NAill은 조명 개구수, NA는 렌즈의 개구수를 나타내는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
렌즈의 개구수 NA는 0.2 < NA < 0.9를 만족하도록 선택되어지는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
디포커싱의 레벨 Δ는 조건식 0 < Δ < 5*λ/(NA)²을 만족하도록 선택되며, 여기서 λ는 조명 방사선의 평균 파장이며, NA는 상기 렌즈의 개구수인 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
상기 광원의 파장을 조정하면서 상기 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 순차적으로 기록하는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제21 항에 있어서,
광대역의 스펙트럼을 갖는 광원의 파장 범위 내에서의 공간 스펙트럼 분해능을 이용하여 상기 나노구조체의 디포커스된 이미지들을 동시에 기록하는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
다양한 디포커싱 레벨들을 가진 여러 세트들의 이미지들은 엄격한 결맞음파 해석법과 시간영역 유한차분법의 전자기장 계산 방법들을 결합하여 계산되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
상기 임계치수값의 최근사치는 최적화 기법으로 결정되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
상기 임계치수값의 최근사치는 이미지들의 라이브러리를 연산하고 상기 나노구조체의 한 세트의 측정된 이미지들을 상기 라이브러리로부터 대응되는 세트들의 연산된 이미지들과 비교하여 결정되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
상기 나노구조체의 상기 세트의 측정된 디포커스된 이미지들과 상기 대응하는 세트들의 연산된 이미지들의 비교는, 상기 산란 방사선의 다양한 파장들에서 생성되며 서로 다른 디포커싱 레벨들을 갖는 이미지들이 상기 나노구조체의 디포커싱 레벨, 파장 및 토폴로지에 의존하는 매개 변수들에 일치하게 될 때, 상기 파장에 의존하는 초점 메트릭 곡선을 계산함으로서 수행되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.
제20 항에 있어서,
상기 나노구조체의 상기 세트의 측정된 디포커스된 이미지들과 상기 대응하는 세트들의 연산된 이미지들의 비교는, 파장에 의존하는 초점 메트릭 곡선을 비교함으로써 수행되는 나노구조체의 임계치수를 측정하는 방법.