KR20160066448A - 표면 검사 방법 - Google Patents

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KR20160066448A KR1020140170833A KR20140170833A KR20160066448A KR 20160066448 A KR20160066448 A KR 20160066448A KR 1020140170833 A KR1020140170833 A KR 1020140170833A KR 20140170833 A KR20140170833 A KR 20140170833A KR 20160066448 A KR20160066448 A KR 20160066448A
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류성윤
손영훈
송길우
안태흥
전형조
한상경
마사히로 호리에
고우석
양유신
이상길
전병환
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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법은, 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하는 단계; 및 상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 편광 상태와 상기 제2 편광 상태의 변화량을 이용하여, 상기 검사 대상 중 상기 입사광이 조사된 전체 면적에 대한 검사가 이루질 수 있다.

Description

표면 검사 방법{Method for inspecting surface}
본 발명의 기술적 사상은 표면 검사 방법에 관한 것으로, 특히 광학적 방법에 의한 표면 검사 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 각 제조 공정마다 설계한 패턴이 반도체 소자에 정확하게 형성되어야 한다. 이러한 패턴의 검사를 위하여 광학적으로 반도체 소자의 형상을 관찰하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 나노 수준의 패턴을 검사 하기에는 해상도가 부족하여 정확한 분석이 어려울 수 있다.
이러한 해상도 문제를 해결하기 위하여 전자현미경 등을 이용하여 구체적인 형상을 분석하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 전자 현미경을 이용하는 경우 반도체 소자의 단면을 절단하여야 하고, 진공 상태에서 측정을 하여야 하므로 검사 속도가 느리며, 측정 영역을 다양하게 선택할 수 없다는 단점을 안고 있어 한계가 있다.
이에 따라 광학적 방법을 이용하여 반도체 소자 또는 표면 검사를 수행하는 방법이 개발되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 검사 대상을 전면적을 검사하면서도 그 검사 속도를 향상시킬 수 있는 표면 검사 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상의 일 양태에 따른 표면 검사 방법은, 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하는 단계; 및 상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 편광 상태와 상기 제2 편광 상태의 변화량을 이용하여, 상기 검사 대상 중 상기 입사광이 조사된 전체 면적에 대한 검사가 이루어지는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 검사 대상은 패턴을 포함하고, 상기 입사광에 대하여 상기 제2 편광 상태와 동일한 편광 상태를 나타내는 가상(imaginary) 박막을 도입하고 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계; 및 상기 패턴의 높이는 상기 가상 박막의 두께와 비례하고, 상기 패턴의 폭은 상기 가상 박막의 물질 혼합비를 상기 패턴의 높이로 나눈 값에 비례하는 관계를 이용하여 상기 가상 박막의 물리량으로부터 상기 검사 대상의 물리량을 계산하는 단계;를 더 포함하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계는, 상기 가상 박막과 실질적으로 동일한 형상의 이론 모델을 도입하여 상기 이론 모델의 이론적인 결과와 상기 검사 대상에서 측정된 결과를 비교하는 단계; 상기 이론 모델의 조건을 조정하여 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하는 일치 조건을 획득하는 단계; 상기 일치 조건으로부터 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 이론 모델의 복수의 파장 범위에 대한 이론적인 결과를 나타내는 이론 스펙트럼과, 상기 검사 대상에서 복수의 파장 범위에 대해 측정된 결과를 나타내는 측정 스펙트럼의 차이를 화상으로 출력하여 상기 검사 대상의 결함을 검출하는 단계;를 더 포함하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 검사 대상은 주기적으로 형성된 복수의 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 편광 상태를 측정하는 단계는, 서로 다른 복수의 파장 범위들을 각각 가지는 복수의 광들이 상기 검사 대상에 시계열적으로 각각 조사되고, 상기 검사 대상으로부터 반사되는 광을 시계열적으로 각각 측정되는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 표면 검사 방법은 복수의 파장 범위들에 의해 각각 수행되고, 상기 복수의 파장 범위들에 따른 각각의 상기 제2 편광 상태를 나타내는 편광 스펙트럼을 화상으로 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 검사 대상과 실질적으로 동일한 형상의 이론 모델을 도입하여 편광 상태에 관한 상기 이론 모델의 이론적인 결과와 상기 검사 대상에서 측정된 결과를 비교하는 단계; 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하도록 상기 이론 모델의 물리적 조건을 조정하는 단계; 상기 이론 모델과 상기 검사 대상에 다양한 입사각을 가지는 입사광을 조사하여 그 편광 상태의 차이에 따라 검사 대상 표면의 평탄도를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 검사 대상의 설계 패턴을 이용하여 상기 검사 대상을 소자 영역 별로 편광 스펙트럼을 분류하는 단계; 상기 소자 영역 별로 분리된 편광 스펙트럼의 분산 경향으로부터 상기 소자 영역별로 특징적인 결함 경향을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 측정하는 단계는 검출기에 의해 수행되고, 서브 픽셀은 상기 검출기가 최소로 분해할 수 있는 픽셀 영역을 적어도 2개의 영역으로 나눈 구간으로서, 상기 검사 대상을 지지하는 스테이지를 상기 서브 픽셀만큼 이동하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 양태에 따른 표면 검사 방법은, 제1 편광 상태의 입사광을 제1 검사 영역에 조사하고, 상기 제1 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 검출기로 1차 측정하는 단계; 상기 입사광이 상기 제1 검사 영역과 적어도 하나의 서브 픽셀 면적만큼 중첩되는 제2 검사 영역에 조사되도록 상기 검사 대상을 지지하는 스테이지를 서브 픽셀만큼 이동하는 단계; 제3 편광 상태의 입사광을 제2 검사 영역에 조사하고, 상기 제2 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제4 편광 상태를 검출기로 2차 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 서브 픽셀은 상기 검출기가 최소로 분해할 수 있는 픽셀 영역을 적어도 2개의 영역으로 나눈 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 입사광은 단면적을 가지는 평행 광선으로서, 상기 입사광은 상기 1차 측정 단계의 상기 제1 검사 영역에 모두 조사되고, 상기 2차 측정 단계의 상기 제2 검사 영역에 모두 조사되는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 검사 영역에 대한 상기 제2 편광 상태의 제1 화상 및 상기 제2 검사 영역에 대한 상기 제3 편광 상태의 제2 화상 중 중첩되는 화상 영역을 합성하는 단계;를 더 포함하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 이동 단계 및 상기 2차 측정 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 스테이지는 종방향 또는 횡방향 중 적어도 하나의 방향으로 적어도 하나의 서브 픽셀만큼 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 표면 검사 방법은, 평행광을 이용하여 검사 대상을 넓은 영역에 걸쳐 검사할 수 있고, 주기적인 패턴 구조물을 포함하는 표면에 대하여 가상 박막 모델을 도입함으로서 복잡한 연산 과정을 거치지 않고 표면을 검사할 수 있다. 또한 표면의 화상을 촬상하는 경우 서브 픽셀 개념을 도입하여 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 이용되는 표면 검사 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 표면 측정 방법에 따라 검사 대상 대신에 가상 박막을 도입한 경우를 나타내는 도면이다.
도 4는 이론 모델의 이론 스펙트럼과 실제 모델의 측정 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 5는 도 3b의 가상 박막의 물질 혼합비 및 분극 성분 혼합비를 나타낸 그래프이다
도 6는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법 결과 실제 검사 대상의 충전율(fill factor)과 가상 박막의 물질 혼합비를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 표면 검사 방법(300)을 구체적으로 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공 되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
아울러 이하의 설명에서는 각 구성요소를 보기 쉽게 하기 위해 도면에서 구성요소에 의해 치수의 축척을 다르게 하여 도시하는 경우가 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(100)에 이용되는 표면 검사 장치(50)를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 표면 검사 장치(50)는 광(La)을 출사하는 광원(light source)(11)과, 상기 광(La) 중 특정 파장 범위에 해당하는 광(Lb)을 투과시키는 모노크로미터(monochrometer)(13)와, 상기 광(Lb) 중 특정 편광 방향을 갖는 광(Lc)을 투과시키는 편광판(polarizer)(15)과, 상기 광(Lc) 중 P파의 위상을 지연시키는 보상기(conpensator)(17)와, 위상 지연된 광(Ld)을 평행광(Le)으로 조정하기 위한 시준 렌즈(collimating lens)(19)와, 상기 평행광(Le)이 조사되는 검사 대상(21)을 지지하는 스테이지(stage)(23)와, 상기 검사 대상(21)로부터 반사되는 광(Lr)을 집속시키는 집광 렌즈(condensing lens)(25)와, 상기 광(Lr)의 편광 방향을 분석하는 검광자(analyser)(27)와, 상기 반사광(Lr)으로부터 화상 정보를 검출하는 검출기(detector)(29)와, 상기 편광 방향의 변동을 이용하여 상기 검사 대상(21)의 적어도 하나의 특성을 취득하는 프로세서 (processor)(30)를 포함할 수 있다. 상기 표면 검사 장치(50)는 균일한 온도를 유지하는 챔버(31) 내에 배치될 수 있다.
상기 광원(11)은 점광원일 수 있으며, 상기 점광원에 의해 상기 광(La)이 확산하여 출사하는 경우 상기 시준 렌즈(19)에 의해 평행한 광(Le)으로 조정될 수 있다. 상기 광원(11)은 백색 광원일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광원(11)은 사용 파장 영역에 따라 적어도 하나의 파장을 갖는 광원(11)을 포함할 수 있다.
상기 모노크로미터(13)는 상기 광원(11)으로부터 나온 광(La) 중 특정 파장 범위를 선택할 수 있다. 즉, 상기 광(La)은 상기 모노크로미터(13)를 통해 제1 파장 범위(λ1)를 가지도록 조정될 수 있다.
또한, 서로 다른 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)들을 각각 가지는 광들이 상기 검사 대상(21)에 시계열적으로 각각 조사되고, 상기 검사 대상(21)으로부터 반사되는 광(Lr)을 시계열적으로 각각 측정되도록 조정될 수 있다. 상기 제1 파장 범위(λ1)를 가지는 광(Lb)에 의한 측정을 마친 후, 상기 모노크로미터(13)를 조정하여 상기 제1 파장 범위(λ1)와는 다른 제2,3,…n 파장 범위(λ2,λ3,…λn)를 가지는 광(Lb)에 의한 측정을 할 수 있다. 즉, 상기 검사 대상(21)은 복수의 파장 범위 (λ1,λ2,λ3,…λn)에 의한 측정이 이루어질 수 있다. 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)를 이용하여 상기 검사 영역(21)을 측정함으로써 검사를 보다 정확하게 수행할 수 있다.
상기 편광판(15)은 광(Lc)의 편광 상태를 임의로 결정할 수 있다. 상기 편광판(15)은 상기 검사 대상(21)에 조사되는 광량이 충분히 보장되도록 상기 광(Lc)을 적절한 편광 상태로 조정할 수 있다. 이 때, 파장 범위에 따라 충분한 광량을 투과시킬 수 있도록 최적의 편광 방향이 선택될 수 있다. 따라서, 상기 편광판(15)으로 입사되는 상기 광(Lb)의 파장 범위에 따라 상기 편광판(15)의 편광 방향을 임의로 조정할 수 있다. 이에 따라 상기 편광판(15)를 거쳐 나오는 광(Lc)은 일정한 수준의 광량을 유지할 수 있다. 상기 모노크로미터(13)를 거쳐 제1 파장 범위(λ1)를 가지는 광(Lb)에 대해서 상기 편광판(15)은 제1 편광 방향으로 조정되고, 제2 파장 범위(λ2)를 가지는 광(Lb)에 대해서 상기 편광판(15)은 제2 편광 방향으로 조정될 수 있다.
상기 보상기(17)는 상기 편광판(15)을 거친 광(Lc)의 P파의 위상을 지연시킨다. 특정 편광 상태를 지니는 상기 광(Lc)은 S파와 P파로 나타낼 수 있는데, 상기 광(Lc)의 P파의 위상을 90˚지연시킴으로서 광(Ld)이 원편광 상태로 조정할 수 있다. 이러한 원편광 상태는 검사 대상(21)에서의 편광 상태 변화를 보다 용이하게 측정할 수 있도록 한다. 상기 보상기(17)는 회전하여 상기 광(Lc)에 대한 위상 지연의 정도를 조정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 보상기(27) 외에 위상 변조기(phase modulator)가 이용될 수 있다. 상기 위상 변조기 또한 상기 보상기(27)와 같이 상기 광(Lc)의 위상을 조정할 수 있다. 상기 보상기(17)는 생략될 수 있다.
상기 시준 렌즈(19)는 상기 광(Ld)을 평행한 광(Le)으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 상기 광(Le)의 단면은 일정 면적(area)을 가지게 되고, 상기 광(Le)은 검사 대상(21)의 비교적 넓은 면적에 조사되게 된다
일반적인 검사 방법에 따르면, 검사 대상에 조사되는 광은 검사 대상(21)의 임의의 한 지점에 조사되도록 집광된다. 집광된 광은 상기 검사 대상(21) 임의의 한 지점을 모니터하는 것이며, 상기 검사 대상(21)의 복수의 지점들을 모니터하려면 스테이지(23) 또는 광원(11) 등을 포함하는 조명부를 이동하여 반복 측정을 실시하여야 한다. 이에 따라 상기 검사 대상(21)의 전면적을 검사하기 위해서는 과도한 시간이 소요될 수 있다. 또한 상기 검사 대상(21)의 실제 특성을 파악하기 위한 연산 과정에 있어서, 복수의 지점들에 대한 수많은 측정값들이 필요하므로 계산 부하가 높아 연산에 어려움이 클 수 있다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 표면 측정 방법은, 검사 대상(21) 표면의 각 지점(spot)마다 집속된 광을 조사하지 않는다. 일정 면적(area)을 갖는 광(Le)을 상기 검사 대상(21)에 조사하고 그 반사광(Lr)을 검출함으로써, 상기 검사 대상(21)의 복수의 지점들에 대해 동시에 측정을 할 수 있다. 이에 따라 검사 시간을 효과적으로 줄일 수 있다.
상기 표면 검사 장치(50)의 검사 대상(21)은 박막 또는 주기적 구조물을 포함하는 반도체 소자, 또는 반도체 소자의 제조 과정 중에 있는 다양한 객체들일 수 있다. 상기 표면 검사 장치(50)는 상기 검사 대상(21)에 편광된 광을 평행한 광(Le) 형태로 조사한다. 상기 검사 대상(21)에 조사된 상기 광(Le) 중 S파는 상기 검사 대상(21)으로부터 전반사되고, P파는 상기 검사 대상(21)를 투과 또는 상기 검사 대상(21) 내의 물질 경계면에서 다시 반사되어 나오게 된다. 이 때 상기 P파는 위상차 및 진폭의 변화를 수반하게 되므로 상기 S파와의 간섭 후에는 변화된 편광 상태를 가지게 된다. S파와 P파의 위상차에 따라 다양한 타원형의 편광 상태를 가질 수 있다. 상기 검출기(29)에 의해 상기 편광 상태의 크기가 획득될 수 있으며, 존스 매트릭스(Jones Matrix), 스트로크 벡터(Stroke vector), 밀러 매트릭스(Miller Matrix) 등의 방법으로 파장에 따른 편광 스펙트럼, 즉 (Ψ,Δ)값의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 상기 Ψ(psi)값은 P파와 S파의 반사 계수비 또는 위상폭을 나타내고, 상기 Δ(delta)값은 P파와 S파의 위상차를 나타낸다. 모든 편광 상태는 Ψ값과 Δ값으로 나타낼 수 있으므로, 상기 Ψ값 및 상기 Δ 값의 변화에 따라 편광 상태의 변동을 측정할 수 있다.
상기 스테이지(23)는 상기 검사 대상(21)을 지지하며, 종방향 및 횡방향으로 이동하여 상기 검사 대상(21)을 측정하고자 하는 영역으로 이동시킬 수 있다. 상기 스테이지(23)는 상기 검출기(29)의 서브 픽셀(sub-pixel)만큼 이동할 수 있다. 서브 픽셀이란 상기 검출기(29)가 최소로 분해할 수 있는 영역인 픽셀 단위를 일부 영역으로 나눈 것을 의미한다. 이에 의해 상기 표면 검사 장치(50)는 제1 검사 영역에서의 제1 화상 정보와, 상기 제1 검사 영역을 둘러싸는 영역에 서브 픽셀만큼 이동된 제2 내지 제n 검사 영역에서의 제2 내지 제n 화상 정보를 획득할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 화상 정보는 상호간 중첩되는 위치에서 하나로 합성될 수 있으며, 이에 의해 상기 검출기(29)보다 높은 해상도의 공간 분해능을 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 x를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
상기 집광 렌즈(25)는 상기 검사 대상(21)에서 반사된 평행한 광(Lr)을 집광시킬 수 있다.
상기 검광자(27)는 상기 검사 대상(21)으로부터 반사되는 광(Lr)의 편광 상태를 측정하기 위한 것이다. 상기 편광판(15)을 거쳐 특정 편광 상태를 가지는 상기 광(Lc)이 보상기(17) 및 시준 렌즈(19)를 거쳐 검사 대상(21)에 조사 및 반사되면, 상기 검사 대상(21)의 표면 상태 또는 내부 구조에 따라 상기 편광 상태가 변화하게 된다. 이 경우 상기 광(Le)이 가지는 파장 범위에 따라 상기 광(Le)의 편광 상태의 변화량이 달라지게 된다. 집광 렌즈(25) 및 검광자(27) 등을 통해 변화된 편광 상태를 갖는 광(Lr)을 검출하고, 상기 편광 상태의 변화량을 이용하여 상기 검사 대상(21)을 파괴하지 하지 않고 검사 대상(21) 표면의 특성을 측정할 수 있다.
상기 검광자(27)는 회전시킬 수 있으며, 임의의 편광 성분만이 투과되도록 그 편광 방향을 선택할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 검사 대상(21)과 상기 검광자(27) 사이에는 보상기(conpensator)가 더 배치될 수 있다. 이에 따라 상기 보상기는 상기 검사 대상(21)으로부터 반사된 광(Lr)의 P파를 위상 지연시킬 수 있다.
상기 검출기(29)는 상기 광(Lr)을 받아들여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 상기 검출기(29)는 CCD (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary Metal?Oxide Semiconductor), 또는 PMT (Photo Multiplier Tube) 등의 광전 소자를 포함할 수 있다. 상기 검출기(29)는 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)들에 따른 상기 광(Lr)의 편광 상태 변화를 각각 측정한다.
상기 프로세서(30)는 상기 편광 방향의 변동을 이용하여 상기 검사 대상(21)의 적어도 하나의 특성을 취득하도록 연산 과정을 처리할 수 있다. 즉, 상기 검사 대상(21)의 적어도 하나의 특성은 파장에 따른 편광 정보, 즉 (Ψ,Δ)값들을 이용하여 상기 프로세서(30)에 의해 연산될 수 있다.
상기 검사 대상(21) 표면의 적어도 하나의 특성은 임계 치수(Critical Dimension; CD), 결함(defect), 막 두께(thickness), 막의 물성값(optical properties), 평탄도(flatness uniformity) 또는 그 조합일 수 있다. 또한 상기 프로세서(30)는 상기 임계 치수, 결함, 막 두께, 막의 물성값, 평탄도를 각각 또는 적어도 2개를 동시에 연산해낼 수 있다. 상기 막의 물성값은 막의 굴절률 또는 흡수 계수 등일 수 있다.
상기 표면 검사 장치(50)는 상기 모노크로미터(13), 상기 편광판(15), 및 상기 보상기(17)가 차례로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 모노크로미터(13), 상기 편광판(15), 및 상기 보상기(19)는 순서에 무관하게 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(100)을 나타내는 플로차트들이다.
도 2a를 참조하면, 표면 검사 방법(100)은, 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하고(S110), 상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정할 수 있다(S120). 이 때, 상기 입사광은 단면적을 가지는 평행 광선으로 검사 대상에 조사되므로, 상기 제1 편광 상태와 상기 제2 편광 상태의 변화량을 이용하여 상기 검사 대상 중 상기 입사광이 조사된 전체 면적에 대한 검사가 이루어질 수 있다. 상기 표면 검사 방법(100)은 복수의 파장 범위들에 의해 각각 수행되고, 상기 복수의 파장 범위들에 따른 각각의 제2 편광 상태를 나타내는 편광 스펙트럼을 화상으로 출력할 수 있다(S130). 상기 화상 출력 단계(S130)는 생략될 수 있다.
일반적인 표면 측정 방법을 참조하면, 검사 대상의 각 지점(spot)마다 광을 집속시켜 조사 및 반사광을 검출하는 방법에 따르고 있다. 이 경우 검사 대상의 전면적에 대해 지점 대 지점(spot-to-spot)으로 광을 조사 및 검출하여야 하므로 시간 소모가 매우 클 수 있다. 반면 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 광을 평행광을 갖도록 확장시킴으로서 특정 지점(spot)이 아닌 일정 면적(area)에 걸쳐 광이 조사될 수 있다. 광이 조사된 면적으로부터 반사된 광을 검출하면 상기 면적에 포함된 복수의 지점에 관해 동시에 검사를 수행할 수 있어 시간 소모를 줄일 수 있다.
상기 검사 대상의 표면에 패턴이 형성되어 있는 경우에도, 패턴이 형성된 표면을 대신하여 가상 박막을 도입함으로서 지점 대 지점에 광을 조사하지 않고 평행광을 통하여 패턴의 임계치수 등을 용이하게 구할 수 있다. 상기 입사광에 대하여 상기 제2 편광 상태와 동일한 편광 상태를 나타내는 가상(imaginary) 박막을 도입하고, 상기 가상 박막의 물리량을 계산할 수 있다(S140). 이러한 가상 박막은 평평한 표면을 가지므로 물리량 계산이 보다 용이할 수 있다. 이 후, 상기 가상 박막의 물리량으로부터 검사 대상의 물리량을 계산할 수 있다(S150). 이 경우, 상기 패턴의 높이는 상기 가상 박막의 두께와 비례하고, 상기 패턴의 폭은 상기 가상 박막의 물질 혼합비를 상기 패턴의 높이로 나눈 값에 비례하는 관계식을 이용할 수 있다.
도 2b는 도 2a의 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계(S140)를 구체적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2b를 참조하면, 가상 박막과 실질적으로 동일한 형상의 이론 모델을 도입하여 상기 이론 모델의 이론적인 결과와 상기 검사 대상에서 측정된 결과를 비교할 수 있다(S141). 이 후, 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하도록 상기 이론 모델의 물리적 조건을 조정할 수 있다(S143). 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하도록 조정된 상기 이론 모델의 물리적 조건은 상기 가상 박막과 동일한 조건이므로, 상기 가상 박막의 다른 물리량을 계산해낼 수 있다(S145).
일부 실시예들에서, 상기 이론 모델의 복수의 파장 범위에 대한 이론적인 결과를 나타내는 이론 스펙트럼과, 상기 검사 대상에서 복수의 파장 범위에 대해 측정된 결과를 나타내는 측정 스펙트럼의 차이를 화상으로 출력하여 상기 검사 대상의 결함을 검출할 수 있다(S147). 화상을 비교하여 결함을 검출하는 단계(S147)는 생략될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 표면 측정 방법(100)에 따라 검사 대상 대신에 가상(imaginary) 박막을 도입한 경우를 나타내는 도면이다. 도 3a는 실제 검사 대상을 나타내는 개념도이고, 도 3b는 도 3a의 실제 검사 대상과 실질적으로 동일하다고 가정한 가상 박막을 나타내는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b 를 참조하면, 도 1의 표면 검사 장치(50)를 이용하여 주기적 패턴 구조물이 형성된 표면을 포함하는 검사 대상(21)의 특성, 특히 임계 치수를 측정하는 방법을 나타낸 것이다. 상기 검사 대상(21)은 기판(31), 다층 박막(33), 및 상기 다층 박막(33) 상에는 주기적으로 형성된 복수의 패턴 구조물(35a)들을 포함한다. 상기 복수의 패턴 구조물(35a)들은 서로 유사한 구조를 가질 수 있다. 상기 패턴 구조물(35a)은 높이(H) 및 너비(W)를 가지고, 상기 패턴 구조물(35a)들의 사이는 이격되어 있다.
일반적으로 패턴 구조물(35a)들이 형성된 표면을 분석하는 경우, 상기 표면의 각 지점에 따라 패턴 구조물(35a)의 형성 여부가 달라지므로 지점 대 지점별로 광을 조사하고 각각의 반사광을 검출하는 방법을 이용하고 있다. 이러한 방법은 검사 대상(21)의 각 지점마다 광의 조사, 반사, (Ψ,Δ)값 측정이 필요하고, 각 지점에 대한 (Ψ,Δ)값들이 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis) 및 FTDD(Fast Track Drug Development) 등과 같은 복잡한 연산 과정을 거쳐야 하므로 시간 소요가 매우 클 수 있다.
반면 본 발명에 따르면 상기 패턴 구조물(35a)의 높이(H) 및 너비(W)를 측정하기 위하여, 주기적으로 형성된 복수의 상기 패턴 구조물(35a)들과 광학적 특성이 실질적으로 동일하다고 볼 수 있는 평평한 가상 박막(35b)(도 3b 참조)을 가정할 수 있다. 이러한 가정은 상기 패턴 구조물(35a)간의 간격이 입사되는 광(Le)의 파장에 비해 작은 경우 효과적일 수 있다.
상기 기판(31)과 복수의 패턴 구조물(35a)들 사이에는 다층 박막(33)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 다층 박막(33) 생략될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판(31), 다층 박막 (33), 및 복수의 패턴 구조물(35a)들은 반도체 소자의 일부 구성이거나 반도체 소자를 제조하는 방법 도중에 형성되는 구조일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 가상 박막(35b)의 표면은 각 지점에 대해 표면 구조가 동일하므로, 각 지점별로 광을 조사하고 반사광을 검출하는 방법이 요구되지 않는다. 따라서, 상기 가상 박막(35b)에 대해서 넓은 단면적을 갖는 평행한 광(Le)을 조사하고, 상기 광(Le)으로부터 반사된 광(Lr)으로부터 (Ψ,Δ) 값을 측정하는 것이 가능하다. 상기 (Ψ,Δ) 값으로부터 상기 가상 박막(35b)의 두께(T), 밀도(D), 또는 굴절률(n) 특성을 측정하기 위해서 분석 모델링 방법을 사용할 수 있다. 분석 모델링이란 실험 결과를 해석을 하는 과정으로, 예를 들어 이론 모델과 실험 모델을 비교하는 방법이 있다. 즉, 이론 모델의 이론적인 결과와 실제 모델에서 측정된 결과를 비교하고, 양 결과가 일치하도록 이론 모델을 수정하여 실제 모델을 해석하고 상기 실제 모델의 다른 특성들을 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 (Ψ,Δ) 값으로부터 상기 가상 박막(35b)의 두께(T), 밀도(D), 또는 굴절률(n) 특성을 측정하기 위해서, 이론 모델을 도입할 수 있다. 이론 모델은 상기 다층 박막(33)의 상부층에 A 두께만큼 증착된 B 물질층이고, 실험 모델은 상기 다층 박막(33)의 상부층에 형성된 가상 박막(35b)이다. 상기 이론 모델은 이론적인 (Ψ’,Δ’) 값을 알기 위한 것으로 상기 A 두께 및 상기 B 물질은 알려진 값이다. 상기 이론 모델은 실험 모델과 같이 동일한 조건하에서 이론적인 (Ψ’,Δ’) 값을 생성할 수 있다. 이론 모델의 (Ψ’,Δ’) 값과 실험 모델의 (Ψ,Δ) 값을 실질적으로 일치시키기 위하여, 상기 이론 모델의 상기 A 두께 및 상기 B 물질의 굴절률을 조절할 수 있다. 상기 A 두께 및 상기 B 물질의 굴절률을 조절하여 상기 이론 모델의 (Ψ’,Δ’) 값과 상기 실험 모델의 (Ψ,Δ) 값이 실질적으로 일치할 때 상기 A 두께 및 B 물질의 굴절률을 상기 실험 모델에 포함된 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 굴절률로 볼 수 있다. 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 굴절률을 측정하는 방법으로 이론 모델을 도입하는 방법을 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 이론 모델의 이론 스펙트럼과 실제 모델의 측정 스펙트럼을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 이론 모델의 (Ψx,Δx)값을 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 나타낸 이론 스펙트럼과, 상기 실험 모델의 (Ψy,Δy)값을 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 나타낸 측정 스펙트럼이 나타나 있는데, 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn) 전 영역에서 실질적으로 일치하고 있다.
다시 도 3b를 참조하면, 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 굴절률은 프레넬 방정식 (Fresnel equations)을 이용하여 광(Le)의 상기 가상 박막(35b)에 대한 반사율 특성을 구할 수 있다. 상기 가상 박막(35b)에 대한 반사율은 상기 가상 박막(35b)과 광학적 특성이 동일한 도 3a의 복수의 패턴 구조물(35a)들이 형성된 층에 대한 반사율로 볼 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 표면 검사 방법에 따르면, 검사 대상(21) 모든 지점에 대한 각각의 연산 과정을 거치지 않고서도, 상기 검사 대상(21)의 반사율을 용이하게 측정해낼 수 있다. 상기 검사 대상(21)의 반사율을 측정하는 것 외에, 상기 가상 박막(35b)을 이용하여 도 3a의 복수의 패턴 구조물(35a)들의 구체적인 형상을 측정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 이론 모델의 (Ψ’,Δ’)값을 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 나타낸 이론 스펙트럼과, 상기 실험 모델의 (Ψ,Δ)값을 복수의 파장 범위(λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 나타낸 측정 스펙트럼을 비교하여 검사 대상의 결함을 검출할 수 있다. 검사 대상의 결함은 적외선에서 가시광선 영역으로 갈수록 스펙트럼상에서 크게 나타날 수 있다. 따라서 파장 범위마다 이론 스펙트럼과 측정 스펙트럼의 차를 화상 정보로 출력함으로써 결함 검출이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 편광 스펙트럼의 변화로부터 검사 대상(21)의 기울기 분포를 측정할 수 있다. 상기 편광 스펙트럼은 검출기(29)를 통해 복수의 파장 범위 (λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 얻어진 (Ψ,Δ)값을 나타낸 것이다. 구체적으로, 검사 대상의 표면이 θ만큼 기울어지면 입사각은 2θ 기울어지게 되어 반사하는 편광 스펙트럼이 변화한다. 따라서 상기 이론 모델에 사용되는 광의 입사각을 미지 변수로 취하고 편광 스펙트럼에 적합한 입사각의 분포를 측정함으로써 평탄도 분포를 획득할 수 있다.
일부 실시예들에서, 검사 대상의 설계 패턴을 이용하여 소자 영역별로 편광 스펙트럼을 분류하고, 분류된 스펙트럼 내의 분산 경향으로부터 소자 영역별로 특성을 측정할 수 있다. 이에 따라 소자 영역별로 특징적인 결함 경향을 파악하여 제조 공정으로부터 오는 영향을 예측할 수 있다. 이 경우, 각 소자 영역별로 특성을 측정하는 것은 연산 과정이 매우 복잡하므로, 각각의 소자 영역 내에 포함된 복수의 패턴들은 중심치를 가지는 것으로 전제하고 측정될 수 있다. 즉, 상기 복수의 패턴들의 특성이 일정 범위 내에 분포되어 있더라도, 모든 상기 복수의 패턴들이 일정 범위의 중심치에 있는 것으로 전제하고 측정할 수 있다. 이 후, 소자 영역에 대한 결과가 측정이 되면 상기 결과를 초기치로 하여 각 복수의 패턴들에 대한 미세 조정을 실시하거나, 통계적 방법에 의해 중심치로부터의 변화량을 고려하여 근사치를 산출하는 방식으로 보정할 수 있다. 이러한 방법에 의해 각각의 소자 영역별로 특성을 측정하는 것이 보다 용이하게 이뤄질 수 있다.
일부 실시예들에서, 표준 스펙트럼과 실제 검사 대상에 대하여 측정한 편광 스펙트럼의 화상을 비교하여 그 차이에 따라 결함을 파악할 수 있다. 상기 표준 스펙트럼은 검사 대상에 대하여 복수의 파장 범위 (λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 얻어진 무결함의 편광 스펙트럼이거나 검사 대상의 설계 패턴을 이용하여 계산된 스펙트럼일 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 검사 방법에 의하여, 공정 장치의 처리 전후 편광 스펙트럼의 화상 변화를 통하여 공정 처리가 적절하게 실시되었는지 판단할 수 있다.
도 5는 도 3b의 가상 박막의 물질 혼합비 및 분극 성분 혼합비를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 3b의 가상 박막(35b)은 혼합비(mixing ratio)가 r(0≤r≤1)인 두 가지 물질이 혼합되었다고 가정할 수 있다. 이러한 가정은 상기 가상 박막(35b)의 전제가 된 도 3a의 복수의 패턴 구조물(35a)들과 상기 패턴 구조물(35a)들 사이에 공간을 두 가지 물질의 혼합물에 대응시켜 취급하는데 기초한다. 따라서 상기 혼합비 r은 충전율(fill factor)로도 볼 수 있다.
상기 혼합비 r은 상기 가상 박막(35b)의 분극(polarization) 여부에 따라 다시 rTE과 rTM의 분극 성분 혼합비로 나뉘어질 수 있다. 상기 가상 박막(35b)의 분극 여부는 서로 수직 방향으로 입사되는 광들에 대해 나타내는 광학적 특성이 이질적인지에 의해 판단할 수 있다. 즉, 상기 가상 박막(35b)이 등방적(isotropic)이어서 분극이 0일 경우 A선에 따라 rTE과 rTM의 혼합비가 일대일로 동일하다. 예를 들어, 상기 두 가지 물질의 혼합비 r이 0 또는 1이 되는 경우, 상기 가상 박막(35b)이 없거나 하나의 물질로 이루어진 것이므로 분극이 0인 경우가 되어서 rTE과 rTM이 모두 0이거나 1이 된다. 그러나 상기 가상 박막(35b)이 비등방적 (anisotropic)이어서 분극이 있을 경우 B선에 따라 rTE과 rTM의 혼합비가 다르게 된다. rTE과 rTM의 차이는 비등방성의 강도(S)를 의미할 수 있다. 상기 비등방성의 강도(S)는 도 3a의 복수의 패턴 구조물(35a)들의 기하학적 구조에 의존한다.
상기 rTE과 rTM는 측정을 통해 얻어질 수 있는 값으로, 측정된 rTE과 rTM값과 다음의 (1) 및 (2)식을 이용해 혼합비 r을 구할 수 있다.
Figure pat00001
또한, 전술한 바와 같이 분석 모델링을 이용하여 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 굴절률은 측정될 수 있다. 다만, 상기 rTE과 rTM의 혼합비를 이용하여 전술한 분석 모델링 방법을 이용해 상기 가상 박막(35b)의 굴절률을 구할 수도 있다.
상기 가상 박막(35b)의 혼합비, 두께, 및 굴절률로부터 실제 검사 대상(21)인 상기 패턴 구조물(35a)의 특성을 검사할 수 있다. 즉, 상기 가상 박막(35b)의 두께 T 및 혼합비 r은 실제 검사 대상(21)인 상기 패턴 구조물(35a)의 높이(H) 및 너비(W)와 다음과 같은 관계가 있다.
Figure pat00002
상기 가상 박막(35b)을 도입함으로써, 복잡한 계산 과정없이 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 혼합비를 알아낼 수 있으며, 상기 가상 박막(35b)의 두께 및 혼합비로부터 상기 패턴 구조물(35a)의 높이(H) 및 너비(W)를 용이하게 측정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 패턴 구조물(35a)은 반도체 제조 공정에서 형성되는 대상체일 수 있다. 따라서 본 발명의 기술적 사상에 의한 검사 방법은 반도체 소자에 포함되는 구조물의 높이, 너비 등의 임계 치수를 측정할 수 있다.
도 6는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(100) 결과 실제 검사 대상의 충전율(fill factor)과 가상 박막의 물질 혼합비(mixing ratio)를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 실제 검사 대상인 도 3a의 복수의 패턴 구조물(35a)들과 그 사이의 공간들에 의한 충전율과, 도 3b의 가상 박막(35b)의 혼합비가 약 0.89의 기울기를 나타내고 있어 상호 대응되는 파라미터로 사용될 수 있음을 보여준다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(200)을 나타내는 플로차트이다.
도 7을 참조하면, 편광 스펙트럼의 변화로부터 검사 대상(21)의 기울기 분포를 측정할 수 있다. 도 3a의 편광 스펙트럼은 검출기(29)를 통해 복수의 파장 범위 (λ1,λ2,λ3,…λn)에 대해 각각 얻어진 (Ψ,Δ)값을 나타낸 것이다. 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하고(S210), 상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정할 수 있다(S220). 그 후, 상기 검사 대상과 실질적으로 동일한 형상의 이론 모델을 도입하여 편광 상태에 관한 상기 이론 모델의 이론스펙트럼 결과와 상기 검사 대상의 측정 스펙트럼 결과를 비교할 수 있다(S230). 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하도록 상기 이론 모델의 물리적 조건을 조정할 수 있다(S240). 다양한 입사각을 가지는 입사광을 상기 이론 모델과 상기 검사 대상에 각각 조사하여 편광 상태의 차이에 따라 검사 대상 표면의 평탄도를 계산할 수 있다(S250). 상기 표면 검사 방법(200)에서도 평행한 광을 이용하므로 검사가 고속으로 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(300)을 나타내는 플로차트이다.
도 8을 참조하면, 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하고(S310), 상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정할 수 있다(S320). 그 후, 상기 검사 대상의 설계 패턴을 이용하여 상기 검사 대상을 소자 영역 별로 편광 스펙트럼을 분류할 수 있다(S330). 구체적으로, 검사 대상의 당초 설계 패턴을 이용하여 소자 영역별로 구역을 나누어 편광 스펙트럼을 분류할 수 있다. 상기 소자 영역별로 분류된 스펙트럼 내의 분산 경향으로부터 각 소자 영역별로 특징적인 특성, 예를 들어 특징적인 결함 경향을 측정할 수도 있다. 소자 영역별로 특징적인 결함 경향이 미리 파악되면, 제조 공정으로부터 오는 영향을 미리 예측하고 방지할 수 있다.
이 경우, 각 소자 영역별로 특성을 측정하는 것은 연산 과정이 매우 복잡할 수 있는데, 각각의 소자 영역 내에 포함된 복수의 패턴들은 중심치를 가지는 것으로 전제하고 측정될 수 있다. 즉, 상기 복수의 패턴들의 특성이 일정 범위 내에 분포되어 있더라도, 모든 상기 복수의 패턴들이 일정 범위의 중심치에 있는 것으로 전제하고 측정할 수 있다. 이 후, 소자 영역에 대한 결과가 측정이 되면 상기 결과를 초기치로 하여 각 복수의 패턴들에 대한 미세 조정을 실시하거나, 통계적 방법에 의해 중심치로부터의 변화량을 고려하여 근사치를 산출하는 방식으로 보정할 수 있다. 이러한 방법에 의해 각각의 소자 영역별로 특성을 측정하는 것이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법(400)을 나타내는 플로차트이다.
도 9를 참조하면, 제1 편광 상태의 입사광을 제1 검사 영역에 조사하고, 상기 제1 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 검출기로 1차 측정한다(S410). 상기 입사광이 상기 제1 검사 영역과 적어도 하나의 서브 픽셀 면적만큼 중첩되는 제2 검사 영역에 조사되도록 상기 검사 대상을 지지하는 스테이지를 서브 픽셀만큼 이동할 수 있다(S420). 서브 픽셀(s-px)이란 도 1의 검출기(29)가 화상을 최소로 분해할 수 있는 영역인 픽셀(pixel)(px)을 더 작은 영역으로 나눈 것이다. 제3 편광 상태의 입사광을 제2 검사 영역에 조사하고, 상기 제2 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제4 편광 상태를 검출기로 2차 측정할 수 있다(S430). 이 후, 상기 제1 검사 영역에 대한 상기 제2 편광 상태의 제1 화상 및 상기 제2 검사 영역에 대한 상기 제3 편광 상태의 제2 화상 중 중첩되는 화상 영역을 합성하여 상기 검출기(29)가 가지는 해상도보다 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 이동 단계(S420) 및 상기 2차 측정 단계(430)를 복수회 반복 수행할 수 있다. 이 경우 보다 높은 해상도의 화상을 얻을 수 있다.
도 10 및 도 11은 도 9의 표면 검사 방법(300)을 구체적으로 나타내는 개략도이다.
도 10을 참조하면, 스테이지(23)를 X방향 및/또는 Y방향으로 이동하여 검사 대상(21)을 측정하고자 하는 영역으로 이동시킬 수 있다. 이 때 상기 스테이지(23)는 도 1의 검출기(29)의 서브 픽셀(sub-pixel)(s-px)만큼 이동할 수 있다. 서브 픽셀(s-px)이란 도 1의 검출기(29)가 화상을 최소로 분해할 수 있는 영역인 픽셀(pixel)(px)을 더 작은 영역으로 나눈 단위를 의미한 것이다. 따라서, 상기 검사 대상(21)이 배치된 상기 스테이지(23)가 서브 픽셀(s-px)만큼 이동한 후 도 1의 검출기(29)가 획득하게 되는 화상 정보는, 이동하기 전에 획득한 화상 정보와 적어도 하나의 서브 픽셀(s-px)의 면적만큼 중첩되는 구간을 포함하게 된다. 중첩되는 구간들은 합성하여 도 1의 검출기(29)가 본래적으로 갖는 해상도 보다 높은 해상도를 갖는 화상 정보를 얻을 수 있다.
구체적으로, 상기 스테이지(23)상에 배치된 상기 검사 대상(21)에는 상기 검사 대상(21)의 특정 위치를 나타내는 기준 영역(reg)이 나타나 있다. 상기 기준 영역(reg)은 하나의 픽셀(px)과 동일한 면적을 갖는 영역을 선택한 것이다. 상기 스테이지(23)를 이동하기 전, 상기 기준 영역(reg)은 상기 광(Le)이 조사되는 검사 영역(tst)에 포함되어 있다. 이에 따라 상기 기준 영역(reg)에는 광(Le)이 조사되고 상기 기준 영역(reg)으로부터 반사되는 반사광(Lr)에 의해 상기 기준 영역(reg)의 최초 화상 정보를 획득할 수 있다. 도 11을 참조하면, 상기 최초 화상 정보(img0)는 스테이지 이동 전의 상기 기준 영역(reg)을 촬상한 것으로 제1,2,3,4 영역(r1,r2,r3,r4)을 포함한다. 그러나 상기 기준 영역(reg)은 하나의 픽셀(px)과 동일한 면적을 갖는 영역을 선택한 것으로, 상기 최초 화상 정보(img0) 자체는 상기 기준 영역(reg) 내의 상기 제1,2,3,4 영역(r1,r2,r3,r4)을 서로 구분하여 표시하지 못할 수 있다.
상기 스테이지(23)는 상기 기준 영역(reg)을 중심으로 X방향 및/또는 Y방향으로 하나의 서브 픽셀(s-px)만큼 각각 이동할 수 있다. 상기 스테이지(23)는 X방향으로 서브 픽셀(s-px)의 너비만큼 제1 이동(mv1)할 수 있다. 제1 이동(mv1)이 있은 후, 상기 검사 대상(21)의 기준 영역(reg)의 오른쪽 절반은, 상기 검사 영역(tst)과 2개의 서브 픽셀(s-px)만큼 중첩된다. 이에 따라, 상기 제1 이동(mv1)이 있은 후에는 상기 기준 영역(reg)의 오른쪽 부분과 상기 기준 영역(reg)의 왼쪽에 위치한 영역을 포함한 부분이 검사 영역(tst)에 놓이며, 상기 최초 화상 정보(img0)와는 일부 중첩된 제1 화상 정보(img1)를 얻게 된다. 도 11을 참조하면, 상기 제1 화상 정보(img1)는 제1 이동(mv1) 후 상기 검사 영역(tst)을 촬상한 것이다. 따라서 기준 영역(reg)의 오른쪽 절반이 제1 화상 정보(img1)의 왼쪽 절반에 나타나게 된다. 즉 상기 제1 화상 정보(img1)의 왼쪽 절반은 기준 영역(reg)의 제3,4 영역(r3, r4)과 중첩되어 촬상될 수 있다. 이와 같이, 상기 제2,3,4 이동(mv2, mv3, mv4) 후 상기 검사 영역(tst)을 촬상하면, 상기 제2,3,4 화상 정보(img2, img3, img4)는 각각 기준 영역(reg)의 제1 영역(r1), 제1,3 영역(r1, r3), 및 제 3,4 영역(r3, r4)과 중첩되어 촬상될 수 있다. 상기 복수의 화상 정보(img0, img1, img2 img3, img4)들은 중첩되는 부분들끼리 합성되어 하나의 최종 화상 정보로 출력될 수 있다. 상기 기준 영역(reg)내의 제1,2,3,4 영역(r1,r2,r3,r4) 각각에서 합성되는 화상 정보가 서로 다르기 때문에, 상기 기준 영역(reg)이 도 1의 검출기(29)의 하나의 픽셀(px)과 같은 범위를 가지더라도, 상기 제1,2,3,4 영역(r1,r2,r3,r4)이 서로 구분되는 서브 픽셀(s-px) 수준의 해상도 및 공간 분해능을 갖는 최종 화상 정보를 획득할 수 있다.
도 10에서는 기준 영역(reg)을 중심으로 하나의 서브 픽셀(s-px)만큼 상하좌우로 이동된 경우를 나타내었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 스테이지(23)는 X방향 및/또는 Y방향으로 서브 픽셀(s-px) 너비의 정수배만큼 이동할 수 있으며, X방향 또는 Y방향으로 연속적으로 이동할 수도 있다.
도 10에서는 상기 픽셀(px)이 4개의 서브 픽셀(s-px)에 의해 화상 정보를 얻도록 하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 픽셀(px)은 적어도 2개의 서브 픽셀(s-px)을 가질 수 있으므로, 상기 픽셀(px) 내에 포함되는 상기 서브 픽셀(s-px)은 2개, 3개 또는 5개 이상일 수 있다.
11: 광원, 13: 모노크로미터, 15: 편광판, 17: 보상기, 19: 시준 렌즈, 21: 검사 대상, 23: 스테이지, 25: 집광 렌즈, 27: 검광자, 29: 검출기, 31: 프로세서, 31: 챔버, 35a: 패턴 구조물, 35b: 가상 박막, 50: 표면 검사 장치, W: 패턴 구조물 너비, H: 패턴 구조물 높이, D: 가상 박막 밀도, T: 가상 박막 두께, Le: 평행광

Claims (10)

  1. 제1 편광 상태의 입사광을 단면적을 가지는 평행 광선으로 조정하여 검사 대상에 조사하는 단계;
    상기 검사 대상으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 편광 상태와 상기 제2 편광 상태의 변화량을 이용하여, 상기 검사 대상 중 상기 입사광이 조사된 전체 면적에 대한 검사를 수행하는 단계;를 포함하는 표면 검사 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 검사 대상은 패턴을 포함하고,
    상기 검사를 수행하는 단계는,
    상기 입사광에 대하여 상기 제2 편광 상태와 동일한 편광 상태를 나타내는 가상(imaginary) 박막을 도입하고 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계; 및
    상기 패턴의 높이는 상기 가상 박막의 두께와 비례하고, 상기 패턴의 폭은 상기 가상 박막의 물질 혼합비를 상기 패턴의 높이로 나눈 값에 비례하는 관계를 이용하여 상기 가상 박막의 물리량으로부터 상기 검사 대상의 물리량을 계산하는 단계;를 포함하는 표면 검사 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계는,
    상기 가상 박막과 실질적으로 동일한 형상의 이론 모델을 도입하여 상기 이론 모델의 이론적인 결과와 상기 검사 대상에서 측정된 결과를 비교하는 단계;
    상기 이론 모델의 파라미터를 조정하여 상기 이론적인 결과와 상기 측정된 결과가 일치하는 일치 조건을 획득하는 단계;
    상기 일치 조건으로부터 상기 가상 박막의 물리량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 검사 대상은 주기적으로 형성된 복수의 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제2 편광 상태를 측정하는 단계는,
    서로 다른 복수의 파장 범위들을 각각 가지는 복수의 광들이 상기 검사 대상에 시계열적으로 각각 조사되고, 상기 검사 대상으로부터 반사되는 광을 시계열적으로 각각 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  6. 제1 편광 상태의 입사광을 제1 검사 영역에 조사하고, 상기 제1 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제2 편광 상태를 검출기로 1차 측정하는 단계;
    상기 입사광이 상기 제1 검사 영역과 적어도 하나의 서브 픽셀 면적만큼 중첩되는 제2 검사 영역에 조사되도록 상기 검사 대상을 지지하는 스테이지를 서브 픽셀만큼 이동하는 단계; 및
    제3 편광 상태의 입사광을 상기 제2 검사 영역에 조사하고, 상기 제2 검사 영역으로부터 반사되는 반사광의 제4 편광 상태를 검출기로 2차 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 서브 픽셀은 상기 검출기가 최소로 분해할 수 있는 픽셀 영역을 적어도 2개의 영역으로 나눈 표면 검사 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 입사광은 단면적을 가지는 평행 광선으로서, 상기 입사광은 상기 1차 측정 단계의 상기 제1 검사 영역에 모두 조사되고, 상기 2차 측정 단계의 상기 제2 검사 영역에 모두 조사되는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 검사를 수행하는 단계 이후에, 상기 제1 검사 영역에 대한 상기 제2 편광 상태의 제1 화상 및 상기 제2 검사 영역에 대한 상기 제3 편광 상태의 제2 화상 중 중첩되는 화상 영역을 합성하는 단계;를 더 포함하는 표면 검사 방법.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 검사를 수행하는 단계 이후에,
    상기 제1 검사 영역에 대한 상기 제2 편광 상태의 제1 화상 및 상기 제2 검사 영역에 대한 상기 제3 편광 상태의 제2 화상 중 중첩되는 화상 영역을 합성하는 단계;를 더 포함하는 표면 검사 방법.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 스테이지는 종방향 또는 횡방향 중 적어도 하나의 방향으로 적어도 하나의 서브 픽셀만큼 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법
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