KR20170018249A - 반도체 패턴 계측 장치, 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

반도체 패턴 계측 장치, 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치는 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 패턴 반사광 및 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 대상물의 형상을 획득하도록 구성될 수 있다.

Description

반도체 패턴 계측 장치, 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법{Apparatus for Metrology of Semiconductor Pattern, System and Method Using the Same}
본 발명은 반도체 집적 회로의 계측 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 패턴 계측 장치와 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 집적 회로의 집적도는 계속해서 향상되고 있으며, 그에 따라 반도체 소자의 선폭, 임계치수 등은 지속적으로 감소되고 있다.
최근 3차원 구조의 반도체 장치가 개발되는 등, 반도체 집적회로는 고종횡비(High Aspect Ration; HAR)를 갖는 패턴 형태로 제조되고 있다.
반도체 집적 회로를 제조할 때에는 제조 공정마다 증착되는 막의 두께, 노광 또는 식각에 의해 형성되는 패턴의 두께나 폭 등을 계측하여 패턴의 불량 여부를 검사할 수 있다.
이를 통해 계측된 데이터가 허용 범위 내에 포함되는지 판단하여 불량이 발생한 경우 공정 조건을 변경하는 등에 의해 패턴 불량을 차단할 수 있다.
반도체 집적 회로의 패턴 불량 여부를 검사하기 위한 다양한 장비가 개발 및 연구되고 있다. 특히 대상물에 광 신호를 조사하고 대상물로부터 반사되는 광 신호를 분석하는 광학 측정 방법은 패턴 불량 여부를 계측하는 대표적인 방법이다.
최근의 반도체 집적 회로는 초소형화에 따라 피치(Pitch)가 줄어들고 종횡비는 증가하고 있으며, 계측에 사용되는 광원의 파장보다 작은 피치를 갖는 패턴을 측정하기 위한 방법이 필요한 실정이다.
본 기술의 실시예는 미세 패턴의 영상 신호를 획득할 수 있는 반도체 패턴 계측 장치, 이를 이용한 반도체 패턴 계측 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치는 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성될 수 있다.
다른 관점에서, 본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치는 검사광을 출사하는 광원; 상기 검사광의 편광 특성을 변화시키는 제 1 편광기; 상기 제 1 편광기에 의해 편광된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하도록 구성되는 빔 분할기; 상기 제 1 분할광의 편광 특성을 변화시켜 대상물에 조사하도록 구성되는 제 2 편광기; 상기 제 2 분할광을 반사시키는 반사기; 상기 반사기로부터 반사된 미러 반사광의 위상을 제어하는 파장판; 상기 대상물에서 반사되는 패턴 반사광 및 상기 위상이 제어된 미러 반사광의 간섭 신호가 입사되는 상기 빔 분할기; 상기 간섭 신호의 편광 특성을 변화시키는 검광기; 및 상기 검광기로부터 출사되는 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 검출하는 영상 획득부;를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 시스템은 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성되는 패턴 계측 장치; 상기 대상물이 안착되고 이송되는 스테이지; 및 동작 파라미터에 기초하여 상기 패턴 계측 장치 및 상기 스테이지를 제어하고, 상기 패턴 계측 장치에서 획득한 상기 대상물의 형상을 계측하는 운용자 장치;를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 기술의 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 방법은 패턴 계측 장치를 이용한 반도체 패턴 계측 방법으로서, 대상물이 준비되는 단계; 계측모드별 동작 파라미터를 설정하는 단계; 상기 동작 파라미터에 따라 상기 패턴 계측 장치를 준비하는 단계; 상기 동작 파라미터에 따라 광원을 구동하여 검사광을 출사하는 단계; 및 상기 검사광을 편광시켜 편광된 검사광을 생성하고, 상기 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 획득하는 단계;를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 기술에 의하면 계측 광원의 파장보다 작은 피치를 갖는 반도체 패턴의 불량 여부를 검사할 수 있다.
더욱이, 패턴으로부터 반사되는 광 신호를 편광 모드 별로 분리 계측할 수 있어, 계측 대상물에 대한 보다 정확하고 신뢰성 있는 계측이 가능하게 된다.
도 1은 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 시스템의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 운용자 장치의 구성도이다.
도 4는 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 기술의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 장치(10)는 광원(101), 제 1 편광기(103), 빔 분할기(105), 제 2 편광기(107), 제 1 대물렌즈(109), 파장판(111), 제 2 대물렌즈(113), 반사기(115), 검광기(117), 집광기(119) 및 영상 획득부(121)를 포함할 수 있다.
광원(101)은 대상물(20)로 검사광을 조사하도록 구성된다. 일 실시예에서 광원(101)은 가간섭성(Coherent)을 갖는 광이 이용될 수 있다. 가간섭성 광은 예를 들어 두 광파가 일정한 수준 이내로 진동수가 거의 동일하고 위상차 또한 거의 일정하게 유지되어 상호 간섭을 일으키는 빛을 말한다. 다른 실시예에서, 광원(101)은 비가간섭(Incoherent)을 갖는 광이 이용될 수 있다.
광원(101)의 파장보다 작은 피치를 갖는 패턴의 경우, 직접적인 이미징을 통해서는 패턴에 대한 정보를 계측할 수 없으며, 간섭계를 이용하여 위상에 대한 계측을 통해 패턴 정보를 계측할 수 있다. 본 실시예에서는 가간섭성 광원은 물론 비가간섭성 광원을 이용하여 간섭계를 구성한다. 그리고 이러한 간섭계를 갖는 반도체 패턴 계측 장치(10)를 통해 파장보다 작은 피치를 갖는 대상물(20)의 패턴 형태를 계측할 수 있다.
제 1 편광기(103)는 광원(101)으로부터 출사되는 검사광의 편광 특성을 변화시킬 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서, 제 1 편광기(103)는 편광 특성을 변화시킬 수 있는 가변 편광기일 수 있다. 대상물(20)에 대한 분석 모드에 따라, 제 1 편광기(103)는 S파(Secondary wave) 또는 P파(Primary wave)를 투과시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
빔 분할기(105)는 제 1 편광기(103)를 통해 편광 변화된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 분할광은 빔 분할기(105)에 의해 반사된 반사광일 수 있으며, 제 2 분할광은 빔 분할기(105)를 투과한 투과광일 수 있다.
제 2 편광기(107)는 빔 분할기(105)에서 반사된 제 1 분할광의 편광 특성을 변화시켜 대상물(20)에 조사하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 편광기(107)는 방사(Radial) 편광기일 수 있다. 방사 편광기는 선형 편광을 방사 편광 변환 또는 방위(azimuthal) 편광 변환시키는 장치이며, 작은 스폿 사이즈로 광을 집속시킬 수 있다. 따라서, 검사광의 파장보다 작은 피치를 갖는 대상물(20)의 패턴을 계측할 때 유용하게 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 편광기(103)가 S파를 투과시킨 경우, S파 검사광은 제 2 편광기(107)를 통해 TE(Transverse Electronic wave) 모드로 변환될 수 있다. 제 1 편광기(103)가 P파를 투과시킨 경우, P파 검사광은 제 2 편광기(107)를 통해 TM(Transverse Magnetic wave) 모드로 변환될 수 있다.
제 1 대물렌즈(109)는 제 2 편광기(107)를 통과한 검사광을 집광하여 대상물(20)의 영상을 영상 획득부(121)에 1차 결상하도록 구성될 수 있다.
한편, 제 1 대물렌즈(109)를 통해 대상물(20)에 편광 변화된 검사광이 조사됨에 따라, 대상물(20)로부터 반사되는 패턴 반사광은 제 1 대물렌즈(109)로 입사된다. 그리고, 패턴 반사광은 제 2 편광기(107)로 입사되어 선형 편광으로 변화된 후, 빔 분할기(105)로 재입사될 수 있다. 일 실시예에서, 패턴 반사광은 측정 신호라 지칭할 수 있다. 패턴 반사광은 대상물(20)에 의해 편광이 변화되지 않고 제 2 편광기(107)를 통해 빔 분할기(105)로 제공되거나, 또는 편광이 변화되어 제 2 편광기(107)를 통해 빔 분할기(105)로 제공될 수 있다.
파장판(111)은 빔 분할기(105)를 투과한 제 2 분할광을 투과시키도록 구성된다. 파장판(111)을 투과한 제 2 분할광은 제 2 대물렌즈(113)를 거쳐 반사기(115)에서 반사된다. 이후, 반사기(115)에서 반사된 미러 반사광은 파장판(111)에 재입사될 수 있다. 일 실시예에서, 미러 반사광은 기준 신호라 지칭할 수 있다.
일 실시예에서, 파장판(111)은 사분파장판(λ/4 파장판)이 이용될 수 있으며, 파장판(111)의 위상 지연 특성은 가변될 수 있다. 즉, 미러(115)에서 반사되는 제 2 분할광의 위상 특성은 파장판(111)에 의해 제어될 수 있다. 만약, 파장판(111)의 위상 지연량을 0도로 선택하면, 제 1 편광기(103)에서 출사되는 검사광과 동일한 편광 특성을 갖는 기준 신호가 생성될 수 있다. 만약, 파장판(111)을 기 설정된 위상 지연량에 대응하는 회전 각으로 회전시키면, 제 1 편광기(103)에서 출사되는 검사광과 다른 편광 특성을 갖는 기준 신호가 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 파장판(111)의 회전각은 22.5도로 설정될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
빔 분할기(105)에서 반사된 제 1 분할광은 대상물(20)로 조사되고, 대상물(20)에서 반사되는 패턴 반사광은 대상물(20)에 의해 편광이 변화되지 않거나 변화될 수 있다. 따라서 제 1 편광기(103)에서 S파(Secondary wave)를 투과시키고, 파장판(111)의 위상 지연량을 0도로 선택한 경우, 빔 분할기(105)에서는 S 편광파 간의 간섭이 발생하게 된다. 한편, 제 1 편광기(103)에서 S파를 투과시키고, 대상물(20)에 의해 패턴 반사광이 빔 분할기(105)로 제공되며, 파장판(111)을 기 설정된 위상 지연량에 대응하는 회전각으로 회전시킨 경우, 빔 분할기(105)에서는 P 편광파 간의 간섭이 발생하게 된다.
유사하게, 제 1 편광기(103)에서 P파(Primary wave)를 투과시키고, 파장판(111)의 위상 지연량을 0도로 선택한 경우, 빔 분할기(105)에서는 P 편광파 간의 간섭이 발생하게 된다. 한편, 제 1 편광기(103)에서 P 파를 투과시키고, 대상물(20)에 의해 패턴 반사광이 빔 분할기(105)로 제공되며, 파장판(111)을 기 설정된 위상 지연량에 대응하는 각도로 회전시키면, 빔 분할기(105)에서는 S 편광파 간의 간섭이 발생하게 된다.
대상물(20)로부터 반사되어 빔 분할기(105)로 재입사된 패턴 반사광과, 미러(115)로부터 반사되어 빔 분할기(105)로 재입사된 미러 반사광은 검광기(117)로 조사된다.
검광기(117)는 분석하고자 하는 편광모드에 따라 편광 특성을 결정할 수 있도록 구성된다. 일 실시예에서, 검광기(117)는 편광 특성을 변화시킬 수 있는 가변 편광기일 수 있다.
검광기(117)의 편광 특성을 제 1 편광기(103)와 일치시키고, 파장판(111)이 미러 반사광의 위상을 지연시키지 않는 경우(회전각이 0도인 경우), 영상 획득부(121)에서는 동일한 편광 특성을 가지고 반사되는 성분에 대한 이미지 검출 및 촬상이 이루어질 수 있다. 이는 제 1 계측모드라 지칭할 수 있다.
한편, 검광기(117)의 편광 특성을 제 1 편광기(103)와 수직하게 설정하고, 파장판(111)이 미러 반사광을 기 설정된 위상 지연량에 대응하는 회전각으로 회전시키는 경우, 영상 획득부(121)에서는 서로 수직하는 편광 특성을 가지고 반사되는 성분에 대한 이미지 검출 및 촬상이 이루어질 수 있다. 이는 제 2 계측모드라 지칭할 수 있다.
패턴의 광학 측정 기술에서, 편광된 광을 수학적으로 표현하여 기술하면 광학 부품들이 복잡하게 겹쳐 있을 경우 광의 상태 변화 과정을 정확하게 기술할 수 있다. 편광의 형태를 행렬의 형태로 기술하면 간단한 행렬 계산으로 편광 변화를 쉽게 알 수 있으며, 존스 매트릭스(Jones Matrix)는 그 일 예이다.
존스 매트릭스에서 대각 성분은 편광 모드의 변화 없이(동일한 편광 특성) 반사되는 성분을 나타내고, 비대각 성분은 편광 모드가 변화되어(수직하는 편광 특성) 반사된 성분을 나타낸다.
본 실시예에서는 제 1 편광기(103), 제 2 편광기(107), 파장판(111) 및 검광기(117)를 제어하여, 영상 획득부(121)를 통해 편광 모드의 변화 없이 반사되는 성분(대각 성분) 및 편광 모드가 변화되어 반사되는 성분(비대각 성분)을 독립적으로 검출할 수 있다.
패턴 영상을 TE 모드 및 TM 모드에 대하여 동시에 계측하는 경우, 두 위상 정보 간의 간섭에 의해 정확한 패턴 분석이 어렵다. 하지만, 본 실시예에서는 검사광의 편광 특성을 제어하고, 이로부터 획득되는 패턴 반사광과 미러 반사광 간의 간섭을 편광 모드 별로 분석할 수 있어 신뢰성 있는 패턴 분석이 가능하게 된다.
또한, 제 2 편광기(107)로서 방사 편광기를 채택하게 되면, TE 모드와 TM 모드에 대한 간섭 이미지를 모두 측정할 수 있게 되어, 검사광의 파장보다 작은 피치를 갖는 패턴의 정보를 보다 정확하게 계측할 수 있으므로, 초 미세화되고 있는 반도체 집적 회로의 패턴 상태를 용이하게 계측할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 패턴 계측 시스템(300)은 운용자 장치(30), 패턴 계측 장치(10) 및 스테이지(40)를 포함할 수 있다.
운용자 장치(30)는 명령어, 제어 신호, 데이터 등과 같은 동작 파라미터에 기초하여 패턴 계측 장치(10) 및 스테이지(40)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다.
패턴 계측 장치(10)는 편광 변화된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하고, 제 1 분할광을 대상물(20)에 조사하여 획득한 패턴 반사광(측정 신호)과 제 2 분할광이 미러로부터 반사되어 온 미러 반사광(기준 신호) 간의 간섭에 따른 간섭 신호로부터, 대상물(20)에 형성된 패턴 형상에 대응하는 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 패턴 계측 장치(10)는 검사광의 편광 방향 및 기준 신호의 위상 지연량에 따라, 대상물(20)에서 반사되는 패턴 반사광에 대해 기준신호에 기초한 간섭신호의 위상을 각각 측정할 수 있다. 즉, 패턴 반사광의 편광 상태에 따라 TE 모드 및 TM 모드에 대한 독립적인 계측이 가능하며, 예를 들어 도 1에 도시한 패턴 계측 장치(10)가 적용될 수 있다.
스테이지(40)는 지지부(410), 이송부(420) 및 구동부(430)를 포함할 수 있다.
지지부(410) 상에는 대상물(20)이 안착될 수 있다.
구동부(430)는 운용자 장치(30)의 제어에 따라 이송부(420)를 구동할 수 있다. 일 실시예에서, 구동부(430)는 이송부(420)를 수평 방향(X-Y 방향) 및/또는 수직 방향(Z 방향)으로 구동할 수 있다. 이송부(420)를 수직 방향으로 구동하는 경우, 대상물(20)에 형성된 패턴 이미지를 더욱 정밀하고 정확하게 계측할 수 있다.
일 실시예에서, 운용자 장치(30)는 도 3에 도시한 것과 같이 컨트롤러(310), 운용자 인터페이스(UI, 320), 메모리(330), 장치 제어부(340) 및 분석부(350)를 포함하도록 구성될 수 있다.
운용자 인터페이스(320)는 입력장치 및 출력장치를 포함할 수 있다. 입력장치를 통해 운용자의 명령어, 데이터 등과 같은 동작 파라미터를 제공받을 수 있다. 또한, 출력장치를 통해 반도체 패턴 계측 시스템(300)의 동작 상황, 처리 결과 등을 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 운용자 인터페이스(320)를 통해 계측모드별 제 1 편광기(103), 제 2 편광기(107) 및 검광기(117)의 편광 특성과, 파장판(111)의 위상 지연량, 광원(101)의 구동 세기를 동작 파라미터로서 입력할 수 있다. 계측모드는 동일한 편광 특성을 갖는 광 신호(패턴 반사광, 미러 반사광) 간의 간섭을 측정하는 제 1 계측모드 및, 수직한 편광 특성을 갖는 광 신호간의 간섭을 측정하는 제 2 계측모드를 포함할 수 있다.
메모리(330)는 주기억장치 및 보조기억장치를 포함할 수 있으며, 반도체 패턴 계측 시스템(300)이 동작하는 데 필요한 프로그램, 제어 데이터, 응용 프로그램, 동작 파라미터, 처리 결과 등이 저장될 수 있다.
장치 제어부(340)는 패턴 계측 장치(10) 및 스테이지(40)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 장치 제어부(340)는 패턴 계측 장치(10)의 계측모드별 동작 파라미터에 따라 제 1 편광기(103), 제 2 편광기(107) 및 검광기(117)의 편광 특성을 제어할 수 있고, 파장판(111)의 위상 지연량을 제어할 수 있다. 또한, 동작 파라미터에 따라 기 설정된 세기로 광원(101)을 구동하여 광원이 출사되도록 제어할 수 있다. 장치 제어부(340)는 또한 동작 파라미터에 따라 구동부(430)를 제어하여 이송부(420)가 기 설정된 방향 및 속도로 이동하도록 구성될 수 있다.
분석부(350)는 패턴 계측 장치(10)로부터 획득된 영상 정보에 기초하여 대상물(20)에 형성된 패턴의 형상을 분석하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 분석부(350)는 패턴 계측 장치(10)가 제 1 계측모드 및 제 2 계측모드의 영상 정보를 독립적으로 획득하고, 이로부터 패턴의 형상을 분석하도록 구성될 수 있다. 상술하였듯이 제 1 계측모드는 동일한 편광 특성을 갖는 광 신호(패턴 반사광, 미러 반사광) 간의 간섭을 측정하는 모드를 의미하며, 제 2 계측모드는 수직한 편광 특성을 갖는 광 신호간의 간섭을 측정하는 모드를 의미한다.
패턴 계측 장치(10)에서 제 1 및 제 2 계측모드가 별도로 이루어지므로, 분석부(350)는 각 계측모드에서 획득된 영상정보를 획득 및 취합하여, 계측 대상 패턴의 형상을 계측할 수 있다. 일 실시예에서, 분석부(350)는 존스 매트릭스에 기초한 분석 방법을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 일 실시예에 의한 반도체 패턴 계측 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
스테이지(40)의 지지부(410) 상에 계측하고자 하는 대상물(20)이 안착된다.
운용자 인터페이스(320)를 통해 계측모드별 제 1 편광기(103), 제 2 편광기(107) 및 검광기(117)의 편광 특성과, 파장판(111)의 위상 지연량, 광원(101)의 구동 세기가 동작 파라미터로서 입력될 수 있다(S101). 계측모드는 동일한 편광 특성을 갖는 광 신호 간의 간섭을 측정하는 제 1 계측모드 및 수직한 편광 특성을 갖는 광 신호 간의 간섭을 측정하는 제 2 계측모드를 포함할 수 있다.
동작 파라미터가 입력되면, 이에 기초하여 패턴 계측 장치(10)의 해당 구성부를 세팅하고(S103) 광원(101)를 구동한다(S105).
이에 따라, 광원(101)에서 출사되는 검사광에 기초하여 측정 신호, 기준 신호 및 간섭 신호가 생성되고, 영상 획득부(121)는 간섭 신호에 기초하여 대상물(20)의 패턴 형상을 획득할 수 있다(S107).
제 1 계측모드에서 대상물(20)의 패턴 형상을 획득하는 과정(S107)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
광원(101)에서 출사되는 검사광은 동작 파라미터에 따른 편광 특성을 갖는 제 1 편광기(103)를 통해 편광 특성이 변화될 수 있다. 제 1 편광기(103)는 예를 들어 S파 편광 특성 또는 P파 편광 특성을 가질 수 있다. 제 1 편광기(103)에서 편광 특성이 변화된 검사광은 빔 분할기(105)를 통해 반사되는 제 1 분할광 및 빔 분할기(105)를 통해 투과되는 제 2 분할광으로 이분될 수 있다. 제 1 분할광은 동작 파라미터에 따른 편광 특성을 갖는 제 2 편광기(107)를 통해 방사 편광을 갖도록 변화될 수 있다. 제 1 편광기(103)가 S파 편광 특성을 갖는 경우 제 2 편광기(107)로부터는 TE 모드의 방사 편광을 갖는 검사광이 출사될 수 있다. 제 2 편광기(107)에서 출사된 검사광은 제 1 대물렌즈(109)를 통해 대상물(20)에 조사된다.
대상물(20)에서 반사되는 패턴 반사광은 제 1 대물렌즈(109)를 통해 제 2 편광기(107)로 제공된다. 패턴 반사광은 제 2 편광기(107)를 통해 선형 편광된 후 빔 분할기(105)로 재입사될 수 있다.
한편, 제 2 분할광은 파장판(111) 및 제 2 대물렌즈(113)를 통해 반사기(115)로 입사된 후 다시 반사된다. 미러 반사광은 동작 파라미터에 따른 위상 회전각, 예를 들어 0도로 회전된 파장판(111)을 통해 빔 분할기(105)로 재입사된다.
결국, 빔 분할기(105)에서는 동일한 편광 특성을 갖는 패턴 반사광과 미러 반사광 간의 간섭 신호가 생성될 수 있다. 간섭 신호의 이미지는 동작 파라미터에 따른 편광 특성, 즉 제 1 편광기(103)과 동일한 편광 특성을 갖는 검광기(117)를 거쳐 집광렌즈(119)로 제공된 후 영상 획득부(121)에서 검출 및 촬상될 수 있다.
따라서 제 1 계측모드에서 영상 획득부(121)는 대상물(20)로부터의 패턴 반사광(측정 신호)과, 파장판(111)에 의해 편광이 변화되지 않은 미러 반사광(기준 신호) 간의 간섭 신호에 기초한 영상 정보를 획득할 수 있다.
제 1 계측모드를 위해, 동작 파라미터 설정시 제 1 편광기(103)이 S파 편광 특성을 갖도록 설정할 수 있고, 이 경우 기준 신호가 편광이 변화되지 않은 측정 신호와 동일한 편광을 갖도록 하기 위해 파장판(111)은 위상 지연량이 0도가 되도록 설정할 수 있다. 그리고, 검광기(117)는 S파 편광 특성을 갖도록 설정할 수 있다. 유사하게, 제 1 계측모드를 위해 제 1 편광기(103)이 P파 편광 특성을 갖도록 설정하였다면, 파장판(111)은 위상 지연량이 0도가 되도록 설정할 수 있고, 검광기(117)는 P파 편광 특성을 갖도록 설정할 수 있다.
제 1 계측모드에서 영상이 획득됨에 따라, 분석부(350)는 이를 기초로 대상물(20)의 패턴 이미지를 분석할 수 있다(S109).
이후, 제 2 계측모드가 수행될 수 있다. 이를 위해 동작 파라미터가 변경되고(S111), 이에 따라 패턴 계측 장치(10)의 해당 구성부를 세팅하는 단계(S103)로 진행할 수 있다.
제 2 계측모드는 대상물(20)에 의한 대상물(20)로부터의 측정 신호와 파장판(111)에 의해 편광이 변화되는 기준신호 간의 간섭을 이용하는 계측모드일 수 있다. 제 2 계측모드를 위한 동작 파라미터 설정시 파장판(111)은 기 설정된 위상 지연량에 대응하는 회전 각(예를 들어 22.5도)으로 회전되도록 설정할 수 있고, 검광기(117)는 제 1 편광기(103)과 수직한 편광 특성을 갖도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 제 2 계측모드에서 제 1 편광기(103)이 S파 편광 특성을 갖도록 설정되면, 파장판(111)은 기 설정된 위상 지연량, 예를 들어 22.5도로 회전되도록 설정될 수 있고 검광기(117)는 P파 편광 특성을 갖도록 설정될 수 있다. 유사하게, 제 2 계측모드에서 제 1 편광기(103)이 P파 편광 특성을 갖도록 설정되면, 파장판(111)은 기 설정된 위상 지연량, 예를 들어 22.5도로 회전되도록 설정될 수 있고 검광기(117)는 S파 편광 특성을 갖도록 설정될 수 있다.
제 2 계측모드에서 영상이 획득됨에 따라, 분석부(350)는 이를 기초로 대상물(20)의 패턴 이미지를 분석할 수 있다(S109). 그리고, 분석부(350)는 제 1 계측모드에서 획득한 영상 및 제 2 계측모드에서 획득한 영상을 취합 분석하여 대상물(20)의 최종적인 형상을 예측할 수 있다.
일 실시예에서, 구동부(430)에 의해 이송부(420)를 수직 방향으로 구동하면서 대상물(20)에 대한 패턴을 검출하는 것도 가능하다. 기 설정된 수직 방향 간격으로 대상물(20)의 위치를 변경하면서 대상물(20)의 패턴 형상을 검출하게 되면, 패턴 이미지를 더욱 정밀하고 정확하게 계측할 수 있다.
반도체 집적 회로의 종횡비가 높아지고, 패턴의 피치가 검사광의 파장보다 작은 경우에도, 본 기술에 의해 패턴 계측 장치를 도입함에 의해 대상물(20)에 형성된 패턴의 영상을 신뢰성 있게 검출할 수 있고, 이로부터 패턴 불량을 미연에 방지하여 반도체 장치의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 반도체 패턴 계측 장치
20 : 대상물
30 : 운용자 장치
40 : 스테이지
300 : 반도체 패턴 계측 시스템

Claims (35)

  1. 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고,
    상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며,
    상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 동일한 편광 특성을 갖도록 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭 신호는 상기 편광된 검사광과 동일한 편광 특성을 갖도록 변화되는 반도체 패턴 계측 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검사광은 가간섭성 광원 또는 비가간섭성 광원으로부터 출사되도록 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 반사광 및 상기 편광된 검사광과 동일한 편광 특성을 갖는 미러 반사광 간의 간섭 신호에 기초한 1차 계측 및, 상기 패턴 반사광 및 상기 편광된 검사광과 상이한 편광 특성을 갖는 미러 반사광 간의 간섭 신호에 기초한 2차 계측에 의해 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  6. 검사광을 출사하는 광원;
    상기 검사광의 편광 특성을 변화시키는 제 1 편광기;
    상기 제 1 편광기에 의해 편광된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하도록 구성되는 빔 분할기;
    상기 제 1 분할광의 편광 특성을 변화시켜 대상물에 조사하도록 구성되는 제 2 편광기;
    상기 제 2 분할광을 반사시키는 반사기;
    상기 반사기로부터 반사된 미러 반사광의 위상을 제어하는 파장판;
    상기 대상물에서 반사되는 패턴 반사광 및 상기 위상이 제어된 미러 반사광의 간섭 신호가 입사되는 상기 빔 분할기;
    상기 간섭 신호의 편광 특성을 변화시키는 검광기; 및
    상기 검광기로부터 출사되는 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 검출하는 영상 획득부;
    를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광원은 가간섭성 광원 또는 비가간섭성 광원인 반도체 패턴 계측 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 편광기는 편광 특성이 가변되는 가변 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 분할광은 상기 빔 분할기에서 반사된 광이고, 상기 제 2 분할광은 상기 빔 분할기를 투과한 광인 반도체 패턴 계측 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 편광기는 방사 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 파장판은 사분파장판으로 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 파장판의 위상 지연량은, 상기 편광된 검사광의 편광 특성과 상기 미러 반사광의 편광 특성이 같도록 결정되는 반도체 패턴 계측 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 검광기는 상기 편광된 검사광의 편광 특성과 동일한 편광 특성을 갖도록 설정되는 반도체 패턴 계측 장치.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 검광기는 편광 특성이 가변되는 가변 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 장치.
  15. 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성되는 패턴 계측 장치;
    상기 대상물이 안착되고 이송되는 스테이지; 및
    동작 파라미터에 기초하여 상기 패턴 계측 장치 및 상기 스테이지를 제어하고, 상기 패턴 계측 장치에서 획득한 상기 대상물의 형상을 계측하는 운용자 장치;
    를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 패턴 계측 장치는 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 동일한 편광 특성을 갖도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 검사광은 가간섭성 광원 또는 비가간섭성 광원으로부터 출사되도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 패턴 계측 장치는, 상기 편광된 검사광과 동일한 편광 특성을 갖는 미러 반사광 간의 간섭 신호에 기초한 1차 계측 및, 상기 편광된 검사광과 상이한 편광 특성을 갖는 미러 반사광 간의 간섭 신호에 기초한 2차 계측에 의해 상기 대상물의 형상을 획득하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 패턴 계측 장치는, 검사광을 출사하는 광원;
    상기 검사광의 편광 특성을 변화시키는 제 1 편광기;
    상기 제 1 편광기에 의해 편광된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하도록 구성되는 빔 분할기;
    상기 제 1 분할광의 편광 특성을 변화시켜 대상물에 조사하도록 구성되는 제 2 편광기;
    상기 제 2 분할광을 반사시키는 반사기;
    상기 반사기로부터 반사된 미러 반사광의 위상을 제어하는 파장판;
    상기 대상물에서 반사되는 패턴 반사광 및 상기 위상이 제어된 미러 반사광의 간섭 신호가 입사되는 상기 빔 분할기;
    상기 간섭 신호의 편광 특성을 변화시키는 검광기; 및
    상기 검광기로부터 출사되는 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 검출하는 영상 획득부;
    를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 편광기는 편광 특성이 가변되는 가변 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 분할광은 상기 빔 분할기에서 반사된 광이고, 상기 제 2 분할광은 상기 빔 분할기를 투과한 광인 반도체 패턴 계측 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 편광기는 방사 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 파장판은 사분파장판으로 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 파장판의 위상 지연량은, 상기 편광된 검사광의 편광 특성과, 상기 미러 반사광의 편광 특성이 같도록 결정되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 검광기는 상기 편광된 검사광의 편광 특성과 동일한 편광 특성을 갖도록 설정되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 검광기는 편광 특성이 가변되는 가변 편광기로 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 동작 파라미터는, 계측모드별로 상기 제 1 편광기, 상기 제 2 편광기 및 상기 검광기의 편광 특성과, 상기 파장판의 위상 지연량, 상기 광원의 구동 세기를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 계측모드는, 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 동일 편광을 갖는 제 1 계측모드 및 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 상이한 편광을 갖는 제 2 계측모드를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 시스템.
  29. 패턴 계측 장치를 이용한 반도체 패턴 계측 방법으로서,
    대상물이 준비되는 단계;
    계측모드별 동작 파라미터를 설정하는 단계;
    상기 동작 파라미터에 따라 상기 패턴 계측 장치를 준비하는 단계;
    상기 동작 파라미터에 따라 광원을 구동하여 검사광을 출사하는 단계; 및
    상기 검사광을 편광시켜 편광된 검사광을 생성하고, 상기 편광된 검사광을 반사시킨 제 1 분할광을 대상물에 조사하여 상기 대상물로부터 패턴 반사광을 획득하고, 상기 편광된 검사광을 투과시킨 제 2 분할광을 반사기에 조사하여 상기 반사기로부터 위상 제어된 미러 반사광을 획득하며, 상기 패턴 반사광 및 상기 미러 반사광의 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 획득하는 단계;
    를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 계측모드는, 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 동일한 편광 특성을 갖도록 제어된 제 1 모드인 반도체 패턴 계측 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 계측모드는 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 상이한 편광 특성을 갖도록 제어된 제 2 모드를 더 포함하는 반도체 패턴 계측 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 제 1 모드에서 상기 대상물의 이미지를 획득한 후, 상기 동작 파라미터를 변경하여 상기 제 2 모드에서 상기 대상물의 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하는 반도체 패턴 계측 방법.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 광원은 가간섭성 광원 또는 비가간섭성 광원으로 구성되는 반도체 패턴 계측 방법.
  34. 제 29 항에 있어서,
    상기 패턴 계측 장치는, 검사광을 출사하는 상기 광원; 상기 검사광의 편광 특성을 변화시켜 상기 편광된 검사광을 생성하는 제 1 편광기; 상기 편광된 검사광을 제 1 분할광 및 제 2 분할광으로 분할하도록 구성되는 빔 분할기; 상기 제 1 분할광의 편광 특성을 변화시켜 대상물에 조사하도록 구성되는 제 2 편광기; 상기 제 2 분할광을 반사시키는 반사기; 상기 반사기로부터 반사된 미러 반사광의 위상을 제어하는 파장판; 상기 대상물에서 반사되는 패턴 반사광 및 상기 위상이 제어된 미러 반사광의 간섭 신호가 입사되는 상기 빔 분할기; 상기 간섭 신호의 편광 특성을 변화시키는 검광기; 및 상기 검광기로부터 출사되는 간섭 신호에 기초하여 상기 대상물의 이미지를 검출하는 영상 획득부;를 포함하고,
    상기 동작 파라미터는, 계측모드별로 상기 제 1 편광기, 상기 제 2 편광기 및 상기 검광기의 편광 특성과, 상기 파장판의 위상 지연량, 상기 광원의 구동 세기를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 계측모드는, 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 동일 편광 특성을 갖는 제 1 계측모드 및 상기 편광된 검사광과 상기 미러 반사광이 상이한 편광을 갖는 제 2 계측모드를 포함하도록 구성되는 반도체 패턴 계측 방법.
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