KR20180035710A - Ｘ 선 나이프 에지의 폐루프 제어 - Google Patents

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Abstract

X 선 스케터로메트리 장치는 샘플의 표면 영역에 그레이징 각도로 입사되도록 X 선 빔을 지향시키는 X 선 소스를 포함하고, X 선 검출기는 상기 영역으로부터 산란된 X 선을 측정한다. 나이프 에지는 상기 표면과 상기 나이프 에지 사이에 갭을 정의하고 상기 갭을 통과하지 않는 X 선 빔의 부분을 차단하도록 상기 영역에 인접한 위치에서 상기 샘플의 상기 표면에 평행하게 배열된다. 모터는 상기 갭의 크기를 제어하기 위해 상기 나이프 에지를 상기 표면에 수직으로 이동시킨다. 광학 거리측정기는 상기 표면으로부터 반사된 광학 방사선을 수신하고 상기 표면으로부터의 상기 나이프 에지의 거리를 나타내는 신호를 출력한다. 제어 회로는 상기 갭의 크기를 조절하기 위해 상기 신호에 응답하여 상기 모터를 구동시킨다.

Description

Ｘ 선 나이프 에지의 폐루프 제어{CLOSED­LOOP CONTROL OF X­RAY KNIFE EDGE}
본 발명은 일반적으로 재료 및 공정 분석을 위한 도구에 관한 것으로, 특히 X 선을 사용하여 구조물의 박층 및 어레이를 분석하는 도구 및 방법에 관한 것이다.
X 선 스케테로메트리(scatterometry) 측정에서, X 선 빔이 샘플에 입사되고, 피처 어레이로부터 산란된 X 선의 강도 분포가 적합한 검출기에 의해 측정된다. 일부 측정 양상은 반사형 지오메트리로 작동하며, 여기서 X 선 빔은 샘플의 일 면에 입사되어 샘플의 동일면에서 반사(반사 및/또는 확산 반사)된다. 이러한 반사는 일반적으로 표면의 40°내에 있고 대개 표면으로부터 1°아래인 빔 축을 따라서 있는 그레이징 각도, 즉 낮은 입사각으로 입사하는 X 선 빔에게만 일반적으로 발생한다.
낮은 입사각으로 인해, 입사 X 선 빔은 빔 "풋프린트"라고 하는 표면의 가늘고 긴 영역 위로 확장되고, 산란 측정은 그에 따라 낮은 공간 분해능을 가지고 큰 측정 영역을 필요로 한다. 공간 분해능을 향상시키기 위해, 일부 산란계 시스템은 X 선 빔이 표면에 입사하는 포인트에서 샘플 위에 배치된 나이프 에지를 사용한다. 나이프 에지는, 검출기에 도달하기 위해 X 선이 통과해야만 하는 샘플 표면과 블레이드 사이에 작은 갭을 생성하여, 풋프린트의 유효 길이를 감소시키도록 배치된다. 본 명세서 및 청구 범위의 문맥에서, 용어 "나이프 에지"는 표면과 나이프 에지 사이에 작은 갭을 생성하고 갭 외부의 X 선을 차단하기 위해 샘플의 표면 근처에 배치되는 임의의 유형의 직선 에지(반드시 예리할 필요는 없음)를 가리킨다.
이러한 종류의 배열은, 예를 들면, 그 내용이 본원에 참조에 의해 통합된 미국 특허 제6,512,814호에 기재되어있다. 이 특허는 샘플의 표면에 대한 각도의 범위에 걸쳐 방사선으로 샘플을 조사(irradiate)하도록 조정된 방사선 소스 및 상기 각도 범위에 걸쳐서 샘플로부터 거울상으로 반사된 방사선을 수신하고 그에 응답하는 신호를 생성하도록 위치된 검출기 어셈블리를 포함하는 반사율 측정(reflectometry) 장치를 기술한다. 방사선을 차단하기 위해 조정 가능하게 셔터가 위치 결정할 수 있다. 셔터는 각도 범위의 하부에서 방사선을 차단하는 차단 위치와, 범위 하부의 방사선이 실질적으로 차단되지 않고 어레이에 도달하는 클리어 위치를 갖는다. 동적인 나이프 에지가 표면 위에 배치된다. 바람직하게는, 동적 나이프 에지는 상술한 동적 셔터와 함께 작동된다. 낮은 입사각에서의 측정을 위해, 나이프 에지가 표면 근처로 매우 낮아져, 입사 X 선 빔을 차단하여 표면상의 스팟의 측면 치수(즉, 빔 축에 대략 평행한 표면을 따라서 있는 방향으로의 치수)를 감소시킨다.
그 내용이 본원에 참조에 의해 통합된 미국 특허 제7,551,719호는 X 선 반사광 측정법(XRR)을 X 선 소각 산란(SAXS) 및 X 선 회절(XRD) 측정과 조합한 또 다른 다기능 X 선 분석 시스템을 기술한다. 이 특허의 도 5에 도시된 일 실시 예에서, 나이프 에지는 금속 와이어와 같은 원통형 X 선 흡수 재료로 만들어진다. 이 배열은 나이프의 하부 에지가 샘플을 손상시킬 위험 없이 표면 위로 약 3μm 정도의 거리로 샘플의 표면에 매우 가깝게 배치된다고 한다. 와이어는 표면과 정확하게 정렬될 수 있으며, 그로 인해 유효 높이가 일반적으로 0-4°인 전체 관심 각도 범위에 걸쳐 균일한 표면 위의 작은 갭을 제공한다.
그의 개시 내용이 본원에 참조에 의해 통합된 미국 특허 제7,406,153호는, 빔 축을 따라서 방사선 빔을 지향시켜 샘플의 표면상의 타겟 영역에 충돌하도록 구성된 방사선 소스를 포함하는 샘플 분석용 장치를 기술한다. 검출기 어셈블리는 샘플로부터 산란된 방사선을 감지하도록 구성된다. 빔 제어 어셈블리는 빔 차단기를 포함하며, 빔 차단기는 샘플의 표면에 인접한 하부 측면을 가지고, 빔 축을 포함하고 타겟 영역을 통과하는 빔 평면을 함께 정의하는 상기 하부 측면에 수직인 전방 및 후방 슬릿을 포함한다. 일부 실시 예에서, 평탄 부의 일부를 차단하도록 빔 리미터가 빔 평탄 부 내에 배치된다. 상기 빔 리미터는 상기 빔 평면을 횡단하고 통상적으로 상기 빔 차단기의 하부 측면 아래로 돌출하는 나이프 에지를 갖는다.
이하에 기술되는 본 발명의 실시 예는 개선된 빔 제어를 갖는 X 선 분석을 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따라, X 선 빔 스케터로메트리(X ray scatterometry)를 위한 장치로서, X 선 빔을 생성하여 X 선 빔이 샘플의 표면 영역 상에 그레이징 각도로 입사되도록 구성되는 X 선 소스를 포함하는, X 선 스케터로메트리를 위한 장치가 기술된다. X 선 검출기는 입사된 X 선 빔에 응답하여 상기 영역으로부터 산란된 X 선을 측정하도록 구성된다. 나이프 에지는 X 선 빔이 입사되는 영역에 인접한 위치에서 상기 샘플의 표면에 평행하게 배열되어, 상기 표면과 상기 나이프 에지 사이에 갭을 정의하고 상기 갭을 통과하지 않는 X 선 빔의 부분을 차단하도록 한다. 모터는 상기 갭의 크기를 제어하도록 상기 샘플의 표면에 수직인 방향으로 나이프 에지를 이동시키도록 구성된다. 광학 거리측정기(rangefinder)는 상기 샘플의 표면으로부터 반사된 광학 방사선을 수신하고 수신된 광학 방사선에 응답하여 상기 샘플의 표면으로부터 상기 나이프 에지의 거리를 나타내는 신호를 출력하도록 구성된다. 제어 회로는 상기 갭의 크기를 조절하기 위해 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 신호에 응답하여 상기 모터를 구동하도록 구성된다.
일부 실시 예에서, 상기 X 선 검출기는 상기 영역으로부터 산란된 X 선의 각도 스펙트럼을 측정하도록 구성되며, 상기 장치는 상기 샘플의 속성을 평가하기 위해 상기 각도 스펙트럼을 분석하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
개시된 실시 예에서, 상기 나이프 에지는 반도체 또는 금속 재료의 단결정을 포함한다. 대안적으로, 상기 나이프 에지는 적절한 다결정 또는 비정질 재료를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상기 모터는 1㎛보다 미세한 분해능으로 상기 갭의 크기를 설정하도록 구성된 압전 모터를 포함한다.
일부 실시 예에서, 광학 거리측정기는 상기 모터의 제어하에 상기 나이프 에지와 함께 이동하도록 연결된다. 개시된 실시 예에서, 상기 광학 거리측정기는 광학 빔이 상기 나이프 에지에 근접하여 상기 샘플의 표면상에 충돌하도록 구성된 레이저 및 상기 표면으로부터 반사된 상기 광학 빔을 감지하도록 구성된 검출기를 포함한다. 상기 검출기는 상기 검출기 상의 반사된 광학 빔의 위치가 상기 나이프 에지의 움직임에 따라 변하도록 배열된 위치 감응형(position-sensitive) 검출기를 포함할 수 있다.
개시된 실시 예에서, 상기 제어 회로는 상기 갭의 크기에 따라 변하는, X 선 검출기에 의해 측정된 산란된 X 선의 강도에 응답하여 상기 갭의 크기를 타겟 높이로 설정하도록 상기 모터를 구동하고, 그 후 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 타겟 높이에서 상기 갭의 크기를 유지하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라, X 선 스케터로메트리에 대한 방법으로서, X 선 빔을 샘플의 표면 영역 상에 그레이징 각도로 입사되도록 지향시키는 단계, 및 입사 X 선 빔에 대해 응답하여 상기 영역으로부터 산란된 X 선을 측정하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 나이프 에지는 상기 표면과 상기 나이프 에지 사이의 갭을 정의하고 상기 갭을 통과하지 않는 X 선 빔의 부분을 차단하도록 상기 X 선 빔이 입사하는 상기 영역에 인접한 위치에서 상기 샘플의 상기 표면에 평행하게 위치된다. 광학 거리측정기는 상기 샘플의 표면으로부터 반사된 광학 방사선을 수신하고, 수신된 광학 방사선에 응답하여 상기 샘플의 표면으로부터의 상기 나이프 에지의 거리를 나타내는 신호를 출력한다. 상기 나이프 에지는 상기 갭의 크기를 제어하기 위해 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 샘플의 표면에 수직인 방향으로 이동된다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 그 실시 예의 하기의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 반사 모드에서의 X 선 스케터로메트리에 대한 시스템의 개략적인 측면도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 제어가 있는 나이프 에지의 개략적인 측면도이고; 및
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 X 선 산란 측정 방법을 개략적으로 도시 한 흐름도이다.
당 업계에 공지된 반사율 지오메트리 X 선 스케터로메트리 시스템에서, 나이프 에지의 위치는 나이프 에지와 샘플의 표면 사이의 갭을 통해 투과된 X 선의 강도를 감지함으로써 때때로 설정된다. 나이프 에지가 이러한 방식으로 원하는 높이로 설정되면, 그것은 후속한 스케터로메트리 측정 중에 적절한 위치에 고정된다. 실제에 있어서, 이 접근법이 사용될 때, 나이프 에지는 약 10㎛보다 표면에 더 가깝게 위치될 수 없다. 또한, 나이프 에지와 표면 사이의 갭은 예를 들면 진동으로 인하여 스케터로메트리 측정 동안 변할 수 있다. 나이프 에지 위치 지정에 대한 이러한 제한은 크고 가능한 가변적인 빔 풋프린트를 발생시켜, 유효 풋프린트와 입사 강도 변동을 증가시키고 스케터로메트리 측정의 정확도와 정밀도를 열화시킨다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시 예는 나이프 에지와 샘플 표면 사이의 갭의 크기를 조절하는데 광학 거리측정기를 사용함으로써 이러한 문제점을 해결한다. 거리측정기는 샘플 표면에서 반사된 광학 방사선을 수신하고 표면에서 나이프 에지까지의 거리를 나타내는 신호를 출력한다. (본 설명 및 청구 범위에서 사용되는 "광학 방사선"이라는 용어는 스케터로메트리 측정에서 사용되는 X 선 방사선과는 대조적으로 가시광선, 적외선 또는 자외선을 의미한다.) 제어 회로는 스케터로메트리 측정 전과 측정 중 모두에서 원하는 갭의 크기를 설정하고 유지하기 위해 거리측정기에 의해 출력된 신호에 응답하여 모터를 구동한다. 이러한 종류의 광학 제어를 사용하여, 나이프 에지와 샘플 표면 사이의 갭을 1μm보다 미세한 해상도로 1μm 미만의 크기로 설정하고 유지할 수 있으며, 이는 종래 기술에 공지된 X 선 기반 측정 기술로는 달성될 수 없다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 샘플(22)의 X 선 스케터로메트리에 대한 시스템(20)의 개략도이다. 도시된 실시 예에서, 시스템(20)은 X 선 반사 측정을 위해 구성된다. 대안적으로, 시스템(20)은 필요한 변경을 가하여, X 선 형광(XRF), 특히 그레이징 입사 X 선 형광(GIXRF), 소각 X 선 산란(SAXS), 그레이징 입사 SAXS 및 X 선 회절(XRD) 측정을 포함하는 기타 유형의 스케터로메트릭(scatterometric) 측정을 위해 구성된다.
반도체 웨이퍼와 같은 샘플(22)이 3차원(X-Y-Z) 및 배향으로 자신의 위치의 정확한 조정을 허용하며 모션 스테이지(24) 상에 장착된다. 가능한 진동을 줄이기 위해, 스테이지(24)는 당 업계에 공지된 바와 같이 진동 감쇠용 패드(도시되지 않음)와 함께 예를 들면 거대한 베이스상에 장착될 수 있다.
적합한 단색화 광학계(미도시)를 가진 X 선 튜브와 같은 X 선 소스(26)는 X 선 빔(27)을 생성하여 X 선 빔(27)이 샘플(22)의 표면상의 작은 영역(28)에 그레이징 각도로 입사하도록 지향시킨다. X 선 빔(27)은 영역(28) 상에 시준되거나 포커싱될 수 있다. 시스템(20)에서의 이러한 종류의 반사율 측정에 대한 전형적인 X 선 에너지는 약 8.05 keV(CuKα)이다. 대안으로, 5.4 keV(FeKα) 또는 4.5 keV(TiKα)와 같은 다른 에너지가 사용될 수 있다. 이러한 보다 낮은 에너지는 더 높은 입사각에서, 따라서 샘플 표면상의 감소된 풋프린트로 작업하는 것을 가능하게 하지만, 일반적으로 주변 환경에 의한 X 선의 감쇠 및 산란을 최소화하기 위해 시스템이 진공 챔버(도시되지 않음)에 수용될 것을 요구한다.
샘플(22)로부터의 X 선의 반사된 빔(29)은 검출기 어셈블리(30)에 의해 집속된다. 전형적으로, 어셈블리(30)는 외부 전반사(total external reflection)에 대해 샘플의 임계각 이하 및 그 이상 모두에 대해 약 0° 내지 30° 사이의 반사 각도의 범위에 걸쳐 반사된 X 선을 집속한다. 도시된 예시에서, 다른 종류의 검출기가 대안적으로 사용될 수 있지만, 어셈블리(30)는 X 선 감응형 검출기 어레이(32)를 포함한다. 검출기 어레이(32)는 영역(28)으로부터 산란된 X 선의 각도 스펙트럼을 측정한다. 이 스펙트럼은 주어진 에너지 또는 에너지 범위에 대한 각도의 함수로서 샘플(22)로부터 산란된 X 선 광자의 플럭스를 나타낸다. 피치 및 피처 폭(임계 치수로도 알려짐)과 같은 샘플(22)상의 주기적 구조의 치수 파라미터의 측정을 위해, 산란된 X 선 강도 분포는 예를 들면 영역(2D) X 선 감응형 검출기를 사용하여 일반적으로 샘플의 표면에 대해 수직 및 평행한 방향 모두의 각도 함수로서 측정된다.
프로세서(34)는 샘플(22)의 속성을 평가하기 위해 산란된 X 선의 각도 스펙트럼을 분석하고, 분석 결과를 디스플레이(36)에 출력한다. XRR의 경우, 샘플 표면에 수직인 각도 스펙트럼의 진동 구조물이 샘플(22)상의 하나 이상의 표면층의 두께, 밀도 및 표면 품질을 판정하기 위해 분석될 수 있다. 그러나, 이러한 측정의 공간 분해능 및 정밀도는 샘플 표면의 영역(28) 상의 빔(27)의 가늘고 기다란 풋프린트의 크기에 의해 제한된다.
다른 예시로서, 그레이징 입사 SAXS 측정의 경우, 샘플 표면에 평행하게 산란된 X 선 강도가 분석되어 구조물의 평면 내 간격, 상이한 높이 및 거칠기의 폭을 포함하는 표면상의 산란 구조물의 어레이의 기하학적 파라미터를 판정할 수 있다. 인접한 구조물 사이의 1미크론 이하의 평면 내 간격을 갖는 이러한 종류의 주기적인 어레이로부터 산란된 강도는 어레이의 피치에 반비례하는 각도 간격을 갖는 일련의 "로드"에 실질적으로 집중된다.
풋프린트의 크기를 줄이기 위해, 나이프 에지(38)는 X 선 빔(27)이 입사되는 영역(28)에 인접한 위치에서 샘플(22)의 표면에 평행하게 배열된다. 상술한 바와 같이, 나이프 에지(38)는 샘플(22)의 표면과 나이프 에지 사이의 갭을 정의하고 갭을 통과하지 않는 X 선 빔(27)의 부분을 차단한다. 나이프 에지의 지오메트리(너비, 높이 및 모양)는 곡선 샘플의 경우에도 작은 갭 높이에서 샘플 표면에 닿지 않도록 최적화되어 있다. 나이프 에지(38)는 금속 블레이드 또는 와이어 또는 대안적으로 반도체 재료(Si, Ge 또는 InP와 같은) 또는 금속(Ta 또는 W와 같은)의 단결정과 같은 임의의 적합한 종류의 X 선 흡수 재료를 포함할 수 있다. 이러한 후자의 종류의 단결정은 그것들이 특정한 잘 정의된 방향으로(회절에 의해) X 선을 산란시킨다는 점에서 이점이 있다. 나이프 에지(38)는 그런 다음 X 선이 나이프 에지 자체를 검출기 어레이(22)를 향해 산란시키지 않도록 배향될 수 있다. 선택적으로, 셔터 및/또는 수직 슬릿과 같은 다른 빔 제한 소자는 예를 들면 상기 인용된 특허에서 기술된 바와 같이 나이프 에지(28)와 함께 사용될 수 있다.
모터(40)는 갭의 크기를 제어하기 위해 나이프 에지(38)를 샘플(22)의 표면에 수직 방향으로 이동시킨다. 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러와 같은 제어 회로(42)는 시스템(20)의 다른 소자로부터의 입력에 응답하여 모터를 구동한다. 일 실시 예에서, 모터(40)는 압전 모터를 포함하며, 이는 1㎛보다 미세한 분해능을 가지고 갭의 크기를 설정하고, 1㎛ 미만의 갭 크기에 신뢰성있게 도달할 수 있다. 대안적으로, 당 업계에 공지된 바와 같은 기타 종류의 정밀 모터가 나이프 에지(38)를 위치시키는 데 사용될 수 있다. ("모터"라는 용어는 본 명세서 및 청구 범위의 문맥에서 전기 에너지를 기계적 운동으로 변환하는 임의의 장치를 가리키기 위해 사용된다.)
제어 회로(42)는 샘플 표면으로부터 반사된 광학 방사선에 기초한 광학 거리 측정기(44)에 의해 출력되는, 샘플(22)의 표면으로부터 나이프 에지(38)의 거리를 나타내는 피드백 신호에 기초하여 모터(40)를 구동한다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 광학 거리측정기의 특정 유형 및 구성의 세부 사항이 도 2에 도시되어 있으며, 이하에서 이를 참조하여 설명된다. 대안적으로, 상업적으로 이용 가능한 및 목적에 따라 제조된 기기를 포함하는 다른 종류의 광학 거리 측정 장치가 이 목적을 위한 거리측정기로서 사용될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나이프 에지(38) 및 광학 거리측정기(44)의 개략적인 측면도이다. 이 도면의 뷰는 도 1과 관련하여 Z 축에 관해 90 °로 회전된다. 이 실시 예에서, 광학 거리측정기(44)는 X 선 빔에 직각으로 배치된다. 그러나 다른 실시 예에서, 광학 거리측정기는 다른 방향으로 회전될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 광학 거리측정기(44)는, 거리측정기의 엘리먼트와 나이프 에지 사이의 공간적 관계가 나이프 에지의 포지셔닝 허용 한도 내에서 고정된 채로 유지되는 것을 보장하도록 충분히 단단한 연결로 모터(40)의 제어하에 나이프 에지(38)와 함께 이동하도록 연결된다.
광학 거리 측정기(44)는 광학 빔을 나이프 에지(38)에 근접한 샘플(22)의 표면 상에 충돌시키도록 지향시키는 레이저(50)를 포함한다. 검출기(52)는 표면으로부터 반사된 광학 빔을 감지하고 샘플 표면 위의 나이프 에지(38)의 높이를 나타내는 신호를 제어 회로(42)로 출력한다. 본 예시에서, 검출기(52)는 위치 감응형 검출기를 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 레이저(50) 및 검출기(52)는 레이저 빔이 샘플 표면에 일정 각도로 충돌하도록 배열된다. 따라서, 검출기(52) 상의 반사된 광학 빔의 위치는 표면 위의 나이프 에지의 높이에 비례하여 샘플 표면에 대한 나이프 에지(38)의 수직 이동(또는 그 반대)에 따라 변할 것이다. 제어 회로(42)는 모터(40)의 제어를 위한 피드백 신호로서 검출기에 의해 출력된 위치 변동 신호를 사용한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 X 선 산란 측정 방법을 개략적으로 도시 한 흐름도이다. 이 방법은 명료성 및 구체성을 위해 선행 도면에서 도시되고 상술한 시스템(20) 및 거리측정기(44)의 특정 엘리먼트를 참조하여 설명된다. 대안적으로, 광학 거리측정기가 나이프 에지의 위치를 제어하는데 사용될 수 있는 다른 X 선 스케터로메트리 시스템에서, 필요한 변경을 가하여 본 방법의 원리가 구현될 수 있다.
측정을 시작하기 위해, 샘플 이동 단계(60)에서 스테이지(24)는, 샘플 상의 원하는 측정 포인트가 X 선 빔(27)이 입사될 영역(28)에 위치되도록 샘플(22)을 횡단 방향(도 1에 도시된 XY 평면)으로 이동시킨다. 샘플(22)이 원하는 XY 위치에 있으면, 스테이지(24)는 샘플 높이 조정 단계(62)에서 X 선 빔(27)의 높이와 일치하도록 샘플의 수직(Z) 위치를 조정한다. 이 단계에서 샘플 높이가 대략 정확한지 확인하기 위해 광학 거리측정기가 사용될 수 있다. 스테이지(24)에 의해 제공되는 조정의 정밀도에 따라, 빔(27)에 대한 샘플 높이의 최대 편차는 빔 중심의 약 5㎛ 내로 이 단계에서 조정될 수 있다.
나이프 높이 조정 단계(64)에서, 제어 회로(42)는 이제 모터(40)를 구동하여 나이프 에지(38)와 샘플(22)의 표면 사이의 갭의 크기를 선택된 타겟 높이로 설정한다. 이 목적을 위해, X 선 소스(26)가 가동되고, 제어 회로(42)는 X 선 검출기 어셈블리(30)에 의해 측정된 샘플(22)로부터 산란된 X 선의 강도의 판독을 수신한다. 측정된 강도는 X 선 빔(27)의 직경까지의 갭의 크기에 비례하여 변화하고, 따라서, 샘플의 조성과 무관하게 갭 크기의 정확한 측정을 제공한다. 나이프 에지(38)의 높이의 제어 및 산란된 X 선 강도의 측정에서 충분한 정밀도가 주어지면, 샘플과 나이프 에지(38) 사이의 갭 크기는 이 단계에서 타겟 높이의 0.3 ㎛ 이내로 설정될 수 있다.
광학 거리측정기(44)에 의해 출력된 신호는 제어 회로(42)에 의해 타겟 높이로 정확하게 갭의 크기를 유지하는데 사용된다. 이 목적을 위해, 거리측정기(44)는 감도 설정 단계(66)에서 범위가 감소되고 분해능이 증가된 고감도로 작동하도록 설정될 수 있다.
시스템(20)은 산란 측정 단계(68)에서 프로세서(34)가 샘플(22)의 X 선 산란 스펙트럼을 획득하는 자신의 측정 모드로 들어간다. 제어 회로(42)는 높이 변화를 모니터링하고 그에 따라서 모터(40)를 조정함으로써 갭 크기를 정확하게 유지할 때 광학 거리측정기(44)로부터의 피드백 신호를 이용한다. 피드백 제어 루프의 대역폭은 긴 측정 동안 시스템(20)의 기계적 및 열적 드리프트를 보상하기 위해 예를 들면, 5-10 Hz의 범위로 설정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 스테이지(24)는 강력한 진동 차단 및 제동 시스템에 장착할 수 있는 반면, 나이프 어셈블리는 피드백 제어 루프의 응답 시간보다 높은 고주파수 진동을 최소화하기 위해 기계적으로 견고한 프레임에 장착된다. 따라서, 광학 거리측정기(44)로부터의 실시간 피드백의 사용은 시스템(20)이 이전에 달성될 수 있는 것보다 더 미세한 공간 분해능 및 더 높은 정밀도로 샘플(22)의 X 선 산란 속성을 측정할 수 있게 한다.
상술한 실시 예가 나이프 에지와 샘플 표면 사이의 거리의 광학 감지를 사용하지만, X 선 측정 동안 샘플 표면의 1미크론 미만의 변위를 정밀하게 측정할 수 있는 다른 게이지가 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 광학 거리측정기 대신 커패시턴스 게이지 또는 원자력 현미경(AFM) 프로브를 사용할 수 있다.
따라서, 상술한 실시 예는 예시로서 인용되었고, 본 발명은 상기에 특별히 도시되고 설명된 것에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 상술한 다양한 특징의 조합 및 서브 조합뿐만 아니라, 상술한 설명을 읽을 때 당업자에게 발생할 수 있고 종래 기술에 개시되지 않은 변형 및 수정을 포함한다.

Claims (16)

  1. X 선 스케터로메트리(scatterometry)를 위한 장치로서,
    X 선 빔을 생성하고 상기 X 선 빔을 지향시켜 샘플 표면의 영역에 그레이징 각도로 입사되도록 구성되는 X 선 소스;
    입사된 상기 X 선 빔에 응답하여 상기 영역으로부터 산란된 X 선을 측정하도록 구성된 X 선 검출기;
    상기 표면과 나이프 에지 사이의 갭을 정의하고, 상기 갭을 통과하지 않는 상기 X 선 빔의 부분을 차단하도록, 상기 X 선 빔이 입사되는 상기 영역에 인접한 위치에서 상기 샘플의 표면에 평행하게 배열되는 상기 나이프 에지;
    상기 갭의 크기를 제어하도록 상기 나이프 에지를 상기 샘플의 표면에 수직 방향으로 이동시키도록 구성되는 모터;
    상기 샘플의 표면으로부터 반사된 광학 방사선을 수신하고 수신된 상기 광학 방사선에 응답하여 상기 샘플의 표면으로부터의 상기 나이프 에지의 거리를 나타내는 신호를 출력하도록 구성된 광학 거리측정기; 및
    상기 갭의 크기를 조절하기 위해 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 모터를 구동시키도록 구성된 제어 회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 X 선 검출기는 상기 영역으로부터 산란된 상기 X 선의 각도 스펙트럼을 측정하도록 구성되고, 상기 각도 스펙트럼을 분석하여 상기 샘플의 속성을 평가하도록 구성되는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 나이프 에지는 반도체 또는 금속 재료의 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 모터는 1 ㎛보다 미세한 분해능으로 상기 갭의 크기를 설정하도록 구성된 압전 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 광학 거리측정기는 상기 모터의 제어하에 상기 나이프 에지와 함께 이동하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 광학 거리측정기는, 상기 나이프 에지에 근접하여 상기 샘플의 표면상에 충돌하도록 광학 빔을 지향시키도록 구성된 레이저, 및 상기 표면에서 반사되는 상기 광학 빔을 감지하도록 구성된 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 검출기는 상기 나이프 에지의 움직임에 따라 상기 검출기상의 반사된 상기 광학 빔의 위치가 변하도록 배열된 위치 감응형 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 제어 회로는, 상기 갭의 크기에 따라 변하는, 상기 X 선 검출기에 의해 측정된 산란된 X 선의 강도에 대응하여 상기 갭의 크기를 타겟 높이로 설정하도록 상기 모터를 구동하고, 그 후 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 타겟 높이에서 상기 갭의 크기를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리를 위한 장치.
  9. X 선 스케터로메트리 방법에 있어서,
    샘플 표면의 영역 상에서 그레이징 각도로 입사되도록 X 선 빔을 지향시키는 단계;
    입사된 상기 X 선 빔에 응답하여 상기 영역으로부터 산란된 X 선을 측정하는 단계;
    상기 표면과 나이프 에지 사이에 갭을 정의하고 상기 갭을 통과하지 않는 상기 X 선 빔의 부분을 차단하기 위해, 상기 X 선 빔이 입사되는 상기 영역에 인접한 위치에서 상기 샘플의 표면에 평행하도록 상기 나이프 에지를 위치시키는 단계;
    광학 거리측정기에서 상기 샘플의 표면으로부터 반사된 광학 방사선을 수신하고, 수신된 상기 광학 방사선에 응답하여 상기 샘플의 상기 표면으로부터의 상기 나이프 에지의 거리를 나타내는 신호를 상기 광학 거리측정기로부터 출력하는 단계; 및
    상기 갭의 크기를 제어하기 위해 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 샘플의 상기 표면에 수직인 방향으로 상기 나이프 에지를 이동시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 X 선을 측정하는 단계는 상기 영역으로부터 산란된 상기 X 선의 각도 스펙트럼을 획득하는 단계, 및 상기 샘플의 속성을 평가하기 위해 상기 각도 스펙트럼을 분석하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 나이프 에지는 반도체 또는 금속 재료의 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 나이프 에지를 이동시키는 단계는 1㎛보다 미세한 분해능으로 상기 갭의 크기를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  13. 제9 항에 있어서, 상기 광학 거리측정기는 모터의 제어하에 상기 나이프 에지와 함께 이동하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 광학 거리측정기는, 상기 나이프 에지에 근접하여 상기 샘플의 표면상에 충돌시키기 위해 광학 빔을 지향시키도록 구성된 레이저, 및 상기 표면에서 반사되는 상기 광학 빔을 감지하도록 구성된 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 검출기는 상기 나이프 에지의 움직임에 따라 상기 검출기상의 반사된 상기 광학 빔의 위치가 변하도록 배열된 위치 감응형 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
  16. 제9 항에 있어서, 상기 나이프 에지를 위치시키는 단계는 상기 갭의 크기에 따라 변하는, 산란된 상기 X 선의 강도의 측정에 응답하여 상기 갭의 상기 크기를 타겟 높이로 설정하는 단계를 포함하고, 상기 나이프 에지를 이동시키는 단계는 상기 광학 거리측정기에 의해 출력된 상기 신호에 응답하여 상기 타겟 높이에서 상기 갭의 크기를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 스케터로메트리 방법.
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