KR20180095102A - 확장형 적외선 분광 타원 계측을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

확장형 적외선 분광 타원 계측을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 반도체 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 방법 및 시스템이 여기에서 제시된다. 다른 양태에서, 파장 오차는 검출기 표면에서 파장 분산 방향을 검출기 표면에 대하여 입사면의 투영에 수직으로 지향시킴으로써 감소된다. 다른 양태에서, 상이한 감광 특성을 가진 복수의 감광 영역을 포함한 검출기에 의해 광범위의 적외선 파장이 검출된다. 수집광이 파장에 따라 검출기 표면의 전역에서 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역은 상이한 범위의 입사 파장을 감지하도록 검출기에서 배열된다. 이 방식으로 광범위의 적외선 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대잡음비로 검출된다. 이러한 특징들이 고스루풋, 고정밀도 및 고정확도로 고종횡비 구조물의 고스루풋 측정을 가능하게 한다.

Description

확장형 적외선 분광 타원 계측을 위한 시스템 및 방법
<관련 출원에 대한 교차 참조>
본 출원은 "확장형 적외선 타원 계측 장치 및 방법"의 명칭으로 2016년 1월 15일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/279,469호로부터 35 U.S.C. §119하의 우선권을 주장하며, 상기 미국 가특허 출원의 내용은 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다.
<기술 분야>
본 발명의 실시형태는 계측 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 3차원 반도체 구조물의 측정 개선을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
논리 소자 및 메모리 소자와 같은 반도체 소자들은 전형적으로 시료에 적용되는 일련의 처리 단계에 의해 제조된다. 반도체 소자의 각종 특징 및 복수의 구조 레벨이 이러한 처리 단계에 의해 형성된다. 예를 들면, 다른 무엇보다도 특히 리소그래피는 반도체 웨이퍼 위에 패턴을 생성하는 단계를 수반하는 반도체 제조 공정 중의 하나이다. 반도체 제조 공정의 추가의 예는, 비제한적으로, 화학 기계 연마, 에칭, 퇴적 및 이온 주입을 포함한다. 복수의 반도체 소자가 단일 반도체 웨이퍼에서 제조되고 그 다음에 개별 반도체 소자로 분리될 수 있다.
웨이퍼에서 결함을 검출하여 더 높은 수율을 얻기 위해 반도체 제조 공정 중의 각종 단계에서 계측 공정이 사용된다. 광학 계측 기술은 샘플 파괴의 위험 없이 높은 스루풋의 가능성을 제공한다. 산란율 측정법 및 반사율 측정법 구현과 관련 분석 알고리즘을 포함한 많은 광학 계측 기반 기술이 임계 치수, 막 두께, 조성, 오버레이 및 나노규모 구조의 다른 파라미터를 특징화하는 데에 일반적으로 사용된다.
플래시 메모리 아키텍처는 2차원 플로팅 게이트 아키텍처로부터 완전한 3차원 지오메트리로 이동하고 있다. 일부 예에서, 막 적층 및 에칭 구조는 매우 깊다(예를 들면, 최대 6마이크로미터 깊이까지). 이러한 고종횡비 구조물은 막 및 CD 측정에 있어서 난제를 만든다. 이러한 구조물의 홀 및 트렌치의 형상을 규정하는 임계 치수를 측정할 수 있는 능력은 바람직한 성능 레벨 및 소자 수율을 달성하는 데에 결정적이다.
많은 광학 기술들은, 조명 광의 일부만이 고종횡비 특징의 바닥에 도달하고 검출기 쪽으로 반사할 수 있기 때문에 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 낮다. 따라서 다수의 이용 가능한 고스루풋 계측 기술들이 고종횡비 구조물의 CD 및 막 측정을 신뢰성 있게 수행할 수 없다. 임계 치수, 소각 엑스선 산란율 측정법(small angle X-ray scatterometry, CD-SAXS), 수직 입사 반사율 측정법 및 산란율 측정법이 고종횡비 구조물의 측정 해법으로서 개발되고 있지만, 그 개발은 여전히 진행중이다.
단면 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)은 인라인 계측에 적합하지 않은 낮은 스루풋의 파괴적 기술이다. 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)은 고종횡비 구조물을 측정하는 능력이 제한되고 비교적 낮은 스루풋을 갖는다. CD-SAXS는 반도체 산업에서 요구되는 높은 스루풋 능력을 달성하는 것으로 아직 증명되지 않았다. 모델 기반 적외선 반사율 측정법(model based infrared reflectometry, MBIR)은 고종횡비 DRAM 구조물의 계측을 위해 사용되고 있지만, 이 기술은 단파장에 의해 제공되는 분해능이 부족하고 측정 스폿 크기가 반도체 계측에는 너무 크다. 고스틴(Gostein) 등이 2006년 3월 1일 솔리드 스테이트 테크놀로지(Solid State Technology) 제49권 제3호에 발표한 "모델 기반 IR에 의한 깊은 트렌치 구조물 측정"을 참고할 수 있고, 이 문헌은 인용에 의해 그 전부를 여기에서 설명한 것처럼 본원에 통합된다.
광학 CD 계측은 미크론 규모의 깊이 및 비교적 작은 스폿(예를 들면, 50미크론 미만, 또는 더 바람직하게 30미크론 미만)의 측방향 치수를 가진 구조물의 구체적인 윤곽을 높은 스루풋으로 측정하는 능력이 현재까지 부족하다. 인용에 의해 그 전부를 여기에서 설명한 것처럼 본원에 통합되는 미국 특허 제8,860,937호에는 고종횡비 구조물의 특징화에 적합한 적외선 분광 타원 계측 기술이 설명되어 있다. 그러나 상기 특허에 설명된 기술은 자외선 및 적외선 파장에 걸친 측정을 위한 측정 시간이 길고, 파장 안정성이 제한되며, 동작 중에 적외선 파장의 범위가 제한된다.
요약하자면, 피처(feature) 크기의 감소 및 구조적 피처의 깊이 증가는 광학 계측 시스템에서 어려운 요건을 부과한다. 광학 계측 시스템은 점점 더 복잡해지는 타겟에 대한 고정밀도 및 고정확도 요건을 비용 효율성을 유지하기 위해 높은 스루풋으로 충족시켜야 한다. 이와 관련해서, 광대역 조명 및 데이터 수집의 속도, 초점 오차 및 적외선 파장의 범위는 고종횡비 구조물에 적합한 광학 계측 시스템의 설계에서 중요한 성능 제한 이슈로서 대두되고 있다. 따라서 이러한 제한 요소들을 극복하는 개선된 계측 시스템 및 방법이 바람직하다.
자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 반도체 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 방법 및 시스템이 여기에서 제시된다. 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함한 스펙트럼은 동일한 정렬 조건에서 고스루풋으로 측정된다. 이 방식으로, 파장 오차와 같은 기계 오차가 모든 피측정 파장 전역에서 균일하게 보정된다. 단일 시스템에서 적외선, 가시광선 및 자외선 광으로 타겟을 동시에 측정함으로써, 복잡한 3차원 구조물의 정밀한 특징화가 가능해진다. 일반적으로, 비교적 긴 파장은 구조물 내로 깊이 침투하여 비교적 큰 피치로 구조물을 측정할 때 높은 회절 차수의 억제를 제공한다. 비교적 짧은 파장은 비교적 짧은 파장에 접근할 수 있는 구조물(즉, 최상위 층)뿐만 아니라 비교적 작은 CD 및 거칠기 특징에 대한 정밀 치수 정보를 제공한다. 일부 예에서, 파장이 더 길면, 거칠기에 대한 더 긴 파장의 감도가 더 낮기 때문에 비교적 거친 표면 또는 계면으로 타겟의 치수 특성들을 측정할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 측정 중에 초점 오차 보정을 위한 측정 입력을 제공하기 위해 미세 초점 센서(fine focus sensor, FFS)가 검출 서브시스템에 통합된다.
다른 양태에 있어서, 광대역 분광 계측 시스템은, 웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되게, 측정 스폿이 검출기에 이미징되도록 구성된다. 이 구성에서, 초점 오차에 대한 계측 시스템의 감도는 크게 감소된다. 초점 오차에 대한 감소된 감도에 의해, 정밀 측정이 더 짧은 MAM 시간으로 가능하고 그에 따라서 더 높은 스루풋이 획득된다.
다른 양태에 있어서, 여기에서 설명하는 계측 시스템은 단일 검출기 패키지의 상이한 위치에서의 상이한 감도 대역을 결합하는 멀티존 적외선 검출기를 이용한다. 검출기는 입사 위치에 따라서 상이한 감도로 연속적인 데이터 스펙트럼을 전달하도록 구성된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기 표면 전역에서 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역이 상이한 범위의 입사 파장을 감지하도록 검출기 위에 배치된다. 이 방식으로, 광범위의 적외선 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대잡음비로 검출된다.
추가의 양태에 있어서, 입사면에 수직한 방향으로 웨이퍼 평면에 투영된 조명 시야의 치수는 피측정 타겟의 특성에 기초하여 결과적인 측정 정확도와 속도를 최적화하도록 조정된다.
전술한 설명은 요약이고 따라서 당연히 세부의 단순화, 일반화 및 생략을 내포하며; 당업자는 이 요약이 설명을 위한 것일 뿐 어떻게든 제한하는 것이 아님을 이해할 것이다. 여기에서 설명하는 소자 및/또는 프로세스의 다른 양태, 발명적 특징 및 장점은 여기에서 개시하는 비제한적인 상세한 설명으로 명백하게 될 것이다.
도 1은 일 실시형태에서 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 예시적인 계측 시스템(100)을 보인 도이다.
도 2는 다른 실시형태에서 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 예시적인 계측 시스템(100)을 보인 도이다.
도 3은 또 다른 실시형태에서 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 예시적인 계측 시스템(100)을 보인 도이다.
도 4는 또 다른 실시형태에서 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 예시적인 계측 시스템(100)을 보인 도이다.
도 5a는 도 1의 조명 광(117)의 빔에 의해 조명된 측정 스폿(116)의 묘사를 포함한 웨이퍼(120)의 상면도이다.
도 5b는 종래 구성의 계측 시스템에서 검출기(23)의 표면의 수직 뷰를 보인 도이다.
도 6은 초점 위치 오차가 있는 웨이퍼(120)를 보인 도이다.
도 7은 종래 방식으로 검출기(23)의 표면에서 파장 분산되고 이미징되는 수집광의 빔을 보인 도이다.
도 8은 도 1에 도시된 검출기(141)의 표면의 수직 뷰를 보인 도이다.
도 9는 일 실시형태에서 도 1에 도시된 검출기(150)의 표면의 수직 뷰를 보인 도이다.
도 10은 4개의 이용 가능한 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 센서의 전형적인 광감도 곡선을 보인 도이다.
도 11은 여기에서 설명하는 적어도 하나의 신규 양태에서 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 방법(500)을 보인 도이다.
도 12는 측정되는 구조물에 대한 광 침투가 낮은 예시적인 고종횡비 NAND 구조물(600)을 보인 도이다.
이제, 본 발명의 배경 예 및 일부 실시형태를 상세히 설명할 것이고, 그 예는 첨부 도면에 도시되어 있다.
자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 반도체 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 방법 및 시스템이 여기에서 제시된다. 자외선, 가시광선 및 적외선 파장을 포함한 스펙트럼은 동일한 정렬 조건에서 고스루풋으로 측정된다. 이 방식으로, 파장 오차와 같은 기계 오차가 모든 피측정 파장 전역에서 균일하게 보정된다. 다른 양태에 있어서, 파장 오차는, 검출기 표면에서 파장 분산의 방향을 검출기 표면에서의 입사면의 투영에 수직으로 지향시킴으로써 감소된다. 다른 양태에 있어서, 광범위의 적외선 파장은 상이한 감도 특성을 가진 복수의 감광 영역을 포함한 검출기에 의해 검출된다. 수집된 광은 파장에 따라 검출기 표면 전역에서 선형으로 분산된다. 각각의 상이한 감광 영역이 상이한 범위의 입사 파장을 감지하도록 검출기에 배치된다. 이 방식으로, 광범위의 적외선 파장이 단일 검출기에 의해 높은 신호대잡음비로 검출된다. 이러한 특징은 개별적으로 또는 종합적으로 고종횡비 구조물(예를 들면, 1마이크로미터 이상의 깊이를 가진 구조물)의 고스루풋 측정을 고스루풋, 고정밀도 및 고정확도로 할 수 있게 한다.
단일 시스템에서 적외선, 가시광선 및 자외선 광으로 타겟을 동시에 측정함으로써, 복잡한 3차원 구조물의 정밀한 특징화가 가능해진다. 일반적으로, 비교적 긴 파장은 구조물 내로 깊이 침투하여 비교적 큰 피치로 구조물을 측정할 때 높은 회절 차수의 억제를 제공한다. 비교적 짧은 파장은 비교적 짧은 파장에 접근할 수 있는 구조물(즉, 최상위 층)뿐만 아니라 비교적 작은 CD 및 거칠기 특징에 대한 정밀 치수 정보를 제공한다. 일부 예에서, 더 긴 파장은 거칠기에 대한 더 긴 파장의 감도가 더 낮기 때문에 비교적 거친 표면 또는 인터페이스로 타겟의 치수 특성들을 측정할 수 있게 한다.
일부 실시형태에서, 여기에서 설명하는 반도체 소자의 분광 계측 방법 및 시스템은 고종횡비(high aspect ratio, HAR) 또는 큰 측방향 치수 구조물 또는 둘 다의 측정에 적용된다. 이러한 실시형태는 HAR 구조물을 가진 반도체 소자(예를 들면, NAND, VNAND, TCAT, DRAM 등), 및 더 일반적으로 측정되는 구조물에 대한 광 침투가 낮은 복합 소자에 대한 광학 임계 치수(critical dimension, CD), 막 및 조성 계측을 가능하게 한다. HAR 구조물은 가끔 HAR에 대한 에칭 공정을 쉽게 하기 위해 하드 마스크 층을 포함한다. 여기에서 설명하는 용어 "HAR 구조물"은 10:1을 초과하는 종횡비, 및 아마도 100:1 이상의 고종횡비가 특징인 임의의 구조물을 말한다.
도 1은 자외선, 가시광선 및 적외선 파장으로 하나 이상 구조물의 동시 분광 측정을 수행하는 예시적인 계측 시스템(100)을 보인 것이다. 일부 예에서, 상기 하나 이상의 구조물은 적어도 하나의 HAR 구조물 또는 적어도 하나의 큰 측방향 치수 구조물을 포함한다. 도 1에 도시된 것처럼, 계측 시스템(100)은 광대역 분광 타원 계측기(broadband spectroscopic ellipsometer)로서 구성된다. 그러나 일반적으로 계측 시스템(100)은 반사율 측정기, 산란율 측정기, 타원 계측기 또는 이들의 임의 조합으로서 구성될 수 있다.
계측 시스템(100)은 웨이퍼(120)에 입사하는 조명 광(117)의 빔을 생성하는 조명원(110)을 포함한다. 조명원(110)은 자외선, 가시광선 및 적외선 스펙트럼의 조명 광을 방출하는 광대역 조명원이다. 일 실시형태에서, 조명원(110)은 레이저 지속 플라즈마(laser sustained plasma, LSP) 광원이다(레이저 구동형 플라즈마 광원이라고도 알려져 있음). LSP 광원의 펌프 레이저는 연속파 또는 펄스형일 수 있다. 레이저 구동형 플라즈마 광원은 150nm-2000nm의 전체 파장 범위에서 크세논 램프보다 훨씬 더 많은 광자를 생성할 수 있다. 조명원(110)은 단일 광원 또는 복수의 광대역 또는 이산 파장 광원들의 조합일 수 있다. 조명원(110)에 의해 생성된 광은 자외선으로부터 적외선까지(예를 들면, 진공 자외선으로부터 중간 적외선까지) 연속 스펙트럼 또는 연속 스펙트럼의 일부를 포함한다. 일반적으로, 조명 광원(110)은 초연속 레이저 광원, 적외선 헬륨-네온 레이저 광원, 아크 램프, 또는 임의의 다른 적당한 광원을 포함할 수 있다.
추가의 양태에 있어서, 조명 광의 양은 적어도 500nm에 걸친 파장 범위를 포함한 광대역 조명 광이다. 일 예로서, 광대역 조명 광은 250nm 이하 및 750nm 이상의 파장을 포함한다. 일반적으로 광대역 조명 광은 120nm-3000nm 사이의 파장을 포함한다. 일부 실시형태에서, 3000nm 이상의 파장을 포함한 광대역 조명 광을 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 계측 시스템(100)은 조명 광(117)을 웨이퍼(120)에 형성된 하나 이상의 구조물에 지향시키도록 구성된 조명 서브시스템을 포함한다. 조명 서브시스템은 광원(110), 하나 이상의 광학 필터(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 옵틱스(115)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 조명 서브시스템으로부터 광 레벨, 스펙트럼 출력 또는 둘 다를 제어하기 위해 하나 이상의 광학 필터(111)가 사용된다. 일부 예에서는 하나 이상의 멀티존 필터가 광학 필터(111)로서 사용된다. 편광 컴포넌트(112)는 조명 서브시스템을 출사하는 바람직한 편광 상태를 발생시킨다. 일부 실시형태에서, 편광 컴포넌트는 편광자, 보상기 또는 둘 다이고, 상업적으로 입수 가능한 임의의 적당한 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 편광 컴포넌트는 고정되거나, 다른 고정 위치로 회전 가능하거나 또는 연속적으로 회전할 수 있다. 비록 도 1에 도시된 조명 서브시스템이 하나의 편광 컴포넌트를 포함하고 있지만, 조명 서브시스템은 2개 이상의 편광 컴포넌트를 포함할 수 있다. 시야 조리개(113)는 조명 서브시스템의 시야(field of view, FOV)를 조절하고, 상업적으로 입수 가능한 임의의 적당한 시야 조리개를 포함할 수 있다. 구경 조리개(114)는 조명 서브시스템의 개구수(numerical aperture, NA)를 조절하고, 상업적으로 입수 가능한 임의의 적당한 구경 조리개를 포함할 수 있다. 조명원(110)으로부터의 광은 조명 옵틱스(115)를 통하여 웨이퍼(120) 상의 하나 이상의 구조물(도 1에서는 도시 생략됨)에 집속되도록 지향된다. 조명 서브시스템은 분광 타원 계측, 반사율 측정 및 산란율 측정 분야에서 공지된 임의 유형 또는 구성의 광학 필터(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 옵틱스(115)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 조명 광(117)의 빔은 빔이 조명원(110)으로부터 웨이퍼(120)로 전파할 때 광학 필터(111), 편광 컴포넌트(112), 시야 조리개(113), 구경 조리개(114) 및 조명 옵틱스(115)를 통과한다. 빔(117)은 측정 스폿(116) 위의 웨이퍼(120) 부분을 조명한다.
일부 예에서, 웨이퍼(120)의 표면 위에 투영된 조명 광(117) 양의 빔 크기는 시료의 표면에서 측정되는 측정 타겟의 크기보다 작다. 예시적인 빔 성형 기술은 왕(Wang) 등이 출원한 미국 특허 출원 공개 제2013/0114085호에 자세히 설명되어 있고, 상기 미국 특허 출원 공개의 내용은 여기에서의 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다.
계측 시스템(100)은 하나 이상의 구조물과 입사 조명빔(117) 간의 상호작용에 의해 생성된 광을 수집하도록 구성된 수집 옵틱스 서브시스템을 또한 포함한다. 수집광(127)의 빔은 수집 옵틱스(122)에 의해 측정 스폿(116)으로부터 수집된다. 수집광(127)은 수집 옵틱스 서브시스템의 수집 구경 조리개(123), 편광 요소(124) 및 시야 조리개(125)를 통과한다.
수집 옵틱스(122)는 웨이퍼(120)에 형성된 하나 이상의 구조물로부터 광을 수집하기 위한 임의의 적당한 광학 요소들을 포함한다. 수집 구경 조리개(123)는 수집 옵틱스 서브시스템의 NA를 조절한다. 편광 요소(124)는 바람직한 편광 상태를 분석한다. 편광 요소(124)는 고정되거나 다른 고정 위치로 회전 가능하거나 연속적으로 회전할 수 있다. 비록 도 1에 도시된 수집 서브시스템은 하나의 편광 요소를 포함하고 있지만, 수집 서브시스템은 2개 이상의 편광 요소를 포함할 수 있다. 수집 시야 조리개(125)는 수집 서브시스템의 FOV를 조절한다. 수집 서브시스템은 웨이퍼(120)로부터 광을 수광하여 수집 옵틱스(122) 및 편광 요소(124)를 통해 수집 시야 조리개(125)에 집속되도록 광을 지향시킨다. 일부 실시형태에서, 수집 시야 조리개(125)는 검출 서브시스템의 분광계의 분광계 슬릿으로서 사용된다. 그러나 수집 시야 조리개(125)는 검출 서브시스템의 분광계의 분광계 슬릿(126)에 또는 그 부근에 위치할 수 있다.
수집 서브시스템은 분광 타원 계측, 반사율 측정 및 산란율 측정 분야에서 공지된 임의 유형 및 구성의 수집 옵틱스(122), 구경 조리개(123), 편광 요소(124) 및 시야 조리개(125)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 수집 옵틱스 서브시스템은 검출 서브시스템의 2개 이상의 분광계에 광을 지향시킨다. 검출 서브시스템은 조명 서브시스템에 의해 조명된 하나 이상의 구조물로부터 수집된 광에 응답하여 출력을 생성한다.
일 양태에 있어서, 검출기 서브시스템은 적외선을 포함한 상이한 파장 범위의 수집광을 동시에 검출하도록 각각 구성된 2개 이상의 검출기를 포함한다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 수집광(127)은 분광계 슬릿(126)을 통과하고 회절 요소(128)에 입사한다. 회절 요소(128)는 입사광의 일부 파장을 +/-1 회절 차수로 회절하고 입사광의 다른 일부 파장을 제로 회절 차수로 회절하도록 구성된다. 도 1에 도시된 것처럼, 자외선 스펙트럼을 포함한 입사광 부분(129)은 회절 요소(128)에 의해 검출기(141) 쪽으로 +/-1 회절 차수로 분산된다. 또한, 회절 요소(128)는 적외선 파장을 포함한 입사광 부분(140)을 격자(147) 쪽으로 제로 회절 차수로 반사하도록 구성된다. 광(140)은 회절 요소(147)에 입사하고, 회절 요소(147)는 적외선 파장을 포함한 입사광(140)의 부분(148)을 검출기(150) 쪽으로 +/-1 회절 차수로 분산시킨다.
도 1에 도시된 실시형태에서, 회절 요소(128)는 반사 격자 요소이다. 그러나 일반적으로 회절 요소(128)는 입사광을 다른 파장 대역으로 세분하고, 상기 다른 파장 대역을 다른 방향으로 전파시키고, 하나의 파장 대역의 광을 임의의 적당한 방식으로 검출기에 분산시키도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 회절 요소(128)는 투과형 격자로서 구성된다. 일부 다른 예에서, 회절 요소(128)는 빔을 상이한 파장 대역으로 세분하기 위한 빔스플리팅 요소 및 하나의 파장 대역을 검출기(141)에 분산시키기 위한 반사형 또는 투과형 격자 구조물을 포함한다.
반사형 격자(128)는 이것이 자외선 스펙트럼 영역에서 +/-1 차수로 높은 회절 효율을 나타내고 적외선 스펙트럼 영역에서 0차 회절 차수로 높은 회절 효율을 나타내기 때문에 사용된다. 반사형 격자를 사용함으로써, 빔 스플리팅 요소(예를 들면, 2색 빔 스플리팅 요소)에 고유한 손실이 회피된다.
회절 요소(128, 147)는 각각의 2차원 검출기의 하나의 치수를 따르는 파장에 따라 1차 회절 광을 선형으로 분산시킨다(즉, 각각의 검출기에 대하여 도 1에 도시된 파장 분산 방향). 설명의 목적상, 2개의 다른 파장으로 검출된 광은 검출기(141)의 표면에 도시하였다. 회절 요소(128)는 검출기(141)의 표면에 투영된 광의 2개의 다른 파장 사이에서 공간 분리를 야기한다. 이 방식으로, 특정 파장을 가진 측정 스폿(116)으로부터 수집된 광은 스폿(142A)을 통해 검출기(141)에 투영되고, 다른 하나의 다른 파장을 가진 측정 스폿(116)으로부터 수집된 광은 스폿(142B)을 통해 검출기(141)에 투영된다.
일 예로서, 검출기(141)는 자외선 광 및 가시광(예를 들면, 190nm-860nm 사이의 파장을 가진 광)에 민감한 전하 결합 소자(charge coupled device, CCD)이다. 일 예로서, 검출기(150)는 적외선 광(예를 들면, 950nm-2500nm 사이의 파장을 가진 광)에 민감한 광 검출기 어레이(photo detector array, PDA)이다. 그러나 일반적으로 다른 2차원 검출기 기술을 생각할 수 있다(예를 들면, 위치 감응 검출기(position sensitive detector, PSD), 적외선 검출기, 광전 검출기 등). 각각의 검출기는 입사광을 입사광의 스펙트럼 강도를 표시하는 전기 신호로 변환한다. 예를 들면, UV 검출기(141)는 입사광(129)을 표시하는 출력 신호(154A)를 생성하고 IR 검출기(150)는 입사광(148)을 표시하는 출력 신호(154B)를 생성한다.
도 1에 도시된 것처럼, 검출 서브시스템은 수집광이 계측 시스템(100)의 모든 검출기로 동시에 전파되도록 배열된다. 계측 시스템(100)은 UV 및 IR 신호 둘 다를 포함한 검출 신호(154)를 수신하도록 구성된 컴퓨팅 시스템(130)을 또한 포함하고, UV 및 IR 신호 둘 다에 기초하여 피측정 구조물의 관심있는 파라미터 값의 추정치를 결정한다. UV 및 IR 스펙트럼을 동시에 수집함으로써, 측정 시간이 단축되고 모든 스펙트럼이 동일한 정렬 조건으로 측정된다. 이로써 모든 스펙트럼 데이터 집합에 동일한 보정을 적용할 수 있기 때문에 파장 오차가 더 쉽게 보정될 수 있다.
추가의 양태에서, 측정 중에 초점 오차 보정을 위한 측정 입력을 제공하기 위해 미세 초점 센서(FFS)가 검출 서브시스템에 통합된다.
도 2는 FFS(146)를 포함한 계측 시스템의 다른 실시형태(200)를 보인 것이다. 도 1에 도시된 계측 시스템(100)과 유사하게 구성된 도 2의 요소들은 동일한 참조 번호를 이용하여 표시하였다. 도 2에 도시된 것처럼, 회절 요소(128)로부터 회절된 0차 회절 차수 광(140)은 빔 스플리팅 요소(143)에 입사한다. 빔 스플리팅 요소(143)는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 빔 스플리팅 요소(143)는 IR 범위의 광(145)의 부분을 IR 격자(147) 쪽으로 지향하고 IR 범위 이하(즉 UV로부터 가시광 범위까지)의 광(144)의 부분을 FFS(146) 쪽으로 지향한다. 이 방식으로, 0차로 회절 요소(128)로부터 회절된 UV 내지 가시광은 FFS(146)에 의해 검출된다. 일부 실시형태에서, FFS(146)는 광다이오드 어레이이고 빔 스플리팅 요소(143)는 반사시에 높은 IR 효율이 가능하고 투과시에 높은 UV 효율이 가능한 2색 빔스플리터이다. 일부 다른 실시형태에서, 빔 스플리팅 요소(143)는 빔을 개별 채널에 대하여 더 낮은 강도의 2개 이상의 빔으로 분할하는 중립 밀도 필터, 부분 반사 미러, 비코팅 기판 또는 임의의 다른 적당한 광학 요소이다.
FFS(146)에 의해 생성된 출력(도시 생략됨)은 컴퓨팅 시스템(130)으로 전달된다. 컴퓨팅 시스템(130)은 FFS(146)의 출력에 기초하여 웨이퍼(120)의 초점 위치(z-위치)의 변화를 결정한다. 웨이퍼(120)의 초점 위치의 임의의 바람직한 변화는 웨이퍼 위치지정 시스템(도시 생략됨)에 전달되고, 웨이퍼 위치지정 시스템은 그에 따라서 웨이퍼(120)의 z-위치를 조정한다.
도 3은 FFS(146)를 포함한 계측 시스템의 다른 실시형태(300)를 보인 것이다. 도 1에 도시된 계측 시스템(100)과 유사하게 구성된 도 3의 요소들은 동일한 참조 번호를 이용하여 표시하였다. 도 3에 도시된 것처럼, 회절 요소(147)로부터 회절된 0차 회절 차수 광(149)은 FFS(146)에 입사하고, 1차 회절광(148)은 IR 검출기(150)에 입사한다.
FFS(146)에 의해 생성된 출력(도시 생략됨)은 컴퓨팅 시스템(130)으로 전달된다. 컴퓨팅 시스템(130)은 FFS(146)의 출력에 기초하여 웨이퍼(120)의 초점 위치(z-위치)의 변화를 결정한다. 웨이퍼(120)의 초점 위치의 임의의 바람직한 변화는 웨이퍼 위치지정 시스템(도시 생략됨)에 전달되고, 웨이퍼 위치지정 시스템은 그에 따라서 웨이퍼(120)의 z-위치를 조정한다.
다른 추가의 양태에 있어서, 계측 시스템은 다른 범위의 IR 스펙트럼의 광을 동시에 검출하도록 구성된 2개 이상의 검출기를 포함한다.
도 4는 복수의 캐스케이드된 IR 검출기를 포함한 계측 시스템의 다른 실시형태(400)를 보인 도이다. 도 1에 도시된 계측 시스템(100)과 유사하게 구성된 도 4의 요소들은 동일한 참조 번호를 이용하여 표시하였다. 도 4에 도시된 것처럼, 광(145)이 IR 격자(147)에 입사한다. IR 격자(147)는 입사광(145)의 일부(148)를 1차로 회절시키도록 구성된다. 1차 회절광(148)은 입사광(145)의 IR 파장 범위의 부분집합을 포함한다. 또한, IR 격자(147)는 입사광(145)의 일부(149)를 0차로 회절시키도록 구성된다. 0차 회절광(149)은 1차 회절광(148)을 구성하는 IR 파장 범위 밖의 IR 파장을 포함한다. 0차 회절광(149)은 IR 격자(151)로 전파되고, IR 격자(151)는 IR 검출기(153) 쪽으로 1차로 입사광을 회절시킨다. 도 4에 도시된 실시형태에서, 1차 회절광(152)은 모든 IR 파장의 입사광(149)을 포함한다. 그러나 일부 다른 실시형태에서, IR 격자(151)는 입사광의 일부만을 1차로 회절시키도록 구성되고, 나머지 0차 광은 다른 IR 격자 쪽으로 지향된다. 이 방식으로, 수집광(127)의 다른 IR 파장 범위를 검출하기 위해 임의 수의 IR 검출기가 함께 캐스케이드될 수 있다.
도 1-4와 관련하여 설명한 실시형태들은 비제한적인 예로서 제공되고, UV, 가시 및 IR 파장을 동시에 검출하기 위한 많은 다른 구성을 생각할 수 있다. 일 예로서, 계측 시스템은 수집광(127)의 IR 파장을 제1 회절 차수로 분산시키고 수집광(127)의 UV 파장을 UV 격자 및 검출기 쪽으로 영차로 회절시키도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 빔 스플리팅 요소를 이용하여 수집광의 전체 스펙트럼을 2개 이상의 서브스펙트럼으로 세분할 수 있다. 그러나 2색 빔 스플리터, 중립 밀도 필터, 부분 반사 미러 또는 비코팅 기판과 같은 빔 스플리팅 요소에 고유한 손실을 회피하기 위해 여기에서 설명한 바와 같은 회절 요소를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 조명 광(117)의 빔은 빗각으로 웨이퍼(120)의 표면에 제공된다. 일반적으로, 조명 광은 임의의 빗각 또는 다수의 빗각으로 웨이퍼(120)의 표면에 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 정해진 양의 조명 광이 빗각 조명 외에 수직 입사(즉, 표면 수선과 정렬됨)로 표면에 제공된다.
도 1에 도시된 것처럼, Z축은 웨이퍼(120)의 표면에 수직으로 지향된다. X축과 Y축은 웨이퍼(120)의 표면과 공면이고 따라서 Z축과 직각이다. 조명 광(117) 빔의 주광선(118)과 수집광(127) 빔의 주광선(121)이 입사면을 규정한다. X축은 입사면과 정렬되고 Y축은 입사면에 직교한다. 이 방식으로 입사면은 XZ 평면 내에 있다. 조명 광(117) 빔은 Z축과 관련하여 입사각 α로 웨이퍼(120)의 표면에 입사하고 입사면 내에 있다. 빗각으로 시료의 표면에 대한 조명 광 빔의 기하학적 투영은 입사면과 정렬된 방향으로 조명 빔 단면의 연장을 발생한다. 비제한적인 예로서, 웨이퍼 표면에 투영된 조명 광의 원형 빔은 모양이 타원형인 조명 영역을 생성한다. 따라서 일반적으로 표면의 비스듬한 조명은 조명 단면에 대하여 긴 투영 조명 영역을 생성하고 연장 방향은 입사면과 정렬된다. 더욱이 연장의 크기(magnitude)는 입사각이 증가함에 따라 증가한다. 더 구체적으로, 빔 형상은 입사면의 방향으로 입사각의 코사인에 반비례한다. 회절 및 수차 효과가 없으면 투영된 조명 광은 조명면에 수직한 방향(예를 들면, Y축 방향)에서 왜곡되지 않는다.
도 5a는 도 1의 조명 광(117) 빔으로 조명된 측정 스폿(116)을 포함한 웨이퍼(120)의 상면도이다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 조명 광(117) 빔의 단면은 원형이다(예를 들면, 조명 시야 조리개(113)에서). 원형 조명 광 빔의 경우에, 웨이퍼(120)의 표면에 투영된 측정 스폿(116)은 도 5a에 도시된 것처럼 모양이 타원형이다.
도 1에 도시된 것처럼, 측정 스폿(116)은 파장 분산 방식으로 검출기(141, 150)의 표면에 투영된다. 다른 양태에 있어서, 여기에서 설명하는 계측 시스템의 분광계 컴포넌트는 각 검출기로의 광의 분산면이 각각의 검출기에서 입사면의 투영에 수직으로 지향되도록, 구성된다. 이 방식으로, 측정 스폿(116)은 웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 각 검출기에 이미징된다. 이 구성에서, 초점 오차에 대한 계측 시스템의 감도는 크게 감소된다. 초점 오차에 대한 감소된 감도에 의해, 더 짧은 MAM 시간으로 정밀 측정이 얻어지고 그에 따라서 더 높은 스루풋이 얻어진다. 이 아키텍처의 중요한 장점은 파장 오차를 야기하지 않는 두꺼운 다층 막 적층을 측정하는 능력이다.
전통적으로, 계측 시스템은 측정 스폿의 연장 방향의 투영이 검출기 표면에서 파장 분산 방향과 정렬되도록 구성된다. 도 5b는 종래의 구성을 나타낸다. 도 5b에 도시된 것처럼, 검출기(23)에 대한 측정 스폿(116)의 연장 방향(즉, 웨이퍼에서 X축 및 검출기에서 X'축)의 투영은 검출기(23)의 표면에서의 파장 분산 방향과 정렬된다. 예로서, 스폿(24A, 24B)의 연장 방향은 파장 분산 방향과 정렬된다. 검출기(23) 표면에서의 파장 의존 이미지(예를 들면, 스폿(24A, 24B))는 스펙트럼, 즉 파장 분산 축을 따르는 파장의 함수로서의 강도를 얻기 위해 파장 분산 방향에 수직한 방향으로 통합된다. CCD 검출기의 경우에, 전하는 스펙트럼에 도달하기 위해 파장 분산에 수직한 방향으로 통합된다.
웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분산의 방향과 정렬되도록 측정 스폿이 검출기에서 이미징될 때, 결과적인 점 확산 함수(point spread function, PSF)는 강한 파장 의존성이다. 결과적인 PSF는 이미지 강도가 주어진 파장의 연장 방향에서 크게 변하기 때문에 높은 피크를 갖는다. 높은 피크의 PSD를 적절히 포착하기 위해, 분광계는 고분해능으로 스펙트럼 데이터를 획득하여야 한다. 이것은 측정 시간을 증가시키고 스루풋을 감소시킨다.
다른 예로서, 특정 파장의 결과적인 PSF는, 연장된 이미지 및 대응하는 연장된 강도 분포가 스펙트럼 분산 방향과 정렬될 때 입사각에 의존한다. 결과적인 PSF는 입사각에 따라서 넓어지거나 좁아진다.
다른 예로서, 결과적인 PSF는 초점 오차에 대한 감도가 높다. 웨이퍼에서의 측정 타겟이 초점 내외로 이동할 때, 웨이퍼에서의 측정 스폿의 검출 이미지는 크기가 변하고 위치가 이동한다. 또한, 웨이퍼에서 측정 스폿의 위치가 이동한다. 도 6에 도시된 것처럼, 웨이퍼가 초점 내에 있을 때 조명 광(117)의 빔은 위치 A에서 웨이퍼를 조명한다. 만일 수집광(127)의 빔이 파장 분산되고 종래의 방식으로 검출기(23)에 이미징되면, 빔은 도 7에 도시된 것처럼 스폿(24A, 24B)에서 나타난다. 웨이퍼(120)가 Z방향으로 상향으로 이동하고 0보다 더 큰 양(ΔZ)만큼 디포커싱되면, 조명 광(117)의 빔은 위치 C에서 웨이퍼를 조명한다. 만일 수집광(127')의 빔이 파장 분산되고 종래의 방식으로 검출기(23)에 이미징되면, 빔은 스폿(24A', 24B')에서 나타난다. 결과적인 이미지는 웨이퍼가 광학 시스템의 초점면으로부터 멀리 이동함에 따라 더 커지고 이미지의 중앙 위치는 파장 분산 방향과 정렬된 방향으로 이동한다. 이러한 파장 분산 방향으로의 이동은 픽셀 맵핑에 대한 파장이 변하기 때문에 스펙트럼 측정 오차를 야기한다. 웨이퍼(120)가 Z방향으로 하향으로 이동하고 0보다 더 작은 양(ΔZ)만큼 디포커싱되면, 조명 광(117)의 빔은 위치 B에서 웨이퍼를 조명한다. 만일 수집광(127")의 빔이 파장 분산되고 종래의 방식으로 검출기(23)에 이미징되면, 빔은 스폿(24A", 24B")에서 나타난다. 다시, 결과적인 이미지는 웨이퍼가 광학 시스템의 초점면으로부터 멀리 이동함에 따라 더 커지고 이미지의 중앙 위치는 파장 분산 방향과 정렬된 방향으로 이동한다.
이 시나리오에서, 초점 오차 즉 ΔZ≠0에 기인한 웨이퍼(120)에서의 측정 스폿 이동은 파장의 함수로서 분광계 분산 축을 따르는 이미지 이동을 야기한다. 초점면에서 파장 교정(즉, Z=0)이 수행되기 때문에, 초점 오차에 의해 유도된 분광계 분산 방향에서의 임의의 이미지 이동은 측정된 스펙트럼이 파장 교정으로부터의 편차에 매우 민감하게 한다.
그러나 검출기에의 입사면을 여기에서 설명하는 것처럼 파장 분산 방향에 수직으로 투영함으로써, 분산면은 입사면으로부터 분리되고, 그 결과 초점 오차가 검출기의 스펙트럼 위치에 영향을 주지 않는다.
도 1에 도시된 것처럼, 측정 스폿(116)은 파장 분산 방식으로 검출기(141) 및 검출기(150)의 표면에 투영된다. 계측 시스템(100)은 측정 스폿(116)의 연장 방향의 투영이 검출기(141, 150)의 표면에서의 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 구성된다. 도 1에 도시된 X'축은 검출기(141, 150)에서 측정 스폿(116)의 연장 방향(즉, X축)의 투영을 나타낸다. 도 1에 도시된 것처럼, X'축은 검출기(141, 150)의 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향된다.
일부 예로서, 웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 검출기에서 초점 스폿을 이미징함으로써 초점 위치에 대한 감도의 20배 감소가 달성된다. 초점 오차 감도의 이러한 감소는 측정 정확도를 희생시키지 않고 감소된 초점 정확도 및 반복성 요건, 더 빠른 집속 시간, 및 파장 오차에 대한 감소된 감도를 가능하게 한다. 이러한 장점은 큰 개구수 광학 계측 시스템에서 특히 명백하다.
도 8은 검출기(141) 표면의 수직 뷰를 보인 도이다. 도 8에 도시된 것처럼, 측정 스폿(116)의 연장 방향(즉, X'축)의 투영은 검출기(141)의 표면 전역에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향된다. 예로서, 스폿(142A, 142B)의 연장 방향은 파장 분산 방향에 수직으로 지향된다. 검출기(141) 표면에서 파장 의존 이미지(예를 들면, 스폿(142A, 142B))는 스펙트럼, 즉 파장 분산 축을 따르는 파장의 함수로서의 강도를 얻기 위해 파장 분산 방향에 수직한 방향으로 통합된다. CCD 검출기의 경우에, 전하는 스펙트럼에 도달하기 위해 파장 분산에 수직한 방향으로 통합된다.
검출기(예를 들면, CCD(141))의 표면에 투영된 이미지는 측정된 스펙트럼을 얻기 위해 각 파장에서 분광계 파장 분산 축에 수직한 방향으로 통합된다. 각 파장에서 개별적인 스펙트럼 형상은 그 특정 파장에서 시스템의 점 확산 함수(PSF)이다.
웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분산의 방향에 수직으로 지향되도록, 측정 스폿이 검출기에서 이미징될 때, 결과적인 점 확산 함수(PSF)는 종래의 구성에 비하여 파장에 훨씬 덜 의존한다. 결과적인 PSF는 이미지 강도가 주어진 파장의 연장 방향에 수직한 방향(예를 들면, 타원의 단축을 가로지르는 방향)에서 크게 변하지 않기 때문에 낮은 피크를 갖는다. 또한, 비록 이미지 강도가 연장 방향(예를 들면, 타원의 장축을 가로지르는 방향)에서 크게 변하더라도, 그 변화는 연장 방향이 CCD의 전하 통합 방향과 정렬되기 때문에 통합된다. 이 방식에서 분광계는 PSF를 정확하게 구성하기 위해 고분해능으로 스펙트럼 데이터를 획득할 필요가 없다. 이것은 측정 시간을 감소시키고 스루풋을 증가시킨다.
다른 예로서, 특정 파장의 결과적인 PSF는, 연장 방향이 스펙트럼 분산 방향에 수직으로 지향될 때 입사각과 무관하다. 이미지, 및 연장 방향에 수직한(예를 들면, 타원의 단축을 가로지르는) 대응하는 강도 분포는 입사각에 대하여 크게 변하지 않는다. 따라서 스펙트럼 분산 방향으로 투영된 이미지 및 대응하는 강도 분포는 입사각에 대하여 크게 변하지 않는다. 그러므로 산출된 PSF는 입사각에 대한 의존성을 거의 나타내지 않는다.
다른 예로서, 결과적인 PSF는 종래의 구성에 비하여 초점 오차에 대한 감도가 크게 낮다. 웨이퍼에서의 측정 타겟이 초점 내외로 이동할 때, 웨이퍼에서의 측정 스폿의 검출 이미지는 위치를 이동시킨다. 도 6의 설명과 유사하게, 웨이퍼(120)가 초점 내에 있을 때 조명 광(117)의 빔은 위치 A에서 웨이퍼를 조명한다. 수집광(127)의 빔은 파장 분산되고 도 8에 도시된 것처럼 스폿(142A, 142B)에서 검출기(141)에 이미징된다. 웨이퍼(120)가 Z 방향으로 상향으로 이동하고 0보다 더 큰 양(ΔZ)만큼 디포커싱되면, 조명 광(117)의 빔은 위치 C에서 웨이퍼를 조명한다. 수집광(127')의 빔은 파장 분산되고 스폿(142A', 142B')에서 검출기(141)에 이미징된다. 파장 분산 방향에 수직한 이미지 위치의 이러한 이동은 픽셀 맵핑에 대한 파장이 불변으로 유지되기 때문에 초점 오차에 의해 유도되는 스펙트럼 측정 오차를 최소화한다. 웨이퍼(120)가 Z 방향으로 하향으로 이동하고 0보다 더 작은 양(ΔZ)만큼 디포커싱되면, 조명 광(117)의 빔은 위치 B에서 웨이퍼를 조명한다. 수집광(127")의 빔은 파장 분산되고 스폿(142A", 142B")에서 검출기(141)에 이미징된다. 다시, 파장 분산 방향에 수직한 이미지 위치의 이러한 이동은 초점 오차에 의해 유도되는 스펙트럼 측정 오차를 최소화한다.
이 구성에서, 초점 오차는 파장 분산 축에 수직한 방향으로 검출기에서 이미지를 이동시킨다. 산출된 스펙트럼이 분광계 분산 축에 수직한 이미지를 통합함으로써 얻어지기 때문에, 이미지 이동에 의해 유도된 초점 오차는 통합되고 실질적인 스펙트럼 측정 오차를 유도하지 않는다. 초점 오차에 대한 이러한 감소된 감도는 원자 선 방출에 기초한 초점 오차를 추적 및 보정할 필요성을 제거한다. 이 방식에서, 고휘도 레이저 구동 광원(laser driven light source, LDLS)과 같은 광대역 광원이 시스템(100)과 같은 분광 계측 시스템에서 초점 위치지정 요건이 완화된 광원으로서 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 분광계에 의해 투영된 PSF는 입사면(즉, XZ 평면)에 수직한 광의 분포에 의해 주로 결정된다. 이 때문에, PSF는 비스듬한 입사각과 무관하다. 따라서 파장의 PSF 의존성은 종래 구성보다 훨씬 더 낮다.
여기에서 설명한 것처럼, 임의의 수직 입사 또는 빗각 입사 광대역 광학 계측 시스템은 측정 스폿이 검출기의 표면에서 이미징되어 웨이퍼 표면에서 입사면과 정렬된 방향이 검출기 표면에서 파장 분포 방향에 수직으로 지향되도록, 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 분광계 분산 축은 초점 오차에 대한 시스템 감도를 더욱 줄이기 위해 웨이퍼 초점 축(예를 들면, 도 1-4에서 z축)에 직교로 지향된다.
다른 양태에 있어서, 여기에서 설명하는 계측 시스템은 단일 검출기 패키지의 상이한 위치에서 상이한 감도 대역들을 결합하는 멀티존 적외선 검출기를 이용한다. 검출기는 입사 위치에 따라서 다른 감도로 데이터의 연속 스펙트럼을 전달하도록 구성된다.
도 10은 이용 가능한 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 센서의 전형적인 광감도 곡선을 보인 것이다. 도 10에 도시된 것처럼, 이용 가능한 InGaAs 센서의 단일 센서는 1㎛-2.5㎛의 파장 대역 전역에서 적당한 광감도를 제공할 수 없다. 따라서 개별적으로, 상기 가용 센서는 좁은 주파수대(waveband)에서만 감지할 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 개별 센서는 예를 들면 도 4에 도시된 것처럼 캐스케이드 구성으로 배열된다. 그러나 이것은 수집된 광을 각각의 개별 스펙트럼 범위로 세분하고 각각의 스펙트럼 범위를 각각의 별도의 검출기에 분산시키기 위해 개별 격자 구조 또는 빔 스플리팅 요소와 격자 구조의 조합을 요구한다. 이것은 바람직하지 않은 광 손실을 야기하고 광학 시스템을 복잡하게 한다.
일 양태에 있어서, 다른 주파수대에서 각각 감지하는 복수의 센서 칩이 단일 검출기 패키지로 결합된다. 그 다음에, 이 멀티존 검출기가 여기에서 설명하는 계측 시스템에서 구현된다.
도 9는 멀티존 적외선 검출기(150)를 만들기 위해 4개의 다른 주파수대로부터 도출된 4개의 센서 칩(150A-D)을 보인 것이다. 도 10에 도시된 것처럼, 4개의 센서 칩은 다른 감광 특성을 각각 나타내는 다른 물질 조성을 포함한다. 도 10에 도시된 것처럼, 센서 칩(150A)은 주파수대 A에서 고감도를 나타내고, 센서 칩(150B)은 주파수대 B에서 고감도를 나타내며, 센서 칩(150C)은 주파수대 C에서 고감도를 나타내고, 센서 칩(150D)은 주파수대 D에서 고감도를 나타낸다. 검출기(150)를 통합한 계측 시스템은 센서 칩(150A)에 주파수대 A 내에서 파장을 분산시키고, 센서 칩(150B)에 주파수대 B 내에서 파장을 분산시키며, 센서 칩(150C)에 주파수대 C 내에서 파장을 분산시키고, 센서 칩(150D)에 주파수대 D 내에서 파장을 분산시킨다. 이 방식으로, 단일 검출기로부터 주파수대 A-D를 포함한 집성 주파수대에서 고 감광도(즉, 고 SNR)가 달성된다.
일부 예에서, 멀티존 검출기는 750nm-3,000nm 또는 그 이상의 파장을 커버하는 단일 연속 스펙트럼을 생성하도록 단일 센서 패키지에 조립된 상이한 스펙트럼 영역에 대한 감도를 가진 InGaAs 센서를 포함한다.
일반적으로, 검출기로부터 연속 스펙트럼이 도출될 수 있도록 멀티존 검출기의 파장 분산 방향을 따라 임의 수의 개별 센서들이 조립될 수 있다. 그러나 전형적으로는 2-4개의 개별 센서가 검출기(150)와 같은 멀티존 검출기에서 사용된다.
다른 추가의 양태에 있어서, 입사면에 수직한 방향으로 웨이퍼면에 투영된 조명 시야 조리개의 치수는 피측정 타겟의 특성에 기초하여 결과적인 측정 정확도 및 속도를 최적화하기 위해 조정된다.
입사면에 수직한 방향으로 웨이퍼면에 투영된 조명 시야 조리개는 각각의 측정 응용에 대하여 파장에 덜 민감한 평평한 상부 윤곽을 달성하도록 PSF를 성형하게 조정된다. 또한, 스펙트럼 분해능은 평평한 상부 윤곽에 기초하여 측정 정확도 및 속도의 최적화를 달성하도록 조정된다.
일부 예에서, 예를 들어서 만일 샘플이 매우 두꺼운 막 또는 격자 구조이면, 입사면에 수직한 방향으로 웨이퍼면에 투영된 조명 시야 조리개는 스펙트럼 분해능을 증대시키도록 시야 크기를 감소시키게 조정된다. 일부 예에서 만일 샘플이 얇은 막이면, 입사면에 수직한 방향으로 웨이퍼면에 투영된 조명 시야 조리개는 스펙트럼 분해능의 손실 없이 측정 시간을 단축시키도록 시야 크기를 증가시키게 조정된다.
도 1-4에 도시된 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 검출기(141, 150, 153)에 의해 검출된 스펙트럼 응답을 표시하는 신호(154)를 수신하도록 구성된다(만일 적용 가능하면). 컴퓨팅 시스템(130)은 프로그램 가능한 조명 시야 조리개(113)에 전달되는 제어 신호(119)를 결정하도록 또한 구성된다. 프로그램 가능한 조명 시야 조리개(113)는 제어 신호(119)를 수신하고 바람직한 조명 시야 크기를 달성하도록 조명 조리개의 크기를 조정한다.
일부 예에서, 조명 시야 조리개는 전술한 바와 같이 측정 정확도 및 속도를 최적화하도록 조정된다. 다른 예에서, 조명 시야 조리개는 분광계 슬릿에 의한 이미지 클리핑 및 측정 결과의 대응하는 감퇴를 방지하도록 조정된다. 이 방식으로, 조명 시야 크기는 측정 타겟의 이미지가 분광계 슬릿을 언더필하도록 조정된다. 일 예로서, 조명 시야 조리개는 조명 옵틱스의 편광자 슬릿의 투영이 계측 시스템의 분광계 슬릿을 언더필하도록 조정된다.
도 11은 적어도 하나의 신규 양태에서 분광 측정을 수행하는 방법(500)을 보인 흐름도이다. 방법(500)은 본 발명의 도 1-4에 도시된 계측 시스템(100, 200, 300, 400)과 같은 계측 시스템에 의한 구현에 각각 적합하다. 일 양태에 있어서, 방법(500)의 데이터 처리 블록들은 컴퓨팅 시스템(130) 또는 임의의 다른 범용 컴퓨팅 시스템의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 사전 프로그램된 알고리즘을 통해 실행될 수 있는 것으로 인식된다. 계측 시스템(100, 200, 300, 400)의 특정 구조적 양태는 제한을 나타내지 않고 단지 예시하는 것으로 해석하여야 한다.
블록 501에서, 조명원으로부터 미리 정해진 양의 광대역 조명 광이 입사면 내의 하나 이상의 입사각으로 피측정 시료의 표면 위의 측정 스폿에 지향된다.
블록 502에서, 미리 정해진 양의 광이 시료의 표면 위의 측정 스폿으로부터 수집된다.
블록 503에서, 제1 파장 범위에서의 수집광량의 제1 부분이 제1 검출기의 표면 쪽으로 지향되고 제2 파장 범위에서의 수집광량의 제2 부분이 제2 검출기의 표면 쪽으로 지향된다.
블록 504에서, 제1 파장 범위에서의 조명 광량에 대한 시료의 응답이 검출된다.
블록 505에서, 제1 파장 범위에서의 조명 광량에 대한 시료의 응답이 검출되는 것과 동시에 제2 파장 범위에서의 조명 광량에 대한 시료의 응답이 검출된다.
여기에서 설명한 것처럼 구성될 수 있는 예시적인 측정 기술은, 비제한적으로, 뮬러 행렬 타원측정법(Mueller matrix ellipsometry, MMSE), 회전 편광자 SE(rotating polarizer SE, RPSE), 회전 편광자, 회전 보상기 SE(rotating compensator SE, RPRC), 회전 보상기, 회전 보상기 SE(rotating compensator SE, RCRC)를 포함한 분광 타원 계측법(spectroscopic ellipsometry, SE), 편광 SR 및 비편광 SR을 포함한 분광 반사율 측정법(spectroscopic reflectometry, SR), 분광 산란율 측정법, 산란율 측정 오버레이, 빔 윤곽 반사율 측정법, 각도 분석형 및 편광 분석형의 빔 윤곽 타원 계측법, 단일 또는 복수의 이산 파장 타원 계측법 등을 포함한다. 일반적으로, UV 및 IR 파장을 가진 조명을 포함한 임의의 계측 기술은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 생각할 수 있다. 예를 들면, 이미지 기반 계측 기술을 포함한 반도체 구조의 특징화에 적용할 수 있는 임의의 SR 또는 SE 기술은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 생각할 수 있다.
추가의 실시형태에서, 시스템(100, 200, 300, 400)은 여기에서 설명한 방법에 따라 수집된 분광 측정 데이터에 기초하여 실제 소자 구조물의 측정에 사용되는 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)을 포함한다. 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 분광계에 통신적으로 결합될 수 있다. 일 양태에 있어서, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 시료(120)의 구조의 측정과 관련된 측정 데이터(154)를 수신하도록 구성된다.
여기에서 설명한 하나 이상의 단계는 단일 컴퓨터 시스템(130) 또는 대안적으로 복수의 컴퓨터 시스템(130)에 의해 실행될 수 있다는 것을 알아야 한다. 더욱이, 시스템(100, 200, 300, 400)의 상이한 서브시스템들이 여기에서 설명한 단계들 중 적어도 일부를 실행하기에 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 그러므로 전술한 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되고 단지 예시하는 것으로 해석하여야 한다.
또한, 컴퓨터 시스템(130)은 업계에 공지된 임의의 방법으로 분광계에 통신적으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 컴퓨터 시스템(130)은 분광계와 제휴된 컴퓨팅 시스템에 결합될 수 있다. 다른 예로서, 분광계는 컴퓨터 시스템(130)에 결합된 단일 컴퓨터 시스템에 의해 직접 제어될 수 있다.
계측 시스템(100, 200, 300, 400)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 시스템의 서브시스템(예를 들면, 분광계 등)으로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이 방식에서, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100, 200, 300, 400)의 다른 서브시스템들 간의 데이터 링크로서 소용될 수 있다.
계측 시스템(100, 200, 300, 400)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 다른 시스템으로부터 데이터 또는 정보(예를 들면, 측정 결과, 모델링 입력, 모델링 결과, 참조 측정 결과 등)를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이 방식에서, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 기타 시스템(예를 들면, 메모리 온보드 계측 시스템(100, 200, 300, 400), 외부 메모리 또는 기타 외부 시스템)들 간의 데이터 링크로서 소용될 수 있다. 예를 들면, 컴퓨팅 시스템(130)은 데이터 링크를 통해 스토리지 매체(즉, 메모리(132) 또는 외부 메모리)로부터 측정 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 여기에서 설명한 분광계를 이용하여 획득된 특수 결과들은 영구 또는 반영구 메모리 장치(예를 들면, 메모리(132) 또는 외부 메모리)에 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 특수 결과들은 온보드 메모리로부터 또는 외부 메모리 시스템으로 부터 가져올 수 있다. 더욱이, 컴퓨터 시스템(130)은 전송 매체를 통해 다른 시스템에 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들면, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정된 측정 모델 또는 추정 파라미터 값이 외부 메모리로 전달되어 저장될 수 있다. 이와 관련하여, 측정 결과들은 다른 시스템에 보내질 수 있다.
컴퓨팅 시스템(130)은 비제한적으로 개인용 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서 또는 업계에 공지된 임의의 다른 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로, 용어 "컴퓨팅 시스템"은 메모리 매체로부터의 명령어를 실행하는 하나 이상의 프로세서를 구비한 임의의 장치를 포괄하는 것으로 넓게 정의될 수 있다.
여기에서 설명한 것과 같은 방법을 구현하는 프로그램 명령어(134)는 배선, 케이블 또는 무선 전송 링크와 같은 전송 매체를 통해 전송될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 것처럼, 메모리(132)에 저장된 프로그램 명령어(134)는 버스(133)를 통해 프로세서(131)에 전송된다. 프로그램 명령어(134)는 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들면, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터 판독가능 매체는 읽기 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.
일부 예에서, 측정 모델은 미국 캘리포니아주 밀피타스에 소재하는 케이엘에이-텐코 코포레이션으로부터 입수 가능한 SpectraShape® 광학 임계 치수 계측 시스템의 한 요소로서 구현된다. 이 방식에서, 모델은 스펙트럼이 시스템에 의해 수집된 직후에 생성되어 사용할 준비가 된다.
일부 다른 예에서, 측정 모델은 예를 들면 미국 캘리포니아주 밀피타스에 소재하는 케이엘에이-텐코 코포레이션으로부터 입수 가능한 AcuShape® 소프트웨어를 구현하는 컴퓨팅 시스템에 의해 오프라인으로 구현된다. 결과적인 트레이닝된 모델이 측정을 수행하는 계측 시스템에 의해 접근 가능한 AcuShape® 라이브러리의 한 요소로서 통합될 수 있다.
다른 양태에서, 여기에서 설명한 반도체 소자의 분광 계측을 위한 방법 및 시스템은 고종횡비(HAR) 구조물, 큰 측방향 치수 구조물, 또는 둘 다의 측정에 적용된다. 여기에서 설명한 시스템 및 방법에 의해 측정하기에 적합한 예시적인 구조물은 삼성(대한민국), SK 하이닉스(대한민국), 도시바(일본) 및 마이크론 테크놀로지(미국) 등과 같이 다양한 반도체 제조업체에서 제조된 수직-NAND(vertical-NAND, V-NAND) 구조물, 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory, DRAM) 구조물 등과 같은 3차원 NAND 구조물을 포함한다. 이러한 복합 소자들은 측정되는 구조물에 대한 광 침투가 낮다. 도 12는 측정되는 구조물에 대한 광 침투가 낮은 예시적인 고종횡비 NAND 구조(600)를 보인 것이다. 여기에서 설명한 바와 같이 멀티존 센서에 의한 동시 스펙트럼 대역 검출과 함께, 적외선으로의 광대역 능력을 가진 분광 타원 계측기는 이러한 고종횡비 구조물의 측정에 적합하다.
또 다른 양태에 있어서, 여기에서 설명한 측정 결과들은 프로세스 툴(예를 들면, 리소그래피 툴, 에칭 툴, 퇴적 툴 등)에 활성 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 여기에서 설명한 측정 방법에 기초하여 결정된 피측정 파라미터들의 값은 바람직한 출력을 달성하기 위해 리소그래피 시스템을 조정하도록 리소그래피 툴에 전달될 수 있다. 유사한 방법으로, 에칭 파라미터(예를 들면, 에칭 시간, 확산율 등) 또는 퇴적 파라미터(예를 들면, 시간, 농도 등)가 에칭 툴 또는 퇴적 툴에 활성 피드백을 각각 제공하기 위해 측정 모델에 포함될 수 있다. 일부 예에서, 피측정 소자 파라미터 값 및 트레이닝된 측정 모델에 기초하여 결정된 프로세스 파라미터에 대한 보정치가 리소그래피 툴, 에칭 툴 또는 퇴적 툴에 전달될 수 있다.
여기에서 설명한 것처럼 용어 "임계 치수"는 구조물의 임의의 임계 치수(예를 들면, 하부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각, 격자 높이 등), 임의의 2개 이상 구조물의 임계 치수(예를 들면, 2개의 구조물 간의 거리), 및 2개 이상 구조물 간의 변위(예를 들면, 오버레이된 격자 구조물 간의 오버레이 변위 등)를 포함한다. 구조물은 3차원 구조물, 패터닝된 구조물, 오버레이 구조물 등을 포함할 수 있다.
여기에서 설명한 것처럼 용어 "임계 치수 애플리케이션" 또는 "임계 치수 측정 애플리케이션"은 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.
여기에서 설명한 것처럼 용어 "계측 시스템"은 임계 치수 계측, 오버레이 계측, 초점/선량 계측 및 조성 계측과 같은 측정 애플리케이션을 포함한, 임의의 양태에서 시료를 적어도 부분적으로 특징화하기 위해 사용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그러나 그러한 용어는 여기에서 설명하는 용어 "계측 시스템"의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 계측 시스템(100)은 패턴화 웨이퍼 및/또는 비패턴화 웨이퍼 측정용으로 구성될 수 있다. 계측 시스템은 LED 검사 툴, 에지 검사 툴, 후측 검사 툴, 매크로 검사 툴 또는 멀티모드 검사 툴(하나 이상의 플랫폼으로부터의 데이터를 동시에 수반함), 및 임계 치수 데이터에 기초한 시스템 파라미터의 교정으로부터 이익을 취하는 임의의 다른 계측 또는 검사 툴로서 구성될 수 있다.
각종 실시형태는 임의의 반도체 처리 툴(예를 들면, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템) 내에서 시료를 측정하기 위해 사용할 수 있는 반도체 측정 시스템에 대하여 여기에서 설명되었다. 용어 "시료"는 업계에 공지된 수단에 의해 처리(예를 들면, 인쇄 또는 결함 검사)될 수 있는 웨이퍼, 레티클 또는 임의의 다른 샘플을 인용하기 위해 여기에서 사용된다.
여기에서 사용하는 용어 "웨이퍼"는 일반적으로 반도체 또는 비반도체 물질로 형성된 기판을 말한다. 그 비제한적인 예를 들자면, 단결정 실리콘, 비화 갈륨 및 인화 인듐이 있다. 그러한 기판은 반도체 제조 설비에서 일반적으로 발견되고 및/또는 처리될 수 있다. 일부 경우에, 웨이퍼는 기판(즉, 베어 웨이퍼)만을 포함할 수 있다. 대안적으로, 웨이퍼는 기판 위에 형성된 하나 이상의 다른 물질 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼 위에 형성된 하나 이상의 층은 "패턴화" 또는 "비패턴화"될 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피처를 가진 복수의 다이를 포함할 수 있다.
"레티클"은 레티클 제조 공정의 임의 단계에 있는 레티클, 또는 반도체 제조 설비에서 사용하기 위해 방출되었거나 방출되지 않은 완성된 레티클을 말할 수 있다. 레티클 또는 "마스크"는 실질적으로 불투명한 영역이 그 위에 형성되고 패턴 내에서 구성된 실질적으로 투명한 기판으로서 일반적으로 정의된다. 기판은 예를 들면 비정질 SiO2와 같은 글래스 물질을 포함할 수 있다. 레티클은 레티클 위의 패턴이 레지스트에 전사될 수 있도록 리소그래피 공정의 노광 단계 중에 레지스트 덮인 웨이퍼 위에 배치될 수 있다.
웨이퍼 위에 형성된 하나 이상의 층은 패턴화 또는 비패턴화될 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼는 반복 가능한 패턴 피처를 각각 가진 복수의 다이를 포함할 수 있다. 그러한 물질 층의 형성 및 처리는 궁극적으로 완성된 소자를 구성할 수 있다. 많은 다른 유형의 소자들이 웨이퍼 위에 형성될 수 있고, 여기에서 사용하는 용어 웨이퍼는 업계에 공지된 임의 유형의 소자가 위에 제조되는 웨이퍼를 포괄하는 것으로 의도된다.
하나 이상의 예시적인 실시형태에서, 여기에서 설명한 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의 조합으로 구현될 수 있다. 만일 소프트웨어로 구현되면, 기능들은 컴퓨터 판독가능 매체에 하나 이상의 명령어 또는 코드로서 저장되거나 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 하나의 장소로부터 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 이동을 쉽게 하는 임의의 매체를 포함한 컴퓨터 저장 매체 또는 통신 매체 둘 다를 포함한다. 저장 매체는 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터가 접근할 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있다. 비제한적인 예를 들자면, 그러한 컴퓨터 판독가능 매체는 RAM, ROM, EERPRM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 스토리지 장치, 또는 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드 수단을 운반 또는 저장하기 위해 사용될 수 있고 범용 또는 특수 목적 컴퓨터, 또는 범용 또는 특수 목적 프로세서에 의해 접근될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 접속을 컴퓨터 판독가능 매체라고 적절히 부른다. 예를 들어서 만일 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), 디지털 가입자 선로(digital subscriber line, DSL), 또는 적외선, 라디오 및 마이크로파와 같은 무선 기술을 이용하여 웹사이트, 서버 또는 다른 원격 소스로부터 전송되면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 라디오 및 마이크로파와 같은 무선 기술은 매체의 정의에 포함된다. 여기에서 사용하는 용어 원판(disk)과 디스크(disc)는 콤팩트 디스크(compact disc, CD), 레이저 디스크, 광디스크, 디지털 다기능 디스크(digital versatile disc, DVD), 플로피 원판 및 블루레이 디스크를 포함하고, 여기에서 원판은 일반적으로 데이터를 자기적으로 재생하고, 디스크는 데이터를 레이저를 이용하여 광학적으로 재생한다. 상기한 것들의 임의 조합도 컴퓨터 판독가능 매체의 범위에 또한 포함되어야 한다.
비록 소정의 특정 실시형태를 소개 목적으로 위에서 설명하였지만, 본 명세서의 교시는 일반적인 적용성을 가지며 위에서 설명한 특정 실시형태로 제한되지 않는다. 따라서 전술한 실시형태의 각종 수정, 개작 및 각종 특징들의 조합이 첨부된 청구범위에서 규정하는 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 실시될 수 있다.

Claims (24)

  1. 계측 시스템에 있어서,
    미리 정해진 양의(an amount of) 광대역 조명 광을 생성하도록 구성된 하나 이상의 조명원과;
    상기 미리 정해진 양의 조명 광을 상기 조명원으로부터 피측정 시료의 표면 상의 측정 스폿에 입사면 내의 하나 이상의 입사각으로 지향시키도록 구성된 조명 옵틱스(illumination optics) 서브시스템과;
    상기 시료의 표면 상의 측정 스폿으로부터 미리 정해진 양의 수집광을 수집하도록 구성된 수집 옵틱스(collection optics) 서브시스템과;
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성된 제1 검출기와;
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 상기 제1 검출기가 상기 제1 검출기에 의해 상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성된 제2 검출기와;
    상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제1 부분을 상기 제1 검출기의 표면 쪽으로 분산시키도록 구성된 제1 회절 요소와;
    상기 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제2 부분을 상기 제2 검출기의 표면 쪽으로 분산시키도록 구성된 제2 회절 요소
    를 포함하는 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수집 옵틱스 서브시스템은, 상기 제1 검출기에 투영된 상기 입사면과 정렬된 방향이 상기 제1 검출기의 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 상기 제1 검출기의 표면에 상기 측정 스폿을 이미징하는 것인 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수집 옵틱스 서브시스템은, 상기 제2 검출기에 투영된 상기 입사면과 정렬된 방향이 상기 제2 검출기의 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 상기 제2 검출기의 표면에 상기 측정 스폿을 이미징하는 것인 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출기는, 각각 상이한 감광도를 가진 2개 이상의 상이한 표면 영역을 포함하고, 상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 제2 검출기의 표면 전역에서 파장 분산 방향과 정렬되는 것인 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 상기 제1 검출기가 상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성된 제3 검출기와;
    상기 제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제3 부분을 상기 제3 검출기의 표면 쪽으로 분산시키도록 구성된 제3 회절 요소를 더 포함하는 계측 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미리 정해진 양의 수집광의 일부를 검출하도록 구성된 미세 초점 센서와;
    상기 미리 정해진 양의 수집광의 상기 일부를 상기 미세 초점 센서로 지향시키도록 구성된 빔스플리팅 요소를 더 포함하고,
    상기 미세 초점 센서는 상기 제1 및 제2 검출기가 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 시료 초점 오차를 검출하도록 구성되는 것인 계측 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 양의 조명 광은 적외선, 가시광선 및 자외선 파장을 포함한, 파장 범위를 포함하는 광대역 조명 광인 것인 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 양의 조명 광의 적어도 일부는 수직 입사각으로 상기 시료에 제공되는 것인 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 양의 조명 광의 적어도 일부는 비스듬한 입사각으로 상기 시료에 제공되는 것인 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 계측 시스템은 분광 타원 계측기(spectroscopic ellipsometer)와 분광 반사율 측정기(spectroscopic reflectometer) 중의 임의의 하나 이상으로서 구성되는 것인 계측 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 피측정 시료는 고종횡비의 계측 타겟인 것인 계측 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 피측정 시료는 3차원 NAND 구조물 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물인 것인 계측 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출기의 출력과 상기 제2 검출기의 출력의 종합 분석에 기초하여 상기 피측정 시료의 관심 있는 파라미터의 추정치를 생성하도록 구성된 컴퓨팅 시스템을 더 포함하는 계측 시스템.
  14. 계측 시스템에 있어서,
    미리 정해진 양의 광대역 조명 광을 생성하도록 구성된 하나 이상의 조명원과;
    상기 미리 정해진 양의 조명 광을 상기 조명원으로부터 피측정 시료의 표면 상의 측정 스폿에 입사면 내의 하나 이상의 입사각으로 지향시키도록 구성된 조명 옵틱스 서브시스템과;
    상기 시료의 표면 상의 측정 스폿으로부터 미리 정해진 양의 수집광을 수집하도록 구성된 수집 옵틱스 서브시스템과;
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성되며, 각각 상이한 감광성을 가진 2개 이상의 상이한 표면 영역―상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 제1 검출기의 표면 전역에서 파장 분산 방향과 정렬됨―을 포함하는 제1 검출기와;
    상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제1 부분을 상기 제1 검출기의 표면 전역에 분산시키도록 구성된 제1 회절 요소
    를 포함하는 계측 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 상기 제1 검출기가 상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성된 제2 검출기와;
    상기 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제2 부분을 상기 제2 검출기의 표면 전역에 분산시키도록 구성된 제2 회절 요소를 더 포함하는 계측 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 수집 옵틱스 서브시스템은, 상기 제1 검출기에 투영된 상기 입사면과 정렬된 방향이 상기 제1 검출기의 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 상기 제1 검출기의 표면에 상기 측정 스폿을 이미징하는 것인 계측 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    입사광에 민감한 평평한 2차원 표면을 구비하고, 상기 제1 검출기가 상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하도록 구성된 제3 검출기와;
    상기 제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제3 부분을 상기 제3 검출기의 표면 전역에 분산시키도록 구성된 제3 회절 요소를 더 포함하는 계측 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 미리 정해진 양의 수집광의 일부를 검출하도록 구성된 미세 초점 센서와;
    상기 미리 정해진 양의 수집광의 상기 일부를 상기 미세 초점 센서로 지향시키도록 구성된 빔스플리팅 요소를 더 포함하는 계측 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 피측정 시료는 3차원 NAND 구조물 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물인 것인 계측 시스템.
  20. 방법에 있어서,
    조명원으로부터의 미리 정해진 양의 광대역 조명 광을 피측정 시료의 표면 상의 측정 스폿에 입사면 내의 하나 이상의 입사각으로 지향시키는 단계와;
    상기 시료의 표면 상의 측정 스폿으로부터 미리 정해진 양의 수집광을 수집하는 단계와;
    제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제1 부분을 제1 검출기의 표면 쪽으로 지향시키고 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제2 부분을 제2 검출기의 표면 쪽으로 지향시키는 단계와;
    상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 단계와;
    상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 상기 제2 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 검출기에 투영된 상기 입사면과 정렬된 방향이 상기 제1 검출기의 표면에서 파장 분산 방향에 수직으로 지향되도록, 상기 제1 검출기의 표면에 상기 측정 스폿을 이미징하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제2 검출기는, 각각 상이한 감광도를 가진 2개 이상의 상이한 표면 영역을 포함하고, 상기 2개 이상의 상이한 표면 영역은 상기 제2 검출기의 표면 전역에서 파장 분산 방향과 정렬되는 것인 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 수집광의 제3 부분을 제3 검출기의 표면 쪽으로 지향시키는 단계와;
    상기 제1 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 것과 동시에 상기 제3 파장 범위에서의 상기 미리 정해진 양의 조명 광에 대한 상기 시료의 응답을 검출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 피측정 시료는 3차원 NAND 구조물 또는 동적 랜덤 액세스 메모리 구조물인 것인 방법.
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