KR20220101344A - 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템 및 광학 계측 시스템의 보정 방법 - Google Patents

초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템 및 광학 계측 시스템의 보정 방법 Download PDF

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Abstract

초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템은 샘플의 광학 정보를 계측할 수 있다. 상기 광학 계측 시스템은 광원 블럭, 분석 블럭 및 보정 블럭을 포함할 수 있다. 상기 광원 블럭은 상기 샘플에 광을 조사할 수 있다. 상기 분석 블럭은 상기 샘플로부터 반사되는 반사광을 수집할 수 있다. 상기 분석 블럭은 상기 수집된 반사광의 성분을 복수 개로 회절 격자로 분리하여 이미지화하여 출력할 수 있다. 상기 보정 블럭은 상기 분석 블럭으로부터 제공된 정보를 이용하여 상기 샘플의 특성을 측정할 수 있다. 상기 보정 블럭은 상기 측정된 정보로부터 상기 시스템을 구성하는 성분들을 보정할 수 있다. 따라서, 회절 격자 방식을 이용하는 HSI 모듈을 이용하여 반사광을 분석하여, sub 1nm의 파장 분해능으로 박막의 광학적 특성을 측정할 수 있다.

Description

초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템 및 광학 계측 시스템의 보정 방법{OPTICAL MEASURING SYSTEM BASED ON HYPERSPECTRAL IMAGING AND METHOD OF CORRECTING THE SYSTEM}
본 발명은 반도체 광학 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고종횡비 구조(high aspect ratio contact)를 갖는 반도체 메모리 장치의 광학적 특성을 정확히 계측할 수 있는 반도체 디바이스의 광학 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 장치 제조사는 회로의 집적도 향상을 위해 끊임없이 선폭을 감소시키고 3D 구조를 발전시키고 있다. 이에 따라 DRAM 및 NAND 등 메모리 소자의 종류에 관계 없이 다양한 물성, 복잡한 구조 및 고 종횡비(HAR, High aspect ratio) 형상을 갖게 된다.
반도체 계측의 관점에서는 이미 패턴의 주기가 광 분해능 한계를 넘어섰기 때문에 직접적인 이미징 방법으로는 패턴의 프로파일 및 불량 검출이 불가능한 상황이다.
본 발명은 고종횡비 구조를 갖는 소자의 정확한 광학적 특성을 측정할 수 있는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기한 광학 계측 시스템에 의해 측정된 데이터를 통해 지속적으로 보정하여, 정확한 데이터를 출력할 수 있는 광학 계측 시스템을 이용하는 보정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템은 샘플의 광학 정보를 계측할 수 있다. 상기 광학 계측 시스템은 광원 블럭, 분석 블럭 및 보정 블럭을 포함할 수 있다. 상기 광원 블럭은 상기 샘플에 광을 조사할 수 있다. 상기 분석 블럭은 상기 샘플로부터 반사되는 반사광을 수집할 수 있다. 상기 분석 블럭은 상기 수집된 반사광의 성분을 복수 개로 회절 격자로 분리하여 이미지화하여 출력할 수 있다. 상기 보정 블럭은 상기 분석 블럭으로부터 제공된 정보를 이용하여 상기 샘플의 특성을 측정할 수 있다. 상기 보정 블럭은 상기 측정된 정보로부터 상기 시스템을 구성하는 성분들을 보정할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따른 복수의 시료층이 적층된 웨이퍼로 구성된 측정 대상 샘플로부터 반사되는 광을 회절 격자에 의해 다수 개로 분리시키는 HSI(Hyperspectral Imaging) 모듈 및 다수의 광학 성분들을 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템의 구동 방법은 다음과 같다. 적어도 하나가 복수의 시료층을 포함하는 레퍼런스 샘플들을 제공한다. 상기 레퍼런스 샘플에서 반사되는 광을 상기 HSI 모듈에 의해 다수개로 분리하여 광학 정보를 측정하여, 상기 복수의 시료층들에 대한 광학 정보들을 측정한다. 상기 광학 정보들을 이용하여, 상기 측정 대상 샘플과 동일하게 구현된 레퍼런스 샘플의 이상적인 광학 정보와 실제 광학 정보를 측정한다. 상기 레퍼런스 샘플의 상기 이상적인 광학 정보와 상기 실제 광학 정보의 차이를 기초로 하여, 상기 광학 계측 시스템을 보정한다. 상기 보정된 광학 계측 시스템을 이용하여, 상기 측정 대상 샘플의 광학 정보를 측정한다. 상기 측정 대상 샘플의 광학 정보와 상기 레퍼런스 샘플의 이상적인 광학 정보를 비교한다. 상기 측정 대상 샘플의 광학 정보와 상기 이상적인 광학 정보의 차이가 허용 범위 이상일 때, 상기 광학 계측 시스템을 재차 보정한다.
상기된 본 발명에 따르면, 회절 격자 방식을 이용하는 HSI 모듈을 이용하여 반사광을 다수 개로 분리하여 분석함으로써, sub 1nm의 파장 분해능으로 박막의 광학적 특성을 측정할 수 있다. 또한, 본 실시예의 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템은 Psi, delta 등과 같은 타원 측정 계수 또는 뮬러 매트릭스 값을 통해 시스템 보정을 주기적으로 수행함므로써, 시스템 변경으로 인한 시스템 에러를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 반도체 광학 계측 시스템을 보여주는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 반도체 광학 계측 시스템의 세부 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HSI 모듈의 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 블럭에 대한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 블럭의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6a는 일반적인 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 Psi 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 Psi(ψ) 그래프이다.
도 7a는 일반적인 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 델타(delta:△) 상태를 나타낸 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 delta 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장에 따른 반사율 곡선을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
일반적인 광학 장치는 광원부의 광원과 미러 사이에 모노크로메이터(monochromator)가 설치되어, 1개의 파장에 대해 이미지를 측정하도록 구성되었다. 하지만, 현재, 낸드 플래시 메모리 소자의 경우, 그 높이가 기하급수적으로 증대됨에 따라, 수십 내지 수백 층의 높이로 구성되는 낸드 플래시 메모리 소자에서 기인된 래피드 오실레이션 스펙트럼(rapid oscillation spectrum) 을 기존의 모노크로메이터를 통해 정확히 측정하기 어려운 문제가 있다. 여기서, 모노크로메이터는 입사광을 회절시켜 다단으로 분리하고, 분리된 광 성분을 통해 출력광의 스펙트럼(spectrum)을 측정하게 하는 장치이다.
또한, 낸드 플래시 메모리 소자의 높이가 기하급수적으로 늘어나는 데 반해, 현재 모노크로메이터의 파장 분리 능력이 한계에 봉착함에 따라, 종래의 모노크로메이터의 경우, 예를 들어, 5nm 이상의 밴드폭(bandwidth)으로 낸드 플래시 메모리 소자를 측정하기 때문에, HAR의 낸드 플래시 메모리의 정확한 특성을 측정하기 어렵다.
이에 따라, 본 실시예에서는 광원 블럭(150) 내에 모노크로메이터의 구성을 삭제하는 대신 1nm 이내의 밴드폭으로 낸드 플래시 메모리 소자를 광학적으로 측정할 수 있도록 HSI(Hyperspectral Imaging) 모듈을 구비한 광학 계측 시스템을 제공할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 반도체 광학 계측 시스템을 보여주는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 반도체 광학 계측 시스템의 세부 블럭도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 초분광 이미징 기술 기반 반도체 광학 계측 시스템(100)은 광원 블럭(150), HSI(Hyperspectral Imaging) 모듈(300)을 포함하는 분석 블럭(200) 및 보정 블럭(500)을 포함할 수 있다.
광원 블럭(150)은 샘플(110)에 광을 조사할 수 있다. 일 예로서, 광원 블럭(150)은 광원(120), 제 1 미러(130), 편광자(135) 및 집광 광부품(140)를 포함할 수 있다. 샘플(110)은 적어도 하나의 시료층(도시되지 않음)을 포함하거나 또는 시료층을 포함하지 않는 베어(bare) 웨이퍼일 수 있다.
광원(120)은 예를 들어, 백색광 소스일 수 있으며, 자외선 영역, 가시광선 영역 및 원적외선 영역을 모두 커버할 수 있는 250nm에서 1100nm의 광대역 파장을 갖는 광원일 수 있다. 광원(120)은 예를 들어, 라인 스캐닝(line scanning) 방식으로 샘플(100) 상에 광을 조사할 수 있다. 상기 라인 스캐닝 방식은 상기 샘플(110)이 놓여지는 스테이지(stage: 도시되지 않음)를 x축 및/또는 y축으로 움직이게 함으로써, 샘플(110)의 다양한 방향으로 라인 빔(beam) 형태의 광이 조사되도록 하는 방식일 수 있다.
예를 들어, 상기 광원(120)은 13mm X 1mm의 라인 빔 형태의 빔 프로파일을 제공할 수 있다. 또한, 상기 광원(120)의 NA(numerical aperture)를 고려하여, 0.08로 설정할 수 있다.
광원(120)으로부터 조사된 라인 빔은 미러(130)에 전달될 수 있다. 미러(130)는 예를 들어 콜리메이팅 미러(collimating mirror)일 수 있다. 상기 콜리메이팅 미러는 입사된 빔의 분산 없이 평행 상태로 상기 편광자(135)로 전달시키는 역할을 수행할 수 있다. 광원(120)에서 제공되는 라인 빔은 예를 들어, 광섬유(125)를 통해 상기 미러(130)에 제공될 수 있다. 미러(130)로부터 전달된 입사광은 편광자(135)에 입력되어, 편광자(135)의 편광축과 일치하는 방향의 라인 빔만을 필터링할 수 있다.
상기 집광 광부품(140)은 상기 편광자(135)로부터 제공되는 입사광(I1)을 샘플(110) 상의 정해진 위치에 집광시킨다. 상기 샘플(110)의 집광 위치는 상기 스테이지의 위치 이동에 의해 변경될 수 있다. 샘플(110)의 소정 위치에 입사된 광은 상기 소정 위치의 특성이 반영되어 반사될 수 있다. 샘플(110)에서 반사되는 반사광(I2)은 분석 블럭(200)으로 반사될 수 있다. 상기 집광 광부품(140)은 집광 렌즈를 포함할 수 있다.
분석 블럭(200)은 이미징 광부품(210), 분해자(220) 및 HSI 모듈(300)을 포함할 수 있다.
이미징 광부품(210)은 퓨리에 변환(Fourier transform)을 수행하는 렌즈로서, 도면에는 하나의 렌즈로 표시되었지만, 복수의 렌즈로 구성될 수도 있다. 이미징 광부품(210)은 도면에 자세히 도시되지 않았지만, 퓨리에 평면(Fourier plane) 및 그 내부의 어퍼처를 포함할 수 있다. 이와 같은 이미징 광부품(210)은 상기 퓨리에 평면에 위치되는 개구의 형태를 통해 반사광(I2)의 정보를 입력받아 이미지화할 수 있다. 이미징 광부품(210)은 이미징 렌즈를 포함할 수 있다.
분해자(220)는 상기 이미징 광부품(210)으로부터 출력되는 반사광(I2)을 입력받아, 그것의 분해축(도시되지 않음)과 일치하는 반사광(I2) 성분을 추출하여, 상기 HSI 모듈(300)에 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HSI 모듈의 블럭도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, HSI 모듈(300)은 상기 반사광(I2-1)의 성분을 복수 개의 회절 격자로 분리하여 출력할 수 있다.
HSI 모듈(300)은 디텍터(310), HSI 처리부(330) 및 이미지 처리부(350)를 포함할 수 있다.
디텍터(310)는 상기 반사광(I2-1)을 검출하여, 2차원 영상 데이터 형태로 출력할 수 있다. 상기 디텍터(310)는 예를 들어, CCD 또는 CIS일 수 있다.
HSI 처리부(330)는 상기 디텍터(310)에서 출력된 2차원 영상 데이터를 입력받아, 다수의 회절 격자로 분리하여 보다 많은 수의 픽셀로 세분화할 수 있다.
HSI 처리부(330)는 도 3에 도시된 바와 같이, 슬릿(320), 제 1 콘케이브 미러(concave mirror: 312), 회절 격자판(314), 제 2 콘케이브 미러(316) 및 영역 카메라(318)을 포함할 수 있다.
슬릿(320)은 소정 형태의 개구(H)를 가질 수 있으며, 슬릿(320)의 개구를 통과한 반사광은 제 1 콘케이브 미러(312)를 통해 반사되어 회절 격자판(314)에 전달된다.
회절 격자판(314)은 상기 제 1 콘케이브 미러(312)로부터 입력되는 반사광을 수많은 다수의 다른 파장을 갖도록 분리시켜, 더 많은 수의 반사광을 생성 및 출력할 수 있다.
제 2 콘케이브 미러(316)는 상기 회절 격자판(314)에 의해 반사되는 광을 반사시켜, 상기 영역 카메라(318)에 전달할 수 있다. 영역 카메라(318)는 상기 제 2 콘케이브 미러(316)로부터 반사된 다수 개로 분리된 반사광들을 2차원 픽셀 어레이 영역 형태로 촬상할 수 있다.
이미지 처리부(350)는 2차원 이미지 처리부(360) 및 3차원 이미지 처리부(380)를 포함할 수 있다.
2차원 이미지 처리부(360)는 상기 영역 카메라(318)로부터 촬상된 이미지를 공간(x축) 및 파장(z축)으로 이루어진 2차원 영상을 생성할 수 있다. 상기 2차원 이미지 처리부(360)에 의해 생성된 2차원 영상은 상기 디텍터(310)의 2차원 이미지 보다 더 많은 수의 픽셀을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 2차원 이미지 처리부(360)에 의해 생성된 영상의 1 픽셀 크기는 1nm 이하, 예컨대, 0.23 내지 0.56nm 수준이 될 수 있다.
3차원 이미지 처리부(380)는 상기 2차원 이미지 처리부(360)로부터 출력된 상기 2차원 이미지들을 수집하여, 3차원 이미지 데이터를 얻을 수 있다. 즉, 샘플(110)의 측정 위치를 y축으로 소정 거리 이격시킨 후, 상기와 같은 일련의 처리를 통해 2차원 이미지를 획득한다. 획득된 2차원 이미지는 상기 3차원 이미지 처리부(380)내에서 측정 위치 순으로 순차적으로 수집(적층)되어, 3차원 큐브 형태의 소자를 시뮬레이션할 수 있다.
보정 블럭(500)은 상기한 3차원 이미지 처리부(380)로부터 제공된 시뮬레이션 이미지를 이용하여, 샘플(110)의 특성을 측정 및 보정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 블럭에 대한 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 보정 블럭(500)은 측정부(510), 시스템 보정부(530), 비교부(550) 및 출력부(570)를 포함할 수 있다. 상기 측정부(510)는 샘플(110) 상에 형성된 시료층들에 의해 변화되는 팩터들을 측정할 수 있다.
측정부(510)는 레퍼런스 샘플 및 측정 대상 샘플(110)의 반사율 스펙트럼(Rref, Rsample) 및 뮬러 매트릭스(M)을 측정할 수 있다.
상기 뮬러 매트릭스(M)는 베어 웨이퍼(bare wafer)를 레퍼런스 샘플로 이용하여 측정되는 제 1 뮬러 매트릭스(M1) 및 측정 대상 샘플과 동일하게 복수의 시료층이 형성된 웨이퍼를 레퍼런스 샘플로 이용하여 측정되는 제 2 뮬러 매트릭스(M2)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 뮬러 매트릭스(M1)는 시료층이 형성되지 않은 베어 웨이퍼를 측정한 것이므로, 실질적으로 광학 계측 시스템의 광학 성분들에 대한 뮬러 매트릭스를 나타낼 수 있다.
또한, 측정부(510)는 상기 제 1 및 제 2 뮬러 매트릭스(M1, M2)외에, 시료층들의 두께 및 물성 변화에 따른 뮬러 매트릭스들을 각각 측정할 수 있다. 본 실시예의 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템은 상술한 바와 같이 반사되는 광을 회절 격자에 의해 다수개로 분리시키는 HSI 모듈에 의해 보다 세밀하게 시료층들의 특성을 각각 측정할 수 있다.
시스템 보정부(530)는 광학 계측 시스템(100)의 출력 신호(Sout)로부터 광학 계측 시스템의 보정 대상을 결정하고, 해당 인자를 보정하여, 보정된 출력 신호(Sout) 및 보정된 반사율 스펙트럼(R')을 출력할 수 있다.
광학 계측 시스템(100)의 출력 신호(Sout)는 다음의 식으로 표현될 수 있다.
<식 1>
Sout=P2*M*P1*Sin
여기서, P1은 편광자(135)의 편광값, P2는 분해자(220)의 분해값, M은 샘플의 뮬러 매트릭스를 나타낼 수 있다.
본 실시예의 측정부(510)는 상술한 바와 같이, 광학 계측 시스템(100)에 대한 제 1 뮬러 매트릭스(M1) 및 상기 시료층들에 대한 제 2 뮬러 매트릭스(M2)의 곱으로 얻어질 수 있다.
이때, 편광값(P1), 분해값(P2), 및 제 1 뮬러 매트릭스(M1)는 고정 값에 해당할 수 있으므로, 상기 뮬러 매트릭스(M)로부터 복수의 시료층들의 특성을 대변하는 제 2 뮬러 매트릭스(M2)의 값을 선택적으로 산출할 수 있다.
알려진 바와 같이, 뮬러 매트릭스의 각 성분은 광의 편광 상태를 기술하는 스토크스 벡터(stokes vector)를 다루기 위한 매트릭스의 표현식이다. 그러므로, 뮬러 매트릭스의 성분의 변화를 통해, 시료층들의 어느 부분에서 문제가 발생되었는지 예측할 수 있다. 또한, 상기 측정부(510)는 각 시료층의 두께 및 물성에 따른 이상적인 뮬러 매트릭스 값을 측정 하였으므로, 오류가 발생된 부분을 예측함은 물론, 해당 부분을 정상 매트릭스 성분으로 대체하여, 광학 계측 시스템을 보정할 수 있다.
또한, 시스템 보정부(530)는 하기 식 2에 의해, 반사율을 보정할 수 있다.
<식 2>
Figure pat00001
비교부(550)는 보정된 광학 계측 시스템을 통해 측정된 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))와 이상적인 뮬러 매트릭스(Mtheory(λ))를 비교한다. 이때, 이상적인 뮬러 매트릭스(Mtheory(λ))는 상기 측정부(510)를 통해 측정된 각 시료층들의 뮬러 매트릭스들의 조합으로부터 얻어질 수 있다.
출력부(570)는 상기 측정 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))와 이상적인 뮬러 매트릭스(Mtheory(λ))를 비교한 결과값(Error)이 허용 범위 이내인 경우, 상기 측정 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))를 제 2 뮬러 매트릭스에 대입하여 출력 신호(Sout) 및 보정된 반사율(R(λ))을 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보정 블럭의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 레퍼런스 샘플을 준비한다(S1). 상기 레퍼런스 샘플은 예를 들어, 웨이퍼 자체 및 실제 측정 대상 샘플과 동일한 형태, 즉 복수의 시료층을 포함하는 웨이퍼를 포함할 수 있다.
다음, 광학 계측 시스템(100)이 보정 되었는지 확인한다(S2).
만약, 상기 광학 계측 시스템(100)이 보정되지 않은 경우, 상기 측정부(510)는 상기 HSI 모듈(300)에 의해 다수 개로 분리된 상기 레퍼런스 샘플의 반사광을 이용하여 반사율 스펙트럼(Rsample) 및 제 1 및 제 2 뮬러 매트릭스(M1,M2)를 측정한다(S3).
상술하였듯이, 측정부(510)는 베어 웨이퍼를 통한 광학 계측 시스템(100) 자체에 대한 제 1 뮬러 매트릭스(M1) 및 상기 시료층들이 형성된 레퍼런스 샘플에 대한 제 2 뮬러 매트릭스(M2)는 물론, 각각의 시료층들 자체의 물성 및 두께 변화에 대한 뮬러 매트릭스까지 측정할 수 있다. 그러므로, 시스템 보정부(530)는 시료층 개별에 대한 뮬러 매트릭스들의 조합과 상기 제 2 뮬러 매트릭스(M2)의 측정 결과로부터, 시료층들의 오류를 예측할 수 있다. 나아가, 시스템 보정부(530)는 오류가 발생된 시료층의 뮬러 매트릭스 성분을 정상 매트릭스 성분으로 대체하여, 광학 계측 시스템(100)의 보정을 수행할 수 있다(S4).
그후, 측정부(510)는 특정 광원 파장에 대한 측정 대상 샘플(110)의 스펙트럼 및 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))를 측정한다(S5).
비교부(550)는 측정된 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))와 이상적인 뮬러 매트릭스(Mtheory(λ))를 비교한다(S5). 예를 들어, 측정된 뮬러 매트릭스(Mexp(λ))와 이상적인 뮬러 매트릭스(Mtheory(λ))의 차이(Error)가 허용 범위 이내인 경우, 출력부(570)는 상기 보정된 반사율 스펙트럼(R(λ)) 및 상기 출력 신호(Sout)을 출력한다(S6).
한편, 상기 차이(Error)가 허용 범위 이상인 경우, 시스템 보정이 이루어지지 않았다고 판단하고, 다시 시스템 보정을 위한 S3 단계로 피드백한다.
도 6a는 일반적인 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 Psi 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 Psi(ψ) 그래프이다. Psi(ψ)는 알려진 바와 같이, 광학 계측 시스템에서 높은 민감도를 갖는 SE(Spectroscopic Ellipsomertry) 항목으로서, 출력 신호의 편광 상태를 보여주는 팩터이다.
도 6a의 경우, 편광자(135) 또는 분해자(220)의 소광 능력에 따라 신호 왜곡이 더욱 심하게 나타나는 반면, 본 실시예와 같이 HSI 모듈(300)을 이용한 광학 계측 시스템(100)을 이용하는 경우, 지속적인 보정 과정을 통해 500nm 이상의 대역에서도 왜곡없이 보상된 Psi(ψ)가 측정된다.
도 7a는 편광자 또는 분해자의 소광 능력에 따라 일반적인 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 델타(delta:△) 상태를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템에서 측정된 파장에 따른 델타 그래프이다. 델타 구조 역시, 광학 계측 시스템의 출력 신호에서 복굴절 상태를 보여주는 팩터이다.
도 7a에 의하면, 델타 구조 역시, 일반적인 광학 계측 시스템으로는 대부분의 광 대역에서 편광자(135) 또는 분해자(220)의 소광비에 따른 심한 신호 왜곡이 발생되는 데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템을 이용하여 델타를 측정하는 경우, 지속적인 보정을 통해 전 광대역에서 왜곡이 없는 형태로 곡선이 측정된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장에 따른 반사율 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 기존의 광학 계측 시스템은 10nm 단위로 광을 조사하는 모노크로메이터를 이용하여 반사율을 측정하였으므로, 낸드 플래시의 채널 콘택의 반사율 측정 시, 예를 들어, 10nm 단위로 반사율이 측정되었다(도면에서 △λ=10nm로 표시). 반면, 본 발명의 실시예와 같이 회절 격자를 이용한 HSI 모듈(300)을 이용한 광학 계측 시스템을 이용하는 경우, 기존 10nm 단위로 측정되었던 반사율 데이터를 1nm(도면에서 △λ=1nm로 표시) 이하의 단위로 측정할 수 있으므로, 깊은 콘택의 어느 부분에서 오류가 발생될 수 있는 지 보다 정확히 파악할 수 있다.
상기된 본 실시예들에 따르면, 회절 격자 방식을 이용하는 HSI 모듈을 이용하여 반사광을 분석하므로써, sub 1nm의 파장 분해능으로 박막의 광학적 특성을 측정할 수 있다. 또한, 본 실시예의 광학 계측 시스템은 Psi, 델타 등과 같은 타원 측정 계수 또는 뮬러 매트릭스 값을 통해 시스템 보정을 주기적으로 수행함므로써, 시스템 변경으로 인한 시스템 에러를 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 챔버로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
150 ; 광원 블럭 200 ; 분석 블럭
300 ; HSI 모듈 500 ; 보정 블럭
110 ; 샘플 120 ; 광원
135 ; 편광자 130 ; 제 1 미러
140 ; 집광 광부품 210 ; 이미징 광부품
220 ; 분해자 310 ; 디텍터
330 ; HSI 처리부 350 ; 이미지 처리부
320 ; 슬릿 312 ; 제 1 콘케이브 미러
314 ; 회절 격자판 316 ; 제 2 콘케이브 미러
318 ; 영역 카메라 360 ; 2차원 이미지 처리부
380 ; 3차원 이미지 처리부 510 ; 측정부
530 ; 비교부 550 ; 시스템 보정부
570 ; 출력부

Claims (10)

  1. 샘플의 광학 정보를 계측하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템으로서,
    상기 샘플에 광을 조사하는 광원 블럭;
    상기 샘플로부터 반사되는 반사광을 수집하고, 상기 수집된 반사광의 성분을 복수 개로 회절 격자로 분리하여 이미지화하여 출력하는 분석 블럭; 및
    상기 분석 블럭으로부터 제공된 정보를 이용하여 상기 샘플의 특성을 측정하고, 상기 측정된 정보로부터 상기 시스템을 구성하는 성분들 및 상기 샘플의 시료층의 오류를 보정하도록 구성되는 보정 블럭을 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원 블럭은
    자외선 영역, 가시광선 영역 및 원적외선 영역을 모두 포함하는 파장 대역의 광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 조사되는 빔을 분산 없이 평행한 상태로 전달하는 콜리메이팅 미러;
    상기 콜리메이팅 미러에서 출력되는 빔을 제공받아, 자신의 축과 일치하는 방향의 빔을 출력하는 편광자; 및
    상기 편광자에서 출력된 빔을 상기 샘플에 집속시키거나 또는 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출력된 상기 빔이 상기 편광자를 통과한 이후 상기 샘플에 집속시키는 집광 광부품을 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 블럭은 상기 샘플에서 반사되는 광을 회절 격자 분리하여 다수개의 빔으로 분리하는 HSI(Hyperspectral Imaging) 모듈을 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 분석 블럭은
    퓨리에 평면을 통해 상기 반사광의 이미지를 1차적으로 이미지화하는 이미징 광부품;
    상기 이미징 광부품의 출력 이미지를 필터링하는 분해자;
    상기 분해자에서 통과된 반사광을 2차원 영상 데이터 형태로 출력하거나 또는 상기 분해자에 의해 필터링된 광을 상기 이미징 광부품을 통과한 상기 반사광을 2차원 영상 데이터로 출력하는 디텍터;
    상기 디텍터로부터 입력된 필터링된 2차원 영상 데이터를 회절 격자로 분리하여 상기 필터링된 2차원 영상 데이터를 세분화하는 HSI 처리부; 및
    상기 세분화된 2차원 영상 데이터를 공간 및 파장으로 이루어진 2차원 이미지 및 상기 2차원 이미지를 수집하여 3차원 이미지를 생성하는 이미지 처리부를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 HSI 처리부는
    상기 디텍터로부터 입력된 2차원 영상 데이터를 통과시키는 적어도 하나의 슬릿;
    상기 슬릿을 통과한 상기 반사광을 1차적으로 반사시키는 제 1 콘케이브(concave) 미러;
    상기 제 1 콘케이브 미러로부터 조사된 상기 반사광을 다수의 서로 다른 파장을 갖도록 분리시키는 적어도 하나의 회절 격자판; 및
    상기 회절 격자판에서 출력되는 상기 반사광들을 2차적으로 반사시키는 제 2 콘케이브 미러를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 콘케이브 미러로부터 반사된 상기 반사광을 2차원 픽셀 어레이 형태로 촬상하는 영역 카메라를 더 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 이미지 처리부는
    상기 2차원 픽셀 어레이를 공간 및 파장으로 이루어진 2D 영상을 생성하는 2차원 이미지 처리부; 및
    위치별로 상이한 상기 2차원 이미지 처리부에서 제공된 2차원 이미지를 수집하여 3차원 이미지 데이터를 생성하는 3차원 이미지 처리부를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플은 적어도 하나의 시료층을 포함하고,
    상기 보정 블럭은
    상기 샘플의 광학 정보, 상기 웨이퍼의 광학 정보 및 상기 시료층의 광학 정보를 측정하여, 상기 샘플의 이상적인 광학 정보를 측정하는 측정부;
    상기 이상적인 샘플의 광학 정보와 상기 샘플의 실제 광학 정보를 비교하는 비교부;
    상기 샘플의 이상적인 광학 정보와 상기 샘플의 실제 광학 정보의 차이가 허용 범위 이상일 때, 상기 광학 계측 시스템의 광학 성분들을 보정하도록 구성되는 시스템 보정부; 및
    보정된 광학 성분들로부터 상기 샘플의 광학 정보를 측정하여, 상기 샘플의 광학적 특성으로서 출력하는 출력부를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템.
  9. 복수의 시료층이 적층된 웨이퍼로 구성된 측정 대상 샘플로부터 반사되는 광을 회절 격자에 의해 다수 개로 분리시키는 HSI(Hyperspectral Imaging) 모듈 및 다수의 광학 성분들을 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템의 구동 방법으로서,
    적어도 하나가 복수의 시료층을 포함하는 레퍼런스 샘플들을 제공하는 단계;
    상기 레퍼런스 샘플에서 반사되는 광을 상기 HSI 모듈에 의해 다수개로 분리하여 광학 정보를 측정하여, 상기 복수의 시료층들에 대한 광학 정보들을 측정하는 단계;
    상기 광학 정보들을 이용하여, 상기 측정 대상 샘플과 동일하게 구현된 레퍼런스 샘플의 이상적인 광학 정보와 실제 광학 정보를 측정하는 단계;
    상기 레퍼런스 샘플의 상기 이상적인 광학 정보와 상기 실제 광학 정보의 차이를 기초로 하여, 상기 광학 계측 시스템을 보정하는 단계;
    상기 보정된 광학 계측 시스템을 이용하여, 상기 측정 대상 샘플의 광학 정보를 측정하는 단계;
    상기 측정 대상 샘플의 광학 정보와 상기 레퍼런스 샘플의 이상적인 광학 정보를 비교하는 단계; 및
    상기 측정 대상 샘플의 광학 정보와 상기 이상적인 광학 정보의 차이가 허용 범위 이상일 때, 상기 광학 계측 시스템을 재차 보정하는 단계를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템의 보정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 정보는 반사율, 타원 측정 계수 및 뮬러 매트릭스를 포함하는 초분광 이미징 기술 기반 광학 계측 시스템의 보정 방법.
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KR102621724B1 (ko) * 2023-07-21 2024-01-05 (주)오로스 테크놀로지 분광 타원계의 시스템 파라미터 최적화와 시료의 광량보정 수행 장치 및 방법

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