KR20230170217A

KR20230170217A - 반도체 계측 장치

Info

Publication number: KR20230170217A
Application number: KR1020220070451A
Authority: KR
Inventors: 최가람; 김욱래; 김진섭; 김진용; 장성호; 한대훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2023-12-19
Also published as: CN117213361A; US20230400404A1; TW202348975A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치는, 광원, 및 상기 광원이 방출한 빛의 진행 경로에 배치되는 적어도 하나의 조명 편광 소자를 포함하는 조명부, 상기 적어도 하나의 조명 편광 소자를 통과한 후 시료에서 반사된 빛의 진행 경로에 배치되는 적어도 하나의 수광 편광 소자, 및 상기 적어도 하나의 수광 편광 소자를 통과한 빛을 받아들여 원본 데이터를 출력하는 이미지 센서를 포함하는 수광부, 및 상기 원본 이미지를 처리하여 상기 시료에서 빛이 입사된 영역에 포함되는 구조체의 임계 치수들 중 선택 임계 치수를 판단하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 원본 이미지에서 간섭으로 인한 피크(peak)가 나타나는 영역들을 선택하여 복수의 샘플 이미지들을 획득하고, 상기 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 뮬러 행렬(Mueller Matrix)을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정하며, 상기 복수의 엘리먼트들에 기초하여 상기 선택 임계 치수를 판단한다.

Description

반도체 계측 장치{SEMICONDUCTOR MEASUREMENT APPARATUS}

본 발명은 반도체 계측 장치에 관한 것이다.

반도체 계측 장치는 반도체 공정으로 형성된 구조체를 포함하는 시료에서 구조체의 임계 치수 등을 측정하는 장치로서, 일반적으로 타원 계측법(Ellipsometry)을 이용하여 임계 치수 등을 측정할 수 있다. 일반적으로 타원 계측법은 고정된 방위각과 입사각으로 시료에 빛을 조사하고, 시료에서 반사된 빛의 스펙트럼 분포를 이용하여 시료에서 빛이 조사된 영역에 포함되는 구조체의 임계 치수를 판단할 수 있다. 반도체 공정으로 형성되는 구조체의 임계 치수가 점점 감소함에 따라, 측정하고자 하는 임계 치수가 아닌, 다른 임계 치수의 변화가 스펙트럼 분포에 미치는 영향이 증가할 수 있으며, 결과적으로 타원 계측법에서 획득한 스펙트럼 분포로, 측정하고자 하는 임계 치수를 정확하게 판단하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 모든 방위각과 넓은 입사각 범위에서 임계 치수 판단에 필요한 데이터를 한 번의 촬영으로 획득하고, 빛의 편광 성분의 세기 차이와 위상차 외에 다른 파라미터들을 이용하여 임계 치수를 판단함으로써, 서로 다른 임계 치수들의 교호 작용에도 불구하고 선택 임계 치수를 정확하게 판단할 수 있는 반도체 계측 장치를 제공하고자 하는 데에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치는, 복수의 편광 소자들을 통과하고 시료에서 반사된 빛을 수신하며, 빛의 편광 성분들의 간섭 패턴을 나타내는 다중 간섭 이미지를 출력하는 이미지 센서, 상기 이미지 센서가 빛을 수신하는 경로에 배치되며, 상기 시료의 상부에 배치되는 대물 렌즈를 포함하는 광학부, 및 상기 다중 간섭 이미지를 처리하여 상기 이미지 센서로 빛이 입사하는 경로와 수직인 평면에서 정의되는 복수의 방위각들 각각에서 상기 편광 성분들로부터 결정되는 편광도를 획득하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 편광도에 기초하여 상기 시료에 포함된 구조체로부터 측정하고자 하는 선택 임계 치수를 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치는, 파장 대역을 바꾸면서 시료에 빛을 조사하는 조명부, 빛이 상기 시료에서 반사되어 이미지 센서로 입사하는 경로에 배치되며, 빛을 복수의 편광 성분들로 분해하는 복수의 빔 디스플레이서들을 포함하는 광학부, 및 상기 복수의 편광 성분들을 수신한 상기 이미지 센서가 생성하는 다중 간섭 이미지에 기초하여, 상기 복수의 편광 성분들을 표현하는 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 결정하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 상기 파장 대역에 따른 상기 적어도 하나의 엘리먼트의 분포에 대응하는 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 시료에서 빛이 조사된 영역에 포함되는 구조체의 임계 치수를 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 0도 내지 360도의 방위각에 해당하는 원본 이미지를 한 번의 촬영으로 획득하고, 원본 이미지에서 빛의 편광 성분들의 간섭으로 인한 피크가 나타나는 영역들의 이미지들을 추출하여 빛의 편광 성분들을 나타내는 복수의 엘리먼트들을 생성할 수 있다. 빛의 편광 성분들의 세기 차이 및 위상차 외에 편광도 등의 다양한 파라미터들을 나타낼 수 있는 복수의 엘리먼트들을 이용함으로써, 임계 치수를 정확하게 판단할 수 있다. 또한, 공정에서 서로 영향을 미치는 임계 치수들의 교호 작용에 관계없이, 계측하고자 하는 임계 치수를 정확하게 판단할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치를 이용한 계측 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치에 포함되는 편광 소자를 설명하기 위한 도면들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 획득하는 원본 이미지를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 원본 이미지로부터 획득하는 주파수 변환 이미지를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 주파수 변환 이미지에서 선택한 영역들을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 주파수 변환 이미지로부터 획득하는 복수의 샘플 이미지들을 나타낸 도면이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 획득하는 뮬러 행렬(Mueller Matrix)의 엘리먼트들을 나타낸 도면들이다.
도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치를 간단하게 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치(10)는 타원 계측법을 이용하는 장치일 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 계측 장치(10)는, 조명부(100), 광학부(200), 이미지 센서(300) 및 제어부(350) 등을 포함할 수 있다. 반도체 계측 장치(10)는, 조명부(100)가 시료(20)에 조사하여 반사된 빛을 수광하여 이미지를 생성하며, 이미지를 분석하여 시료(20)에 포함되는 구조체의 임계 치수를 측정할 수 있다.

조명부(100)는 광원(110), 모노크로미터(120), 파이버(130), 조명 렌즈들(140, 160), 조명 편광부(150) 등을 포함할 수 있다. 광원(110)은 시료(20)로 입사하는 빛을 출력하며, 빛은 자외선 파장 대역부터 적외선 파장 대역까지를 포함하는 빛이거나, 또는 실시예에 따라 특정 파장을 갖는 단색 빛일 수도 있다. 모노크로미터(120)는 광원(110)이 방출한 빛으로부터 소정 파장 대역을 선택하여 출사할 수 있다. 일 실시예에서, 모노크로미터(120)는 광원(110)이 방출하는 빛의 파장 대역을 바꾸면서 시료(20)에 빛을 조사할 수 있으며, 따라서 넓은 파장 대역의 빛이 시료(20)에 조사될 수 있다.

파이버(130)는 케이블 형상의 도광 부재일 수 있으며, 파이버(130)에 입사한 빛은 제1 조명 렌즈(140)에 조사될 수 있다. 제1 조명 렌즈(140)는 볼록 렌즈일 수 있으며, 파이버(130)가 조사한 빛의 각도 분포를 조절하여 빛을 조명 편광부(150)에 입사시킬 수 있다. 일례로 제1 조명 렌즈(140)는, 파이버(130)가 조사한 빛을 평행광으로 변환할 수 있다.

조명 편광부(150)는 조명 렌즈(140)를 통과한 빛을 소정의 편광 방향으로 편광시켜 시료(20)에 입사시킬 수 있다. 일 실시예에서, 조명 편광부(150)는 적어도 하나의 조명 편광 소자(151-153), 및 파장판(154, 155) 등을 포함할 수 있다. 일례로, 조명 편광부(150)는 제1 조명 편광 소자(151), 제2 조명 편광 소자(152), 및 제3 조명 편광 소자(153) 등을 포함할 수 있다. 제1 조명 편광 소자(151)와 제2 조명 편광 소자(152) 각각은 한 쌍의 빔 디스플레이서(beam displacer)들을 포함할 수 있으며, 제3 조명 편광 소자(153)는 편광자(polarzier)일 수 있다.

파장판(154, 155)은 반파장판(half wave plate), 1/4 파장판(quarter wave plate) 등일 수 있으며, 실시예에 따라 조명 편광 소자(151-153)의 개수 및 파장판(154, 155)의 개수는 달라질 수 있다. 일례로, 조명 편광 소자(151-153) 중에서 제1 조명 편광 소자(151)와 제2 조명 편광 소자(152) 각각은 노마르스키 프리즘, 월러스턴 프리즘, 및 로션 프리즘 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 제3 조명 편광 소자(153)는 지면을 기준으로 45도만큼 기울어진 편광 방향으로 빛을 편광시킬 수 있다. 조명 편광부(150)를 통과한 빛은 볼록 렌즈로 구현 가능한 제2 조명 렌즈(160)를 통해 광학부(200)의 빔 스플리터(210)에 입사될 수 있다.

광학부(200)는 이미지 센서(300)와 함께 수광부를 구성할 수 있다. 광학부(200)의 빔 스플리터(210)는 조명부(100)로부터 수신한 빛의 일부를 반사하고, 일부는 투과시킬 수 있다. 빔 스플리터(210)에서 반사된 빛은 대물 렌즈(220)에 입사되며, 대물 렌즈(220)를 통과한 빛은 시료(20)에 입사할 수 있다. 일례로, 대물 렌즈(220)를 통과한 빛은 시료(20)의 타겟 영역에 초점이 맞도록 입사될 수 있다.

대물 렌즈(220)를 통과한 빛이 시료(20)의 타겟 영역에서 반사되면, 다시 대물 렌즈(220)는 반사된 빛을 수신할 수 있다. 도 1에 도시한 일 실시예에서, 시료(20)에 입사하고 반사되는 빛의 광축(C)은 시료(220)의 표면과 수직할 수 있다.

시료(20)로 조사되는 빛은 특정 방향의 직선 편광을 포함할 수 있다. 직선 편광을 포함하는 빛이 집광되어 시료(20)의 타겟 영역에 입사하게 되며, 시료(20)의 표면을 기준으로 결정되는 입사각에 따라 빛은 P 편광 성분 및 S 편광 성분을 포함할 수 있다. 시료(20)에 입사되는 빛에서, P 편광 성분은 다시 P 편광 성분으로 반사되고, S 편광 성분은 다시 S 편광 성분으로 반사될 수 있다.

시료(20)에서 반사된 빛은 대물 렌즈(220)와 빔 스플리터(210), 제1 릴레이 렌즈(230), 수광 편광부(250), 및 제2 릴레이 렌즈(240)를 순차적으로 통과하여 이미지 센서(300)에 입사될 수 있다. 제1 릴레이 렌즈(230)는, 빔 스플리터(210)를 통과한 빛을 집광하여 상(像)을 맺은 후에 수광 편광부(250)에 입사시킨다.

수광 편광부(250)는 적어도 하나의 수광 편광 소자(251, 252)와 파장판(253) 및 검광자(254) 등을 포함할 수 있다. 제1 수광 편광 소자(251)와 제2 수광 편광 소자(252)는 제1 릴레이 렌즈(230)를 통과한 빛을 편광시키며, 각각 한 쌍의 빔 디스플레이서들을 포함할 수 있다. 파장판(253)은 조명부(100)에 포함되는 파장판(154, 155)과 유사하게 반파장판일 수 있다. 수광 편광부(250)를 통과한 빛은 제2 릴레이 렌즈(240)를 통해 이미지 센서(300)에 입사될 수 있다.

제1 및 제2 조명 편광 소자들(151, 152)과 제1 및 제2 수광 편광 소자들(251, 252) 각각은, 입사한 빛을 제1 편광 성분과 제2 편광 성분으로 분리할 수 있다. 일례로, 제1 조명 편광 소자(151)는 입사한 빛을 제1 편광 성분과 제2 편광 성분으로 분리하며, 제1 편광 성분과 제2 편광 성분 각각의 광축을 이동시켜 내보낼 수 있다. 제2 조명 편광 소자(152)는 제1 조명 편광 소자(151)를 통과한 후 반파장판에 의해 45도만큼 편광된 빛을, 다시 제1 편광 성분과 제2 편광 성분으로 분리할 수 있다.

따라서, 이미지 센서(300)에는, 제1 및 제2 조명 편광 소자들(151, 152)과 제1 및 제2 수광 편광 소자들(251, 252)에 의해 생성된 복수의 편광 성분들이 서로 간섭하며 입사할 수 있으며, 결과적으로 이미지 센서(300)는 다중 간섭 이미지를 원본 이미지로서 생성할 수 있다. 이미지 센서(300)는 제어부(350)로 원본 이미지를 출력하며, 제어부(350)는 원본 이미지를 처리하여 시료(20)에서 빛이 조사되는 영역에 포함된 구조체의 임계 치수를 판단할 수 있다.

일례로, 제어부(350)는 원본 이미지를 주파수 변환하고, 복수의 편광 성분들의 간섭에 의한 피크(peak)가 나타내는 영역들을 선택할 수 있다. 제어부(350)은 선택한 영역들 각각을 주파수 역변환하여 복수의 샘플 이미지들을 획득하며, 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 NxN 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정할 수 있다. 일례로 행렬은 뮬러 행렬(Mueller Matrix)일 수 있으며, N은 반도체 계측 장치(10)에 포함되는 편광 소자들의 개수에 따라 결정될 수 있다. 도 1에 도시한 일 실시에에서는 조명부(100)에 제1 및 제2 조명 편광 소자들(151, 152)이 포함되고, 광학부(200)에 제1 및 제2 수광 편광 소자들(251, 252)이 포함되므로, 제어부(350)가 4x4 행렬에 포함되는 복수의 엘리먼트들을 생성할 수 있다.

상기와 같은 방법을 이용함으로써, 반도체 계측 장치(10)는, 시료(20)의 구조체가 갖는 임계 치수들 중에서 측정하고자 하는 선택 임계 치수를 정확하게 판단할 수 있다. 일반적인 경우, 시료(20)에서 반사된 빛의 파장에 따른 스펙트럼 분포를 이용하여 구조체의 임계 치수를 판단하며, 이 경우, 판단하고자 하는 선택 임계 치수와 다른 임계 치수가 스펙트럼 분포에 영향을 미치는 교호 작용으로 인해 선택 임계 치수에 대한 정확한 계측이 어려울 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 원본 이미지에서 추출한 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정하고, 이를 이용하여 선택 임계 치수를 판단할 수 있다. 따라서, 다른 임계 치수의 영향을 최소화할 수 있으며, 반도체 계측 장치(10)의 성능을 개선하고, 나아가 반도체 공정의 수율을 개선할 수 있다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 시료에 해당하는 반도체 장치(400, 400A-400C)의 일부 영역을 간단하게 나타낸 도면일 수 있다. 반도체 장치(400, 400A-400C)는 복수의 반도체 소자들을 포함할 수 있다.

먼저 도 2를 참조하면, 반도체 장치(400)는 기판(401), 소스/드레인 영역들(410), 게이트 구조체들(420), 소스/드레인 컨택들(430) 및 층간 절연층(440) 등을 포함할 수 있다. 다만 이는 반도체 장치(400)의 일부 영역을 도시한 것으로, 반도체 장치(400)는 배선 패턴들, 게이트 컨택들, 복수의 패드 영역들, 가드 패턴들 등을 더 포함할 수 있다.

기판(401)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 기판(401)의 상면에 수직하는 Z축 방향으로 돌출되는 복수의 핀 구조체들(405)이 기판(401)에 형성될 수 있다. 복수의 핀 구조체들(405)은 X축 방향으로 양측에서 소스/드레인 영역들(410)과 연결되며, 게이트 구조체들(420)과 Y축 방향 및 Z축 방향으로 접촉할 수 있다. 복수의 핀 구조체들(405) 각각은 소정의 높이와 폭을 가질 수 있으며, 채널 영역을 제공할 수 있다.

소스/드레인 영역들(410) 각각은 제1 소스/드레인 층(411)과 제2 소스/드레인 층(413)을 포함할 수 있다. 제1 소스/드레인 층(411)은 기판(401) 및 복수의 핀 구조체들(405)과 직접 접촉할 수 있으며, 제2 소스/드레인 층(413)은 제1 소스/드레인 층(411)을 이용하는 선택적 에피택시 성장 공정 등으로 형성되는 층일 수 있다. 제2 소스/드레인 층(413)은 소스/드레인 컨택들(430)과 연결될 수 있다. 소스/드레인 컨택들(430)은 층간 절연층(440) 내에 배치되며, 금속, 금속 실리사이드 등의 물질로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 소스/드레인 컨택들(430)은 서로 다른 물질로 형성되는 복수의 층들을 포함할 수 있다.

복수의 게이트 구조체들(420) 각각은, 게이트 스페이서(421), 게이트 절연층(422), 게이트 전극층(423) 및 캡핑층(424) 등을 포함할 수 있다. 일례로 복수의 게이트 구조체들(420) 중 하나와 그 양측의 소스/드레인 영역들(410)에 의해, 하나의 반도체 소자가 제공될 수 있다.

도 2에 도시한 일 실시예에서, 복수의 핀 구조체들(405)은 제1 높이(H1)와 제1 폭(W1)을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치를 이용하여 복수의 핀 구조체들(405)의 임계 치수들 중에서, 제1 높이(H1) 또는 제1 폭(W1)을 계측할 수 있다.

다만, 반도체 장치(400)의 특성에 따라, 복수의 핀 구조체들(405)의 높이와 폭은 달라질 수 있다. 다만, 복수의 핀 구조체들(405)의 높이를 측정하기 위한 스펙트럼 분포에, 복수의 핀 구조체들(405)의 폭 변화가 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 반도체 계측 장치가 스펙트럼 분포를 획득하여 복수의 핀 구조체들(405)의 높이를 측정하고자 하는 경우, 복수의 핀 구조체들(405)의 폭 변화에 의해 높이를 계측하고자 획득한 스펙트럼 분포가 정확하지 않게 생성될 수 있으며, 결과적으로 계측에 오류가 발생할 수 있다.

도 3에 도시한 일 실시예에서, 반도체 장치(400A)는 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(400)보다 큰 높이를 갖는 복수의 핀 구조체들(405A)을 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 복수의 핀 구조체들(405A)이 제1 높이(H1)보다 큰 제2 높이(H2)를 가질 수 있으며, 그로 인해 소스/드레인 영역들(410A)의 형상도 달라질 수 있다.

다음으로 도 4를 참조하면, 반도체 장치(400B)는 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(400)보다 큰 높이와 큰 폭을 갖는 복수의 핀 구조체들(405B)을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 복수의 핀 구조체들(405B)이 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 가질 수 있으며, 그로 인해 소스/드레인 영역들(410B)의 형상도 달라질 수 있다.

도 5에 도시한 일 실시예에서는, 반도체 장치(400C)에 포함되는 복수의 핀 구조체들(405C)의 높이와 폭이 모두 증가할 수 있다. 도 5를 참조하면, 복수의 핀 구조체들(405C)은 제1 높이(H1)보다 큰 제2 높이(H2), 및 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 가질 수 있다.

일례로, 도 2에 도시한 일 실시예에 따른 반도체 장치(400)에서 복수의 핀 구조체들(405)의 높이를 측정하기 위해 획득한 스펙트럼 분포는, 도 3a 내지 도 3c에 도시한 실시예들에 따른 반도체 장치들(400A-400C)에서 복수의 핀 구조체들(405A-405C)의 높이를 측정하기 위해 획득한 스펙트럼 분포들과 다를 수 있다.

다만, 반도체 장치들(400, 400A-400C)에 포함되는 구조체들이 점점 미세화됨에 따라, 도 3 내지 도 5에 도시한 실시예들에 따른 반도체 장치들(400A-400C)에서 획득한 스펙트럼 분포들의 차이가, 높이 변화와 폭 변화 중 어느 것에 의해 나타나는지 구분하기 어려울 수 있다. 일례로, 복수의 핀 구조체들(405A-405C)은 기판(101)의 일부 영역을 식각함으로써 형성될 수 있다. 복수의 핀 구조체들(105A-105C)의 높이를 증가시키고자 하는 경우, 식각 공정에 의해 높이뿐만 아니라 복수의 핀 구조체들(105A-105C)의 폭이 함께 증가할 수 있다. 이 경우, 반도체 계측 장치가 출력하는 스펙트럼 분포의 변화가, 복수의 핀 구조체들(405A-405C)의 높이 변화와 폭 변화 중 어느 것에 더 많이 영향을 받았는지 구분하기 어려우며, 결과적으로 원하는 임계 치수를 정확하게 판단할 수 없다.

높이 및 폭과 같이 서로 다른 임계 치수들은, 반도체 계측 장치의 측정 조건에 대해 서로 다른 민감도를 가질 수 있다. 예를 들어, 특정 방위각과 입사각 조건은, 폭보다 높이에 대해 더 높은 민감도를 가질 수 있다. 이러한 특징을 고려하여 다양한 방위각과 입사각 조건에서 반도체 장치들(400A-400C)로부터 스펙트럼 분포를 획득함으로써 원하는 임계 치수를 좀 더 정확하게 계측할 수 있다. 다만 일반적으로 반도체 계측 장치에서 조절 가능한 방위각과 입사각이 제한적이므로, 상기와 같은 방법에는 한계가 있을 수밖에 없다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치는, 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 시료의 표면에 수직한 광축을 갖는 빛을 조사하고, 반사된 빛을 받아들여 시료에 포함된 구조체의 임계 치수를 판단할 수 있다. 따라서, 0도 내지 360도에 해당하는 전체 방위각에 대응하는 데이터를 한 번의 촬영으로 획득할 수 있으며, 대물 렌즈의 개구수에 따라 넓은 범위의 입사각에 대응하는 데이터 역시 한 번의 촬영으로 획득할 수 있다. 따라서, 다양한 방위각과 입사각에서, 측정하고자 하는 임계 치수에 가장 민감도가 높은 방위각과 입사각에 대응하는 데이터를 선택하고 그 스펙트럼 분포로 임계 치수를 판단할 수 있다. 따라서, 미세한 치수를 갖는 구조체들에서 서로 영향을 미치는 임계 치수들의 교호 작용과 관계없이 계측하고자 하는 임계 치수만을 정확하게 판단함으로써, 반도체 계측 장치를 이용하는 공정의 효율을 개선할 수 있다.

일례로 본 발명의 일 실시예에서는, 한 번의 촬영으로 획득한 데이터를 복수의 기저들로 직교 분해하고, 복수의 기저들에 할당되는 복수의 가중치들 중에서 가장 높은 민감도를 갖는 가중치로 임계 치수를 판단할 수 있다. 또는 복수의 기저들에 따른 복수의 가중치들의 분포를 이용하여 임계 치수를 판단할 수 있다. 따라서, 한 번의 촬영으로 넓은 방위각과 입사각의 데이터를 획득함에도 불구하고, 처리 및 저장해야 하는 데이터의 크기를 줄여 계측 공정을 효율적으로 진행할 수 있다.

높이 및 폭과 같이 서로 다른 임계 치수들은, 시료에서 반사된 빛의 편광 성분들의 특징을 나타내는 다양한 파라미터들에 대해 서로 다른 민감도를 가질 수 있다. 예를 들어, 특정 임계 치수는 편광 성분들의 세기 차이나 위상차가 아닌 편광도(Degree Of Polarization, DOP)에 대해 높은 민감도를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 편광 성분들의 세기 차이와 위상차는 물론, 민감도 등을 판단할 수 있는 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 이용하여 원하는 임계 치수를 정확하게 계측할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치를 이용한 계측 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작은, 원본 이미지를 획득하는 것으로 시작될 수 있다(S10). S10 단계에서 반도체 계측 장치의 제어부가 획득하는 원본 이미지는, 반도체 계측 장치의 조명부가 시료에서 조사하고 시료에서 반사된 후 광학부를 통과한 빛을 이미지 센서가 수광하여 생성한 이미지일 수 있다.

일례로, 반도체 계측 장치의 조명부와 광학부 각각은, 적어도 하나의 편광 소자를 포함할 수 있다. 따라서, 이미지 센서가 생성하는 원본 이미지는 조명부와 광학부 각각에 포함된 편광 소자에서 생성되는 빛의 편광 성분들에 의해 생성되는 다중 간섭 이미지일 수 있다.

반도체 계측 장치의 제어부는, 원본 이미지에서 간섭으로 인한 피크(peak)가 나타나는 영역들을 선택할 수 있다(S11). 앞서 설명한 바와 같이 원본 이미지는 반도체 계측 장치에 포함되는 복수의 편광 소자에 의해 생성된 빛의 편광 성분들의 간섭 패턴을 나타내는 이미지일 수 있다. 따라서 제어부는 원본 이미지를 이미지 처리하여 편광 성분들 중 적어도 일부가 서로 간섭함으로써 피크가 나타나는 영역을 선택할 수 있다.

제어부는, 피크가 나타나는 것으로 판단하여 선택한 영역들에 대응하는 복수의 샘플 이미지들을 획득하고(S12), 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정할 수 있다(S13). 뮬러 행렬은 빛의 편광 성분들을 표현하는 스토크스 벡터(Stokes Vector)를 다루기 위한 행렬이며, 뮬러 행렬은 이미지 센서에 입사된 빛을 16개의 엘리먼트들로 표현할 수 있다. 일례로 뮬러 행렬은 4x4 행렬일 수 있으며, 이미지 센서의 각 픽셀에 입사된 빛의 전체 세기(intensity)는 뮬러 행렬에 포함되는 엘리먼트들로 표현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제어부는 원본 이미지에서 간섭으로 인한 피크가 나타나는 영역을 16개 선택하고, 16개의 영역들에 대응하는 16개의 샘플 이미지들을 생성할 수 있다. 또한 제어부는, 16개의 샘플 이미지들을 표현할 수 있는 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 결정할 수 있다.

복수의 엘리먼트들이 결정되면, 제어부는 복수의 엘리먼트들에 기초하여 시료에 포함된 구조체의 임계 치수들 중에서 선택 임계 치수를 판단할 수 있다(S13). 일례로, 복수의 엘리먼트들은 이미지 포맷의 데이터로 생성될 수 있으며, 제어부는 라이브러리 데이터에 저장된 기준 이미지 데이터를 복수의 엘리먼트들과 비교함으로써 선택 임계 치수를 판단할 수 있다. 또는, 제어부가 복수의 엘리먼트들로 소정의 계측 파라미터, 예를 들어 편광 성분들의 세기 차이, 편광 성분들의 위상차, 편광도 등을 산출하고, 이를 라이브러리 데이터에 저장된 기준 파라미터와 비교함으로써 선택 임계 치수를 판단할 수도 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작은, 복수의 파장 대역을 갖는 빛을 시료에 조사하여 3차원 데이터를 획득하는 것으로 시작될 수 있다(S20). 반도체 계측 장치의 제어부는 조명부를 제어하여 서로 다른 파장 대역을 갖는 빛을 시료에 조사할 수 있으며, 각 파장 대역의 빛이 시료에 조사되는 동안 빛의 편광 성분들의 간섭으로 생성되는 다중 간섭 이미지를 획득할 수 있다. 결과적으로 복수의 파장 대역에서 다중 간섭 이미지가 생성되므로, 다중 간섭 이미지가 파장 대역에 따라 배열되는 3차원 데이터를 제어부가 획득할 수 있다.

반도체 계측 장치의 제어부는, 각 파장 대역에 대응하는 다중 간섭 이미지를 원본 이미지로서 획득하고(S21), 원본 이미지를 주파수 변환하여 피크가 나타나는 영역들을 선택할 수 있다(S22). 일례로 제어부는 원본 이미지에 푸리에 변환을 적용하여 주파수 도메인으로 변환할 수 있다.

피크가 나타내는 영역들이 선택되면, 제어부는 선택한 영역들에 푸리에 역변환을 적용함으로써 복수의 샘플 이미지들을 획득할 수 있다(S23). 복수의 샘플 이미지들 생성하기에 앞서, 주파수 도메인에서 선택한 영역들에 대한 디지털 필터링 및 센터링(centering) 작업이 실행될 수 있다. 디지털 필터링 및 센터링 작업에 의해, 푸리에 역변환 이전의 2차원 데이터에서, 피크가 나타나는 영역들이 중앙에 위치하도록 정렬될 수 있다.

다음으로, 제어부는 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정할 수 있다(S24). 뮬러 행렬은 앞서 설명한 바와 같이 빛의 편광 성분들을 표현하는 스토크스 벡터를 다루기 위한 행렬일 수 있다. 반도체 계측 장치의 조명부 및 수광부에 포함되는 복수의 편광 소자들에 의해 원본 이미지가 다중 간섭 이미지로 획득되며, 따라서 S22 단계에서 선택되는 영역들의 개수와 S23 단계에서 생성되는 복수의 샘플 이미지들의 개수는 뮬러 행렬을 구성하는 엘리먼트들의 개수와 같거나 그보다 많을 수 있다. 따라서, 제어부는 S23 단계에서 획득한 복수의 샘플 이미지들 각각을 나타내기 위한 뮬러 행렬을 생성할 수 있다.

제어부는 복수의 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트의 파장 대역별 분포를 획득할 수 있다(S25). 앞서 설명한 바와 같이, 조명부가 시료에 조사하는 빛의 파장 대역을 바꾸면서 각 파장 대역에 대응하는 복수의 다중 간섭 이미지들이 생성될 수 있다. 따라서, 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들 역시 복수의 파장 대역에 대응하는 3차원 데이터로 생성될 수 있다.

제어부는 복수의 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 적어도 하나의 엘리먼트의 파장 대역별 분포를 획득할 수 있다. 복수의 엘리먼트들 각각이 2차원 평면에서 표현되는 이미지 포맷의 데이터로 생성되므로, 제어부는 2차원 평면에서 특정 픽셀을 선택하여 선택한 픽셀의 값의 파장 대역별 분포를 획득할 수 있다.

제어부는, 적어도 하나의 엘리먼트의 파장 대역별 분포를 이용하여 선택 임계 치수를 판단할 수 있다(S26). 일례로, 시료에 포함되는 구조체를 표현하는 임계 치수들 중 선택 임계 치수에 대해 높은 민감도를 갖는 엘리먼트 및 해당 엘리먼트에서 선택 임계 치수에 대해 특히 높은 민감도를 갖는 파장 대역이 존재할 수 있다. 제어부는, 측정하고자 하는 선택 임계 치수에 따라, 복수의 엘리먼트들 중에서 높은 민감도를 갖는 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 선택한 엘리먼트의 파장 대역별 분포를 참조하여 높은 민감도를 갖는 파장 대역에서 엘리먼트, 또는 엘리먼트에 포함된 픽셀들 중 적어도 일부 픽셀의 값을 참조함으로써 선택 임계 치수를 판단할 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치는 빛의 편광 성분들의 세기 차이 및 편광 성분들의 위상차 뿐만 아니라, 다른 계측 파라미터들을 생성하여 선택 임계 치수의 판단에 활용할 수 있다. 따라서, 시료에 포함된 구조체의 임계 치수들이 서로 영향을 미치는 교호 작용에도 불구하고, 측정하고자 하는 선택 임계 치수에 대해 높은 민감도를 갖는 계측 파라미터를 이용할 수 있으므로, 시료에 형성된 구조체에 대한 계측 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 개구수를 갖는 대물 렌즈를 이용하여 한 번의 촬영에서 전체 방위각과 넓은 범위의 입사각에 대응하는 데이터를 획득할 수 있으므로, 계측 공정의 효율성을 개선할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

도 8을 참조하면, 시료(400)의 표면에 빛이 조사될 수 있으며, 시료(400)의 표면은 XY 평면으로 정의될 수 있다. 광축(C)은 XY 평면의 원점으로부터 연장되고 XY 평면에 수직하는 방향을 따라 연장될 수 있으며, 시료(400)에 인접한 대물 렌즈(410)의 중심은 광축(C)에 대응할 수 있다. 대물 렌즈(410)는 시료(400)와 마주하는 전면 및 시료(400) 반대측에 위치한 후면을 포함하며, 대물 렌즈(410)의 후면으로부터 소정의 거리에 후 초점 평면(back focal plane, 420)이 정의될 수 있다.

후 초점 평면(420)은 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)으로 정의되는 평면일 수 있으며, 일례로 제1 방향(D1)은 시료(400) 표면의 X 방향과 동일하고, 제2 방향(D2)은 Y 방향과 동일할 수 있다. 대물 렌즈(410)를 통과한 빛은 시료(400)의 타겟 영역에 점 형태로 집광되며, 다시 타겟 영역에서 반사된 후 대물 렌즈(410)를 통과하여 후초점 평면(420)으로 진행할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치에서는 0도부터 360도를 포함하는 전체 방위각으로 빛을 시료(400)에 입사시키며, 시료(400)에 입사하는 빛의 입사각(φ) 범위는 대물 렌즈(410)의 개구수에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 이미지 센서가 실행하는 한 번의 촬영으로 가능한 넓은 범위의 입사각에 대한 데이터를 획득할 수 있도록, 0.95 이상 1.0 미만의 개구수를 갖는 대물 렌즈(410)가 반도체 계측 장치에 채택될 수 있다. 이 경우, 대물 렌즈(410)를 통과한 빛의 최대 입사각은 72도 이상이며, 90도 미만일 수 있다. 일례로 이미지 센서는, 빛을 수신하는 표면이 대물 렌즈의 후 초점 평면의 위치에 대한 공액 위치에 위치하도록 배치될 수 있다.

제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)으로 정의되는 후 초점 평면(420)에 포함되는 각 좌표들을 극좌표(r, θ)로 나타낼 경우, 도 8에 도시한 바와 같이 제1 좌표(r)는 입사각(φ)에 의해 결정될 수 있다. 한편, 제2 좌표(θ)는 제1 방향(D1)을 기준으로 좌표가 얼마나 회전하였는지를 나타내는 값이므로, 시료(400)에 입사되는 빛의 방위각과 같을 수 있으며, 0도 내지 360도의 값을 가질 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치에서는, 시료(400)의 타겟 영역에서 빛이 반사되는 동안 실행되는 한 번의 촬영으로, 0도 내지 360도의 방위각, 및 대물 렌즈(410)의 개구수에 따라 결정되는 입사각 범위의 간섭 패턴을 포함하는 데이터를 이미지 형태로 얻을 수 있다. 따라서, 시료(400)에 빛을 조사하는 조명부 또는 시료 자체의 위치와 각도를 조절하며 여러 번의 촬영이 필요했던 기존 방식과 다르게, 시료(400)의 타겟 영역을 분석 및 계측하는 데에 필요한 데이터를 한 번의 촬영만으로 획득할 수 있으며, 반도체 계측 장치를 이용하는 계측 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치에 포함되는 편광 소자를 설명하기 위한 도면들이다.

도 9 내지 도 14는 반도체 계측 장치에 포함되는 편광 소자에 의해 빛의 편광 성분들이 분리되는 과정을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 도 9 내지 도 14를 참조하여 설명하는 실시예에서, XY 평면(500)은 반도체 계측 장치의 조명부에서 방출한 빛의 광축에 수직하는 평면일 수 있다. 조명부는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 순서대로 배치되는 제1 조명 편광 소자, 파장판, 제2 조명 편광 소자 등을 포함할 수 있다.

먼저 도 9를 참조하면, 조명부에서 방출한 빛의 광축은 XY 평면(500)의 원점에 위치할 수 있다. XY 평면(500)으로 입사하는 빛은 제1 편광 성분(501)과 제2 편광 성분(502)을 포함하며, 제1 편광 성분(501)과 제2 편광 성분(502) 각각의 세기 및 위상에 의해 빛의 특성이 결정될 수 있다.

조명부에 포함되는 제1 조명 편광 소자와 제2 조명 편광 소자 각각은 한 쌍의 빔 디스플레이서들을 포함할 수 있다. 일례로, 한 쌍의 빔 디스플레이서들 중 하나는 제1 편광 성분(501)만을 분리하여 이동시킬 수 있으며, 다른 하나는 제2 편광 성분(502)만을 분리하여 이동시킬 수 있다.

도 10은 제1 조명 편광 소자에 포함되는 한 쌍의 빔 디스플레이서 중에서 첫번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛의 편광 성분들을 나타낸 도면일 수 있다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 제1 조명 편광 소자의 첫번째 빔 디스플레이서는 제1 편광 성분(501)만을 분리하여 이동시킬 수 있다. 따라서 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 조명 편광 소자의 첫번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛에서 제1 편광 성분(511)은 XY 평면(500)의 원점이 아닌, 제1 좌표(C1)에 위치할 수 있다.

도 11은 제1 조명 편광 소자에 포함되는 한 쌍의 빔 디스플레이서 중에서 두번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛의 편광 성분들을 나타낸 도면일 수 있다. 제1 조명 편광 소자의 두번째 빔 디스플레이서는 조명부가 방출한 빛에서 제2 편광 성분(502)만을 분리하여 이동시킬 수 있다. 따라서 도 11에 도시한 바와 같이, 제1 조명 편광 소자의 두번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛에서 제2 편광 성분(512)은 XY 평면(500)의 원점이 아닌, 제2 좌표(C2)에 위치할 수 있다.

도 12는 조명부에 포함되는 파장판을 통과한 이후의 빛을 나타낸 도면일 수 있다. 도 12를 참조하면, 파장판에서 빛의 편광 방향이 조절될 수 있다. 일례로, 제1 조명 편광 소자에 의해 분리된 제1 편광 성분(511)과 제2 편광 성분(512) 각각의 편광 방향이 45도만큼 틀어져 제1 좌표(C1)를 통과하는 광축을 갖는 제1 빛(520)과 제2 좌표(C2)를 통과하는 광축을 갖는 제2 빛(530)이 생성될 수 있다.

XY 평면(500)에 입사하는 빛은 서로 직교하는 방향들 각각에서 진행하는 편광 성분으로 분해 가능하며, 다시 말해 X축 방향으로 진행하는 편광 성분과 Y축 방향으로 진행하는 편광성분으로 분해될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1 경로(520)의 빛은 Y축 방향으로 진행하는 제1 편광 성분(521) 및 X축 방향으로 진행하는 제2 편광 성분(522)으로 분해될 수 있다. 유사하게, 제2 경로(530)의 빛 역시 제1 편광 성분(531)과 제2 편광 성분(532)으로 분해될 수 있다.

파장판을 통과한 빛은, 제2 편광 소자에 입사될 수 있다. 도 13은 제2 편광 소자에 포함되는 한 쌍의 빔 디스플레이서들 중에서 첫번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛의 편광 성분들을 나타낸 도면일 수 있다. 도 13을 참조하면, 제2 편광 소자의 첫번째 빔 디스플레이서는, 제1 빛(520)과 제2 빛(530) 각각에서 제1 편광 성분(521, 531)만을 선택적으로 분리하여 이동시킬 수 있다. 따라서 도 13에 도시한 바와 같이, 원점인 제3 좌표(C3)를 통과하는 제1 편광 성분(541)과 제4 좌표(C4)를 통과하는 제1 편광 성분(551)이 생성될 수 있다. 제1 빛(520)과 제2 빛(530) 각각의 제2 편광 성분(522, 532)의 위치는 조정되지 않을 수 있다.

다음으로 도 14는 제2 편광 소자에 포함되는 한 쌍의 빔 디스플레이서들 중에서 두번째 빔 디스플레이서를 통과한 빛의 편광 성분들을 나타낸 도면일 수 있다. 두번째 빔 디스플레이서는 첫번째 빔 디스플레이서와 달리, 제2 편광 성분(522, 532)의 위치만을 조정할 수 있다. 일례로, 도 14에 도시한 바와 같이, 제1 빛(520)의 제1 편광 성분(542)의 위치가 제5 좌표(C5)로 변경되고, 제2 빛(530)의 제2 편광 성분(552)의 위치가 제6 좌표(C6)로 변경될 수 있다. 따라서, 도 14에 도시한 바와 같이 조명부에서 광원이 방출한 빛은 네 개의 경로들에 대응하는 편광 성분들(541, 542, 551, 552)로 분리되어 시료에 입사될 수 있다.

앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 시료와 이미지 센서 사이에 배치되는 광학부 역시 편광 소자들을 포함하며, 광학부의 편광 소자들 각각은 한 쌍의 빔 디스플레이서들을 포함할 수 있다. 따라서, 시료에서 반사된 편광 성분들(541, 542, 551, 552) 각각은 광학부의 편광 소자들에 의해 다시 복수의 편광 성분들로 분해된 후 이미지 센서에 입사될 수 있다. 일례로 광학부가 두 개의 편광 소자들을 포함하는 경우, 시료에서 반사된 편광 성분들(541, 542, 551, 552) 각각이 네 개의 편광 성분들로 분해되며, 이미지 센서는 16개의 편광 성분들이 서로 간섭하는 다중 간섭 이미지를 생성할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 획득하는 원본 이미지를 나타낸 도면이며, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 원본 이미지로부터 획득하는 주파수 변환 이미지를 나타낸 도면이다.

먼저 도 15는 반도체 계측 장치에 포함되는 이미지 센서가 생성하는 원본 이미지(600)의 예시를 나타낸 도면이며, 앞서 설명한 바와 같이 이미지 센서가 생성하는 원본 이미지(600)는 다중 간섭 이미지일 수 있다. 시료에 빛을 조사하는 조명부, 및 시료에서 반사된 빛을 이미지 센서로 전달하는 광학부 각각은 편광 소자들을 포함하며, 편광 소자들 중 적어도 일부는 빔 디스플레이서로 구현될 수 있다.

따라서, 앞서 도 9 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이 조명부와 광학부를 통과한 빛은 이미지 센서의 수광면과 평행한 평면 상의 서로 다른 위치들에서 진행하는 복수의 편광 성분들로 분해될 수 있다. 이미지 센서로 입사하는 복수의 편광 성분들은 서로 간섭하며, 이미지 센서는 복수의 편광 성분들의 간섭 패턴을 표현하는 다중 간섭 이미지를 도 15에 도시한 바와 같이 생성할 수 있다.

도 16에 도시한 일 실시예에 따른 원본 이미지(300)는, 반도체 계측 장치에 포함되는 이미지 센서가 한 번의 촬영으로 획득하는 이미지일 수 있다. 원본 이미지(600)는 시료에 인접하도록 배치되는 대물 렌즈의 후초점 평면에 대응하는 평면 상에서 표현되며, 앞서 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이 원본 이미지(600)에 포함되는 픽셀들 각각의 좌표는 빛의 방위각과 입사각 등에 의해 결정될 수 있다.

이미지 센서가 생성한 원본 이미지(600)는 반도체 계측 장치의 제어부로 전달되며, 제어부는 원본 이미지(600)를 처리하여 복수의 샘플 이미지들을 획득할 수 있다. 제어부는 원본 이미지(600)에서 획득한 복수의 샘플 이미지들로 뮬러 행렬을 생성할 수 있으며, 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들에 기초하여 시료에서 빛을 반사시킨 영역에 포함된 구조체의 임계 치수들 중 선택 임계 치수를 판단할 수 있다.

복수의 샘플 이미지를 획득하기 위해, 반도체 계측 장치의 제어부는 원본 이미지(600)를 처리하여 주파수 변환 이미지(610)를 획득할 수 있다. 일례로 제어부는 원본 이미지(600)에 푸리에 변환을 적용함으로써 주파수 도메인에서 정의되는 주파수 변환 이미지(610)를 획득할 수 있다.

주파수 변환 이미지(610)에는 이미지 센서로 입사한 빛의 편광 성분들의 간섭으로 인해 피크가 나타나는 영역들이 표시될 수 있다. 일례로, 피크가 나타나는 영역들은 도 16에 도시한 바와 같이 주파수 변환 이미지(610)의 중심인 원점을 기준으로 180도 대칭되어 분포할 수 있다.

제어부는 편광 성분들의 간섭으로 인한 피크가 나타나는 영역들을 중복되지 않게 선택할 수 있다. 일례로, 제어부는 원점을 기준으로 180도 대칭된 형태로 분포하는 영역들이 중복 선택되지 않도록, 도 16에 도시한 바와 같이 정의되는 복수의 위치들(P1-P16) 각각에서 복수의 영역들을 선택할 수 있다. 선택 영역들 각각에서는, 반도체 계측 장치에 포함된 편광 소자들에 의해 분해된 편광 성분들 중 적어도 둘 이상이 서로 간섭하여 피크가 나타날 수 있다.

제어부는, 도 16과 같이 주파수 변환 이미지(610)에서 선택한 영역들을 따로 분리하고 주파수 역변환함으로써, 복수의 샘플 이미지들을 생성할 수 있다. 이하, 도 17 및 도 18을 참조하여 복수의 샘플 이미지들을 생성하는 동작을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 주파수 변환 이미지에서 선택한 영역들을 나타낸 도면이다. 한편, 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 주파수 변환 이미지로부터 획득하는 복수의 샘플 이미지들을 나타낸 도면이다.

도 17은, 반도체 계측 장치의 제어부가 주파수 변환 이미지에서 피크가 나타나는 것으로 판단한 영역들을 분리하여 생성한 데이터들을 예시적으로 나타낸 도면일 수 있다. 앞서 도 16을 참조하여 설명한 실시예와 같이 제어부는 주파수 변환 이미지(610)에서 편광 성분들의 간섭으로 인해 피크가 나타나는 영역들을 복수의 위치들(P1-P16)에서 선택할 수 있다.

제어부는, 주파수 변환 이미지(610)에서 선택한 영역들을 필터링하고, 피크가 검출된 위치를 가운데에 위치시키는 센터링 등의 작업을 통해 도 17에 도시한 바와 같은 복수의 데이터들(PA1-PA16)을 획득할 수 있다. 도 17에 도시한 일 실시예에서, 복수의 데이터들(PA1-PA16)은 주파수 변환 이미지(610)에 포함되는 복수의 위치들(P1-P16)에 대응할 수 있다. 제어부는 복수의 데이터들(PA1-PA16) 각각을 주파수 역변환함으로써, 도 18에 도시한 바와 같은 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 획득할 수 있다.

복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16) 각각은, 편광 성분들의 간섭 패턴을 표현하는 이미지일 수 있다. 다시 말해, 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16) 각각은 조명부 및 광학부 등에 포함되는 편광 소자에 의해 분해되고 서로 간섭하며 이미지 센서로 입사한 편광 성분들 중 적어도 일부의 상태를 나타내는 이미지일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 빛을 구성하는 P 편광 성분과 S 편광 성분의 세기 차이 및 위상차만이 아니라, 편광 소자에 의해 서로 다른 복수의 위치들에서 진행하도록 분해된 편광 성분들 중 적어도 일부의 상태를 나타내는 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 획득할 수 있다. 따라서, P 편광 성분과 S 편광 성분의 세기 차이 및 위상차만을 이용하는 방법과 달리, 다양한 위치에서 서로 분리되어 진행하며 이미지 센서로 입사하는 편광 성분들의 상태를 이용하여 구조체의 임계 치수를 판단할 수 있다. 결과적으로 임계 치수의 측정에 이용 가능한 계측 파라미터들의 개수를 늘릴 수 있으며, 임계 치수 계측의 정확도를 개선할 수 있다.

임계 치수 측정에 이용 가능한 계측 파라미터들의 개수를 증가시키기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 뮬러 행렬을 이용할 수 있다. 일례로, 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정할 수 있으며, 복수의 엘리먼트들 중 적어도 일부를 라이브러리 데이터에 저장된 기준 데이터와 비교하여 측정하고자 하는 임계 치수를 판단할 수 있다. 이하, 도 19 및 도 20을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 19 및 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치가 획득하는 뮬러 행렬(Mueller Matrix)의 엘리먼트들을 나타낸 도면들이다.

앞서 설명한 바와 같이, 뮬러 행렬은 빛의 편광 성분들을 표현하는 스토크스 벡터를 다루기 위한 행렬이며, 뮬러 행렬은 16개의 엘리먼트들(M11-M44)을 포함할 수 있다. 도 15 내지 도 18을 참조하여 설명한 실시예에서와 같이 하나의 원본 이미지(600)에서 16개의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 획득하는 경우, 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 엘리먼트들(M11-M44)을 결정할 수 있다.

일례로, 시료에서 반사된 빛의 편광 성분들 중 적어도 일부의 간섭을 나타내는 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16) 각각은, 뮬러 행렬을 구성하는 엘리먼트들 중 적어도 하나를 포함하는 다항식으로 정의될 수 있다. 따라서, 역으로 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 이용하여 뮬러 행렬의 엘리먼트들(M11-M44)을 결정할 수 있다. 일례로, 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)과 뮬러 행렬의 엘리먼트들(M11-M44)의 대응 관계는 아래의 표 1과 같을 수 있다.

위치	X 좌표	Y 좌표	실수부	허수부
1	0	6y
2	2x	4y
3	0	4y
4	x	3y
5	4x	2y
6	2x	2y		0
7	0	2y
8	3x	y
9	6x	0
10	4x	0
11	2x	0
12	5x	-y
13	x	-y		0
14	4x	-2y
15	2x	-4y
16	x	-5y

위의 표 1과 같이, 복수의 샘플 이미지들(SI1-SI16)을 이용하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들(M11-M44)을 산출할 수 있다. 뮬러 행렬은 스토크스 벡터를 다루기 위한 행렬이며, 스토크스 벡터를 이용하면 편광 성분들의 세기 차이와 위상차 외에 편광도와 같은 다른 계측 파라미터를 획득할 수 있다. 따라서, 복수의 엘리먼트들(M11-M44)을 이용하여 편광 성분들의 특성을 나타내는 다양한 계측 파라미터들을 산출하고, 이를 이용하여 선택 임계 치수를 정확하게 판단할 수 있다.

또는, 반도체 계측 장치의 제어부가 복수의 엘리먼트들(M11-M44) 중 적어도 하나를 선택하고, 선택한 적어도 하나의 엘리먼트를 라이브러리 데이터에 포함된 기준 데이터와 비교함으로써 선택 임계 치수를 판단할 수도 있다. 이 경우 제어부는, 이미지 포맷의 데이터인 적어도 하나의 엘리먼트를, 역시 이미지 포맷의 데이터인 기준 데이터와 비교할 수 있다. 라이브러리 데이터에는, 선택 임계 치수의 값에 따라 다른 이미지로 나타나는 기준 데이터들이 저장될 수 있으며, 제어부는 선택한 적어도 하나의 엘리먼트와 가장 유사한 기준 데이터를 참조하여, 선택 임계 치수를 판단할 수 있다.

또한 제어부는, 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 적어도 하나의 엘리먼트에서 특정 좌표의 픽셀 값이 파장 대역에 따라 변하는 분포를 나타내는 스펙트럼 데이터를 이용하여 선택 임계 치수를 판단할 수도 있다. 일례로, 반도체 계측 장치의 조명부가 복수의 파장 대역의 빛을 조사하는 동안, 각 파장 대역에서 이미지 센서가 원본 이미지를 생성할 수 있다. 따라서, 제어부는 원본 이미지가 파장 대역에 따라 배열되는 3차원 데이터를 획득할 수 있다.

제어부는, 각 파장 대역에 대응하는 원본 이미지를 처리하여 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들(M11-M44)을 획득할 수 있다. 복수의 엘리먼트들(M11-M44) 각각은 도 20에 도시한 바와 같이, 파장 대역에 따라 배열되는 3차원 데이터 포맷을 가질 수 있다.

도 20에 도시한 일 실시예에서, 제어부는 선택 임계 치수를 판단하기 위해 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 선택한 엘리먼트의 파장 대역에 따른 분포를 나타내는 스펙트럼 데이터를 획득할 수 있다. 제어부는 스펙트럼 데이터를 라이브러리 데이터에 저장된 기준 데이터와 비교하여 선택 임계 치수를 판단할 수 있으며, 일례로 선택 임계 치수에 대해 가장 높은 민감도를 갖는 파장 대역에서 선택한 엘리먼트가 갖는 값을 기준 데이터와 비교함으로써 선택 임계 치수를 판단할 수 있다. 일 실시예에서 제어부는, 선택한 엘리먼트에서 파장 대역에 따른 특정 픽셀 값의 분포를 스펙트럼 데이터로서 획득할 수도 있다.

도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

도 21a 내지 도 21d는 시료에서 빛을 반사시킨 위치에 따른 편광도를 나타낸 그래프들일 수 있다. 일례로 도 21a 내지 도 21d를 참조하여 설명하는 일 실시예에서는, 하나의 시료에서 서로 다른 13개의 위치들에 각각 빛을 조사하고, 13개의 위치들 각각에서 반사된 빛에 반응하여 이미지 센서가 생성하는 원본 이미지를 제어부가 처리하여 편광도를 획득할 수 있다.

도 21a 내지 도 21d는 서로 다른 방위각에서 제어부가 원본 이미지를 처리하여 획득한 편광도일 수 있다. 일례로 도 21a는 빛을 반사시킨 13개의 위치들에 대응하는 원본 이미지들 각각에 대해, 0도의 방위각에서 제어부가 산출한 편광도를 나타낸 그래프일 수 있다. 도 21b 내지 도 21d는 45도, 90도, 135도의 방위각에서 제어부가 산출한 편광도를 각각 나타낼 수 있다.

일례로, 시료에 포함되는 13개의 위치들 각각에 형성된 구조체들은, 서로 다른 임계 치수를 가질 수 있다. 다만, 13개 위치들 각각에서 구조체들이 서로 다른 임계 치수를 가짐에도 불구하고, 일부 방위각에서는 임계 치수의 차이를 구분하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 135도의 방위각에서는 13개의 위치들 각각에 대응하는 편광도의 차이가 상대적으로 작게 나타나며, 따라서 135도의 방위각에서 획득한 편광도만으로는 임계 치수를 정확히 판단하기 어려울 수 있다.

다만 본 발명의 일 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이, 한 번의 촬영만으로 전체 방위각에서 편광 성분들의 간섭 패턴을 나타내는 원본 이미지를 이미지 센서가 생성할 수 있다. 따라서, 도 21a 내지 도 21d에 도시한 바와 같이 서로 다른 방위각들 각각의 편광도를 참조하여 임계 치수를 판단할 수 있으므로, 임계 치수를 빠르고 정확하게 판단할 수 있다.

도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.

도 22a 내지 도 22c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치로 임계 치수를 측정하고자 하는 시료에는, 반도체 공정으로 형성되는 패턴들의 정렬 상태를 판단하기 위한 오버레이 키가 형성될 수 있다. 먼저 도 22a를 참조하면, 시료는 서로 적층되는 제1층(710)과 제2층(720)을 포함하며, 제1층(710)에는 제1 구조체들(711)이 형성되고 제2층(720)에는 제2 구조체들(721)에 형성될 수 있다. 제1 구조체들(711)과 제2 구조체들(721)은 일정한 패턴으로 형성되며, 도 22a에 도시한 일 실시예에서는, 제1 구조체들(711)과 제2 구조체들(721)이 특정 방향으로 오프셋되지 않고 정확하게 정렬될 수 있다.

반면, 도 22b에 도시한 일 실시예에서는, 시료에 포함되는 제1층(810)과 제2층(820)이 정확하게 정렬되지 않을 수 있다. 도 22b를 참조하면, 제1층(810)의 제1 구조체들(811)과 제2층(820)의 제2 구조체들(821)이 좌측 방향으로 오프셋될 수 있다. 일례로, 도 22a에 도시한 일 실시예와 비교하면, 도 22b에 도시한 일 실시예에서는 제2 구조체들(821)이 제1 구조체들(811)을 기준으로 소정의 제1 오프셋(Δd1)만큼 좌측으로 치우쳐서 형성될 수 있다.

한편, 도 22c에 도시한 일 실시예에서는, 시료에 포함되는 제1층(910)의 제1 구조체들(911)과 제2층(920)의 제2 구조체들(921)이 우측 방향으로 오프셋될 수 있다. 일례로, 도 22a에 도시한 일 실시예와 비교하면, 도 22c에 도시한 일 실시예에서는 제2 구조체들(921)이 제1 구조체들(911)을 기준으로 소정의 제2 오프셋(Δd2)만큼 좌측으로 치우쳐서 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 시료에서 반사되는 빛의 편광 성분들의 세기 차이 및 위상차가 아닌, 시료에서 반사된 빛의 편광 성분들의 다중 간섭 이미지를 처리하여 획득한 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 이용하여 서로 적층되는 구조체들의 정렬 상태를 판단할 수 있다. 이하, 도 23을 함께 참조하여 설명하기로 한다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 계측 장치의 동작 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.

도 23에 도시한 그래프는, 뮬러 행렬에서 선택한 적어도 하나의 엘리먼트의 분포를 파장 대역에 따라 나타낸 그래프일 수 있다. 일례로, 도 23에 도시한 그래프는 뮬러 행렬의 엘리먼트들 중에서 M23과 M32의 합을 파장 대역에 따라 스펙트럼 데이터 형태로 나타낸 그래프일 수 있다. 도 23을 참조하면, 서로 다른 오버레이 특성을 갖는 5개의 실시예들(OVL1-OVL5) 각각에서, 스펙트럼 데이터는 다른 분포를 나타낼 수 있다.

일례로 도 23에 도시한 일 실시예에서 제1 실시예(OVL1)는 서로 적층된 복수의 층들 각각에 포함된 구조체들이 오프셋을 갖지 않는 상태에 대응할 수 있다. 다시 말해, 제1 실시예(OVL1)는 앞서 도 22a 내지 도 22c를 참조하여 설명한 실시예들 중에서 도 22a에 도시한 일 실시예에 대응할 수 있다.

한편, 제2 실시예(OVL2)와 제3 실시예(OVL3)는 서로 적층된 복수의 층들 각각에 포함된 구조체들이 제1 방향으로 오프셋된 상태에 대응할 수 있다. 일례로, 제2 실시예(OVL2)는 앞서 도 22b를 참조하여 설명한 일 실시예와 같은 정렬 상태에 대응할 수 있다. 반면, 제4 실시예(OVL4)와 제5 실시예(OVL5)는 서로 적층된 구조체들이 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 오프셋된 상태에 대응할 수 있다. 일례로, 제4 실시예(OVL4)는 앞서 도 22c를 참조하여 설명한 일 실시예에 대응할 수 있다.

도 23을 참조하면, 특정 파장 대역의 스펙트럼 데이터로는 제1 내지 제5 실시예들(OVL1-OVL5)을 서로 구분하기가 어려울 수 있다. 예를 들어, 1000nm 이상의 파장 대역의 빛을 시료에 조사하여 획득한 원본 이미지로부터 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 결정한 경우에는, 도 23에 도시한 바와 같이 스펙트럼 데이터에 기초하여 제1 내지 제5 실시예들(OVL1-OVL5)을 구분하지 못할 수 있다.

또한, 특정 파장 대역에서는 일부의 실시예들을 구분하기가 어려울 수 있다. 예를 들어, 400nm 이상 1000nm 이하의 파장 대역의 빛을 시료에서 조사하는 경우를 가정하면, 스펙트럼 데이터만으로 제2 실시예(OVL2)와 제3 실시예(OVL3)가 서로 구분되지 않거나, 제4 실시예(OVL4)와 제5 실시예(OVL5)가 서로 구분되지 않을 수 있다.

반면, 300nm 부근의 파장 대역의 빛을 시료에서 조사하여 획득한 뮬러 행렬의 엘리먼트로는 제1 내지 제5 실시예들(OVL1-OVL5)을 모두 구분해낼 수 있다. 도 23을 참조하면, 300nm 부근의 파장 대역의 빛을 시료에서 조사하고 획득한 M23과 M32의 합은, 시료에 포함된 구조체들의 오버레이 특성에 따라 매우 큰 차이를 가질 수 있다. 따라서, 300nm 부근의 파장 대역이, 해당 시료의 오버레이 특성에 대해 매우 높은 민감도를 갖는 파장 대역으로 정의될 수 있다. 반도체 계측 장치의 제어부는 300nm 부근의 파장 대역의 빛을 시료에 조사하는 동안 획득한 원본 이미지로부터 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 결정하고, 엘리먼트들 중에서 선택한 일부의 엘리먼트들, 예를 들어 M23과 M32의 합을 참조하여 시료에서 빛을 반사시킨 영역에 형성된 구조체들의 오버레이 상태를 판단할 수 있다.

도 23을 참조하여 설명한 반도체 계측 장치의 동작 방법은 오버레이 판단에만 한정되지 않는다. 일례로, 뮬러 행렬을 구성하는 복수의 엘리먼트들 중에서 적어도 하나의 엘리먼트의 파장 대역에 따른 분포는, 시료에 형성된 구조체가 갖는 임계 치수들 중 선택 임계 치수에 대해 특정 파장 대역에서 높은 민감도를 가질 수 있다. 반도체 계측 장치의 제어부는 구조체에서 계측하고자 하는 선택 임계 치수가 결정되면, 뮬러 행렬에서 선택 임계 치수에 대해 가장 높은 민감도를 갖는 엘리먼트를 적어도 하나 이상 선택하고, 또한 선택한 엘리먼트가 선택 임계 치수에 대해 가장 높은 민감도를 갖는 파장 대역을 선택하여 선택한 파장 대역의 빛을 시료에 조사할 수 있다. 따라서, 선택 임계 치수를 빠르고 정확하게 판단할 수 있다.

또한 선택 임계 치수에 대해 엘리먼트들 각각이 높은 민감도를 갖지 않는 경우에는, 도 23에 도시한 바와 같이 둘 이상의 엘리먼트들의 합을 이용하여 선택 임계 치수를 판단할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 편광 성분들의 세기 차이와 위상차 외에, 편광도, 및 뮬러 행렬을 구성하는 엘리먼트들과 같이 빛의 편광 성분들의 특성을 표현할 수 있는 다양한 계측 파라미터들을 활용함으로써, 구조체들의 형상과 구조를 나타내는 다양한 임계 치수들 각각을 임계 치수들 간의 교호 작용에도 불구하고 정확히 판단할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

10: 반도체 계측 장치
100: 조명부
200: 광학부
300: 이미지 센서
350: 제어부

Claims

광원, 및 상기 광원이 방출한 빛의 진행 경로에 배치되는 적어도 하나의 조명 편광 소자를 포함하는 조명부;
상기 적어도 하나의 조명 편광 소자를 통과한 후 시료에서 반사된 빛의 진행 경로에 배치되는 적어도 하나의 수광 편광 소자, 및 상기 적어도 하나의 수광 편광 소자를 통과한 빛을 받아들여 원본 데이터를 출력하는 이미지 센서를 포함하는 수광부; 및
상기 원본 이미지를 처리하여 상기 시료에서 빛이 입사된 영역에 포함되는 구조체의 임계 치수들 중 선택 임계 치수를 판단하는 제어부; 를 포함하며,
상기 제어부는, 상기 원본 이미지에서 간섭으로 인한 피크(peak)가 나타나는 영역들을 선택하여 복수의 샘플 이미지들을 획득하고, 상기 복수의 샘플 이미지들을 이용하여 뮬러 행렬(Mueller Matrix)을 구성하는 복수의 엘리먼트들을 결정하며, 상기 복수의 엘리먼트들에 기초하여 상기 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 조명부는 제1 조명 편광 소자 및 제2 조명 편광 소자를 포함하며,
상기 수광부는 제1 수광 편광 소자 및 제2 수광 편광 소자를 포함하는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 원본 이미지를 주파수 도메인으로 변환하여 상기 적어도 하나의 조명 편광 소자 및 상기 적어도 하나의 수광 편광 소자를 통과한 편광 성분들의 간섭으로 인한 피크(peak)가 나타나는 영역들에 대응하는 복수의 피크 이미지들을 추출하고,
상기 복수의 피크 이미지들 각각을 주파수 역변환하여 상기 복수의 샘플 이미지들을 획득하는, 반도체 계측 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 복수의 샘플 이미지들 각각은, 상기 피크가 나타나는 영역들 중 하나의 영역에 대응하며, 상기 하나의 영역에서 나타나는 피크가 중앙에 표시되는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 복수의 엘리먼트들에 기초하여 상기 선택 임계 치수를 판단하기 위한 계측 파라미터를 산출하며,
상기 계측 파라미터를 라이브러리 데이터에 포함된 기준 파라미터와 비교하여 상기 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제5항에 있어서,
상기 계측 파라미터는, 상기 이미지 센서에 입사된 빛의 편광 성분들의 세기 차이, 상기 편광 성분들의 위상차, 및 편광도(Degree Of Polarization, DOP)를 포함하는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 엘리먼트들 각각은 이미지 포맷의 데이터이며,
상기 제어부는 상기 복수의 엘리먼트들을 라이브러리 데이터에 저장된 기준 이미지 데이터들과 비교하여 상기 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 시료에 입사하는 빛의 진행 경로, 및 상기 시료에서 반사된 빛의 진행 경로에 배치되는 대물 렌즈; 를 더 포함하며,
상기 대물 렌즈의 개구수는 0.95 이상 1.0 미만인, 반도체 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 시료에서 반사되어 상기 대물 렌즈로 입사하는 빛의 입사각은 0도 이상 85도 이하인, 반도체 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 이미지 센서의 표면은, 상기 대물 렌즈의 후 초점 평면(Back Focal Plane)의 위치에 대한 공액 위치에 배치되는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 시료에서 반사되어 상기 이미지 센서로 입사하는 빛의 방위각, 입사각, 및 파장 대역을 특정하고, 상기 복수의 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트에서 상기 방위각, 상기 입사각, 및 상기 파장에 대응하는 데이터를 추출하여 상기 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 선택 임계 치수에 대해 가장 높은 민감도를 갖는 적어도 하나의 엘리먼트를 상기 복수의 엘리먼트들 중에서 선택하고, 상기 적어도 하나의 엘리먼트에 기초하여 상기 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
복수의 편광 소자들을 통과하고 시료에서 반사된 빛을 수신하며, 빛의 편광 성분들의 간섭 패턴을 나타내는 다중 간섭 이미지를 출력하는 이미지 센서;
상기 이미지 센서가 빛을 수신하는 경로에 배치되며, 상기 시료의 상부에 배치되는 대물 렌즈를 포함하는 광학부; 및
상기 다중 간섭 이미지를 처리하여 상기 이미지 센서로 빛이 입사하는 경로와 수직인 평면에서 정의되는 복수의 방위각들 각각에서 상기 편광 성분들로부터 결정되는 편광도를 획득하는 제어부; 를 포함하며,
상기 제어부는, 상기 편광도에 기초하여 상기 시료에 포함된 구조체로부터 측정하고자 하는 선택 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제13항에 있어서,
상기 시료에 빛을 조사하는 조명부; 를 더 포함하며,
상기 조명부는 빛을 출력하는 광원, 및 상기 광원이 출력한 빛의 진행 경로에 배치되는 복수의 조명 편광 소자들을 포함하는, 반도체 계측 장치.
제14항에 있어서,
상기 광학부는 상기 이미지 센서가 빛을 수신하는 경로에 배치되는 복수의 수광 편광 소자들을 포함하는, 반도체 계측 장치.
제15항에 있어서,
상기 복수의 조명 편광 소자들과 상기 복수의 수광 편광 소자들 각각은, 빛을 제1 편광 성분과 제2 편광 성분으로 분해하는 한 쌍의 빔 디스플레이서들을 포함하는, 반도체 계측 장치.
제13항에 있어서,
상기 다중 간섭 이미지에 포함되는 픽셀들 각각의 좌표는, 빛의 광축으로부터의 거리에 대응하는 제1 성분, 및 상기 시료의 표면에 평행한 기준 축으로부터의 각도에 대응하는 제2 성분을 포함하며,
상기 제1 성분은 상기 대물 렌즈에 입사하는 빛의 입사각에 의해 결정되고, 상기 제2 성분은 상기 대물 렌즈에 입사하는 빛의 방위각에 의해 결정되는, 반도체 계측 장치.
파장 대역을 바꾸면서 시료에 빛을 조사하는 조명부;
빛이 상기 시료에서 반사되어 이미지 센서로 입사하는 경로에 배치되며, 빛을 복수의 편광 성분들로 분해하는 복수의 빔 디스플레이서들을 포함하는 광학부; 및
상기 복수의 편광 성분들을 수신한 상기 이미지 센서가 생성하는 다중 간섭 이미지에 기초하여, 상기 복수의 편광 성분들을 표현하는 뮬러 행렬의 엘리먼트들을 결정하는 제어부; 를 포함하며,
상기 제어부는 상기 엘리먼트들 중 적어도 하나의 엘리먼트를 선택하고, 상기 파장 대역에 따른 상기 적어도 하나의 엘리먼트의 분포에 대응하는 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 시료에서 빛이 조사된 영역에 포함되는 구조체의 임계 치수를 판단하는, 반도체 계측 장치.
제18항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 엘리먼트들 중 둘 이상의 엘리먼트들을 선택하고, 상기 파장 대역에 따른 상기 둘 이상의 엘리먼트들의 합의 분포에 대응하는 상기 스펙트럼 데이터를 생성하는, 반도체 계측 장치.
제18항에 있어서,
상기 적어도 하나의 엘리먼트는 상기 엘리먼트들 중에서 상기 임계 치수에 대해 가장 높은 민감도를 갖는, 반도체 계측 장치.