KR101843042B1 - 반도체 기판 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 기판 검사 방법 - Google Patents

반도체 기판 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 기판 검사 방법 Download PDF

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Abstract

헬륨 이온 현미경(helium ion microscopy, HIM)을 이용하여, 반도체 기판 상에 형성되어 있는 패턴을 3차원적인 입체 정보로 얻을 수 있는 반도체 기판 검사 장비를 제공하는 것이다. 상기 반도체 기판 검사 장비는 헬륨 가스를 담아두는 가스 용기, 상기 가스 용기 내에 위치하고, 상기 헬륨 가스를 헬륨 이온으로 변환시키는 헬륨 이온 발생부, 상기 가스 용기 아래에 위치하고, 피검사 기판이 놓이는 웨이퍼 스테이지, 상기 웨이퍼 스테이지 상에 위치하고, 상기 피검사 기판으로부터 발생되는 전자를 검출하는 이차 전자 검출기, 연속적인 질소 공급 장치로부터 제1 기체 질소를 공급받아 액체 질소로 압축하는 압축기, 상기 압축기와 연결되어 상기 액체 질소를 저장하는 액체 질소 듀워(Dewar), 및 상기 액체 질소 듀워로부터 공급받은 상기 액체 질소를 제2 기체 질소로 기화시켜 상기 헬륨 이온 발생부를 냉각시키고, 상기 가스 용기 상에서 상기 헬륨 이온 발생부와 결합되어 있는 냉각 장치를 포함한다.

Description

반도체 기판 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 기판 검사 방법{Equipment for inspecting semiconductor substrate and method for inspecting semiconductor substrate using the same}
본 발명은 반도체 기판 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 기판 검사 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 공정이 세분화되고 정밀해짐에 따라 요구되는 패턴의 사이즈는 점점 좁아지고, 단차는 점점 커지고 있다. 이러한 패턴이 설계치에 맞게 형성되었는지 검사하기 위해 일반적으로 광학적인 검사 설비를 이용한다. 하지만, 광학적인 검사 설비는 광학적 회절로 인하여 검출력의 한계가 존재한다. 따라서, 미세하고 단차가 큰 패턴 등을 검출하는 공정은 더욱 더 정밀한 수준이 요구되고 있으며, 이를 검출하는 검사 방법 또한 연구되고 있다.
광학적인 검사 설비가 갖는 한계를 극복하기 위해, 높은 분해능(numerical aperture, NA)을 갖는 대물 렌즈, 짧은 파장 영역대(DUV, EUV)의 빛을 이용하거나 다양한 빛의 조사 방법을 활용하고 있다. 그러나, 분해능(NA)을 1이상 증가시키는 방법의 한계 및 광원의 파장을 줄이는데 한계가 있다. 이런 광학적인 검사 장비의 한계를 극복하기 위해, 높은 가속 에너지를 갖는 전자를 조사하여 발생되는 이차 전자를 이미지화는 전자빔 검사 장비(Electron Beam Inspection)가 도입되었다. 이런 전자빔 검사 장비는 최근 10nm 수준의 불량을 검출할 수 있는 기술까지 발전하고, 수 nm의 공간 분해능을 제공할 수 있다. 하지만, 전자빔을 사용하여 시료에 전하가 쌓이거나(charging), 전자빔에 의한 시편의 손상 및 오염 문제가 발생한다. 또한, 동작 환경이 고진공 또는 초고진공을 필요로 하고, 피사계심도(DOF, depth of focus)가 얕아 입체적인 정보 대신 2차원의 평면 정보만을 얻을 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 헬륨 이온 현미경(helium ion microscopy, HIM)을 이용하여, 반도체 기판 상에 형성되어 있는 패턴을 3차원적인 입체 정보로 얻을 수 있는 반도체 기판 검사 장비를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하여는 다른 과제는 상기 반도체 기판 검사 장비를 이용하여, 반도체 기판 상에 형성되어 있는 패턴의 단차를 측정할 수 있는 반도체 기판 검사 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 기판 검사 장비의 일 태양(aspect)은 헬륨 가스를 담아두는 가스 용기, 상기 가스 용기 내에 위치하고, 상기 헬륨 가스를 헬륨 이온으로 변환시키는 헬륨 이온 발생부, 상기 가스 용기 아래에 위치하고, 피검사 기판이 놓이는 웨이퍼 스테이지, 상기 웨이퍼 스테이지 상에 위치하고, 상기 피검사 기판으로부터 발생되는 전자를 검출하는 이차 전자 검출기, 연속적인 질소 공급 장치로부터 제1 기체 질소를 공급받아 액체 질소로 압축하는 압축기, 상기 압축기와 연결되어 상기 액체 질소를 저장하는 액체 질소 듀워(Dewar), 및 상기 액체 질소 듀워로부터 공급받은 상기 액체 질소를 제2 기체 질소로 기화시켜 상기 헬륨 이온 발생부를 냉각시키고, 상기 가스 용기 상에서 상기 헬륨 이온 발생부와 결합되어 있는 냉각 장치를 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반도체 기판 검사 방법의 일 태양은 패턴이 형성된 피검사 기판을 제공하고, 헬륨 이온을 상기 피검사 기판에 조사하고, 상기 피검사 기판으로부터 발생된 입자를 검출하여, 상기 피검사 기판에 형성된 상기 패턴의 단차를 측정하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기판 검사 장비를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 반도체 기판 검사 장비를 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 헬륨 이온 현미경을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 3의 B부분을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 C부분을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 헬륨 이온 현미경을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 장치에 사용되는 검출기를 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 컨트롤러의 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기판 검사 장비를 나타낸 개략도이다. 도 2는 도 1의 반도체 기판 검사 장비를 나타낸 개략적인 평면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 헬륨 이온 현미경을 나타낸 개략도이다. 도 4는 도 3의 B부분을 나타낸 도면이고 도 5는 도 3의 C부분을 나타낸 도면이다.
우선 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기판 검사 장비는 로드 포트(1000), 전단 모듈(2000), 로드락 챔버(3000), 메인 챔버(4000) 및 컨트롤러(40)를 포함한다. 로드 포트(1000)와 전단 모듈(2000)은 반도체 기판이 움직일 수 있는 게이트(미도시)를 통해 연결될 수 있다. 전단 모듈(2000)은 로드 포트(1000)와 연결되지 않은 타면에서 로드락 챔버(3000)와 연결된다. 전단 모듈(2000)과 로드락 챔버(3000)는 제1 게이트 밸브(3000a)를 통해 연결된다. 로드락 챔버(3000)와 메인 챔버(4000)는 제2 게이트 밸브(3000b)를 통해 연결될 수 있다. 제1 게이트 밸브(3000a) 및 제2 게이트 밸브(3000b)는 전단 모듈(2000)과 로드락 챔버(3000) 또는 메인 챔버(4000)와 로드락 챔버(3000) 사이의 압력 조절을 위해 배치될 수 있다. 메인 챔버(4000)와 전단 모듈(2000) 사이에 압력 차이가 없다면, 제1 및 제2 게이트 밸브(3000a, 3000b), 로드락 챔버(3000)는 생략될 수 있다. 반도체 기판 검사 장비는 진동에 의해 영향을 많이 받으므로, 로드락 챔버(3000)와 메인 챔버(4000)는 충격을 흡수할 수 있는 방진 시스템(4020)에 의해 지지된다. 컨트롤러(40)는 메인 챔버(4000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러(40)는 예시적으로 메인 챔버(4000)에 포함되는 검출기와 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다.
구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 로드 포트(1000)는 피검사 기판이 투입되는 장소이고, 피검사 기판을 거치할 수 있는 테이블(1010)을 포함한다. 로드 포트(1000)는 복수개의 테이블(1010)이 설치 되어 있을 수 있다. 피검사 기판은 카세트에 담겨 로드 포트(1000)에 투입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전단 모듈(2000)은 피검사 기판이 이동하는 장소이고 상압으로 유지될 수 있다. 전단 모듈(2000)은 제1 로봇 암(2020)과 필터(2010)를 포함한다. 제1 로봇 암(2020)은 로드 포트(1000)의 테이블(1010)에 놓여진 피검사 기판을 로드락 챔버(3000)의 제1 거치대(3020)로 전송할 수 있다. 제1 로봇 암(2020)은 복수개의 테이블(1010)로부터 로드락 챔버(3000)로 피검사 기판을 전송할 수 있으므로, 제2 방향(y)으로 움직일 수 있다. 필터(2010)는 전단 모듈(2000)의 상부에서 하방으로 공기를 이동하게 만든다. 피검사 기판에 먼지 등의 파티클이 안착이 되면, 피검사 기판을 검사하는데 불량이 발생할 수 있으므로, 필터(2010)는 항상 공기를 하방으로 이동시킨다.
로드락 챔버(3000)는 제1 거치대(3020)와 제2 로봇 암(3010)을 포함할 수 있다. 로드락 챔버(3000)는 제1 거치대(3020)와 제2 로봇 암(3010)이 위치하는 곳이 각각 분리되어, 제3 게이트 밸브(3000c)에 의해 연결될 수도 있다. 제1 거치대(3020)는 제1 로봇 암(2020)에 의해 전송된 피검사 기판을 놓아두는 곳이다. 제2 로봇 암(3010)은 제1 거치대(3020) 상에 놓인 피검사 기판을 메인 챔버(4000) 내의 제2 거치대(20)로 전송할 수 있다. 로드락 챔버(3000)는 로드락 챔버(3000) 내의 압력을 조절하기 위하여 진공 펌프(미도시)와 연결될 수 있다. 메인 챔버(4000) 내의 압력이 낮게 유지될 경우, 압력 차이로 인한 장비의 고장을 막기 위해, 로드락 챔버(3000) 내의 압력은 조절될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 메인 챔버(4000)는 제2 거치대(20), 제2 거치대 이동 트랙(t), 헬륨 이온 모듈(10), 검출기(30) 및 광학 현미경(4010)을 포함할 수 있다. 제2 거치대(20)는 제2 로봇 암(3010)에 의해 전송된 피검사 기판을 배치하는 곳이다. 제2 거치대(20)는 헬륨 이온 현미경으로 피검사 기판을 검사할 때, 웨이퍼 스테이지로 사용될 수도 있다. 제2 거치대(20)는 제2 로봇 암(3010)에 의해 피검사 기판을 제공받은 후, 헬륨 이온 모듈(10)이 있는 곳까지 제2 거치대 이동 트랙(t)을 통해 이동할 수 있다. 제2 거치대(20)는 피검사 기판과 헬륨 이온 모듈(10)의 위치 관계를 조절하기 위해, 제1 방향(x) 및 제2 방향(y)으로 움직일 수 있고, 초점을 조절하기 위해 제3 방향(z)으로도 움직일 수 있다. 제2 거치대(20)는 피검사 기판의 정열을 위해 헬륨 이온 모듈의 광학 축을 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 피검사 기판을 기울여서 검사할 수 있도록, 제2 거치대(20)는 제2 거치대에 포함되는 임의의 축을 중심으로 틸팅될 수 있다. 예를 들어, x 축 또는 y 축을 중심으로 제2 거치대를 틸팅시켜, 피검사 기판을 기울일 수 있다.
헬륨 이온 모듈(10)은 제2 거치대(20) 상의 피검사 기판에 헬륨 이온을 조사하는 장비이다. 헬륨 이온 모듈(10)은 이동할 경우, 장비의 셋팅 값이 달라질 수 있으므로, 메인 챔버(4000)에 고정되어 있다. 검출기(30)는 피검사 기판에 조사된 헬륨 이온에 의해 피검사 기판에서 발생한 입자 예를 들어, 이차 전자를 검출한다. 도 1에서 검출기(30)는 메인 챔버(4000)의 외곽에 고정되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 검출기(30)는 메인 챔버(4000) 내부 공간에 위치되어 있을 수 있고, 제2 거치대(20)를 주변을 회전할 수 있다. 광학 현미경(4010)은 피검사 기판의 표면을 광학적으로 검사할 때 사용될 수 있다. 헬륨 이온 모듈(10) 및 검출기(30)에 대해서는 도 3, 도 7 및 도 8에서 상세히 기술하도록 한다.
컨트롤러(40)는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 기판 검사 장비를 제어할 수 있다. 도 1 및 도 2에서, 컨트롤러(40) 검출기(30)와 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 도면의 간략성을 위한 것일 뿐 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 컨트롤러(40)는 검출기(30)에서 검출된 신호를 영상 신호로 변환하여 이미지화할 수 있다. 컨트롤러(40)는 헬륨 이온 모듈(10)의 작동, 제2 거치대(20)의 움직임 또는 로드락 챔버(3000) 등의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(40)는 검출기(30)를 통해 얻은 이미지를 이용하여, 패턴의 단차를 측정할 수 있는 계산부(도 3의 40a 참조)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 피검사 기판에 단차가 있는 패턴이 형성되어 있다고 가정한다. 피검사 기판을 검사하여 검출기(30)를 통해 얻은 이미지로, 피검사 기판 상에 형성된 패턴의 단차를 컨트롤러(40) 내의 계산부가 측정할 수 있다. 자세한 측정 방법은 도 9 및 도 10과 관련되어 자세히 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 반도체 기판 검사 장비에서 피검사 기판이 이동하는 과정을 간략히 설명한다. 로드 포트에 피검사 기판을 담은 카세트(미도시)를 투입한다. 투입된 카세트는 복수일 수 있다. 제1 로봇 암(2020)은 카세트 내의 피검사 기판을 뽑아, 로드락 챔버(3000)의 제1 거치대(3020)로 전송한다. 이때, 제1 거치대(3020)가 있는 부분과 전단 모듈(2000)은 동일한 압력이 될 수 있도록 한다. 로드락 챔버(3000)의 제1 거치대(3020)와 제2 로봇 암(3010)이 있는 부분의 압력을 동일하게 조절하여, 제3 게이트 밸브(3000c)를 열어준다. 제2 로봇 암(3010)은 제1 거치대(3020) 상의 피검사 기판을 메인 챔버(4000) 내의 제2 거치대(20)로 전송한다. 이때, 제2 로봇 암(3010)과 메인 챔버(4000)의 압력을 동일하게 조절한 후, 제2 게이트 밸브(3000b)를 열어준다. 제2 거치대(20)에 위치한 피검사 기판은 제2 거치대 이동 트랙(t)에 의해 헬륨 이온 모듈(10) 아래로 이동을 한다. 헬륨 이온 모듈(10)에서 조사되는 헬륨 이온에 의해 발생한 입자를 검출기(30)가 검출하고, 검출기(30)와 연결된 컨트롤러(40)는 이미지로 표시한다. 피검사 기판에 단차가 있는 패턴이 형성되어 있는 경우, 컨트롤러(40) 내 의 계산부는 단차를 측정하고, 패턴의 단차를 표시한다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 사용되는 헬륨 이온 현미경(Helium Ion Microscopy, HIM)은 헬륨 이온 모듈(도 1의 30 참조), 웨이퍼 스테이지(20), 이차 전자 검출기(30) 및 컨트롤러(40)를 포함한다. 헬륨 이온 모듈은 가스 용기(110), 헬륨 이온 발생부(100), 경통(120) 및 냉각 장치(130)를 포함한다. 도 3은 도 1의 H영역을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비는 가스 용기(110)와, 가스 용기 내에 위치하는 헬륨 이온 발생부(100)와, 가스 용기(110) 아래에 위치하는 경통(120)을 포함한다. 반도체 기판 검사 장치는 경통(120) 아래에 위치하는 웨이퍼 스테이지(20)와, 웨이퍼 스테이지(20) 상에 배치되는 이차 전자 검출기(30)와, 가스 용기(110) 상에서 헬륨 이온 발생부(100)와 결합하는 냉각 장치(130)와, 이차 전자 검출기(30)와 연결되는 컨트롤러(40)를 더 포함한다. 또한, 반도체 기판 검사 장비는 냉각 장치(130)와 순차적으로 연결된 액체 질소 듀워(140)와, 압축기(150)를 더 포함한다.
구체적으로, 헬륨 이온 발생부(100)는 헬륨 가스(100a)를 헬륨 이온으로 변환시키는 것이다. 헬륨 이온 발생부(100)는 헬륨 가스가 담겨있는 가스 용기 내에 위치한다. 헬륨 이온 발생부(100)의 일부가 가스 용기 내에 위치하고, 나머지는 가스 용기(110) 상부로 돌출되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 헬륨 이온 발생부(100) 전체가 가스 용기 내에 위치할 수도 있다. 헬륨 이온 발생부(100)에 고전압을 인가하기 위해 헬륨 이온 발생부(100)의 아래에 전극(미도시)이 설치되어 있다. 헬륨 이온 발생부(100)는 냉각 장치(130)에 의해 저온으로 유지되므로, 헬륨 가스(100a)는 헬륨 이온 발생부(100)에 달라붙는다. 이때, 헬륨 가스(100a)는 전자를 헬륨 이온 발생부(100)에 빼앗기고, 웨이퍼 스테이지(20)를 향해 고속으로 튕겨져 나가 헬륨 이온(100i)을 형성한다. 헬륨 이온이 헬륨 이온 빔을 형성하므로, 이하에서는 헬륨 이온 빔이 헬륨 이온을 포함한다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 가스 용기(110) 내에 헬륨 이온 발생부(100)가 설치되어 있고, 가스 용기(110) 내에 기준 압력 이상의 헬륨 가스(100a)가 담겨 있다. 가스 용기(110)의 일부는 헬륨 이온 발생부(100)에 의해 만들어진 헬륨 이온 빔(100i)의 이동 경로가 될 수 있다.
가스 용기(110)는 연속적인 헬륨 공급 장치(170)로부터 헬륨 가스를 공급받을 수 있다. 연속적인 헬륨 공급 장치(170)란 24시간 동안 끊임없이 헬륨 가스를 공급해주는 장치를 의미하는 것으로 예를 들어, 반도체 생산 라인의 유틸리티 라인(utility line)일 수 있다. 연속적인 헬륨 공급 장치(170)는 복수개의 가스 봄베(bombe)를 연결하여 헬륨 가스를 공급하는 것도 포함될 수 있다. 하지만, 반도체 생산 라인의 공간 활용성을 위해, 연속적인 헬륨 공급 장치(170)는 반도체 생산 라인의 유틸리티 라인을 사용하는 것이 효율적이다.
도 5를 참조하여, 가스 용기(110)는 가스 용기 내의 헬륨 가스(100a)의 압력을 측정하는 제1 압력 게이지(110p)와 제3 밸브(v3)을 더 포함할 수 있다. 제3 밸브(v3)는 가스 용기(110)와 연속적인 헬륨 공급 장치(170) 사이에 위치할 수 있다. 제1 압력 게이지(110p)는 제3 밸브(v3)와 전기적으로 연결될 수 있지만, 이는 예시적인 것일 뿐이다. 즉, 제1 압력 게이지(110p) 및 제3 밸브(v3)은 각각 컨트롤러(40)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 압력 게이지(110p)와 제3 밸브(v3) 사이의 동작에 대해 설명한다. 제1 압력 게이지(110p)가 기준 압력 이하로 내려가면, 제1 압력 게이지(110p)는 제3 밸브(v3)에 전기적 신호(E.S)를 보낸다. 전기적 신호에 대한 응답으로 제3 밸브(v3)는 개방되어 가스 용기(110)에 헬륨 가스를 공급한다. 반대로, 제1 압력 게이지(110p)가 기준 압력 이상으로 올라가면, 제1 압력 게이지(110p)는 제3 밸브(v3)에 전기적 신호(E.S)를 보낸다. 전기적 신호에 대한 응답으로 제3 밸브(v3)는 닫힌다. 하지만, 이는 예시적인 것 일뿐이므로, 제1 압력 게이지(110p)의 압력을 보고, 수동으로 제3 밸브(v3)을 개폐할 수도 있고 컨트롤러(40)를 매개로 동작할 수도 있다.
도 3 및 도 4을 참조하여, 냉각 장치(130)는 가스 용기(110) 위에서 헬륨 이온 발생부(100)와 결합을 하여, 헬륨 이온 발생부(100)를 냉각시킬 수 있다. 냉각 장치(130)로 사용되는 것은 예를 들어, 액체 질소(liquid nitrogen)일 수 있다. 헬륨 이온 발생부(100)에서 헬륨 이온 빔(100i)이 효율적으로 발생되기 위해서는 헬륨 이온 발생부(100)의 온도가 극저온으로 유지될 필요가 있다. 이를 위해, 냉각 장치(130)는 헬륨 이온 발생부(100)의 온도가 올라가지 않도록 하여, 헬륨 이온 빔(100i)이 안정적으로 생성될 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서, 냉각 장치(130)가 헬륨 이온 발생부(100)를 연속적으로 냉각시키기 위해서, 예를 들어, 액체 질소의 연속적인 공급이 중요한 문제가 된다.
도 3을 참조하여, 냉각 장치(130)에는 액체 질소 듀워(Dewar)(140)와 압축기(150) 및 연속적인 질소 공급 장치(160)가 순차적으로 연결되어 있다. 또한, 액체 질소 듀워(140)와 압축기(150) 사이, 및 압축기(150)와 연속적인 질소 공급 장치(160) 사이에 각각 제1 및 제2 밸브(v1, v2)가 위치한다. 연속적인 질소 공급 장치(160)란 24시간 동안 끊임없이 질소 가스를 공급해주는 장치를 의미하는 것으로 예를 들어, 반도체 생산 라인의 유틸리티 라인일 수 있다. 연속적인 질소 공급 장치(160)는 복수개의 가스 봄베를 연결하여 질소 가스를 공급하는 것도 포함될 수 있다. 하지만, 반도체 생산 라인의 공간 활용성을 위해, 연속적인 질소 공급 장치(160)는 반도체 생산 라인의 유틸리티 라인을 사용하는 것이 효율적이다.
도 3을 참조하여, 압축기(150)는 연속적인 질소 공급 장치(160) 예를 들어, 반도체 생산 라인의 유틸리티 라인에서 제1 기체 질소를 공급받아 액체 질소를 만들다. 압축기(150)에 의해 만들어진 액체 질소는 액체 질소 듀워(140)로 보내져, 저장된다. 액체 질소를 저장하는 액체 질소 듀워(140)는 냉각 장치에 계속하여 액체 질소를 공급한다. 액체 질소 듀워(140)에서 공급받은 액체 질소는 냉각 장치(130)에서 제2 기체 질소로 기화가 되고, 이와 동시에 헬륨 이온 발생부를 냉각시킨다. 다시 말하면, 헬륨 이온 발생부(100)를 냉각시키는 질소의 상태 변화는 압축기(150)와 연속적인 질소 공급 장치(160) 사이에서 제1 기체 질소로, 액체 질소 듀워(140)에서 액체 질소로, 냉각 장치에서 다시 제2 기체 질소로 변화를 한다. 이러한 과정을 통해 냉각 장치(130)는 헬륨 이온 발생부(100)를 냉각시킨다.
도 4를 참조하여, 액체 질소 듀워(140)는 용기 내의 액체 질소의 유압을 측정하는 제2 압력 게이지(140p)를 더 포함할 수 있다. 제2 압력 게이지(140p)는 압축기와 제1 및 제2 밸브(v1, v2)와 전기적으로 연결될 수 있지만, 이는 예시적인 것일 뿐이다. 즉, 제2 압력 게이지(140p)는 컨트롤러(40)에 연결될 수 있고, 압축기(150), 제1 및 제2 밸브(v1, v2)도 각각 컨트롤러(40)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 압축기(150), 제1 및 제2 밸브(v2, v3) 각각과 제2 압력 게이지(140p) 사이의 동작에 대해 설명한다. 제2 압력 게이지(140p)가 기준 압력 이하로 내려가면, 제2 압력 게이지(140p)는 제1 및 제2 밸브(v1, v2)과 압축기(150)에 전기적 신호(E.S)를 보낸다. 전기적 신호에 대한 응답으로, 제1 밸브(v1)는 개방되어 제1 기체 질소를 압축기(150)에 공급을 한다. 더불어, 전기적 신호에 대한 응답으로, 제2 밸브(v2)는 개방되어 압축된 액체 질소는 액체 질소 듀워(140)에 저장된다. 반대로, 제2 압력 게이지(140p)가 기준 압력 이상으로 올라가면, 제2 압력 게이지(140p)는 제1 및 제2 밸브(v1, v2)과 압축기(150)에 전기적 신호(E.S)를 보낸다. 전기적 신호에 대한 응답으로, 제1 및 제2 밸브(v1, v2)는 닫히고, 압축기(150)는 가동을 멈춘다. 하지만, 이는 예시적인 것 일뿐이므로, 제2 압력 게이지(140p)의 압력을 보고, 수동으로 제1 및 제2 밸브(v2, v3)를 개폐하고, 압축기(150)를 동작시킬 수 있다. 또한, 제2 압력 게이지(140p)는 컨트롤러(40)를 매개로 제1 및 제2 밸브(v2, v3) 및 압축기(150)를 동작시킬 수도 있다.
도 3을 참조하여, 경통(120) 가스 용기(110) 아래에 위치하고, 헬륨 이온 발생부(100)에서 만들어진 헬륨 이온 빔(100i)이 비행하는 곳이다. 경통(120)은 렌즈(120a)와 편향기(120b)를 포함할 수 있다. 렌즈(120a)는 헬륨 이온 빔(100i)의 사이즈를 조절하고, 편향기(120b)는 헬륨 이온 빔(100i)의 방향을 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 웨이퍼 스테이지(20)는 경통 아래에 위치하고, 웨이퍼 스테이지 상에 피검사 기판(200)이 배치된다. 웨이퍼 스테이지(20)는 도 1의 제2 거치대(20)일 수 있다. 웨이퍼 스테이지(20)는 서로 다른 제1 내지 제3 방향(x, y, z)으로 이동할 수 있다. 웨이퍼 스테이지(20)는 피검사 기판(200)을 회전시켜, 측정하고자 하는 위치에 헬륨 이온 빔(100i)이 도달하게 할 수 있다. 또한, 웨이퍼 스테이지(20)는 피검사 기판(200)을 기울여서 측정하거나, 피검사 기판(200)의 로딩이 잘못되었을 때, 피검사 기판(200)의 수평을 잡을 수 있도록, 틸팅(tilting)될 수 있다. 다시 말하면, 피검사 기판(200)은 웨이퍼 스테이지(20)에 의해 5가지의 자유도(degree of freedom)을 가지고 움직일 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐, 이에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하여, 이차 전자 검출기(30)는 피검사 기판(200) 상에 위치하여, 피검사 기판(200)에서 발생되는 이차 전자를 검출한다. 이차 전자 검출기(30)는 고정되어 있을 수도 있으나, 피검사 기판(200) 주변을 회전(도 7, 도 8 의 30 참조)하여, 피검사 기판(200)에서 발생하는 이차 전자를 검출할 수도 있다. 이차 전자 검출기(30)는 헬륨 이온 빔(100i)이 입사함으로써 피검사 기판(200)에서 발생한 이차 전자를 포집 및/또는 검출한다. 이차 전자 검출기(30)는 피검사 기판(200)에서 나오는 이차 전자의 양을 검출하여, 검출된 정보를 컨트롤러(40)로 전송한다.
도 3을 참조하여, 컨트롤러(40)는 이차 전자 검출기(30)에서 전송한 정보를 표시하는 표시부(40b)와 전송한 정보를 이용하여 피검사 기판(200) 상의 패턴 단차를 계산할 수 있는 계산부(40a)를 포함할 수 있다. 표시부(40b)는 검출기에서 검출한 신호를 영상으로 표시하는 부분이다. 표시부(40b)는 이차 전자 검출기(30)에 많은 전자가 검출되면 밝게, 작게 검출되면 어둡게 표시하여, 확대된 피검사 기판(200)의 이미지를 표시한다. 컨트롤러(40)에 포함되는 계산부(40a)는 이후에 설명한다.
도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비를 설명한다. 본 실시예는 가스 용기(110) 부분을 제외하고 전술한 실시예와 동일하다. 그러므로, 전술한 실시예와 중복되는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 기재하고, 그에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 헬륨 이온 현미경을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여, 헬륨 가스(100a)를 담아두는 가스 용기(110)는 경통(120) 상에 위치하고, 가스 용기(110) 내에 헬륨 이온 발생부(100)가 위치한다. 연속적인 헬륨 공급 장치와 연결되는 라인이 가스 용기(110)에 없다. 헬륨 이온 전자 현미경을 사용할 때, 가스 용기(110)에 형성되어 있는 주입구(미도시)로 헬륨 가스(100a)를 주입한다. 헬륨 이온 현미경을 사용하는 중에, 헬륨 가스(100a)가 부족하게 되면, 주입구를 통해 보충시켜줄 수 있다. 주입구의 형상을 제한되지 않고, 연속적인 헬륨 공급 장치와 연결이 되지 않을 뿐이므로, 도 3과 같이 가스 용기(110)에 연결되는 라인을 설치하고, 헬륨 가스 봄베를 연결할 수도 있다. 가스 용기(110)는 압력 게이지(110p)를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비를 설명한다. 본 실시예는 이차 전자 검출기(30) 부분을 제외하고 도 3 내지 5를 통해 설명한 실시예와 동일하다. 그러므로, 전술한 실시예와 중복되는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 기재하고, 그에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 7 및 도 8은 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 검출기를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하여, 웨이퍼 스테이지(20) 상에 이차 전자 검출기(30)와 이온 검출기(32)가 배치된다. 헬륨 이온 빔이 피검사 기판(200)에 입사될 때, 이차 전자 검출기(30)는 피검사 기판(200)에서 발생하는 이차 전자(200e)를 검출한다. 검출된 정보는 컨트롤러(40)에 보내져 표시부에서 이미지로 나타난다. 또한, 이온 검출기(32)는 피검사 기판에서 스퍼터링된 이온(200i)을 검출한다. 검출된 이온 정보는 컨트롤러(40)로 보내져 표시부에서 이미지화된다. 헬륨 이온은 전자보다 수천 배 질량이 크기 때문에, 전자로 피검사 기판을 검사하는 것과는 달리, 피검사 기판(200)에서 많은 이온이 스퍼터링(sputtering)될 수 있다. 이와 같이 스퍼터링된 이온(200i)를 러더포드 후방산란 이온(Rutherford Backscattering Ion, RBI)라고 부르며, 이온 검출기(32)는 RBI를 검출하는 것이다. RBI는 피검사 기판(200)의 물질 구성(원자 번호(Z)에 의존)에 따라 양이 달라지게 된다. 그러므로, 피검사 기판(200)에 존재하는 구성 물질의 차이를 이미지 정보로 얻을 수 있다. 따라서, 이온 검출기(32)를 더 포함시킴으로써, 피검사 기판(200)의 오염 및 화학적 분석에 다른 불량 검출 기능에도 반도체 기판 검사 장비를 활용할 수 있다.
도 8을 참조하여, 웨이퍼 스테이지(20) 상에 이차 전자 검출기(30)가 배치되고 웨이퍼 스테이지(20) 아래에 투과 이온 검출기(34)가 배치된다. 헬륨 이온 빔이 피검사 기판(200)에 입사될 때, 이차 전자 검출기(30)는 피검사 기판(200) 위로 방출되는 이차 전자(200e)를 검출한다. 하지만, 투과 이온 검출기(34)는 피검사 기판(200)을 투과한 헬륨 이온(100it)을 검출한다. 헬륨 이온 빔이 피검사 기판(200)을 투과하기 위해서, 헬륨 이온 빔이 입사되는 부분의 피검사 기판(200)의 두께가 충분히 얇아야 한다. 피검사 기판(200)의 두께가 헬륨 이온 빔이 투과할 수 있을 정도로 충분히 얇게 가공했다고 가정하자. 투과 이온 검출기(34)에 검출되는 투과 헬륨 이온(100it)의 정보를 컨트롤러(40)로 전송하고 표시부에서 이미지화하면, 피검사 기판(200)의 회절 격자 패턴이 만들어진다. 이를 통하여, 피검사 기판의 결정 구조, 응력 상태, 형성된 패턴의 정합 관계 등을 알아낼 수 있다. 즉, 헬륨 이온 현미경을 이용하여 투과 전자 현미경(TEM)으로 측정할 수 있는 값들을 측정할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예로 이차 전자 검출기(30)에 이온 검출기(32) 또는 투과 이온 검출기(34)가 각각 하나씩 연결되어 있는 것으로 도시된다. 하지만, 이는 실시예일뿐, 이차 전자 검출기(30)에 이온 검출기(32) 및 투과 이온 검출기(34)가 모두 배치될 수 있고, 이로써, 헬륨 이온 현미경에 3개의 검출기가 배치될 수 있다.
도 9a 내지 도 10b를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비를 설명한다. 본 실시예는 컨트롤러(40)를 제외하고 도 3 내지 5를 통해 설명한 실시예와 동일하다. 그러므로, 전술한 실시예와 중복되는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 기재하고, 그에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 9a 내지 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에 사용되는 컨트롤러의 계산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참조하여, 피검사 기판(200) 내부로 만입된 패턴이 피검사 기판(200) 상에 형성되어 있고, 형성된 패턴의 높이는 h이고, 패턴의 폭은 CD21이다. 피검사 기판(200)은 틸팅되지 않은 상태로 웨이퍼 스테이지 상에 배치되어 있다. 즉, 슬로프 폭은 없는 상태이다. 여기에서 슬로프 폭이란, 피검사 기판(200) 상의 패턴을 평면상에 나타낼 때, 패턴 측벽의 폭을 의미한다. 또한, 패턴의 폭이란, 피검사 기판(200) 상의 패턴을 평면 상에 나타낼 때, 폭을 의미한다. 도 3을 참조하여, 피검사 기판(200)이 틸팅되지 않은 상태라는 것은 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)이 피검사 기판(200)에 수직으로 조사되는 경우를 의미한다. 즉, 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)와 피검사 기판(200)의 법선이 실질적으로 평행한 상태를 의미한다.
도 9b를 참조하여, 피검사 기판(200)을 각도 a 만큼 틸팅을 시켰을 때, 패턴의 폭은 CD22가 되고, 슬로프 폭은 d가 된다. 피검사 기판을 각도 a 만큼 틸팅을 시켰어도, 패턴의 높이는 h로 동일하다. 삼각함수를 이용하여 패턴의 높이 h와 슬로프 폭 d와 피검사 기판(200)의 틸팅 각도 a 사이의 관계를 구하면, 아래의 수학식 1의 관계를 갖는다.
Figure 112012002858684-pat00001
도 9a 및 도 9b를 참조하여, 슬로프 폭이 0이고 패턴의 폭이 CD21, 패턴의 높이가 h인 직사각형 모양의 패턴이 피검사 기판(200)에 형성되어 있다. 헬륨 이온 현미경을 통해, 피검사 기판(200)을 틸팅한 후에 슬로프 폭을 측정하면, 수학식 1의 관계로부터 패턴의 높이 h를 간단히 구할 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여, 일반적인 형상의 패턴이 피검사 기판에 형성되어 있을 때, 패턴의 높이를 구하는 방법에 대하여 설명한다.
도 10a를 참조하여, 피검사 기판(200) 내부로 만입된 패턴이 피검사 기판(200) 상에 형성되어 있고, 형성된 패턴의 높이는 h, 패턴 하부의 폭은 CD21, 슬로프 폭은 S1이다. 도 10a는 피검사 기판(200)이 틸팅되지 않은 상태로 웨이퍼 스테이지에 놓여있다.
도 10b를 참조하여, 피검사 기판(200)을 각도 a 만큼 틸팅을 시켰을 때, 패턴 하부의 폭은 CD22이고, 슬로프 폭은 S2가 된다. 피검사 기판을 각도 a 만큼 틸팅시켰어도, 패턴의 높이는 h로 동일하다. 삼각함수를 이용하여 패턴의 높이 h와 슬로프 폭 d와 피검사 기판(200)의 틸팅 각도 a 사이의 관계를 구한다. 우선 틸팅 후의 슬로프 폭 S2는 틸팅 전의 슬로프 폭에 의한 부분 S와 패턴의 높이에 의한 부분 d의 합이 된다. 또, 틸팅 전 슬로프 폭 S1의 코사인 성분은 S가 된다. 이것을 수학식 2 및 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012002858684-pat00002
Figure 112012002858684-pat00003
패턴의 높이 h와 패턴의 높이에 의한 슬로프 폭 d의 관계는 여전히 수학식 1을 만족한다. 따라서, 수학식 2 및 수학식 3을 정리하여 수학식 1에 대입하면 수학식 4의 관계가 도출된다.
Figure 112012002858684-pat00004
수학식 4에서 틸팅하기 전의 슬로프 폭 S1에 0을 대입하면, 수학식 1과 동일한 결과가 나옴을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여, 슬로프 폭이 S1이고, 패턴의 하부 폭이 CD21, 패턴의 높이가 h인 사다리꼴 모양의 패턴이 피검사 기판(200)에 형성되어 있다. 헬륨 이온 현미경을 통해, 틸팅하기 전의 슬로프 폭 S1을 측정하고, 틸팅한 후의 슬로프 폭 S2를 측정하면, 수학식 4의 관계로부터 패턴의 높이 h를 구할 수 있다.
도 3, 도 9a 내지 도 10b를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 장비에서 컨트롤러(40)에 포함되는 계산부(40a)는 피검사 기판(200) 상에 형성된 패턴의 단차를 측정할 수 있다. 계산부(40a)는 수학식 1 및 수학식 4의 관계로부터 피검사 기판(200) 상의 패턴의 단차를 계산할 수 있다. 도 9a 내지 10b를 통해서는 의도적으로 형성한 패턴의 높이를 측정하는 것으로 설명하였으나, 피검사 기판(200) 상의 불량 등도 계산부(40a)를 통해 단차를 계산할 수 있다.
또한, 도 9a 내지 도 10b를 통해 설명한 계산부(40a)를 포함하는 반도체 기판 검사 장비에 도 6 내지 도 8에서 설명한 가스 용기(110) 및 검출기 등이 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서, 도 3, 도 9a 내지 도 10b를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 기판 검사 방법에 대해서 설명한다.
도 3을 참조하여, 웨이퍼 스테이지(20) 상에 피검사 기판(200)을 제공한다. 피검사 기판(200)에는 도 9a 또는 도 10a와 같은 패턴이 형성되어 있다. 헬륨 이온 현미경의 헬륨 이온 발생부(100)에서 발생된 헬륨 이온(100i)을 피검사 기판(200)에 조사한다. 헬륨 이온(100i)가 피검사 기판(200)에 충돌되어 발생한 입자 예를 들어, 이차 전자 등을 검출기(30)이 검출한다. 검출된 입자를 분석하여, 예를 들어, 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 형상 또는 단차 등을 측정할 수 있다. 이하에서는 피검사 기판(200)에서 발생된 입자는 이차 전자라고 가정하고 설명한다.
우선, 피검사 기판(200)으로부터 발생된 이차 전자를 분석하여, 피검사 기판(200)의 표면 형상 예를 들어, 형성된 패턴을 표시부(40b)에 나타낼 수 있다. 표시부(40b)에 나타난 피검사 기판(200)의 표면 형상을 통해, 선명한 이미지를 얻을 수 있도록 초점 거리, 헬륨 이온의 세기 등을 조정할 수 있다. 또한, 헬륨 이온(100i)를 피검사 기판(200)에 조사하는 것과 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 단차 등을 측정하는 것 사이에, 웨이퍼 스테이지(20)를 회전시키거나 틸팅(tilting)시켜 기울일 수 있다. 피검사 기판(200)에 형성된 패턴은 예를 들어, 임의의 방향으로 배열된 패턴일 수 있다. 예를 들어, 임의의 방향으로 배열된 패턴의 형성 또는 단차를 측정하기 위해, 피검사 기판(200)을 회전시킬 필요가 있다. 구체적으로, 피검사 기판(200)을 검사하는 방향과 피검사 기판(200) 상의 패턴의 방향이 상이할 수 있다. 이 경우, 효율적인 패턴 검사를 위해 웨이퍼 스테이지(20) 상의 피검사 기판(200)을 회전시켜, 검사 방향과 패턴의 방향을 정렬할 필요가 있다. 즉, 헬륨 이온(100i)을 피검사 기판(200)에 조사하는 것과 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 단차를 측정하는 것 사이에, 피검사 기판(200)의 검사 방향과 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 방향을 정렬하기 위해, 피검사 기판(200)을 회전시켜 패턴의 방향을 조정할 수 있다.
도 3을 참조하여, 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)은 피검사 기판(200)이 배치되지 않은 웨이퍼 스테이지(20)에 수직으로 입사될 수 있다. 이와 같은 상태의 웨이퍼 스테이지(20)에 피검사 기판(200)을 배치할 경우, 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)은 피검사 기판(200)에 수직으로 입사될 수 있다. 하지만, 웨이퍼 스테이지(20)와 피검사 기판(200) 사이에 예를 들어, 파티클이 있거나 접착 부재의 두께가 일정하지 않을 수 있다. 이 경우, 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)은 피검사 기판(200)에 수직으로 입사되지 않을 수 있다. 이렇게 되면, 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 단차를 측정할 때, 오차가 발생할 수 있다. 이런 오차 발생을 방지하기 위해, 피검사 기판(200)이 틸팅되지 않은 상태 다시 말하면, 기울어지지 않은 상태로 만들 필요가 있다. 따라서, 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 단차를 측정하기 전에, 편향되지 않은 헬륨 이온(100i)이 피검사 기판(200)에 수직으로 조사되도록, 웨이퍼 스테이지(20) 상의 피검사 기판(200)의 기울기를 조정할 수 있다.
도 3, 도 10a 및 도 10b를 참조하여, 피검사 기판(200)을 기울이기 전 즉, 피검사 기판(200)이 틸팅되지 않은 상태에서, 검출기(30)는 피검사 기판(200)으로부터 발생된 제1 이차 전자를 검출한다. 검출기(30)에 연결된 컨트롤러(40)는 제1 이차 전자를 분석하여, 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 제1 슬로프 폭(S1)을 측정한다. 이후, 피검사 기판(200)을 일정한 각도 a 만큼 기울인다. 검출기(30)는 기울여진 피검사 기판(200)에서 발생된 제2 이차 전자를 검출한다. 컨트롤러(40)는 제2 이차 전자를 분석하여, 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 제2 슬로프 폭(S1)을 측정한다. 측정된 제1 슬로프 폭(S1)과 제2 슬로프 폭(S2)를 이용하여, 컨트롤러(40)는 피검사 기판(200)에 형성된 패턴의 단차를 계산한다. 컨트롤러(40)가 패턴의 단차를 계산하는 식은 위에서 기술된 수학식 4를 이용한다.
이하에서, 헬륨 이온 현미경(HIM)을 사용할 경우, 일반적인 주사 전자 현미경(SEM)을 사용할 때보다, 패턴의 단차를 정확히 측정할 수 있는 이유에 대하여 설명한다.
헬륨 이온 현미경은 이론적으로 최대 공간 분해능이 약 0.25nm이다. 따라서, 헬륨 이온 현미경을 이용할 경우, 0.25nm 보다 멀리 떨어져 있는 패턴은 측정한 이미지를 이용하여 구별할 수 있다. 따라서, 헬륨 이온 현미경을 이용하여, 미세한 패턴의 폭도 구별할 수 있어, 정밀한 측정이 가능하다. 또한, 주사 전자 현미경과 비교하여, 피검사 기판의 표면에서 발생되는 이차 전자의 양이 상대적으로 많다. 따라서, 고대비의 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있고, 각 원소에 따라 발생하는 이온의 차이로 인해 대비가 뚜렷한 이미지를 얻을 수 있다. 덧붙여, 주사 전자 현미경에 비해, 헬륨 이온 현미경은 매우 작은 하프 코니칼 각(half conical angle)과 피검사 기판과의 상호작용 부피가 작아 깊은 피사계심도(Depth of field, DOF)와 높은 선명도를 갖는다. 피사계심도는 피사체를 중심으로 전후로 초점이 맞는 거리의 정도를 나타내는 값이다. 피사계심도가 깊은 헬륨 이온 현미경은 단차가 큰 패턴일지라도, 평면 이미지와 같은 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 따라서, 헬륨 이온 현미경을 사용할 경우 초점이 맞지 않아 흐리게 나오는 이미지가 줄어들게 되고, 선명한 이미지를 이용하여 패턴의 폭 등을 측정할 수 있다. 이런 정밀한 측정값을 이용해 수학식 1 또는 수학식 4를 이용하여 패턴의 단차를 정밀하게 구할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 헬륨 이온 모듈 30: 이차 전자 검출기
40: 컨트롤러 40a: 계산부
130: 냉각 장치 140: 액체 질소 듀워
160: 연속적인 질소 공급 장치 170: 연속적인 헬륨 공급 장치
200: 피검사 기판

Claims (10)

  1. 헬륨 가스를 담아두는 가스 용기;
    상기 가스 용기 내에 위치하고, 상기 헬륨 가스를 헬륨 이온으로 변환시키는 헬륨 이온 발생부;
    상기 가스 용기 아래에 위치하고, 피검사 기판이 놓이는 웨이퍼 스테이지;
    상기 웨이퍼 스테이지 상에 위치하고, 상기 피검사 기판으로부터 발생되는 전자를 검출하는 이차 전자 검출기;
    연속적인 질소 공급 장치로부터 제1 기체 질소를 공급받아 액체 질소로 압축하는 압축기;
    상기 압축기와 연결되어 상기 액체 질소를 저장하는 액체 질소 듀워(Dewar); 및
    상기 액체 질소 듀워로부터 공급받은 상기 액체 질소를 제2 기체 질소로 기화시켜 상기 헬륨 이온 발생부를 냉각시키고, 상기 가스 용기 상에서 상기 헬륨 이온 발생부와 결합되어 있는 냉각 장치를 포함하는 반도체 기판 검사 장비.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 질소 듀워가 기준 압력 이하일 때,
    상기 압축기는 상기 연속적인 질소 공급장치로부터 공급받은 상기 제1 기체 질소를 상기 액체 질소로 압축하여 상기 액체 질소 듀워에 저장하는 반도체 기판 검사 장비.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 용기는 연속적인 헬륨 공급 장치로부터 상기 헬륨 가스를 공급받는 반도체 기판 검사 장비.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 스테이지 상에 위치하고, 상기 피검사 기판에서 스퍼터링된 이온을 검출하는 이온 검출기를 더 포함하는 반도체 기판 검사 장비.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 스테이지 아래에 위치하고, 상기 피검사 기판을 투과하는 상기 헬륨 이온을 검출하는 투과 이온 검출기를 더 포함하는 반도체 기판 검사 장비.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 스테이지는 상기 피검사 기판을 서로 다른 3 방향으로 이동할 수 있고, 회전할 수 있고, 틸트(tilt)할 수 있는 반도체 기판 검사 장비.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 이차 전자 검출기는 상기 웨이퍼 스테이지 주변을 회전할 수 있는 반도체 기판 검사 장비.
  8. 패턴이 형성된 피검사 기판을 제공하고,
    헬륨 가스를 헬륨 이온 발생부를 이용하여 헬륨 이온으로 변환하고,
    냉각 장치를 이용하여, 액체 질소 듀워로부터 공급받은 액체 질소를 제2 기체 질소로 기화시킴으로써, 상기 헬륨 이온 발생부를 냉각시키고,
    헬륨 이온을 상기 피검사 기판에 조사하고,
    상기 피검사 기판으로부터 발생된 입자를 검출하여, 상기 피검사 기판에 형성된 상기 패턴의 단차를 측정하는 것을 포함하되,
    상기 액체 질소 듀워는 압축기에 연결되어 있고, 상기 액체 질소를 저장하고,
    상기 압축기는 연속적인 질소 공급 장치로부터 제1 기체 질소를 공급받아, 상기 제1 기체 질소를 상기 액체 질소로 압축하는 반도체 기판 검사 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 입자는 전자이고,
    상기 피검사 기판에 형성된 상기 패턴의 단차를 측정하는 것은
    상기 피검사 기판을 기울이기 전에, 상기 피검사 기판으로부터 검출된 제1 전자를 분석하여, 상기 패턴의 제1 슬로프 폭을 측정하고,
    상기 피검사 기판을 기울인 후에, 상기 피검사 기판으로부터 검출된 제2 전자를 분석하여, 상기 패턴의 제2 슬로프 폭을 측정하여,
    상기 패턴의 단차를 계산하는 것을 포함하는 반도체 기판 검사 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 패턴의 단차는 다음의 식을 이용하여 계산하는 반도체 기판 검사 방법.
    Figure 112012002858684-pat00005

    (단, h는 상기 패턴의 단차, S1은 상기 패턴의 제1 슬로프 폭, S2는 상기 패턴의 제2 슬로프 폭, a는 상기 피검사 기판을 기울인 각도)
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