KR20220005361A - 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치 및 방법, 그 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자에 대한 계측을 정밀하게 수행할 수 있고, 또한, 반도체 공정에서의 대응력을 향상시킬 수 있는, 높은 측정 민감도를 갖는 회절 기반 계측 장치 및 방법, 그 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법을 제공한다. 그 회절 기판 계측 장치는 광대역 광을 생성하여 출력하는 광원; 계측 대상이 배치되는 스테이지; 상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 광을 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 반사 광학계; 상기 광이 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 검출하는 검출기; 및 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상을 분석하는 측정 및 분석부;를 포함하는, 경사 조명을 이용한다.

Description

경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치 및 방법, 그 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법{Metrology apparatus and method based on diffraction using oblique illumination, and method for manufacturing semiconductor device using the metrology method}
본 발명의 기술적 사상은 계측 장치와 계측 방법에 관한 것으로, 특히 회절 기반의 계측 장치와 계측 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 제조 공정에서는 디자인 룰의 감소(shrink)가 지속적으로 진행되고 있고, 이로 인해 패턴의 사이즈도 갈수록 작아지고 있다. 또한, 웨이퍼나 마스크 상의 패턴이나 디펙을 계측하는 계측 장치의 측면에서, 작아진 패턴의 사이즈에 따른 민감도 저하, 및 계측 정확도 저하 등의 문제점이 발생할 수 있다. 이를 극복하기 위해 광학 해상도(resolution)를 향상하기 위한 방법이 지속적으로 연구 및 개발되고 있다. 한편, 기존에 주로 이용되고 있는 수직 입사 조명을 이용한 계측 기술은 NA와 파장 범위의 한계로 인하여, 측정 민감도가 한계에 이르고 있다. 그에 따라, 기존의 측정 민감도의 한계를 극복하고 정밀한 계측을 위한 기술의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은, 반도체 소자에 대한 계측을 정밀하게 수행할 수 있고, 또한, 반도체 공정에서의 대응력을 향상시킬 수 있는, 높은 측정 민감도를 갖는 회절 기반 계측 장치 및 방법, 그 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은, 광대역 광을 생성하여 출력하는 광원; 계측 대상이 배치되는 스테이지; 상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 광을 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 반사 광학계; 상기 광이 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 검출하는 검출기; 및 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상을 분석하는 측정 및 분석부;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 광대역 광을 생성하여 출력하는 광원; 계측 대상이 배치되는 스테이지; 상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 광을 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 반사 광학계; 상기 경사 각도를 조절하는 각도 조절부; 상기 광이 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 검출하되, 상기 회절광의 퓨필 면 상의 이미지인 퓨필 이미지를 검출하는 검출기; 및 상기 광의 파장, 상기 경사 각도, 및 상기 회절광의 인텐서티를 변수로 포함하는, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상의 오버레이 에러를 분석하는 측정 및 분석부;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 계측 대상을 준비하는 단계; 계측 장치의 광원에서, 광대역 광을 생성하여 출력하는 단계; 상기 계측 장치의 반사 광학계를 통해, 상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 단계; 상기 계측 장치의 검출기에서, 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 퓨필 면 상에서 퓨필 이미지로서 검출하는 단계; 상기 계측 장치의 측정 및 분석부에서, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하는 단계; 및 상기 측정 및 분석부에서, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상을 분석하는 단계;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법을 제공한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 계측 대상인 반도체 소자를 준비하는 단계; 계측 장치의 광원에서, 광대역 광을 생성하여 출력하는 단계; 상기 계측 장치의 반사 광학계를 통해, 상기 광을 반사를 통해 상기 반도체 소자에 조사하되, 상기 반도체 소자에 예각의 경사 각도로 입사시키는 단계; 상기 계측 장치의 검출기에서, 상기 반도체 소자에서 반사되어 회절된 회절광을 퓨필 면 상에서 퓨필 이미지로서 검출하는 단계; 상기 계측 장치의 측정 및 분석부에서, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하는 단계; 상기 측정 및 분석부에서, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 반도체 소자의 오버레이 에러를 분석하는 단계; 상기 오버레이 에러가 허용 범위 내인지 판단하는 단계; 및 상기 오버레이 에러가 허용 범위 내인 경우, 상기 반도체 소자에 대한 후속 공정을 수행하는 단계;를 포함하는, 반도체 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치는, 광대역의 광원, 경사 각도를 조절하는 각도 조절부, 반사형 대물렌즈를 구비한 반사 광학계, 및 퓨필 이미지를 검출하는 검출기를 포함함으로써, 수직 조명을 이용하는 기존 계측 장치와 비교하여 약 3배 증가된 측정 민감도를 가지고 계측 대상을 분석할 수 있다.
또한, 상기 계측 장치는 대용량의 3차원 퓨필 매트릭스를 획득하여 회귀 또는 기계 학습을 수행함으로써, 최적의 측정 민감도를 가지고 계측 대상을 분석할 수 있다. 한편, 오버레이 에러의 계측과 관련하여, 광대역 광의 사용에 기초하여 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하여 오버레이 마크에 대한 공정 조건 등을 변경할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구조도이다.
도 2a 내지 도 2c는 광대역 광원의 필요성을 설명하기 위한 오버레이 마크들에 대한 단면도들이다.
도 3은 도 1의 계측 장치의 반사형 광학계에서 경사 조명의 경사 각도의 조절을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 3차원 퓨필 매트릭스에 대한 개념을 설명하기 위한 개념도 및 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 경사 조명의 이용에 의한 측정 민감도의 증가를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6a 및 도 6b는 경사 조명의 이용에 의한 분해능의 향상을 보여주는 사진 및 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 경사 조명의 이용에 의한 오버레이 에러에 대한 계측의 정합성의 향상을 보여주는 그래프들이다.
도 8a 및 도 8b는 경사 조명의 경사 각도 조절에 기인하여 사용 가능한 파장 영역의 확장의 개념을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9a 내지 도 9c 각각은 경사 조명의 경사 각도와 파장에 따른 측정 민감도 맵의 그래프, 25°의 경사 각도에서, 파장에 따른 민감도에 대한 그래프, 및 600㎚의 파장에서, 경사 각도에 따른 민감도에 대한 그래프이다.
도 10은 경사 조명의 경사 각도 조절에 의해 파장별 민감도를 최대화하는 개념을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 오버레이 에러 커브의 선형성과 비선형성 체크를 통해 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하는 개념을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 12는 각 파장에 대한 민감도 기울기를 보여주는 그래프이다.
도 13은 다양한 오버레이 마크들에서, 비선형성의 오버레이 에러 커브들을 보여주는 그래프이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예들에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치에 대한 블록 구성도들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
도 16a 및 도 16b는 도 15의 계측 방법에서, 회절 기반 측정 단계를 좀더 구체적으로 부여주는 흐름도들이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도들이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시예들에 따른 회절 기반 계측 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법을 개략적으로 보여주는 흐름도들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치(1000, 이하 간단히 '계측 장치'라 한다)는 광원(100), 각도 조절부(200), 제1 반사 광학계(300), 스테이지(400), 제2 반사 광학계(500), 검출기(600), 및 측정 및 분석부(700)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 광대역(broadband) 광을 생성하여 출력할 수 있다. 예컨대, 광원(100)은 180㎚ 내지 20,000㎚ 파장 범위의 광대역 광을 생성하여 출력할 수 있다. 그러나 광원(100)의 광의 파장 범위가 상기 수치 범위에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 광원(100)은 보다 좁은 범위인 250㎚ 내지 1100㎚ 파장 범위의 광을 생성하여 출력할 수도 있다.
광원(100)은 상기 파장 범위를 단파장으로 스캔하면서 광을 출력할 수 있다. 예컨대, 광원(100)은 모노크로메이터(monochromator) 등을 이용하여 상기 파장 범위를 단파장의 폭을 가지고 스위핑(sweeping) 하면서 복수의 단색광들을 출력시킬 수 있다. 여기서, 단색광은 예컨대, 수㎚ 내지 수십㎚ 정도의 단파장 폭을 갖는 광을 의미할 수 있다.
한편, 광원(100)은 상기 파장 범위 전체를 포함한 광을 한번에 출력할 수 있다. 예컨대, 광원(100)은 초연속체(super-continuum)과 같은 백색광 타입의 광원으로서, 상기 파장 범위 전체를 출력할 수 있다. 백색광 타입의 광원(100)을 이용하는 경우, 회절광의 검출 시에 회절 격자나 프리즘 등의 분광기를 이용하여 파장별로 분리할 수 있다.
본 실시예의 계측 장치(1000)는 광대역 광을 생성하는 광원(100)을 포함함으로써, 다음과 같은 이점이 있다. 첫 번째는 계측 대상(2000)의 패턴 사이즈, 층간 두께, 또는 물질 특성 등에 따라 적절한 파장의 광을 선택하여 사용할 수 있다. 그에 대해서는 도 2a 내지 도 2b의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다. 두 번째는 경사 조명의 경사 각도에 따라 최대의 민감도를 갖는 파장의 광을 사용할 수 있다. 그에 대해서는, 도 8a 내지 도 10의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다. 세 번째는 다양한 파장들에 기초하여 오버레이 에러 커브를 계산할 수 있고, 오버레이 에러 커브를 통해 오버레이 마크의 비대칭성을 판단할 수 있다. 그에 대해서는 도 11a 내지 13의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
각도 조절부(200)는 계측 대상(2000)에 입사하는 조명의 각도, 즉 계측 대상(2000)의 상면 상에 입사되는 광의 경사 각도를 액티브하게 변경할 있는 모듈을 의미할 수 있다. 예컨대, 각도 조절부(200)는 경사 각도의 변경을 위하여 타원 미러(220)나 OAP(Off-Axis Parabola) 미러를 포함하고, 화살표와 같이 상하좌우로 이동시킬 수 있다. 그러나 각도 조절부(200)가 타원 미러(220)나 OAP(Off-Axis Parabola) 미러에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 각도 조절부(200)는 계측 대상(2000)으로 입사되는 광의 경사 각도를 조절할 수 있는 모든 종류의 광학 소자들을 포함할 수 있다. 각도 조절부(200)는 갈바노 미러(Galvano mirror)와 같은 미러 타입, DMD(Digital Micromirror Device), SLM(Spatial Light Module), DM(Deformable Mirror) 등의 타면 조절 타입, 또는 기구 이동(translation) 타입 등을 포함할 수 있다. 미러 타입은 회전 등을 통해 반사되는 광의 경로를 변경하여 광의 경사 각도를 조절하는 타입이고, 파면 조절 타입은 파면(wavefront)의 형태를 변경하여 광의 경사 각도를 조절하는 타입이며, 기구 이동 타입은 광이 출력되는 기구 자체를 선형으로 이동하여 광의 경사 각도를 조절하는 타입을 의미할 수 있다.
한편, 계측 대상(2000)의 상면 상에 고정된 경사 각도를 가지고 광이 입사되는 경우, 경사 각도를 제어를 위한 각도 조절부(200)와 같은 모듈은 필요없을 수 있다. 그러나 차후, 도 8a 내지 도 10의 설명 부분에서 설명하는 바와 같이, 민감도의 최대화를 위해, 경사 각도를 조절을 통해 파장 영역 선택 및 파장 영역의 확장을 가능하게 하려면 각도 조절부(200)는 필수 구성요소일 수 있다.
참고로, 계측 대상의 상면 상에 원하는 경사 각도로 광을 입사시키기 위해서는 대물렌즈의 퓨필 면(pupil plane)에서 광의 위치 및 형태를 조절해 주어야 한다. 일반적으로 다양한 모양과 크기를 가지는 어퍼쳐 마스크(aperture mask)를 제작하고 이를 퓨필 면에 설치하여 광의 형태를 변경함으로써, 원하는 조명 형태가 입사되도록 하는 방식을 주로 사용한다. 그러나 이러한 방식은 각도 변경에 따른 빠른 반응(response)이 요구되는 경우에는 한계가 있다. 기존 방식의 한계를 극복하기 위하여, 본 실시예의 계측 장치(1000)에서는, 퀄러 조명(Koehler Illumination)을 사용하고, 또한 자유로운 광의 경사각 및 방위각의 조절을 위하여 각도 조절부(200)를 사용할 수 있다.
한편, 광섬유(210)은 광원(100)으로부터의 광을 타원 미러(220)로 전달할 수 있다. 광섬유(210)은 각도 조절부(200)의 구성 요소로서 포함될 수도 있고, 제외될 수도 있다. 실시예에 따라, 각도 조절부(200)는 회전하는 스티어링 미러(steering mirror)를 포함할 수 있다. 또한, 광원(100)과 각도 조절부(200) 사이에 콜리메이팅(collimating) 미러, 편광자(plolarizer), 보상자(compensator) 등의 광학 소자들이 배치될 수 있다.
제1 반사 광학계(300)는 고배율 또는 고NA(high Numerical Aperture)의 반사형의 대물렌즈(320)를 포함할 수 있다. 제1 반사 광학계(300)는 대물렌즈(320)를 이용하여 입사된 광을 계측 대상(2000)의 상면 상에 예각의 경사 각도를 가지고 입사시킬 수 있다. 또한, 각도 조절부(200)를 통해 대물렌즈(320) 내의 퓨필 면(PP1) 상의 광의 초점 위치를 조절함으로써, 계측 대상(2000)으로 입사되는 광의 경사 각도를 조절할 수 있다. 도 1에서, 계측 대상(2000)으로 입사되는 광에 대한 퓨필 면(PP1)이 점선으로 표시되어 있다. 대물렌즈(320)의 구조와 경사 각도 조절에 대해서는 도 3의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
참고로, 광대역 광원을 사용하기 위해서는 광학 시스템은 반사형 광학계로 구성해야 한다. 왜냐하면, 렌즈를 사용하는 굴절 광학계의 경우 파장에 따라 렌즈를 구성하는 유리의 굴절률이 달라지기 때문에 색수차가 발생하게 되어 심각한 성능 저하가 발생할 수 있기 때문이다. 그러나 반사형 광학계는 일반적으로 파장 의존도 없는 미러 반사를 이용하므로 180㎚ ~ 20000㎚ 파장 범위의 광대역 광에 대해 색수차 없이 동일한 성능을 낼 수 있다. 따라서, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 계측 성능을 보장하고 정밀하게 동작할 수 있도록 반사형 광학계를 포함할 수 있다. 여기서, 반사형 광학계는 대물렌즈(320)를 포함한 제1 반사 광학계(300)뿐만이 아니라, 각도 조절부(200)와 제2 반사 광학계(500)를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 광원(100)의 광은 반사형 광학 소자들을 통해 계측 대상(2000)으로 전달하고, 또한, 계측 대상(2000)으로부터 반사되어 회절된 회절광 역시 반사형 광학 소자들을 통해 검출기(600)로 전달될 수 있다.
스테이지(400)는 계측 대상(2000)을 지지하여 고정할 수 있다. 예컨대, 계측 대상(2000)은 스테이지(400)의 상면 상에 배치되고, 스테이지(400)는 계측 대상(2000)의 하면을 지지하여 고정할 수 있다. 스테이지(400)는 3차원적으로 이동 가능한 3차원 이동 스테이지일 수 있다. 스테이지(400)가 이동함에 따라, 계측 대상(2000)도 함께 이동할 수 있다. 예컨대, 스테이지(400)의 이동을 통해, 계측 대상(2000)에 대하여, z축 상의 포커싱이나 x-y 평면 상의 스캔 등이 수행될 수 있다. 여기서, z축은 스테이지(400) 또는 계측 대상(2000)의 상면에 수직하는 법선에 대응하고, x-y 평면은 스테이지(400) 또는 계측 대상(2000)의 상면, 또는 z축에 수직하는 평면에 대응할 수 있다.
한편, 계측 대상(2000)은, 예컨대 패턴을 포함하는 마스크나 웨이퍼 등일 수 있다. 또한, 계측 대상(2000)은 다중 패턴층, 및 오버레이 마크를 포함하는 반도체 소자일 수 있다. 여기서, 오버레이 마크는 다중 패턴층의 오버레이 에러를 측정하기 위한 마크이고, 오버레이 에러는 다중 패턴층에서 상부 패턴과 하부 패턴과의 정렬(alignment)이 어긋한 정도를 의미할 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 계측 대상(2000)에 대한 다양한 특성을 계측 및 분석할 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 오버레이 에러, 패턴의 사이즈, 패턴의 두께, 및 패턴의 균일도 등을 계측 및 분석할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 계측 대상(2000)의 패턴 불량이나 이물질 등의 디펙을 검출할 수도 있다.
제2 반사 광학계(500)는 빔 스플리터(510)와 릴레이 미러(520)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(510)는 각도 조절부(200)로부터의 광을 계측 대상(2000) 방향으로 출사시키고, 제1 반사 광학계(300)로부터의 광을 검출기(600) 방향으로 출사시킬 수 있다. 좀더 구체적으로, 빔 스플리터(510)는 각도 조절부(200)로부터의 광을 반사하여, 광이 제1 반사 광학계(300)를 거쳐 계측 대상(2000)으로 경사 입사되도록 할 수 있다. 또한, 계측 대상(2000)에서 반사되어 회절된 회절광은 제1 반사 광학계(300)을 거쳐 빔 스플리터(510)으로 입사되고, 빔 스플리터(510)는 회절광을 투과시켜 릴레이 미러(520)를 거쳐 검출기(600)로 입사되도록 할 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 빔 스플리터(510)는, 각도 조절부(200)로부터의 광을 투과시켜 계측 대상(2000) 방향으로 출사시키고, 또한, 제1 반사 광학계(300)로부터의 광을 반사하여 검출기(600) 방향으로 출사시킬 수도 있다.
릴레이 미러(520)는 반사를 통해 빔 스플리터(510)으로부터의 광을 검출기(600)로 입사킬 수 있다. 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 릴레이 미러(520)는, 예컨대, 2개 배치될 수 있다. 그러나 릴레이 미러(520)의 개수가 2개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 릴레이 미러(520)는 하나 배치될 수도 있고, 3개 이상 배치될 수도 있다.
검출기(600)는 계측 대상(2000)에서 반사하여 회절된 회절광을 검출할 수 있다. 검출기(600)는 제1 반사 광학계(300), 빔 스플리터(510), 및 릴레이 미러(520)를 거쳐 검출기(600)로 입사되는 회절광을 검출할 수 있다. 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 검출기(600)는 회절광에 대한 퓨필 면(PP2) 상의 이미지, 즉, 퓨필 이미지(pupil image)를 검출할 수 있다. 도 1에서, 검출기(600)로 입사되는 회절광에 대한 퓨필 면(PP2)이 점선으로 표시되어 있다. 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 검출기(600)가 퓨필 이미지를 직접 검출하게 되므로, 회절광을 집광하기 위한 별도의 집광 렌즈들이 불필요하고, 렌즈를 사용하지 않으므로 파장에 따른 색수차의 발생의 염려가 없으며, 또한, 퓨필 면 상에서 회절광이 검출하므로 회절광의 정확한 인텐서티의 측정에 유리할 수 있다. 검출기(600)는 예컨대, CCD(Charge-Coupled Device) 또는 PMT(Photo-Multiplier Tube)일 수 있다. 물론, 검출기(600)가 전술한 장치들에 한정되는 것은 아니다.
측정 및 분석부(700)는 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 계측 대상(2000)을 분석할 수 있다. 좀더 구체적으로, 측정 및 분석부(700)는 측정부(720, Measurement Unit: CU)와 분석부(740, Analyzation Unit: AU)를 포함하고, 측정부(720)에서, 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 분석부(740)에서, 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 계측 대상(2000)을 분석할 수 있다. 3차원 퓨필 매트릭스에 대해서는 도 4a 및 도 4b의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
한편, 분석부(740)에서의 계측 대상(2000)에 대한 분석 방법은 계측 대상(2000)에 대한 계측의 목적에 따라 다양할 수 있다. 예컨대, 계측 대상(2000)의 오버레이 에러가 계측의 목적인 경우는, 분석부(740)에서 오버레이 에러 값이 얼마인지, 오버레이 에러 값이 허용 범위 내인지 등을 분석할 수 있다. 계측 대상(2000)의 패턴의 사이즈가 계측의 목적인 경우, 분석부(740)에서 패턴의 사이즈가 얼마인지 패턴 사이즈가 정상인지 등 분석할 수 있다. 계측 대상(2000)의 패턴의 균일도가 계측의 목적인 경우, 분석부(740)에서 패턴의 균일도가 정상인지를 분석할 수 있다. 한편, 계측 대상(2000)의 디펙의 검출이 계측의 목적인 경우, 분석부(740)에서 계측 대상(2000)에 디펙이 존재하는지 분석할 수 있다.
본 실시예의 계측 장치(1000)는, 광대역의 광원(100), 경사 각도를 조절하는 각도 조절부(200), 반사형의 대물렌즈(320)를 구비한 제1 반사 광학계(300), 및 퓨필 이미지를 검출하는 검출기(600)를 포함함으로써, 수직 조명을 이용하는 기존 계측 장치와 비교하여 약 3배 증가된 측정 민감도를 가지고 계측 대상(2000)을 분석할 수 있다. 또한, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 대용량의 3차원 퓨필 매트릭스를 획득하여 회귀(regression) 또는 기계 학습(machine learning)을 수행함으로써, 최적의 측정 민감도를 가지고 계측 대상(2000)을 분석할 수 있다. 한편, 본 실시예의 계측 장치(1000)는, 오버레이 에러의 계측과 관련하여, 광대역 광의 사용에 기초하여 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하여 오버레이 마크에 대한 공정 조건 등을 변경할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 계측 대상인 반도체 소자에 대한 계측을 정밀하게 수행할 수 있고, 또한, 반도체 공정, 예컨대, 오버레이 마크에 대한 공정에서의 대응력을 향상시킬 수 있다. 측정 민감도의 향상에 대해서는 도 5a 내지 도 10의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명하고, 오버레이 마크의 비대칭성에 대해서는 도 11a 내지 도 13의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 광대역 광원의 필요성을 설명하기 위한 오버레이 마크들에 대한 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 반도체 공정이 다양화됨에 따라 오버레이 에러를 측정함에 있어서 여러 파장 영역이 필요할 수 있다. 예컨대, 도 2a와 같이 하부 오버레이 마크(OMl1)와 상부 오버레이 마크(OMu1) 사이에 층(L1)의 두께가 두꺼운 경우, 높은 투과율을 갖는 장파장의 광(LW)을 사용할 수 있다. 또한, 도 2b와 같이 하부 및 상부 오버레이 마크(OMl2, OMu2)의 피치(pitch, P)가 작은 경우, 분해능 확보를 위해 UV 내지 EUV 대역의 단파장 광(SW)을 사용할 수 있다. 한편, 도 2c와 같이, 하부 오버레이 마크(OMl3)와 상부 오버레이 마크(OMu3) 사이의 층(L3)을 구성하는 물질의 특성상 특정 파장 영역의 광이 투과되지 않는 경우, 회피 파장의 광(AW)을 사용할 수 있다. 만약, 광원(100)의 광이 단파장, 또는 좁은 파장 범위에 한정되는 경우, 다양한 공정에서, 시료 변화나 다양한 측정 변수에 대응하기 어려울 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 광대역의 광원(100)을 포함함으로써, 전술한 문제들을 해결할 수 있다.
도 3은 도 1의 계측 장치의 반사형 광학계에서, 경사 조명의 경사 각도의 조절을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1의 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 제1 반사 광학계(300)는 반사형의 대물렌즈(320)를 포함할 수 있다. 반사형의 대물렌즈(320)는 비구면 미러 형태의 주경(321, main mirror)과 비구면 미러 형태의 부경(323, secondary mirror)을 포함할 수 있다. 한편, 주경(321)의 중심에는 오픈 홀(H)이 형성되고, 빔 스플리터(510)로부터의 광(L1, L2)이 오픈 홀(H)을 통해 반사형의 대물렌즈(320)로 입사될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(510)로부터의 광(L1, L2)은 오픈 홀(H)을 통해 입사되고, 부경(323)과 주경(321)에서 반사되어 계측 대상(2000)으로 경사 입사될 수 있다. 좀더 구체적으로, 빔 스플리터(510)로부터의 실선의 제1 광(L1)은 오픈 홀(H)을 거쳐 퓨필 면(PP1) 상에 포커싱 된 후, 부경(323)에서 반사되어 주경(321)으로 입사되고, 주경(321)에서 반사되어 계측 대상(2000)으로 제1 경사 각도(θ1)를 가지고 경사 입사될 수 있다. 또한, 빔 스플리터(510)로부터의 점선의 제2 광(L2)은 오픈 홀(H)을 거쳐 퓨필 면(PP1) 상에 포커싱 된 후, 부경(323)에서 반사되어 주경(321)으로 입사되고, 주경(321)에서 반사되어 계측 대상(2000)으로 제2 경사 각도(θ2)를 가지고 경사 입사될 수 있다.
한편, 도 3의 화살표(T1)를 통해 알 수 있듯이, 제2 광(L2)은 제1 광(L1)을 제1 방향(x 방향)으로 선형 이동시킨 광이고, 이러한 광의 선형 이동을 통해 계측 대상(2000)으로 입사되는 광들의 경사 각도를 변경할 수 있다. 예컨대, 제1 경사 각도(θ1)가 제2 경사 각도(θ2)보다 작을 수 있다. 한편, 광의 선형 이동은 앞서 언급한 각도 조절부(200)에서 다양한 타입의 광학 소자들을 통해 이루어질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 3차원 퓨필 매트릭스에 대한 개념을 설명하기 위한 개념도 및 그래프이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 3의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 광대역의 광원(100), 경사 각도를 조절하는 각도 조절부(200), 반사형의 대물렌즈(320)를 구비한 제1 반사 광학계(300), 및 퓨필 이미지를 검출하는 검출기(600)를 포함함으로써, 대용량의 3차원 퓨필 매트릭스를 획득할 수 있다. 여기서, 3차원 퓨필 매트릭스는 광의 파장(λ), 계측 대상(2000)으로 입사되는 광의 경사 각도(θ), 및 회절광의 인텐서티(I)를 변수로 하는 매트릭스를 의미하고, 회절광의 인텐서티는 회절광에 대한 퓨필 이미지에서 계산될 수 있다.
예컨대, 도 4a에서 다수의 퓨필 이미지들이 도시되고 있는데, x축 방향을 따라 광의 파장(λ)을 다르게 하고, y축 방향을 따라 경사 각도(θ)를 다르게 하여 획득한 퓨필 이미지들이다. 또한, 퓨필 이미지 내에 작은 점은 1차광을 나타내는데, 파장과 경사 각도에 따라 퓨필 이미지 내에서 이동함을 알 수 있다. 한편, 점선의 네모로 둘러싸인 퓨필 이미지는 해당 파장과 각도에서 최대 민감도(Max. sensitivity)를 갖는 퓨필 이미지에 해당할 수 있다. 도 4a에 도시된 9장의 퓨필 이미지만을 가지고 좀더 간단히 설명하면, x축을 따라서 광의 파장(λ)의 종류가 3가지이고, y축을 따라서 경사 각도(θ)의 종류가 3가지라고 할 때, x축 상의 왼쪽의 파장의 경우, y축 상의 중간의 경사 각도에서 최대 민감도의 퓨필 이미지를 획득하고, x축 상의 중간 파장의 경우, y축 상의 위쪽의 경사 각도에서 최대 민감도의 퓨필 이미지를 획득하며, x축 상의 오른쪽의 파장의 경우, y축 상의 아랫쪽의 경사 각도에서 최대 민감도의 퓨필 이미지를 획득할 수 있다.
도 4b는 앞서 설명한 3차원 퓨필 매트릭스를 3차원 그래프로 표시한 것이다. 다시 말해서, 3차원 퓨필 매트릭스는 경사 각도(θ)를 제1축, 회절광의 인텐서티(I(x,y))을 제2 축, 그리고 광의 파장(λ)을 제3 축으로 하는 3차원 그래프로 표시될 수 있다. 한편, 인텐서티(I(x,y))의 경우는 퓨필 이미지 내의 위치(x, y)에 따른 인텐서티로 주어질 수 있다. 다시 말해서, 회절광 예컨대, 1차광은 퓨필 이미지 내에서 x1과 y1의 특정 좌표에 위치하고, I1의 인텐서티를 갖는다는 식으로 인텐서티 정보가 나타날 수 있다.
본 실시예의 계측 장치(1000)는, 검출기(600)를 통한 퓨필 이미지의 획득에서, 광대역의 광원(100)에 기초한 다양한 파장의 사용, 및 각도 조절부(200)의 경사 조절에 기초한 다양한 경사 각도의 사용을 통해 대용량의 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 이러한 대용량 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터에 기초하여, 높은 측정 민감도를 가지고 계측 대상(2000)을 정확하게 분석할 수 있다. 또한, 퓨필 매트릭스의 데이터에 대한 분석을 통해 오버레이 마크의 비대칭성을 판단함으로써, 계측 대상(2000)을 보다 정확하게 분석할 수 있다.
예컨대, 오버레이 마크의 피치와 재질(material)이 주어지면, 최적의 민감도를 갖는 파장 및 각도가 계산될 수 있다. 이후, 최적 민감도의 파장 및 각도를 가지고 오버레이 마크를 측정하여 퓨필 매트릭스를 획득하고, 퓨필 매트릭스의 데이터를 분석할 수 있다. 이러한 퓨필 매트릭스의 데이터의 분석을 통해 오버레이 마크의 대칭/비대칭 여부를 판단함으로써, 계측 대상(2000)의 오버레이 에러를을 보다 정확하게 분석할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 경사 조명의 이용에 의한 측정 민감도의 증가를 설명하기 위한 개념도들로서, 편의상 반사형 대물렌즈 대신 굴절형의 대물렌즈 구조를 가지고 설명한다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 4b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 계측 대상(2000)에서 반사된 광은 계측 대상(2000) 상의 패턴에 기인하여 회절될 수 있다. 즉, 계측 대상(2000)에서 반사를 통해 회절된 광, 즉 회절광은 중심의 0차광(zero order light)을 비롯하여 다수의 고차광들(higher order light)을 포함할 수 있다. 그러나 본 실시예의 계측 장치(1000)가 0차광과 1차광(1st order light)을 주로 측정에 이용하므로, 편의상 도 5a 및 도 5b에서, 0차광(0)과 1차광(-1, +1)만을 도시하고 있다. 물론, 본 실시예의 계측 장치(1000)가 2차 이상의 고차광을 계측에 이용하는 것을 전적으로 배제하는 것은 아니다. 이하에서, 회절광과 관련하여 주로 0차광(0)과 1차광(-1, +1)만을 가지고 설명한다.
1차광(-1, +1)의 경우, 계측 대상(2000) 상의 패턴의 사이즈나 피치(pitch)에 따라 회절되는 각, 즉, 회절 각도가 달라질 수 있다. 예컨대, 패턴의 피치가 작아지면, 1차광(-1, +1)의 회절 각도는 상대적으로 커지게 된다.
한편, 도 5a와 같이, 광이 계측 대상(2000)으로 수직 입사하고, 계측 대상(2000)의 패턴의 사이즈가 미세하여 패턴의 피치가 작는 경우, 점선으로 도시된 바와 같이 1차광(-1, +1)의 회절 각도가 대물렌즈(320a)의 NA보다 크고, 그에 따라, 반사된 회절광 중 실선의 0차광(0)만이 대물렌즈(320a) 및 어퍼쳐(AP)를 거쳐 검출기로 입사될 수 있다. 따라서, 검출기에서 획득한 퓨필 이미지의 해상도는 낮을 수 있거나 회절광 측정이 불가능할 수 있다.
그에 반면, 도 5b와 같이 광이 계측 대상(2000)으로 경사 입사하는 경우, 계측 대상(2000)의 패턴의 사이즈 및 피치가 작다고 하더라고, 0차광(0)과 함께 1차광(-1, +1)의 일부, 예컨대, -1차광(-1)이 함께 대물렌즈(320a) 및 어퍼쳐(AP)를 거쳐 검출기로 입사될 수 있다. 따라서, 검출기에서 획득한 퓨필 이미지의 해상도가 크게 향상될 수 있다.
경사 입사되는 조명은, 이론상 수직 입사되는 조명과 비교하여, 측정 민감도를 최대 2배 증가시킬 수 있다. 경사 조명에 의한 측정 민감도의 증가와 관련하여, 오버레이 에러를 가지고 간단히 설명하면, 일반적으로 오버레이 에러 측정의 민감도(K)는, 1차 광의 인텐서티 차이, 즉, K = I+1 - I-1로 정의될 수 있다. 여기서, I+1와 I-1는 각각 +1차광의 인텐서티와 -1차광의 인텐서티를 의미한다. 한편, 측정 민감도(K)는 패턴의 피치(P), 경사 각도(θ), 및 광의 파장(λ)에 대하여, 다음의 비례식(1)로 나타날 수 있다.
K ∝ sinψ/P .............................비례식(1)
여기서, ψ는 경사 각도(θ)와 광의 파장(λ)에 대한 함수이다.
비례식(1)을 통해, 패턴의 피치(P)가 작을수록, 그리고 최적의 경사 각도(θ)와 파장(λ)을 사용할수록 높은 측정 민감도(K)를 가지게 됨을 알 수 있다. 한편, 오버레이 마크로부터 발생하는 회절광의 각도, 예컨대, 1차광의 각도 φ는 패턴의 피치(P)와 광의 파장(λ)에 대하여, 다음의 식(1)의 관계를 가질 수 있다.
λ/P=sinφ...................................식(1)
패턴의 피치(P)가 매우 작아서 1차광의 각도가 대물렌즈의 NA를 벗어나게 되면 측정이 불가능하기 때문에, 수직 입사의 경우, 사용 가능한 최소 패턴 피치(Pp)는 λ/NA(대물)에 의해 제한될 수 있다. 여기서, NA(대물)는 nsinφ로 나타나고, 공기의 굴절율(n)을 1로 하면 NA(대물)는 sinφ로 나타날 수 있다. 또한, 사용하는 파장에서 민감도가 최적이 아닌 경우, 민감도 저하가 더욱 심하게 발생할 수 있고, 따라서, 오버레이 에러가 매우 작은 경우, 수직 입사를 이용하는 기존의 계측 장치로는 해당 오버레이 에러를 측정할 수 없다.
한편, 경사 조명의 경우, 사용 가능한 최소 패턴 피치(Po)는 λ/{(NA(대물) + NA(θ)}로 나타날 수 있다. 여기서, NA(θ)는 경사 각도(θ)에 따른 NA로서, 경사 각도(θ)가 0인 경우, 즉 수직 입사의 경우는 NA(θ)는 0이 되고, 측정 가능한 최대의 경사 각도일 때, NA(θ)는 NA(대물)와 실질적으로 동일하게 된다. 따라서, 경사 조명의 경우, 사용 가능한 최소 패턴 피치(Po)는 λ/2NA(대물) = Pp/2까지 가능할 수 있다. 결국, 측정 민감도가 패턴의 피치(P)에 반비례한다는 점을 고려하면, 경사 조명을 이용하는 본 실시예의 계측 장치(1000)의 경우, 측정 민감도를 2배 증가시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 경사 조명의 이용에 의한 분해능의 향상을 보여주는 사진 및 그래프이다. 구체적으로, 도 6a는 530㎚의 파장의 광을 이용하여 700㎚ 피치의 패턴을 촬영한 사진으로서, 왼쪽 사진은 수직 조명을 이용한 기존 계측 장치를 통해 획득한 사진이고, 오른쪽 사진은 본 실시예의 계측 장치를 통해 획득한 사진이다. 도 6b는 도 6a의 사진들의 인텐서티를 그레이 레벨로 표시한 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 왼쪽의 사진에서 패턴들은 나타나지 않는다. 그에 반면, 오른쪽 사진에서는 패턴에 해당하는 가로줄 무늬들이 나타나고 있다. 따라서, 기존 계측 장치와 비교하여 경사 조명의 이용한 본 실시예의 계측 장치(1000)의 분해능이 높음을 실험적으로 확인할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 도 6a의 왼쪽 사진에 대응하는 그래프에서, 픽셀 전체에서 유사한 그레이 레벨이 나타난다. 그에 따라, 왼쪽 사진에서 패턴을 구별할 수 없음을 그레이 레벨의 그래프를 통해서 알 수 있다. 그에 반해, 도 6a의 오른쪽 사진에 대응하는 그래프에서, 픽셀의 위치에 따라, 그레이 레벨이 극대값과 극소값을 가지고 반복함을 알 수 있다. 작은 양쪽 화살표로 표시된 바와 같이, 피크투피크(peak-to-peak) 사이의 간격이 패턴의 피치에 해당할 수 있다. 그에 따라, 오른쪽 사진에서 패턴을 명확히 구별할 수 있음을 그레이 레벨의 그래프를 통해서 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 경사 조명의 이용에 의한 오버레이 에러에 대한 계측의 정합성의 향상을 보여주는 그래프들로서, 도 7a는 수직 조명을 이용한 경우의 오버레이 에러의 계측의 정합성을 나타내고, 도 7b는 경사 조명을 이용한 경우의 오버레이 에러의 계측의 정합성을 나타낸다. x축은 실제 오버레이 에러를 나타내고 y축은 시뮬레이션에 의한 오버레이 에러를 나타내며, 둘 다 단위는 임의 단위일 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 오버레이 에러에 대한 계측의 정합성은 RMSE(Root Mean Square Error)을 계산하여 판단할 수 있다. 여기서, RMSE는 실제 오버레이 에러들과 시뮬레이션에 의한 오버레이 에러들 간의 차이를 제곱하여 평균을 구하고, 평균에 루트를 취한 값을 의미할 수 있다. 수직 조명을 이용한 경우, RMSE가 약 0.2773 정도로 계산되고, 경사 조명을 이용한 경우, RMSE가 약 0.0989 정도로 계산될 수 있다. 따라서, 경사 조명을 이용한 경우, 수직 조명을 이용한 경우에 비해, 3배 정도 오버레이 에러에 대한 계측의 정합성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 경사 조명의 경사 각도 조절에 기인하여 사용 가능한 파장 영역의 확장의 개념을 설명하기 위한 개념도들이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 7b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 전술한 바와 같이, 공정 별로 다양한 파장 영역의 광이 요구될 수 있다. 또한, 경사 각도의 조절에 의해 사용 가능한 광의 파장 영역을 변경 또는 확장할 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 도 8a와 같이, 계측 대상(2000)으로의 입사 각도가 비교적 작은 제1 경사 각도(θ1)를 갖는 경우, 곡선의 양쪽 화살표로 표시된 바와 같이 제1 파장 영역(Rwl1)의 광을 이용할 수 있고, 제1 파장 영역(Rwl1) 외부의 광은 회절광의 회절 각도가 커서 이용할 수 없다. 예컨대, 가시 광선을 예를 들면, 제1 경사 각도(θ1)에서, 파장이 짧은 녹색, 파랑, 및 보라 광은 1차광의 회절 각도가 작아 측정에 이용할 수 있지만, 파장이 긴 노랑, 주황, 빨강 광은 1차광의 회절 각도가 커서 측정에 이용할 수 없다.
그에 반해, 도 8b와 같이, 입사 각도가 비교적 큰 경사 각도(θ2)를 갖는 경우, 곡선의 화살표로 표시된 바와 같이 제2 파장 영역(Rwl2)의 광을 이용할 수 있고, 제2 파장 영역(Rwl2) 외부의 광은 회절광의 회절 각도가 너무 크거나 너무 작아 이용할 수 없다. 예컨대, 가시 광선을 예를 들면, 제2 경사 각도(θ2)에서, 중간 파장에 해당하는 주황, 노랑, 녹색 광은 1차광의 회절 각도가 적합하여 측정에 이용할 수 있지만, 파장이 너무 긴 빨강 광이나, 파장이 너무 짧은 파랑이나 보라 광은 회절 각도가 너무 크거나 작아 측정에 이용할 수 없다.
결국, 경사 각도를 조절함으로써, 측정에 이용할 수 있는 광의 파장 영역을 변경 또는 확장할 수 있다. 참고로, 앞서 도 8a에서 도 8b로의 파장 영역의 이동은 파장 영역의 변경에 해당할 수 있다. 그러나 반사형의 대물렌즈(320)의 구조에 따라, 파랑이나 보라와 같은 짧은 파장의 광을 그대로 이용하면서도, 긴 파장의 광을 추가적으로 이용하도록 파장 영역이 이동할 수도 있는데, 그러한 경우는 파장 영역의 확장에 해당할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c 각각은 경사 조명의 경사 각도와 파장에 따른 측정 민감도 맵의 그래프, 25°의 경사 각도에서, 파장에 따른 민감도에 대한 그래프, 및 600㎚의 파장에서, 경사 각도에 따른 민감도에 대한 그래프이다. 도 9a에서, x축은 광의 파장을 나타내고 단위는 ㎚이고, y축의 왼쪽은 경사 각도를 나타내고 단위는 °이며, 오른쪽은 측정 민감도(K)를 절대값으로 나타낸 것으로 단위는 없다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 8b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다. 참고로, 도 9a 내지 도 9c에서, Angle of Incident 또는 AOI는 경사 각도를 의미할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 도 9a의 민감도 맵은 광의 파장(λ)과 경사 각도(θ)에 따른 측정 가능 영역과 측정 불가 영역을 보여준다. 예컨대, 왼쪽 위의 경사 각도(θ)가 0°인 부분에서, 오른쪽 아래의 광의 파장(λ)이 1050㎚ 인 부분까지의 대각선의 중앙 영역이 측정 가능 영역에 해당하고, 측정 가능 영역의 외부인 왼쪽 아래 영역과 오른쪽 위 영역이 측정 불가능 영역에 해당할 수 있다.
민감도 맵에서의 측정 민감도(K)에 대한 명암을 통해 알 수 있듯이, 측정 가능 영역의 경우, 광의 파장(λ)과 경사 각도(θ)를 적절히 선택함으로써, 최대의 측정 민감도(K)를 획득할 수 있다. 또한, 측정 불가 영역의 경우, 민감도 맵에 표시된 범위 내에서 어떤 경사 각도(θ)나, 또는 어떤 광의 파장(λ)을 이용하더라도 측정이 불가할 수 있다.
한편, 측정 민감도(K)는, 앞서 비례식(1)에서 설명한 바와 같이, 경사 각도(θ)와 광의 파장(λ) 둘 다에 의존할 수 있다. 그에 따라, 최적의 측정 민감도(K)를 확보하기 위해서는 적절한 광의 파장(λ)과 경사 각도(θ)를 선택하여야 한다. 예컨대, 도 9b에서와 같이, 경사 각도(θ)가 25°로 고정된 경우, 광의 파장(λ)에 따라, 측정 민감도(K)가 0에서 거의 1까지 변동하므로, 광의 파장(λ)을 적절한 파장, 예컨대, 500㎚ 부근의 파장으로 선택함으로써, 측정 민감도(K)를 최대화할 수 있다. 또한, 도 9c와 같이, 광의 파장(λ)이 600㎚로 고정된 경우, 30° 내지 45° 범위의 경사 각도(θ)에 따라, 측정 민감도(K)가 1에서 거의 0.3까지 변동하므로, 경사 각도(θ)를 역시 적절한 각도, 예컨대, 30° 부근의 각도로 선택함으로써, 측정 민감도(K)를 최대화할 수 있다.
기존의 수직 입사되는 계측 장치의 경우, 측정에 사용하는 파장에 대해 측정 민감도가 낮을 경우, 이를 개선할 방법이 없다. 그러나 본 실시예의 계측 장치(1000)는 도 9c에서와 같이, 경사 각도를 조절함으로써, 해당 파장에 대한 측정 민감도를 향상시킬 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 광대역의 광원(100)을 사용함으로써, 파장까지 선택할 수 있고, 그에 따라, 측정 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 10은 경사 조명의 경사 각도 조절에 의해 파장별 민감도를 최대화하는 개념을 설명하기 위한 그래프이다. x축은 광의 파장을 나타내고 단위는 ㎚이고, y축은 측정 민감도(K)를 나타내고 단위는 임의 단위일 수 있다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 9c의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 10을 참조하면, 그래프는 3가지 경사 각도(θ), 예컨대, 20°, 30°, 및 40°의 경사 각도(θ)에서, 광의 파장(λ)에 따른 측정 민감도(K)를 보여주고 있다. 3가지 경사 각도(θ) 모두에 대하여, 광의 파장(λ)에 따라 측정 민감도(K)가 -1에서 1 사이에서 변동됨을 볼 수 있다. 한편, 3가지 경사 각도(θ) 각각에 대하여, 측정 민감도(K)가 최대인 부분이 작은 원으로 표시되고 있다.
광의 파장(λ)가 530㎚라고 하고, 경사 각도(θ)가 40°인 경우, 그래프를 통해 알 수 있듯이, 0 근처의 낮은 측정 민감도(K)를 가질 수 있다. 이때, 만약, 경사 각도(θ)를 20°로 변경하게 되면, 점선 네모 안의 화살표로 표시된 바와 같이, 측정 민감도(K)를 최대화할 수 있다. 결국, 본 실시예의 계측 장치(1000)에서, 경사 각도(θ)를 조절함으로써, 임의의 광의 파장에 대하여, 측정 민감도를 최대화할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 경사 각도(θ)가 고정된 경우에 비해, 경사 각도(θ)의 조절을 통해 약 1.5배의 측정 민감도(K)를 향상시킬 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 경사 각도(θ)가 고정된 경우, sinψ의 실효값은 1/21/2 정도이고, 그에 따라, 비례식(1)에 기초하여 측정 민감도(K)는 1/(P*21/2 )로 정도로 나타날 수 있다. 한편, 경사 각도(θ)를 조절하는 경우, sinψ는 최대값 1을 가질 수 있다. 따라서, 비례식(1)에 기초하여 측정 민감도(K)는 1/P 정도로 나타날 수 있다. 결국, 경사 각도(θ)가 고정된 경우에 비해, 경사 각도(θ)의 조절을 통해, 측정 민감도(K)는 21/2 ≒ 1.4배 증가할 수 있다. 한편, 앞서, 수직 입사되는 기존 계측 장치와 비교하면, 본 실시예의 계측 장치(1000)는 경사 조명에 의해 2배, 그리고 경사 각도(θ)의 조절에 의해 1.4배 측정 민감도(K)가 증가함으로써, 토탈 거의 3배 정도 측정 민감도(K)가 증가할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 오버레이 에러 커브의 선형성과 비선형성 체크를 통해 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하는 개념을 설명하기 위한 개념도들이고, 도 12는 각 파장에 대한 민감도 기울기를 보여주는 그래프이며, 도 13은 다양한 오버레이 마크들에서, 비선형성의 오버레이 에러 커브들을 보여주는 그래프이다. 도 11a 및 도 11b 각각의 하부에 배치된 그래프에서, x축은 △I-을 나타내고 y축은 △I+ 나타내며, 단위는 둘 다 임의 단위이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 10의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 먼저, 오버레이 에러에 대한 측정 민감도(△l)는 회절광의 +1차광의 인텐서티와 -1차광의 인텐서티의 차이로 정의될 수 있다. 한편, 측정 민감도(△l)는 오버레이 마크로의 바이어스 인가에 따라, 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 바이어스 민감도(△l+)로 구별될 수 있다. 즉, 좌측 바이어스 민감도(△l-)는 좌측으로 바이어스가 인가된 오버레이 마크에 대한 측정 민감도를 의미하고, 우측 바이어스 민감도((△l+)는 우측으로 바이어스가 인가된 오버레이 마크에 대한 측정 민감도를 의미할 수 있다. 실시예에 따라, 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 바이어스 민감도(△l+)는 서로 반대로 정의될 수도 있다. 한편, 오버레이 에러 커브는 파장에 따른 좌측 바이어스 민감도(△l-)에 대한 우측 바이어스 민감도(△l+)의 그래프로서 정의될 수 있다.
도 11a를 통해 알 수 있듯이, 하부 오버레이 마크(OMl)와 상부 오버레이 마크(OMu)가 서로 대칭인 오버레이 마크(OMs)의 경우, 파장에 따른 오버레이 커브는 선형적으로 나타날 수 있다. 여기서, 대칭은 어떤 축이나 점을 기준으로 대칭이라는 의미보다는 하부 오버레이 마크(OMl)와 상부 오버레이 마크(OMu)의 형태가 실질적으로 동일하다는 의미일 수 있다. 한편, 오버레이 커브가 선형적인 경우, 모든 파장의 민감도 기울기(S)는 동일할 수 있다. 여기서, 민감도 기울기(S)는, 좌측 바이어스 민감도(△l-)에 대한 우측 바이어스 민감도(△l+)의 비, 즉 △l+/△l-을 의미할 수 있다. 따라서, 반대로 생각하면, 모든 파장의 민감도 기울기(S)가 동일하면, 파장에 따른 오버레이 커브는 선형성을 가지며, 반대로 파장의 민감도 기울기(S)가 파장마다 다르면, 파장에 따른 오버레이 커브는 선형성을 벗어나 비선형성을 띌 수 있다.
한편, 하부 오버레이 마크(OMla)와 상부 오버레이 마크(OMu)가 서로 비대칭인 오버레이 마크(OMas)의 경우, 파장에 따른 오버레이 커브는 비선형적으로 나타날 수 있다. 여기서, 비대칭은, 도 11b와 같이 하부 오버레이 마크(OMla)와 상부 오버레이 마크(OMu)의 형태가 다른 경우를 비롯하여, 하부 오버레이 마크와 상부 오버레이 마크 사이의 거리가 위치에 따라 다른 경우, 하부 오버레이 마크와 상부 오버레이 마크의 물질이나 패턴의 균일성이 다른 경우, 등 다양한 경우를 포함할 수 있다. 이러한 오버레이 마크의 비대칭은 오버레이 마크의 형성 공정에서의 다양한 원인들에 의해 발생할 수 있다. 그에 따라, 오버레이 마크의 비대칭이 심각한 경우, 원인 제거를 위해 오버레이 마크에 대한 공정 조건의 변경이 필요할 수 있다.
반대로, 오버레이 에러에 대한 측정에서, 비선형성의 오버레이 커브가 나타난 경우, 하부 오버레이 마크와 상부 오버레이 마크 간에 비대칭이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 예컨대, 도 13은 다양한 오버레이 마크들에서, 비선형성의 오버레이 에러 커브들을 보여주고 있는데, 결국, 이러한 비선형성의 오버레이 에러 커브들에 기초하여 해당 오버레이 마크들이 비대칭성을 가짐을 판단할 수 있다.
한편, 도 11b에서 점선의 직선은 몇몇 파장의 민감도 기울기(S)에 기초하여 틀린 피팅(wrong fitting)을 한 경우을 보여주며, 이와 같이, 사용되는 파장의 개수가 적은 경우에, 오버레이 커브가 실제로는 비선형적임에도 불구하고 선형적인 것으로 잘못 판단될 수 있다. 그에 따라, 오버레이 마크의 비대칭성을 인식하지 못하고 오버레이 에러를 측정하게 됨으로써, 추출된 실제 오버레이 에러 값에 심각한 에러가 발생할 수 있다. 참고로, 측정된 오버레이 에러 값은 실제 오버레이 에러 값과 바이어스에 의한 오버레이 에러 값을 합친 값이고, 측정된 오버레이 에러 값들의 분석을 통해 실제 오버레이 에러 값만을 추출할 수 있다.
본 실시예의 계측 장치(1000)의 경우, 광대역의 광원(100)을 사용함으로써, 다수의 파장의 광을 오버레이 에러의 측정에 사용할 수 있고, 그에 따라, 오버레이 커브에 대한 비선형성 여부를 정확하게 할 수 있고, 그에 따라, 오버레이 마크의 비대칭성 여부를 미연에 판단할 수 있으며, 결과적으로 오버레이 에러에 대한 계측의 정합성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 도 12와 같이 민감도 기울기(S)를 파장에 따라 스펙트럼화 하고, 해당 스펙트럼을 이용하여 회귀 또는 기계 학습을 수행함으로써, 비대칭성의 오버레이 마크에 대해서 오버레이 에러를 계산할 수 있다. 예컨대, 오버레이 마크가 비대칭인 경우에도, 비대칭성이 작은 경우에는, 오버레이 마크에 대한 공정을 변경할 필요없이, 회귀 또는 기계 학습을 수행하여, 비대칭의 오버레이 마크에 대한 오버레이 에러 값을 계산할 수 있다.
예컨대, 회귀의 경우, MLR(Multi Linear Regression) 알고리즘을 이용할 수 있는데, MLR 알고리즘은 하기 식(2)와 같은 형태로 나타날 수 있다.
∑anS(λn)= (measured overlay)n ....................식(2)
여기서, n은 파장의 개수를 나타내고, S(λn)는 파장(λn)에 따른 오버레이 에러의 참값을 의미한다. 결국, 식(2)는 n개의 파장에 대한 독립적인 오버레이 에러의 측정과 오버레이 에러의 참값(S)과의 연립방정식의 형태를 가지며, 연립방정식을 통해 구한 계수 an을 이용하여, 임의의 스펙트럼에 대하여 비대칭성의 오버레이 에러 값을 산출할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예들에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치에 대한 블록 구성도들이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 13의 설명 부분에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.
도 14a를 참조하면, 본 실시예의 계측 장치(1000a)는 각도 조절부를 포함하지 않는다는 측면에서, 도 1의 계측 장치(1000)와 다를 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예의 계측 장치(1000a)는 광이 계측 대상(2000)으로 경사 입사되는 경사 조명 구조를 가지나, 경사 각도를 조절하는 각도 조절부를 생략함으로써, 전체 광학 시스템을 간편화할 수 있다. 본 실시예의 계측 장치(1000a)의 경우는 각도 조절부를 포함하지 않으므로, 수직 입사를 이용하는 기존 계측 장치에 비해 2배 증가한 측정 민감도를 가질 수 있다.
도 14b를 참조하면, 본 실시예의 계측 장치(1000b)는 광원(100a)이 광대역 광원이 아니라는 점에서, 도 1의 계측 장치(1000)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 계측 장치(1000a)는 광이 계측 대상(2000)으로 경사 입사되는 경사 조명 구조와 경사 각도를 조절하는 각도 조절부(200)를 포함하나, 광원(100a)은 광대역 광원이 아니라 짧은 파장 범위의 일반적인 광원일 수 있다. 다양한 계측 대상들(2000) 각각의 특성에 대응할 수 있으나, 계측 대상(2000)의 특성이 알려진 경우, 적절한 파장 범위를 출력하는 광원(100a)을 이용하여 광학 시스템을 간편화할 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 계측 장치(1000b)에서는 단파장 스캔을 위한 모노크로메이터나 분광을 위한 회절 격자 등의 분광기가 불필요할 수 있다. 한편, 본 실시예의 계측 장치(1000b) 역시, 경사 조명과 각도 조절부(200)를 이용함으로써, 기본 수직 조명의 계층 장치에 비해 민감도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 14b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법(이하, 간단히, '계측 방법'이라 한다)은, 먼저, 계측 장치(1000)의 파라미터를 조절한다(S110). 예컨대, 광원(100)의 파장 범위를 250㎚ ~ 1100㎚ 정도로 설정하고, NA 범위를 0.4 내지 0.8 정도로 설명하며, 조명의 경사 각도의 범위를 23° 내지 53° 로 설정할 수 있다. 물론, 파장 범위, NA 범위, 및 경사 각도의 범위가 전술한 범위들에 한정되는 것은 아니다.
다음, 계측 대상을 준비한다(S130). 계측 대상의 준비는, 계측의 대상이 되는 패턴이나 오버레이 마크 등을 포함하는 소자 등을 준비하는 것을 의미하고, 해당 소자에 패턴이나 오버레이 마크를 형성하는 과정도 포함할 수 있다. 또한, 계측 대상을 준비하는 단계(S130)에서, 패턴의 피치나 사용 가능한 파장 범위가 앞서 설정된 계측 장치(1000)에 적절한지 체크될 수 있다. 예컨대, 사용 가능 파장 범위와 관련하여, 계측 대상(2000)의 물질의 투명성이나 층의 높이 등이 체크될 수 있고, 또한, 패턴의 피치와 관련하여, 1차광의 회절 각도가 체크될 수 있다.
이후, 계측 장치(1000)을 이용하여, 순차적으로 계측 대상(2000)에 대하여 경사 조명을 이용한 회절 기반 측정을 수행하고(S150), 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하며(S170), 계측 대상(2000)을 분석한다(S190). 여기서, 회절 기반의 측정은 검출기(600)를 통해 퓨필 이미지를 검출하는 것을 의미할 수 있다. 한편, 3차원 퓨필 매트릭스 측정은 측정 및 분석부(700)의 측정부(720)에서 수행하고, 계측 대상(2000)의 분석은 측정 및 분석부(700)의 분석부(740)에서 수행할 수 있다. 참고로, 측정(measurement)은 검출기(600)에서 계측 대상(2000)의 퓨필 이미지의 검출하는 것을 의미하고, 계측(metrology)은 측정보다 넓은 의미로서 측정, 3차원 퓨필 매트릭스 측정, 및 분석 등을 모두 포함하는 의미일 수 있다. 한편, 계측 대상(2000)의 분석은 전술한 바와 같이, 계측 대상(2000)에 대한 계측의 목적에 따라 다양할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 도 15의 계측 방법에서, 회절 기반 측정의 단계를 좀더 구체적으로 부여주는 흐름도들이다.
도 16a를 참조하면, 먼저, 계측 장치(1000)의 광원(100)에서, 광대역 광을 생성 및 출력한다(S151). 광대역 광은, 예컨대, 180㎚ 내지 20,000㎚ 파장 범위를 가질 수 있다. 그러나 광대역 광의 파장 범위가 상기 수치 범위에 한정되는 것은 아니다.
다음, 광을 계측 대상(2000)에 예각의 경사 각도로 입사시킨다(S155). 예각의 경사 각도로의 입사는 계측 장치(1000)의 각도 조절부(200)와 반사 광학계(300)를 통해 이루어질 수 있다.
이후, 계측 대상(2000)에서 반사 및 회절된 회절광을 퓨필 면 상에서 검출한다(S157). 예컨대, 계측 장치(1000)의 검출기(600)가 회절광에 대한 퓨필 이미지를 검출한다.
도 16b를 참조하면, 본 실시예의 계측 방법은, 광대역 광을 생성 및 출력하는 단계(S151)와 경사 각도로 입사시키는 단계(S155) 사이에 광원(100)의 파장 선택 및/또는 경사 각도의 조절을 수행하는 단계(S153)를 더 포함한다는 측면에서, 도 16a의 계측 방법과 다를 수 있다. 경사 각도의 조절은 계측 장치(1000)의 각도 조절부(200)에서 수행할 수 있다. 한편, 광원(100)의 파장 선택은 회절 기반 측정의 단계(150a)에서 수행할 수도 있지만, 앞서, 도 15의 파라미터를 조절하는 단계(S110)에서 수행할 수도 있다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도들이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 14 내지 도 16b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 17a를 참조하면, 본 실시예의 계측 방법은, 계측 대상(2000)을 분석하는 단계(S190) 전에 회귀 또는 기계 학습을 수행하는 단계(S180)을 더 포함한다는 측면에서, 도 15의 계측 방법과 다를 수 있다. 회귀는 예컨대, MLR 알고리즘을 이용할 수 있다. 그러나 회귀가 MLR 알고리즘의 이용에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 계측 방법에서, 3차원 퓨필 매트릭스는 광대역 광의 사용과 경사 각도 조절에 기인하여 대용량의 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 회귀 또는 기계 학습은 대용량의 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터에 기초하여 수행될 수 있다. 따라서, 계측 대상을 분석하는 단계(S190)에서, 회귀 또는 기계 학습에 기초하여 계측 대상(2000)을 보다 정확하게 분석할 수 있다.
도 17b를 참조하면, 본 실시예의 계측 방법은, 파라미터를 조절하는 단계(S110)부터 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하는 단계(S170)를 순차적으로 수행한다. 계측 대상이 오버레이 마크를 포함한 반도체 소자로 특정된 것을 제외하고, 각각의 단계들은 도 15의 계측 방법에서 설명한 바와 같다.
이후, 오버레이 에러 커브를 계산한다(S170). 전술한 바와 같이, 오버레이 에러 커브는 파장에 따른 좌측 바이어스 민감도(△l-)에 대한 우측 바이어스 민감도(△l+)의 그래프로서 정의될 수 있다. 오버레이 에러 커브 계산 후, 오버레이 에러 커브가 선형성인지 판단한다(S174). 오버레이 에러 커브가 선형성인 경우(Yes), 반도체 소자의 오버레이 에러를 분석하는 단계(S190a)로 진행한다. 여기서, 오버레이 에러 커브의 선형성 판단은, 예컨대, 오버레이 에러 커브에 대한 피팅에서의 결정 계수(R2)에 의해 결정될 수 있다. 구체적인 예로, 결정 계수(R2)가 0.95 이상인 경우 선형성이라고 판단하고, 0.95 미만인 경우, 비선형성이라고 판단할 수 있다. 물론, 오버레이 에러 커브의 선형성 판단의 기준이 결정 계수(R2)에 한정되는 것은 아니다. 한편, 오버레이 에러의 분석은 오버레이 에러 값들에 기초하여 반도체 소자의 불량 여부 등을 판단하는 것을 포함할 수 있다.
오버레이 에러 커브가 선형성이 아닌 경우(No), 즉 오버레이 에러 커브가 비선형성인 경우, 오버레이 마크의 공정 조건의 변경 및 오버레이 마크를 재-디자인한다(S176). 오버레이 마크의 재-디자인 후, 반도체 소자를 준비하는 단계(S130a)로 이행한다. 한편 실시예에 따라, 오버레이 에러 커브의 선형성과 관련하여, 두 단계의 판단 과정을 거칠 수도 있다. 예컨대, 오버레이 에러 커브의 선형성 판단에서, 비선형성으로 판단된 경우라도, 설정된 기준을 통해 다시 비선형성이 큰지 작은지를 판단하고, 비선형성이 큰 경우 오버레이 마크를 재-디자인하는 단계(S176)으로 진행하고, 비선형성이 작은 경우는 오버레이 에러를 분석하는 단계(S190a)로 진행할 수 있다. 또한, 본 실시예의 계측 방법은, 도 17a에서와 같이, 오버레이 에러를 분석하는 단계(S190a) 전에 회귀 및 기계 학습을 수행하는 단계(S180)를 더 포함할 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시예들에 따른 회절 기반 계측 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법을 개략적으로 보여주는 흐름도들이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 14 내지 도 17b에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 18a를 참조하면, 본 실시예의 회절 기반 계측 방법을 이용한 반도체 소자 제조방법(이하, 간단히 '제조방법'이라 한다)는, 파라미터를 조절하는 단계(S210)부터 반도체 소자를 분석하는 단계(S290)를 순차적으로 수행한다. 각각의 단계들은 도 15 또는 도 17b의 계측 방법에서 설명한 바와 같다.
이후, 분석 결과가 허용 범위 내인지 판단한다(S292). 분석 결과가 허용 범위 내인 경우(Yes), 반도체 소자에 대한 후속 공정을 수행한다(S294). 예컨대, 반도체 소자에 대한 후속 공정은 증착 공정, 식각 공정, 이온 공정, 세정 공정 등을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 소자에 대한 후속 공정은 웨이퍼 레벨의 반도체 소자의 테스트 공정을 포함할 수 있다. 더 나아가, 반도체 소자에 대한 후속 공정은 웨이퍼를 반도체 칩들로 개별화하는 공정, 및 반도체 칩들을 패키징하는 공정을 포함할 수 있다.
분석 결과가 허용 범위를 벗어난 경우(No), 해당 공정 조건의 변경 및 해당 공정을 재-수행한다(S276). 해당 공정의 재-수행은, 계측 대상(2000)에 대한 계측의 목적에 따라 다양할 수 있다. 예컨대, 계측 대상(2000)의 오버레이 에러가 계측의 목적인 경우는, 해당 공정의 재-수행은, 오버레이 마크의 공정 조건 변경 및 오버레이 마크의 재-디자인을 의미할 수 있다. 또한, 계측 대상(2000)의 패턴의 사이즈나 패턴의 균일도가 계측의 목적인 경우, 해당 공정의 재-수행은, 패턴 형성의 공정 조건의 변경 및 패턴의 재-형성을 의미할 수 있다. 해당 공정의 재-수행 후, 반도체 소자를 준비하는 단계(S230)로 이행한다.
도 18b를 참조하면, 파라미터를 조절하는 단계(S210)부터 오버레이 에러를 분석하는 단계(S290a)를 순차적으로 수행한다. 각각의 단계들은 도 17b의 계측 방법에서 설명한 바와 같다.
이후, 오버레이 에러가 허용범위 내인지 판단한다(S292a). 오버레이 에러가 허용 범위 내인 경우(Yes), 반도체 소자에 대한 후속 공정을 수행한다(S294). 오버레이 에러가 허용 범위를 벗어난 경우(No), 오버레이 마크의 공정 조건의 변경 및 오버레이 마크를 재-디자인한다(S276a). 오버레이 마크를 재-디자인하는 단계(S276a)에 대해서는 도 17b의 설명 부분에서 설명한 바와 같다. 오버레이 마크의 재-디자인 후, 반도체 소자를 준비하는 단계(S230)로 이행한다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1000, 1000a, 1000b: 계측 장치, 100: 광원, 200: 각도 조절부, 210: 광섬유, 220: 타원 미러, 300: 제1 반사 광학계, 400: 스테이지, 500: 제2 반사 광학계, 510: 빔 스플리터, 520: 릴레이 미러, 600: 검출기

Claims (20)

  1. 광대역 광을 생성하여 출력하는 광원;
    계측 대상이 배치되는 스테이지;
    상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 광을 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 반사 광학계;
    상기 광이 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 검출하는 검출기; 및
    상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상을 분석하는 측정 및 분석부;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원은 180㎚ 내지 20,000㎚ 파장 범위의 광대역 광을 출력하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 경사 각도를 조절하는 각도 조절부를 더 포함하고,
    상기 반사 광학계는 고배율 반사형 대물렌즈를 포함하며,
    상기 각도 조절부는 퓨필 면 상의 광의 포커싱 위치를 조절하여 상기 경사 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 중앙에 오픈 홀이 형성된 비구면 미러 형태의 주경(main mirror), 및 상기 주경 하부에 배치된 비구면 미러 형태의 부경(secondary mirror)을 포함하고,
    상기 광은 상기 오픈 홀을 통해 입사되고 상기 부경에서 반사되어 상기 주경으로 입사되며, 상기 주경에서 반사되어 상기 계측 대상에 상기 경사 각도로 입사되며,
    상기 각도 조절부는, 상기 주경과 부경 사이에 위치하는 상기 퓨필 면 상의 상기 광의 포커싱 위치를 변경하여 상기 경사 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 검출기는 퓨필 면 상의 이미지인 퓨필 이미지를 검출하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 3차원 퓨필 매트릭스는 상기 광의 파장, 상기 경사 각도, 및 상기 회절광의 인텐서티를 변수로 포함하고,
    상기 인텐서티는 상기 퓨필 이미지 내의 상기 회절광의 인텐서티인 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 및 분석부는, 상기 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터에 기초하여, 회귀(regression) 또는 기계 학습(machine learning)을 수행하여 상기 계측 대상을 분석하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 및 분석부는 상기 계측 대상의 오버레이 에러를 분석하며,
    상기 계측 장치는, 상기 오버레이 에러의 계측의 민감도(sensitivity)가 최대화되도록 상기 광의 파장이 선택되고 상기 경사 각도가 조절된 것을 특징으로 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 및 분석부는 상기 계측 대상의 오버레이 에러를 분석하며,
    상기 오버레이 에러에 대한 계측의 민감도(△l)는 회절광의 +1차광과 -1차광 간의 인텐서티 차이로 정의되고, 상기 민감도는 오버레이 마크에 좌측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 우측 바이어스 민감도(△l+)를 포함하며, 파장에 따른 상기 좌측 바이어스 민감도에 대한 우측 바이어스 민감도의 그래프로서 오버레이 에러 커브가 정의될 때,
    상기 측정 및 분석부는, 상기 오버레이 에러 커브를 이용하여 오버레이 마크의 비대칭 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  10. 광대역 광을 생성하여 출력하는 광원;
    계측 대상이 배치되는 스테이지;
    상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 광을 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 반사 광학계;
    상기 경사 각도를 조절하는 각도 조절부;
    상기 광이 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 검출하되, 상기 회절광의 퓨필 면 상의 이미지인 퓨필 이미지를 검출하는 검출기; 및
    상기 광의 파장, 상기 경사 각도, 및 상기 회절광의 인텐서티를 변수로 포함하는, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하고, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상의 오버레이 에러를 분석하는 측정 및 분석부;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 광원은 180㎚ 내지 20,000㎚ 파장 범위의 광대역 광을 출력하며,
    상기 광원은 상기 파장 범위를 단파장으로 스캔하면서 광을 출력하거나, 또는 상기 파장 범위 전체를 포함한 광을 출력하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 오버레이 에러에 대한 계측의 민감도(△l)는 회절광의 +1차광과 -1차광 간의 인텐서티 차이로 정의되고, 상기 민감도는 오버레이 마크에 좌측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 방향으로 바이어스가 인가된 우의 우측 바이어스 민감도(△l+)를 포함하며, 파장에 따른 상기 좌측 바이어스 민감도에 대한 우측 바이어스 민감도의 그래프로서 오버레이 에러 커브가 정의될 때,
    상기 측정 및 분석부는, 상기 오버레이 에러 커브를 이용하여 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 오버레이 에러 커브가 선형성이거나 또는 상기 오버레이 에러 커브가 비선형성이고 설정된 기준 이하인 경우, 상기 측정 및 분석부는 상기 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터에 기초한 회귀 또는 기계 학습을 통해 상기 오버레이 에러를 분석하고,
    상기 오버레이 에러 커브가 비선형성이고 상기 기준을 초과하는 경우에, 오버레이 마크에 대한 공정 조건을 변경하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 장치.
  14. 계측 대상을 준비하는 단계;
    계측 장치의 광원에서, 광대역 광을 생성하여 출력하는 단계;
    상기 계측 장치의 반사 광학계를 통해, 상기 광을 반사를 통해 상기 계측 대상에 조사하되, 상기 계측 대상에 예각의 경사 각도로 입사시키는 단계;
    상기 계측 장치의 검출기에서, 상기 계측 대상에서 반사되어 회절된 회절광을 퓨필 면 상에서 퓨필 이미지로서 검출하는 단계;
    상기 계측 장치의 측정 및 분석부에서, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하는 단계; 및
    상기 측정 및 분석부에서, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 계측 대상을 분석하는 단계;를 포함하는, 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 경사 각도로 입사시키는 단계 전에,
    상기 계측 장치의 각도 조절부를 통해 상기 경사 각도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 계측 대상을 분석하는 단계에서, 상기 3차원 퓨필 매트릭스의 데이터에 기초하여 회귀 또는 기계 학습을 통해 상기 계측 대상을 분석하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 계측 대상을 분석하는 단계에서, 상기 계측 대상의 오버레이 에러를 분석하며,
    상기 오버레이 에러에 대한 계측의 민감도(△l)는 회절광의 +1차광과 -1차광 간의 인텐서티 차이로 정의되고, 상기 민감도는 오버레이 마크에 좌측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 우측 바이어스 민감도(△l+)를 포함하며, 파장에 따른 상기 좌측 바이어스 민감도에 대한 우측 바이어스 민감도의 그래프로서 오버레이 에러 커브가 정의될 때,
    상기 계측 대상을 분석하는 단계 전에,
    상기 오버레이 에러 커브를 계산하는 단계; 및
    상기 오버레이 에러 커브를 이용하여 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경사 조명을 이용한 회절 기반 계측 방법.
  18. 계측 대상인 반도체 소자를 준비하는 단계;
    계측 장치의 광원에서, 광대역 광을 생성하여 출력하는 단계;
    상기 계측 장치의 반사 광학계를 통해, 상기 광을 반사를 통해 상기 반도체 소자에 조사하되, 상기 반도체 소자에 예각의 경사 각도로 입사시키는 단계;
    상기 계측 장치의 검출기에서, 상기 반도체 소자에서 반사되어 회절된 회절광을 퓨필 면 상에서 퓨필 이미지로서 검출하는 단계;
    상기 계측 장치의 측정 및 분석부에서, 상기 회절광에 대한 3차원 퓨필 매트릭스를 측정하는 단계;
    상기 측정 및 분석부에서, 상기 3차원 퓨필 매트릭스에 기초하여 상기 반도체 소자의 오버레이 에러를 분석하는 단계;
    상기 오버레이 에러가 허용 범위 내인지 판단하는 단계; 및
    상기 오버레이 에러가 허용 범위 내인 경우, 상기 반도체 소자에 대한 후속 공정을 수행하는 단계;를 포함하는, 반도체 소자 제조방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 경사 각도로 입사시키는 단계 전에,
    상기 계측 장치의 각도 조절부를 통해 상기 경사 각도를 조절하는 단계를 더 포함하고,
    상기 반사 광학계는, 중앙에 오픈 홀이 형성된 비구면 미러 형태의 주경, 및 상기 주경 하부에 배치된 비구면 미러 형태의 부경을 구비한 고배율 반사형 대물렌즈를 포함하며,
    상기 광은 상기 오픈 홀을 통해 입사되고 상기 부경에서 반사되어 상기 주경으로 입사되며, 상기 주경에서 반사되어 상기 반도체 소자에 상기 경사 각도로 입사되며,
    상기 각도 조절부는, 상기 주경과 부경 사이에 위치하는 퓨필 면 상의 상기 광의 포커싱 위치를 변경하여 상기 경사 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 오버레이 에러에 대한 계측의 민감도(△l)는 회절광의 +1차광과 -1차광 간의 인텐서티 차이로 정의되고, 상기 민감도는 오버레이 마크에 좌측 방향으로 바이어스가 인가된 경우의 좌측 바이어스 민감도(△l-)와 우측 방향으로 바이어스가 경우의 우측 바이어스 민감도(△l+)를 포함하며, 파장에 따른 상기 좌측 바이어스 민감도에 대한 우측 바이어스 민감도의 그래프로서 오버레이 에러 커브가 정의될 때,
    상기 오버레이 에러를 분석하는 단계 전에,
    상기 오버레이 에러 커브를 계산하는 단계; 및
    상기 오버레이 에러 커브를 이용하여 오버레이 마크의 비대칭성을 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
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