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KR102898111B1 - 오버레이 측정 장치의 최적화 방법 및 이를 수행하는 오버레이 측정 장치 - Google Patents

오버레이 측정 장치의 최적화 방법 및 이를 수행하는 오버레이 측정 장치

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Publication number
KR102898111B1
KR102898111B1 KR1020230033915A KR20230033915A KR102898111B1 KR 102898111 B1 KR102898111 B1 KR 102898111B1 KR 1020230033915 A KR1020230033915 A KR 1020230033915A KR 20230033915 A KR20230033915 A KR 20230033915A KR 102898111 B1 KR102898111 B1 KR 102898111B1
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KR
South Korea
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overlay
aperture
apertures
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measurement device
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KR1020230033915A
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English (en)
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KR20240139798A (ko
Inventor
이성수
Original Assignee
(주) 오로스테크놀로지
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Publication date
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Priority to US18/296,502 priority patent/US20240312847A1/en
Priority to PCT/KR2024/095482 priority patent/WO2024191244A1/ko
Priority to CN202480026064.0A priority patent/CN120958389A/zh
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Priority to KR1020250153413A priority patent/KR20250158952A/ko
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Abstract

본 발명은 오버레이 측정 장치의 최적화 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 설치되는 복수의 조리개들의 위치 및 형태를 조절하여 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태 중 적어도 하나를 조절하여, 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법으로서, a) 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 초기 파라미터 조합을 이용하여 초기 성능 지표를 측정하는 단계와, b) 상기 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계와, c) 상기 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.

Description

오버레이 측정 장치의 최적화 방법 및 이를 수행하는 오버레이 측정 장치{Optimization Method of Overlay Measurement Device and Overlay Measurement Device Performing the Same}
본 발명은 오버레이 측정 장치의 최적화 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 설치되는 복수의 조리개들의 위치 및 형태를 조절하여 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법에 관한 것이다.
반도체 기판상에는 복수 개의 패턴 층들이 순차적으로 형성된다. 또한, 더블 패터닝 등을 통해서 하나의 층의 회로가 두 개의 패턴으로 나뉘어 형성되기도 한다. 이러한 패턴 층들 또는 하나의 층의 복수의 패턴이 미리 설정된 위치에 정확하게 형성되어야만, 원하는 반도체 소자를 제조할 수 있다.
따라서 패턴 층들이 정확하게 정렬되었는지를 확인하기 위해서, 패턴 층들과 동시에 형성되는 오버레이 마크들이 사용된다.
오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법은 아래와 같다. 먼저, 이전 공정, 예를 들어, 에칭 공정에서 형성된 패턴 층에, 패턴 층 형성과 동시에 오버레이 마크의 일부인 하나의 구조물을 형성한다. 그리고 후속 공정, 예를 들어, 포토리소그래피 공정에서, 포토레지스트에 오버레이 마크의 나머지 구조물을 형성한다.
그리고 오버레이 측정 장치를 통해서 이전 공정에 형성된 패턴 층의 오버레이 구조물(포토레지스트 층을 투과하여 이미지 획득)과 포토레지스트 층의 오버레이 구조물의 이미지를 획득하고, 오버레이 측정 장치는 이들 이미지들의 중심들 사이의 오프셋 값을 계측하여 오버레이 오차 값을 측정한다.
좀 더 구체적으로, 일본공개특허 2020-112807에는 기판에 형성된 오버레이 마크의 이미지를 캡처하고, 캡처된 이미지에서 복수의 워킹 존을 선택하고, 선택된 워킹 존 각각에 대해 정보를 가진 신호를 형성하고, 이들을 비교함으로써 서로 다른 층 또는 서로 다른 패턴 사이의 상대적인 어긋남을 결정하는 방법이 개시되어 있다.
도 1은 오버레이 마크의 일례의 평면도이다. 도 1에 도시된 오버레이 마크(1)는 4개의 워킹 존(working zone) 세트들(4, 5, 6, 7)을 구비한다. 그리고 각각의 워킹 존 세트(4, 5, 6, 7)는 서로 대각선상으로 배치되는 2개의 워킹 존들을 구비한다. 각각의 워킹 존 세트(4, 5, 6, 7)는 해당 워킹 존 세트와 함께 형성된 패턴 층의 X축 또는 Y축 방향으로의 오버레이 오차 측정에 사용된다. 간섭 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해서 제1 패턴 층과 함께 형성되는 구조물(2)들과 제2 패턴 층과 함께 형성되는 구조물(3)들이 서로 겹치지 않도록 배치한다.
각각의 워킹 존은 오버레이 마크(1)의 중심으로부터 오버레이 마크(1)의 외곽까지 일정한 간격으로 배치되는 바들을 포함한다. 따라서 오버레이 측정 장치를 이용해서, 워킹 존 세트(4, 5, 6, 7)에 속하는 두 개의 워킹 존으로부터, 도 2에 도시된 바와 같은, 주기적인 신호를 각각 획득할 수 있다. 도 2의 그래프는. 예를 들어, 도 1에서 선택된 일부 영역(8)으로부터 얻을 수 있다.
도 2의 그래프에서 피크들은 바들이 배치된 부분에 나타난다. 종래의 오버레이 마크(1)는 바들이 주기적으로 배치되므로, 획득되는 신호도 주기성을 가진다. 그리고 선택된 두 개의 영역(8, 8')으로부터 획득한 두 개의 주기적인 신호의 상관 분석(correlation)을 통해서 오버레이를 측정한다.
오버레이 오차 값을 결정하는 상술한 측정을 하기 전에, 오버레이 측정 장치의 최적화가 필요하다. 즉, 오버레이 측정 장치의 정밀도, 전체 측정 불확실성(TMU, Total Measurement Uncertainty), 툴 유도 시프트(TIS, Tool Induced Shift), 이동, 획득 및 측정(MAM, Move, Acquire, Measure) 시간 등의 오버레이 측정 장치의 성능 지표의 최적화가 필요하다.
전체 측정 불확실성은 정밀도, 툴 유도 시프트의 평균, 툴 유도 시프트의 3 시그마(3-sigma) 값 등 복수의 계수들에 의존한다. 전체 측정 불확실성 값은 작은 것이 바람직하다.
툴 유도 시프트는 반도체 웨이퍼의 0도 및 180도 회전에서 반도체 웨이퍼 상의 동일한 피처, 예를 들어, 오버레이 마크를 측정함으로써 정량화될 수 있다. 이 경우, 툴 유도 시프트는 0도 및 180도 회전에서의 오버레이 오차 측정치의 합의 절반과 같다. 복수의 위치에서 측정된 툴 유도 시프트의 X 값과 Y 값의 평균은 0에 가깝고, 3 시그마 값은 작은 것이 바람직하다.
좀 더 상세하게, 툴 유도 시프트는 아래와 같은 방법으로 측정할 수 있다.
먼저, 반도체 웨이퍼의 0도 및 180도 회전에서, 반도체 웨이퍼 상의 다수의 사이트에서 복수의 오버레이 마크들을 촬영하여 오버레이 마크 이미지들을 획득하고, 이들을 분석하여, X 방향 및 Y 방향으로의 오버레이 오차들을 각각 측정한다.
그리고 동일한 오버레이 마크의 0도 및 180도 회전에서의 오버레이 오차 측정치의 합의 절반을 해당 위치에서의 툴 유도 시프트 값으로 획득한다. 툴 유도 시프트 값도 사이트별로 X 방향 값과, Y 방향 값이 획득된다.
도 3은 반도체 웨이퍼 상의 측정 사이트들을 점으로 표시한 도면이며, 도 4는 도 3에 도시된 사이트들로부터 획득된 툴 유도 시프트 값을 X, Y 평면상에 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 툴 유도 시프트 값은 사이트별로 차이가 있을 수 있다. 툴 유도 시프트 값들의 평균값은 (0, 0)이고, 툴 유도 시프트 값들의 3 시그마 값은 최대한 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 툴 유도 시프트의 사양은 평균값 0.3㎚ 미만, 3 시그마 값 0.4㎚ 미만으로 정해질 수 있다.
짧은 이동, 획득 및 측정 시간은 더 빠른 프레임 시간을 의미한다.
오버레이 측정 장치가 특정한 오버레이 마크에 대해 최적화될 때까지, 다양한 동작 파라미터가 작업자에 의해 조절된다. 이러한 최적화 절차는 다른 오버레이 마크에 대해서 반복된다. 이러한 최적화 절차는 작업자에 의해 수행되므로, 시간이 많이 필요하다. 또한, 복수의 작업자가 오버레이 측정 장치에 대한 최적화를 수행하는 경우에, 오버레이 측정 장치별로 성능이 일정하지 않을 수도 있다.
한국등록특허 10-1329827 한국공개특허 10-2022-0164003
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태 중 적어도 하나를 조절하여, 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태 중 적어도 하나를 조절하여, 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법으로서, a) 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 초기 파라미터 조합을 이용하여 초기 성능 지표를 측정하는 단계와, b) 상기 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계와, c) 상기 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 b) 단계에서, 상기 최적 파라미터 조합은 최적 파라미터 조합을 출력하도록 구성된 기계 학습 모델에 상기 초기 성능 지표를 입력함으로써 획득되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 b) 단계에서, 상기 최적의 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계는, 각각의 파라미터 조합에 대한 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초하여, 복수의 파라미터 조합 각각에 대한 성능 지표들을 획득하는 단계와, 각각의 파라미터 조합의 상기 성능 지표들에 가중치들을 각각 부여하는 단계와, 상기 복수의 파라미터 조합들 중에서 상기 가중치들이 부여된 상기 성능 지표들의 합을 최소화하는 하나의 파라미터 조합을 최적 파라미터 조합으로 선택하는 단계를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 성능 지표는 정밀도, 전체 측정 불확실성(TMU, Total Measurement Uncertainty), 툴 유도 시프트(TIS, Tool Induced Shift), 이동, 획득 및 측정(MAM Move, Acquire and Measure) 시간 및 이들 각각의 통계 값 중 적어도 하나를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 조리개들은 적어도 하나의 시야 조리개(Field Stop)와, 적어도 하나의 구경 조리개(Aperture Stop)를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 오버레이 측정 장치는 무한 보정 광학계(Infinite Corrected Optical System)이며, 적어도 하나의 상기 구경 조리개는 광선이 평행하게 진행하는 무한 보정 구간에 설치되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 오버레이 측정 장치는 광을 생성하는 조명원, 광을 수신하여 반도체 웨이퍼를 향하여 광을 지향시키고 상기 반도체 웨이퍼로부터 반사된 광을 수집하는 대물렌즈, 및 수집된 광으로부터 상기 반도체 웨이퍼 상에 형성된 오버레이 마크를 검출하고, 오버레이 마크 이미지를 생성하는 이미지 검출기를 포함하며, 적어도 하나의 상기 구경 조리개는 상기 오버레이 측정 장치의 상기 이미지 검출기와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 상기 조리개의 개구 형태는 원형, 사각형, 링 형태, 십자가 형태 중에서 선택되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 복수의 상기 조리개들 중 적어도 하나는 가변 조리개인 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 적어도 하나의 상기 가변 조리개는 개구의 지름이 변경되는 아이리스(Iris)형 가변 조리개인 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 적어도 하나의 상기 가변 조리개는 형태가 다른 복수의 개구가 형성된 플레이트를 구비하며, 상기 플레이트를 회전 또는 직선 이동시켜 광 경로 상에 배치되는 상기 개구를 변경시키도록 구성된 오버레이 측정 장치의 최적화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 오버레이 마크 이미지 획득을 위한 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들을 포함하는 이미징 시스템과, 상기 이미징 시스템에 통신 가능하게 결합된 제어기를 포함하는 오버레이 측정 장치로서, 상기 제어기는 명령어들을 포함하는 적어도 하나의 메모리와, 상기 적어도 하나의 메모리에 포함된 상기 명령어들을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 명령어들을 실행하여, a) 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 초기 파라미터 조합을 이용하여 상기 오버레이 측정 장치의 초기 성능 지표를 측정하는 단계와, b) 상기 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계와, c) 상기 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계를 수행하는 오버레이 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 오버레이 측정 장치의 최적화 방법은 측정된 초기 성능 지표에 기초하여 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 관한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하므로, 사람의 개입을 최소화할 수 있다. 따라서 최적화에 필요한 시간을 줄일 수 있다. 또한, 오버레이 측정 장치별로 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1은 오버레이 마크의 일례의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 오버레이 마크의 하나의 워킹 존으로부터 획득된 신호를 나타낸다.
도 3은 반도체 웨이퍼 상의 측정 사이트들을 점으로 표시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 사이트들로부터 획득된 툴 유도 시프트 값을 X, Y 평면상에 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정 장치의 개략도이다.
도 6은 플레이트형 가변 조리개의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정 장치의 최적화 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정 장치의 개략도이다.
오버레이 측정 장치(10)는 오버레이 마크 이미지를 획득하도록 구성된 이미징 시스템(100)과, 제어기(200)를 포함한다. 오버레이 측정 장치(10)는 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼를 촬영하여 오버레이 마크 이미지를 획득한다. 그리고 획득된 오버레이 마크 이미지를 분석하여 웨이퍼에 형성된 패턴 층들 사이의 오버레이 오차를 측정한다.
제어기(200)는 이미징 시스템(100)에 유선 또는 무선으로 통신 가능하게 결합된다. 제어기(200)는 적어도 하나의 프로세서와 적어도 하나의 메모리 등의 하드웨어와 적어도 하나의 메모리에 설치된 소프트웨어를 포함한다. 제어기(200)는 소프트웨어의 명령어들을 통해서 적어도 하나의 프로세서가 오버레이 측정 장치(10)의 최적화 방법의 단계들을 수행하도록 지시할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 오버레이 측정 장치(10)의 이미징 시스템(100)은 반도체 웨이퍼(W) 상의 오버레이 마크를 조명하는 조명 광학계(110)와, 오버레이 마크로부터의 반사광을 집광하여 오버레이 마크 이미지를 결상시키는 결상 광학계(120)와, 결상 광학계(120)에 의해 결상된 오버레이 마크 이미지를 획득하는 이미지 검출기(130)를 포함한다.
조명 광학계(110)는 다양한 광학 요소들을 이용하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 조명 광학계(110)는 조명원(111)과, 제1 조리개(115)와, 빔 스플리터(116)와, 제2 조리개(117)와, 대물렌즈(118)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 조리개(115)와 조명원(111) 사이에 배치되는 렌즈(113)를 포함할 수 있다.
조명원(111)은 넓은 파장 대역의 광을 생성할 수 있는 광원과 투과하는 광의 파장 대역을 조절할 수는 가변 광학 필터들을 포함할 수 있다.
제1 조리개(115)는 조명의 크기와 형태를 조절하는 역할을 하는 시야 조리개이다. 제1 조리개(115)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태는 개구수(NA, Numerical Aperture) 및 초점 심도(DOF, Depth of Focus)에 영향을 미쳐, 전체 측정 불확실성(TMU, Total Measurement Uncertainty), 툴 유도 시프트(TIS, Tool Induced Shift) 등 오버레이 측정 장치의 측정 컨디션에 전체적으로 영향을 미친다. 제1 조리개(115)의 광 경로 상의 위치는 광축에 직교하는 평면상에 위치와 광축과 직교하는 방향으로의 위치를 포함한다.
빔 스플리터(116)는 조명원(111)과 대물렌즈(118) 사이에 배치되어, 조명원(111)으로부터의 조명을 대물렌즈(118)에 전달하는 역할을 한다.
제2 조리개(117)는 조명의 광량 및 수차를 조절하는 구경 조리개이다. 제2 조리개(117)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태는 툴 유도 시프트에 영향을 주는 직광성(Telecentricity)과 관련된다. 따라서 제2 조리개(117)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태를 조절하여, 툴 유도 시프트를 미세 조정할 수 있다. 제2 조리개(117)의 광 경로 상의 위치는 광축에 직교하는 평면상에 위치와 광축과 직교하는 방향으로의 위치를 포함한다.
제1 조리개(115)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태를 조절하여, 오버레이 측정 장치(10)의 전체적인 성능 지표를 최대한 개선하고, 제2 조리개(117)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태를 조절하여, 툴 유도 시프트를 미세 조정할 수 있다.
대물렌즈(118)는 조명을 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 측정위치에 집광시키고, 측정위치에서의 반사된 반사광을 수집하는 역할을 한다. 대물렌즈(118)는 렌즈 초점 액추에이터(119)에 설치된다. 렌즈 초점 액추에이터(119)는 대물렌즈(118)와 반도체 웨이퍼(W) 사이의 거리를 조절하는데 사용된다.
결상 광학계(120)는 다양한 광학 요소들을 이용하여 구성할 수 있다. 예를 들어, 결상 광학계(120)는 제3 조리개(121)와 튜브 렌즈(123)를 포함할 수 있다. 또한, 결상 광학계(120)는 조명 광학계(110)의 대물렌즈(118)와 제2 조리개(117)와 빔 스플리터(116)를 사용할 수 있다.
제3 조리개(121)는 반사광의 광량 및 수차를 조절하는 구경 조리개이다. 제3 조리개(121)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태는 툴 유도 시프트에 영향을 주는 직광성과 관련된다. 따라서 제3 조리개(121)의 광 경로 상의 위치와 개구 형태를 조절하여, 툴 유도 시프트를 미세 조정할 수 있다. 제3 조리개(121)의 광 경로 상의 위치는 광축에 직교하는 평면상에 위치와 광축과 직교하는 방향으로의 위치를 포함한다.
일부 실시예에서, 제2 조리개(117)와 제3 조리개(121) 중 하나는 생략될 수도 있다. 오버레이 측정 장치(10)는 무한 보정 광학계(Infinite Corrected Optical System)일 수 있다. 구경 조리개인 제2 조리개(117)와 제3 조리개(121)는 광선이 평행하게 진행하는 무한 보정 구간에 설치될 수 있다.
대물렌즈(118)는 반도체 웨이퍼(W)로부터 반사된 광을 수집한다. 대물렌즈(118)에서 수집된 광은 빔 스플리터(116)를 투과한 후에 튜브 렌즈(123)에 의해서 이미지 검출기(130)에 집광된다.
이미지 검출기(130)는 조명에 의한 오버레이 마크로부터의 반사광을 수광하여 오버레이 마크 이미지를 생성하는 역할을 한다. 이미지 검출기(130)는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라일 수 있다.
제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)의 개구 형태는 원형, 사각형, 링 형태, 십자가 형태 중에서 선택될 수 있다. 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)는 개구의 광 경로 상에서 위치가 조절될 수 있도록, 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)를 광축과 나란한 방향 및 광축과 직교하는 평면상에서 이동시킬 수 있는 이송장치(미도시)에 설치된다.
제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)는 가변 조리개일 수 있다. 가변 조리개로는 아이리스형 가변 조리개 또는 플레이트형 가변 조리개를 사용할 수 있다.
아이리스형 가변 조리개는 원형 개구의 지름을 조절할 수 있는 가변 조리개이다. 아이리스형 가변 조리개는, 예를 들어, 중심부에 원형의 개구가 형성되도록 중첩하여 배치된 복수의 조리개 날개들과 이러한 조리개 날개들을 회전시켜서 개구의 지름을 변경시키는 캠 부재들을 포함할 수 있다.
플레이트형 가변 조리개는 다양한 형태의 개구가 형성된, 회전하는 원형 플레이트 또는 직선 이동하는 사각 플레이트 형태일 수 있다. 원형 플레이트를 모터를 이용하여 회전시키는 방법으로 광 경로 상에 위치하는 개구 형태를 변경할 수 있다. 그리고 사각 플레이트를 리니어 액추에이터로 직선 이동시키는 방법으로 광 경로 상에 위치하는 개구 형태를 변경할 수 있다.
도 6은 플레이트형 가변 조리개의 일례를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플레이트형 가변 조리개는 원형뿐 아니라 사각형, 링 형태, 십자가 형태 등 아이리스형 가변 조리개에서 구현하기 어려운 다양한 형태의 개구를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121) 중 일부 조리개만 위치가 조절될 수 있도록 설치될 수도 있다. 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121) 중 일부 조리개만 가변 조리개일 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정 장치의 최적화 방법의 순서도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 측정 장치의 최적화 방법은, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 초기 파라미터 조합을 이용하여(초기 파라미터 조합에서의) 초기 성능 지표를 측정하는 단계(S1)와, 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계(S2)와, 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계(S3)를 포함한다.
오버레이 측정 장치(10)의 제어기(200)는 프로세서가 소프트웨어의 명령어들을 실행하여, 도 7의 단계들 전체 또는 일부를 수행하도록 지시할 수 있다. 사람의 개입을 최소화할 수 있도록 전체 단계가 제어기(200)에 의해서 지시되는 것이 바람직하다.
먼저, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 초기 파라미터 조합을 이용하여(초기 파라미터 조합에서의) 오버레이 측정 장치의 초기 성능 지표를 측정하는 단계(S1)에 대해서 설명한다.
초기 파라미터 조합은 오버레이 측정 장치(10)의 제어기(200)가 수신한 레시피 정보에 포함될 수 있다. 초기 파라미터 조합에는 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121) 각각의 개구 형태 및 위치에 관한 정보들이 포함된다. 아이리스형 가변 조리개일 경우에는 개구의 지름의 크기에 관한 정보와, 가변 조리개의 개구의 광 경로 상의 위치, 즉, 광축과 나란한 방향으로의 위치와 광축에 직교하는 평면상의 위치에 관한 정보가 포함될 수 있다. 플레이트형 가변 조리개일 경우에는 복수의 개구 중에서 선택되는 개구에 관한 정보와, 개구의 광 경로 상의 위치에 관한 정보가 포함될 수 있다. 제어기(200)는 초기 파라미터 조합에 따라서 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)의 개구 형태 및 위치에 관한 정보가 포함된 제어신호를 이미징 시스템(100)에 송신한다.
본 단계에서는 초기 파라미터 조합에 따라서 제1 내지 제3 조리개(113, 117, 121)의 개구 형태 및 위치를 조절된 상태에서, 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해 오버레이 측정 장치의 초기 성능 지표를 측정한다. 성능 지표로는 오버레이 측정 장치의 정밀도, 전체 측정 불확실성, 툴 유도 시프트, 이동, 획득 및 측정 시간 등이 사용될 수 있다. 또한, 이들의 평균이나 3 시그마 값과 같은 통계 값들도 성능 지표로 사용될 수 있다. 툴 유도 시프트는 다수의 위치에서 측정된 툴 유도 시프트 값들의 통계 값인 3 시그마 값이 주로 성능 지표로 사용된다.
다음, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계(S2)에 대해서 설명한다.
본 단계에서는 S1 단계에서 획득된 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득한다.
본 단계는 다양한 방법으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 최적화 여부를 판단할 수 있는 판단 식을 생성하고, 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변화시켜가면서 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태의 최적 파라미터 조합을 찾을 수 있다.
최적 파라미터 조합은 성능 지표들을 사용하여 찾을 수 있다. 성능 지표들에 가중치를 각각 부여하고, 이들의 가중치가 각각 부여된 성능 지표들의 합이 최소가 되는 파라미터 조합을 최적 파라미터 조합으로 선택할 수 있다. 파라미터 조합에 포함되는 파라미터 수가 적을 경우에는 동시에 여러 파라미터를 변화시킬 수 있으나, 그렇지 않을 경우에는 순차적으로 하나의 파라미터만 변화시킬 수도 있다.
파라미터는 초기 성능 지표에 기초하여 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 초기 성능 지표에 기초하여, 먼저, 제1 조리개(115)의 개구 형태 및 위치를 최적화하여, 정밀도, 전체 측정 불확실성, 툴 유도 시프트, 이동, 획득 및 측정 시간 등의 오버레이 측정 장치의 성능 지표들을 전체적으로 향상시키고, 그리고 제2 조리개(117)와 제3 조리개(121)의 개구 형태 및 위치를 조절하여 툴 유도 시프트를 정밀하게 조절할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 먼저, 제1 조리개(115)의 개구 형태별로 성능 지표들을 얻는다. 그리고 성능 지표들에 가중치를 각각 부여하고, 이들의 가중치가 각각 부여된 성능 지표들의 합이 최소가 되는 제1 조리개(115)의 개구 형태를 최적의 개구 형태로 찾을 수 있다. 그리고 제1 조리개(115)의 최적 위치도 같은 방법으로 찾을 수 있다. 제1 조리개(115)의 개구 형태와 위치를 동시에 변경하면서 최적의 개구 형태와 위치를 찾을 수도 있다.
다음으로, 툴 유도 시프트가 최소화되거나 사양을 만족할 때까지, 제2 조리개(117)의 위치와 개구 형태를 각각 또는 동시에 반복적으로 변경할 수 있다.
다음으로, 툴 유도 시프트가 최소화되거나 사양을 만족할 때까지, 제3 조리개(121)의 위치와 개구 형태를 각각 또는 동시에 반복적으로 변경할 수 있다.
이러한 반복 프로세스는 자동으로 수행될 수 있다.
또한, 본 단계는 성능 지표에 기초하여 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한(연관된) 최적 파라미터 조합을 출력하도록 구성된 기계 학습 모델을 이용하여 진행할 수도 있다. 즉, 다수의 초기 성능 지표들과 이들 초기 성능 지표에 대응하는 최적 파라미터 조합을 훈련 데이터로 사용하여, 기계 학습 모델을 학습시키고, 학습이 완료된 기계 학습 모델에 초기 성능 지표를 입력하여, 최적 파라미터 조합을 획득할 수 있다. 훈련에 사용되는 실제 최적 파라미터 조합은 상술한 반복 프로세스 방법으로 획득될 수 있다. 기계 학습 모델을 사용하면, 반복적으로 측정을 할 필요가 없다는 장점이 있다. 기계 학습 모델을 이용하여 획득된 최적 파라미터 조합을 이용하여 측정을 하고, 이때 계산된 성능 지표들이 사양을 만족하는지 확인하면 되므로 측정 횟수가 줄어든다.
다음, 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계(S3)에 대해서 설명한다.
본 단계에서는 제어기(200)가 S2 단계에서 획득된 최적 파라미터 조합에 따른 제어신호를 생성하여, 이미징 시스템(100)에 전달한다. 그리면 각각의 조리개의 위치 및 개구 형태가 최적 파라미터 조합에 따라서 조절된다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환할 수 있을 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 오버레이 측정 장치
100: 이미징 시스템
110: 조명 광학계
115: 제1 조리개
117: 제2 조리개
120: 결상 광학계
121: 제3 조리개
130: 이미지 검출기
200: 제어기

Claims (20)

  1. 오버레이 측정 장치의 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들의 위치 및 개구 형태 중 적어도 하나를 조절하여, 오버레이 측정 장치를 최적화하는 방법으로서,
    a) 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 초기 파라미터 조합을 이용하여 초기 성능 지표를 측정하는 단계와,
    b) 상기 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계와,
    c) 상기 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계를 포함하며,
    상기 조리개들은 적어도 하나의 구경 조리개(Aperture Stop)를 포함하며,
    상기 오버레이 측정 장치는 무한 보정 광학계(Infinite Corrected Optical System)이며, 적어도 하나의 상기 구경 조리개는 광선이 평행하게 진행하는 무한 보정 구간에 설치되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계에서,
    상기 최적 파라미터 조합은 최적 파라미터 조합을 출력하도록 구성된 기계 학습 모델에 상기 초기 성능 지표를 입력함으로써 획득되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 상기 최적의 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계는,
    각각의 파라미터 조합에 대한 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초하여, 복수의 파라미터 조합 각각에 대한 성능 지표들을 획득하는 단계와,
    각각의 파라미터 조합의 상기 성능 지표들에 가중치들을 각각 부여하는 단계와,
    상기 복수의 파라미터 조합들 중에서 상기 가중치들이 부여된 상기 성능 지표들의 합을 최소화하는 하나의 파라미터 조합을 최적 파라미터 조합으로 선택하는 단계를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성능 지표는 정밀도, 전체 측정 불확실성(TMU, Total Measurement Uncertainty), 툴 유도 시프트(TIS, Tool Induced Shift), 이동, 획득 및 측정(MAM Move, Acquire and Measure) 시간 및 이들 각각의 통계 값 중 적어도 하나를 포함하는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오버레이 측정 장치는 광을 생성하는 조명원, 광을 수신하여 반도체 웨이퍼를 향하여 광을 지향시키고 상기 반도체 웨이퍼로부터 반사된 광을 수집하는 대물렌즈, 및 수집된 광으로부터 상기 반도체 웨이퍼 상에 형성된 오버레이 마크를 검출하고, 오버레이 마크 이미지를 생성하는 이미지 검출기를 포함하며,
    적어도 하나의 상기 구경 조리개는 상기 오버레이 측정 장치의 상기 이미지 검출기와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조리개의 개구 형태는 원형, 사각형, 링 형태, 십자가 형태 중에서 선택되는 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 조리개들 중 적어도 하나는 가변 조리개인 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 가변 조리개는 개구의 지름이 변경되는 아이리스(Iris)형 가변 조리개인 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 가변 조리개는 형태가 다른 복수의 개구가 형성된 플레이트를 구비하며, 상기 플레이트를 회전 또는 직선 이동시켜 광 경로 상에 배치되는 상기 개구를 변경시키도록 구성된 오버레이 측정 장치의 최적화 방법.
  12. 오버레이 마크 이미지 획득을 위한 광 경로 상에 배치되는 복수의 조리개들을 포함하는 이미징 시스템과, 상기 이미징 시스템에 통신 가능하게 결합된 제어기를 포함하는 오버레이 측정 장치로서,
    상기 제어기는 명령어들을 포함하는 적어도 하나의 메모리와, 상기 적어도 하나의 메모리에 포함된 상기 명령어들을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 명령어들을 실행하여,
    a) 측정 대상인 오버레이 마크가 형성된 반도체 웨이퍼 상의 적어도 하나의 위치에 대해, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 초기 파라미터 조합을 이용하여 상기 오버레이 측정 장치의 초기 성능 지표를 측정하는 단계와,
    b) 상기 초기 성능 지표에 기초하여, 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태에 기초한 최적 파라미터 조합을 자동으로 획득하는 단계와,
    c) 상기 최적 파라미터 조합에 따라서 복수의 상기 조리개들의 위치 및 개구 형태를 변경하는 단계를 수행하며,
    상기 조리개들은 적어도 하나의 구경 조리개(Aperture Stop)를 포함하며,
    상기 오버레이 측정 장치는 무한 보정 광학계(Infinite Corrected Optical System)이며, 적어도 하나의 상기 구경 조리개는 광선이 평행하게 진행하는 무한 보정 구간에 설치되는 오버레이 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 성능 지표는 정밀도, 전체 측정 불확실성(TMU, Total Measurement Uncertainty), 툴 유도 시프트(TIS, Tool Induced Shift), 이동, 획득 및 측정(MAM Move, Acquire and Measure) 시간 및 이들 각각의 통계 값 중 적어도 하나를 포함하는 오버레이 측정 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 오버레이 측정 장치는,
    광을 생성하는 조명원;
    광을 수신하여 반도체 웨이퍼를 향하여 광을 지향시키고 상기 반도체 웨이퍼로부터 반사된 광을 수집하는 대물렌즈; 및
    수집된 광으로부터 상기 반도체 웨이퍼 상에 형성된 오버레이 마크를 검출하고, 오버레이 마크 이미지를 생성하는 이미지 검출기를 포함하며,
    적어도 하나의 상기 구경 조리개는 상기 오버레이 측정 장치의 상기 이미지 검출기와 상기 대물렌즈 사이에 배치되는 오버레이 측정 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 조리개의 개구 형태는 원형, 사각형, 링 형태, 십자가 형태 중에서 선택되는 오버레이 측정 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    복수의 상기 조리개들 중 적어도 하나는 가변 조리개인 오버레이 측정 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 가변 조리개는 개구의 지름이 변경되는 아이리스(Iris)형 가변 조리개인 오버레이 측정 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 가변 조리개는 형태가 다른 복수의 개구가 형성된 플레이트를 구비하며, 상기 플레이트를 회전 또는 직선 이동시켜 광 경로 상에 배치되는 상기 개구를 변경시키도록 구성된 오버레이 측정 장치.
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