디지털 홀로그래피를 이용한 포토리소그래피 공정 제품 패터닝의 폭과 단차 측정
Measurement of Width and Step-Height of Photolithographic Product Patterns by Using Digital Holography
신주엽*, 강성훈*, 마혜준**, 권익환***, 양승필****, 정현철*****, 홍정기***, 김경석*****✝
Ju Yeop Shin*, Sung Hoon Kang*, Hye Joon Ma**, Ik Hwan Kwon***, Seung Pil Yang****, Hyun Chul Jung*****, Chung Ki Hong*** and Kyeong Suk Kim*****✝
초 록 반도체 산업은 우리나라 주력산업중 하나로 매년 꾸준한 성장세를 보이며 지속적인 성장을 하고 있 다. 이러한 반도체 산업에서의 중요한 기술은 소자의 고 집적화이다. 이는 면적당 메모리 용량을 증가시키는 것으로 핵심역할을 하는 것이 바로 포토리소그래피 기술이다. 포토리소그래피란 마스크의 표면에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 인쇄하는 기술이며 반도체 제조공정에서의 가장 중요한 공정이다. 이러한 공정 을 통해 나온 패터닝을 분석 시에 폭과 단차의 균일성을 측정한다. 이에 따라 본 논문은 포토리소그래피 공 정이 적용된 시험편 패터닝에 폭과 판 사이와의 단차를 투과형 디지털 홀로그래피를 구성하여 측정하고자 한다. 투과형 디지털 홀로그래피 간섭계를 구성하고 시험편에 임의의 9포인트를 설정하여 각 포인트를 측정 하고 상용장비인 SEM (scanning electron microscopy)과 alpha step으로 측정한 결과와 비교하고자 한다. 투과형 디지털 홀로그래피는 측정시간이 타 기법에 비에 짧다는 장점과 배율렌즈를 사용하기 때문에 저 배율에서 고 배율로 변경하여 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 실험 결과로부터 투과형 디지털 홀로그래피가 포토 리소그래피가 적용된 패터닝 측정에 유용한 기술임을 확인할 수 있었다.
주요용어: 디지털 홀로그래피 간섭시스템, 포토리소그래피, 패터닝, 단차, 폭
Abstract The semiconductor industry is one of the key industries of Korea, which has continued growing at a steady annual growth rate. Important technology for the semiconductor industry is high integration of devices. This is to increase the memory capacity for unit area, of which key is photolithography. The photolithography refers to a technique for printing the shadow of light lit on the mask surface on to wafer, which is the most important process in a semiconductor manufacturing process. In this study, the width and step-height of wafers patterned through this process were measured to ensure uniformity. The widths and inter-plate heights of the specimens patterned using photolithography were measured using transmissive digital holography. A transmissive digital holographic interferometer was configured, and nine arbitrary points were set on the specimens as measured points.
The measurement of each point was compared with the measurements performed using a commercial device called scanning electron microscope (SEM) and Alpha Step. Transmission digital holography requires a short measurement time, which is an advantage compared to other techniques. Furthermore, it uses magnification lenses, allowing the flexibility of changing between high and low magnifications. The test results confirmed that transmissive digital holography is a useful technique for measuring patterns printed using photolithography.
Keywords: Digital Holography Interferometer System (DHIS), Photolithography, Patterning, Step-Hight, Width
[Received: October 22, 2015, Revised: January 14, 2016, Accepted: January 14, 2016] *조선대학교 기계시스템공학과 대학원, **조선대학교 물리학과, ***포항공과대학교 물리학과, ****동아인재대학교 안경광학과, *****조선대학교 기계시스템공학과, ✝Corresponding Author: Department of Mechanical System Engineering, Chosun University, Gwangju 501-759, Korea (E-mail: [email protected])
ⓒ 2016, Korean Society for Nondestructive Testing
반도체의 발전은 초창기 진공관을 시작으로 1947 년 미국의 벨연구소의 W. Shockley가 최초로 트 랜지스터를 발명, 1958년 텍사스 인스트루먼츠 (TI)사의 전자공학자 J. S. Kilby에 의해 직접회로 (IC: integrated circuit)의 개발로 이어졌다. 1970여 년 경부터 시작된 활발한 IC의 개발은 1 kb의 기 억용량에서 출발하여 2000년도에 이르러는 100만 배 이상의 직접도를 가지는 1 Gb 수준에 이르게 되었고, 현재는 직접도 확대를 위해 회로선 폭을 나노수준까지 줄이고자 다양한 기술이 개발 및 연구가 진행되고 있다. 현재 반도체의 회로 고집 적을 위해 포토리소그래피 (photolithography) 기술 이 사용되는데 이는 회로를 유리판 위에 금속패 턴을 만들어 놓은 마스크 (mask)라는 판에 빛을 쏘여 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 복사하여 형 상하는 기술로 반도체 제조공정에서 중요한 공정 중 하나이다. 여기서 중요한 것은 회로의 선 폭 과 판과 선과의 높이차 그리고 판과 선 사이의 각도에 따른 균일성이 중요하여 이를 측정하기 위해 광학현미경, AFM (atomic force microscopy), surface profiler, SEM (scanning electron microscopy), alpha step 등 다양한 장비들이 사용되고 있다. 기 존의 방법들의 경우 크게 접촉식과 비접촉식으로 측정이 되고 있으나 접촉식의 경우 needle 혹은 tip을 이용하여 시험편에 직접적으로 접촉하여 측 정하기 때문에 시험편에 손상을 유발시킬 수 있 고 needle과 tip이 매우 민감하여 표면이 적당히 매끈하지 않으면 needle와 tip 자체의 손상이 있게 된다. 비접촉의 경우는 대표적으로 SEM과 surface profiler가 사용되고 있지만 SEM의 경우 측정에 있어 저배율에서 고배율까지 다양한 배율로 측정 이 가능하다는 장점을 가지지만 측정 가능한 시 험편의 크기가 1 cm 이하로써 측정을 위해 시험 편을 작게 만들어야 함으로 시험편에 1차적인 손 상을 유발시키게 된다. Surface profiler의 경우는 공초점 방식을 사용한 현미경으로 정밀한 측정의
는다. 또한 측정하고자 하는 부분을 설정하여 측 정할 수 있으며 한 번의 정밀한 구성을 이루어 놓게 되면 시험편이 변경되더라도 달리 구성이 필요치 않아 측정시간이 짧다는 장점을 가진다. 디지털 홀로그래피 기술은 1948년 Dennis Gabor 에 의해 홀로그래피 기술이 개발되는 것을 시작 으로 1960년 Theodore Harold Maiman이 루비를 이 용한 고체레이저의 발명 이후로 홀로그래피에 대 한 연구는 급속도로 진전되었으며[1], 1950년대 Laurence와 Goodman 등이 수치적 재생 방법을 발 견하였으며 Kronrod가 컴퓨터를 이용하여 이를 실 현해 내기에 이르렀다[2]. 이 후 Schnars와 Juptner 에 의해 필름에 홀로그램 정보를 기록하여 인코 팅 과정을 거쳐 정보를 복원하던 것에서 필름을 대신하여 CCD(charge coupled device)카메라를 사 용함으로써 기존의 화학적 홀로그램 과정을 생략 하여 측정과 결과획득의 시간을 단축시키고, 홀로 그램의 저장과 복원 및 데이터의 후처리의 전 과 정을 컴퓨터로 처리할 수 있어 편리성 등의 이유 로 다양한 분야에 측정법으로 이용되고 있다[3,4].
본 논문은 투과형 디지털 홀로그래피 시스템을 구성하고 포토리소그래피 공정으로 만들어진 원판 에 9개의 임의의 포인트를 설정하고 각 포인트에 해당하는 회로의 선 폭과 선과 판사이의 높이를 측정하고, 측정 결과의 신뢰성 확보를 위해 상용 장비로 쓰이는 SEM(scanning electron microscope) 과 alpha step으로 측정한 결과와 비교하였다. 측정 실험을 통해 디지털 홀로그래피 시스템의 경우 상 용 장비와는 달리 시험편에 손상을 주지 않고 결 과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
2. 이 론
2.1. 포토리소그래피(Photolithography)
포토리소그래피는 반도체 제작공정 중 직접회
Fig. 2 Mach-Zehnder interferometry Fig. 1 Photo patterning
로로 사용되는 실리콘 웨이퍼에 감광제(photo- resist) 패턴을 형성하는 공정을 말하며, 반도체 노광공정 기술을 통칭하는 용어로 쓰이고 있다.
초창기에는 밀착노광(contact printing) 방식과 근 접노광(proximity printing)방식이 쓰였으나 마스크 의 수명 문제와 분해능 감소 등의 문제로 현재는 마스크의 수명향상과 높은 분해능을 통한 높은 생산성을 가지는 투영노광방식(projection printing) 이 주력기술로 사용되고 있다. 이 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 감광제가 균일하게 있고 회로가 설 계되어 있는 마스크에 빛을 조사하여 렌즈를 통 해 감광제와 반응하게 하여 빛을 받은 부분과 그 렇지 않는 부분을 선택적으로 제거하여 균일한 패턴을 얻어내는 것이다. Fig. 1에 개략적인 방법 을 나타내었다.
2.2. 홀로그래피(Holography)
투과형 디지털 홀로그래피에 대표적으로 사용 되는 간섭계는 Fig. 2와 같은 Mach-Zehnder 간섭 계이다. Mach-Zehnder 간섭계의 원리는 주로 사용 하는 레이저인 광원에서 시작된 빛을 첫 번째 B.S(beam splitter 이하 B.S)로 분할시키고 이 분할 된 빛을 각 45°의 경사를 이루고 있는 2개의 mirror를 만나게 하여 경로를 바뀌게 한 후 두 번 째 B.S를 만나 간섭을 일으키게 하고 CCD camera에 입사하게 한다. 간섭무늬는 CCD camera 에 장착된 센서인 셀에서 일어나고 이는 기존의 화학적 작용으로 생성되는 홀로그램 필름을 대체 하는 홀로그램이 된다. 첫 번째 B.S에서 나뉘게 되는 빛 중 하나의 빛에는 PZT (piezoelectric transducer) actuator을 부착하여 빛의 위상을 제어
하게 되고 다른 하나의 빛에는 mirror와 B.S 사이 에 투과성이 있는 대상체를 통과하게 하여 둘 사 이의 차이에 의해 변형에 대한 정보를 획득하게 된다.
디지털 홀로그래피에 대한 이론은 다음과 같 다. 기준파(
)의 진폭은 , 위상은 이 며 식(1)과 같이 표현된다.
exp (1)물체파(
)의 진폭은 , 위상은 이며 식(2)와 같이 표현된다.
exp (2)그리고 CCD에서 형성되는 두 파에 대한 간섭 의 세기는 다음과 같이 표현되며,
(3)홀로그래피 재생을 위해 기준파의 진폭을 식 (3)에 곱하면 식(4)와 같다.
(4)위 식에서
항은 기준에 의해 CCD camera에 균일하게 작용되는 정보이고,
항은 물체의 진폭 정보이다.
은 빛이 통과할 때 0차 회절이므로 홀로그래피 재생 에서 고려되는 사항이 아니다.
는 재생되는 물체파에 의한 허상(virtual image)의 생성을
2.3. 재생(Reconstruction)
본 논문에서는 Fig. 3과 같이 PWEM (plane wave expansion method)라고 하는 프레넬 근사없이 평 면파를 전파시키는 ASM (angular spectrum method) 방법을 이용하여 재생하였다. 이 방법은 광원에 서 시작하는 결맞음 빛인 구면파의 한 점을 전파 방향에 따라 길게 이어놓게 되면 평면파로 해석 이 가능하기 때문에 CM (convolution method)처럼 연속적인 FFT (fast Fourier transform) 및 IFFT (inverse fast Fourier transform)가 사용이 될 수 있 다. 그러므로 ASM은 CM과 같이 z에 대하여 제 한된 상한값을 가지고 재생되는 이미지의 픽셀 사이즈가 유지된다. 따라서 이 방법은 Fresnel 영 역보다 더 가까운 영역에서도 사용되고, 높은 NA(numerical aperture)를 필요로 하는 microscopic sample을 측정하는데 있어서도 매우 유용하며 그 식은 다음과 같다[7,8].
이미지 면의 각 스펙트럼 식(8)과 같고
(8)스크린 면의 각 스펙트럼 식(9)와 같다.
Fig. 3 Angular spectrum method
3. 실 험
3.1. 시험편
Fig. 4는 본 실험에 사용한 시험편을 나타낸다.
시험편은 포토리소그래피 공정으로 패터닝 되어 나온 것으로 벌집모양의 패턴을 형성하고 있다.
(a)는 시험편을 나타내며 (b)는 시험편 측정포인 트를 나타내었다. 측정포인트는 총 9개이며 각각 의 포인트의 패터닝의 폭과 단차를 측정하였다.
(a) specimen
1 2 3
4 5 6
7 8 9
(b) point of measurement Fig. 4 Transmission type of specimen
Fig. 6 FE-ESEM
Table 1 Specification of FE-ESEM Model Quanta 200 FEG (FEI COMPANY) Maximum
load size 50 mm × 50 mm
Magnification x30 ~ x200 ESEM
Resolution
30Kv SE : 1.5 mm acceleration voltage : 0.2 ~ 30Kv Fig. 5 Transmission type digital holography system
3.2. 실험 장치
3.2.1. 투과형 디지털 홀로그래피 시스템
본 연구에서는 측정을 위해 Fig. 5와 같이 Mach-Zehnder 간섭계를 기반으로 하는 투과형 디 지털 홀로그래피 시스템을 구성하였다. 광원은 632.8 nm 파장을 가지는 He-Ne laser를 사용하였 고 빔 세기의 조절을 위한 polarizer, spatial filter (25 μm pinhole, x10 object lens), mirror, object lens (x10), collimating lens, B.S(beam splitter, 30:70), 2048 * 2048 pixel CCD camera, PZT (piezoelectric transducer) actuator를 사용하여 구성하였다.
3.2.2. FE-ESEM(Scanning Electron Microscope)
본 연구의 신뢰성 확보 및 비교 측정을 위해 사용한 첫 번째 상용장비는 Fig. 6에서처럼 주사 전자현미경(scanning electron microscope)으로 FEI company사 Quanta 200 FEG 모델을 사용하였다.
SEM(scanning electron microscope)은 대상체 표면 에 전자선을 주사하여 입체구조를 관찰하는 기능 을 가진 현미경으로 주로 박막표면 및 단면 형상 측정과 성분 분석연구 및 개발 그리고 품질 테스 트에 주로 사용된다. 본 연구에서는 시험편의 패 터닝 선 폭을 측정하기 위해 사용하였으며 사양 은 Table 1에 표기하였다.
3.2.3. Alpha Step
본 연구의 신뢰성 확보 및 비교 측정을 위해 사용한 두 번째 상용장비는 Fig. 7에 나타낸 바 와 같이 alpha step로 KLA Tencor사의 P-16+ 모 델을 사용하였다. 이 장비는 주로 수마이크로 미 터의 needle를 이용하여 박막 또는 도막 등의 표 면의 요철을 needle이 긁고 지나가면서 센서로 읽어 그래프로 나타내 주는 것으로 단차측정이나 두께측정에 사용된다. 본 연구에서는 시험편 패 터닝의 단차를 측정하기 위해 사용하였으며 사양 은 Table 2에 표기하였다.
Fig. 7 Alpha step
Table 2 Specification of alpha step
Model P-16+ (KLA Tencor)
Scan length 80 mm
Maximum load size 200 mm × 200 mm (8 inch) Scan method Bi-Directional moving stylus
3.2.4. 실험 방법
실험과 데이터 획득은 Mathworks사의 Matlab 프로그램을 이용하였으며 Fig. 5에서 보여지는 것과 같이 PZT(piezoelectric transducer) controller 의 전압제어를 통해 PZT(piezoelectric transducer) actuator가 부착된 mirror의 움직임을 8-step으로 제어하는데 CCD camera에서 얻어지는 이미지를 통해 간섭무늬가 2π만큼으로 제어되는지 확인할 수 있으며[9], 위상값을 정량화 하여 수식적 계산 을 용이하게 할 수 있게 한다. 이를 이용하여 phase와 intensity이미지를 획득할 수 있게 된다.
Reference의 경우 굴절률을 고려하여 시험편에 패터닝이 없는 부분 측정하여 정보를 획득하고 object의 경우 간섭무늬의 중앙에 패터닝이 위치 하게 하여 측정하여 정보를 획득한다. 그리고 ASM (angular spectrum method)을 이용하여 재생 을 하게 된다. 구성한 투과형 디지털 홀로그래피 시스템으로 측정한 패터닝 폭의 결과와 FE-ESEM (모델명: Quanta 200 FEG)으로 측정한 패터닝 폭 의 결과와 비교하고 투과형 디지털 홀로그래피 시스템을 측정한 패터닝 단차와 alpha step(모델 명: P-16+)으로 측정한 패터닝 단차와 결과를 비 교 분석하였다.
unwrapped 이미지이며 (e)는 y축으로 1100 pixel 지점에서의 line profile data 그래프이다. CCD camera의 사양은 해상도 2048 * 2048을 가지고 픽셀의 크기는 5.5 um이다. 따라서 Fig. 9의 (d)와 같이 line profiler data를 획득하여 peak와 peak 사 이의 픽셀의 수를 계산하게 되면 9개의 포인트 평균 132 pixel을 가지게 되며 여기에 pixel 크기 를 곱하게 되면 726 μm를 가지지만 측정에서 x10 배율렌즈를 사용하여 이미지를 확대하였기 때문에 렌즈 사용을 고려하게 되면 패터닝 폭이 72.6 μm임을 알 수 있다. Fig. 10에는 비교 측정 실험인 FE-ESEM으로 측정한 9개의 포인트 중 대표적으로 점 1의 패터닝 폭을 측정한 결과이며 Fig. 11에는 alpha step으로 9개의 포인트 중 대표 적으로 점 1의 측정한 패터닝 단차를 측정한 결 과이다. Table 3에는 투과형 디지털 홀로그래피 시스템으로 측정한 패터닝의 폭과 단차 결과를 수치적으로 나타내었으며 Table 4에는 FE-ESEM 으로 측정한 패터닝의 폭을 Table 5에는 alpha step로 측정한 패터닝의 단차 결과를 나타내었다.
Table 6에는 비교 결과를 쉽게 알아보기 위해 투 과형 디지털 홀로그래피 시스템으로 측정한 결과 와 상용장비들로 측정한 결과를 나타내었다. 우 선 구성한 시스템과 FE-ESEM으로 측정한 패터 닝의 폭의 결과를 비교하였을 때 구성한 시스템 은 9포인트 평균 72.60 μm가 나왔으며 FE-ESEM 으로 측정한 9포인트의 평균 결과는 75.34 μm가 나와 두 시스템의 측정결과의 차이는 2.74 μm로 상용장비인 FE-ESEM을 기준으로 3.6%의 오차율 을 가짐을 알 수 있었다. 또한 구성한 시스템으 로 측정한 9개 포인트의 단차의 평균은 0.871 μ m가 나왔으며 alpha step으로 측정한 9개 포인트 의 단차 평균은 0.936 μm가 나와 두 시스템의 측정결과의 차이는 0.065 μm로 상용장비인 alpha step을 기준으로 약 6.9%의 오차율을 보임을 알 수 있었다.
(a) phase of reference (b) intensity of reference Fig. 8 Result for reference measured by transmission type digital holography system
(a) phase of object (b) intensity of object
(c) reconstruction of phase (d) reconstruction of intensity
(e) unwrapped of object (e) line profile data of object 1P Fig. 9 Result for object 1P measured by transmission type digital holography system
8P 71.50 mm 0.856 mm
9P 73.15 mm 0.851 mm
Avg. Value 72.60 mm 0.871 mm
Table 4 Result for width measured by FE-ESEM width
1P 75.21 mm
2P 75.37 mm
3P 75.48 mm
4P 75.45 mm
5P 75.22 mm
6P 75.45 mm
7P 75.25 mm
8P 75.25 mm
9P 75.38 mm
Avg. Value 75.34 mm
Table 5 Result for step height measured by alpha step step height
1P 0.944 mm
2P 0.944 mm
3P 0.933 mm
4P 0.936 mm
5P 0.933 mm
6P 0.925 mm
7P 0.950 mm
8P 0.933 mm
9P 0.922 mm
Avg. Value 0.936 mm
Fig. 10 Result for object 1P measured by FE-ESEM
Fig. 11 Result for object 1P measured by alpha step
5. 결 론
본 논문은 투과형 디지털 홀로그래피 시스템을 구성하여 포토리소그래피 공정으로 이루어진 시 험편의 임의의 9개의 점을 설정하고 패터닝 폭과 단차를 위상이동기법을 이용하여 측정하고 복원 하였으며 line profiler data를 이용하여 수치적으 로 표현하였으며 그 결과와 상용장비를 이용한 측정한 결과와 비교하였다. 구성한 투과형 디지 털 홀로그래피 시스템에서 패터닝 폭은 72.60 μm 라는 결론을 얻었으며 패터닝 단차는 0.871 μm 라는 결론을 얻었다. FE-ESEM으로 측정한 패터 닝 폭은 75.34 μm, alpha step으로 측정한 패터닝 단차는 0.936 μm라는 결론을 얻었다. 구성한 시 스템과 결과 비교 시 패터닝 폭은 3.6%의 오차 율을 패터닝 단차는 6.9%의 오차율을 보여 투과 형 디지털 홀로그래피 시스템이 기존의 포토리소 그래피 공정으로 제작된 패터닝의 측정 시 상용 장비를 이용한 측정과 비교하였을 때 비교적 신 뢰할만한 기법임을 알 수 있고 다음과 같은 결론 을 내릴 수 있었다.
1) 투과형 디지털 홀로그래피 시스템은 측정시간 이 타 상용장비들에 비해 매우 빠르다는 장점 과 시험편에 손상을 주지고 않고 측정이 가능 하며, 시험편의 크기의 제약을 덜 받음을 알 수 있었다.
2) 투과형 디지털 홀로그래피 시스템을 이용하여 포토리소그래피 공정으로 제작된 패터닝 폭과 단차 측정결과가 상용장비 측정과 비교하였을 때 낮은 오차율로 비교적 정확함을 알 수 있었 지만 오차율을 더욱 낮추기 위해 지속적인 연 구진행의 필요성이 있음을 알 수 있었다.
3) 투과형 디지털 홀로그래피 시스템은 외부환경 에 민감하다는 단점이 있지만 꾸준한 연구를 통해 외부환경적인 요인을 최소화 혹은 배제 시킬 수 있다면 성능 저하, 안전도 저하를 방 지하는데 기여하는 상용장비들과 비견될만한 검사 기법이 될 것이라 판단된다.
후 기
“이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연
구임(No. NRF-2013R1A2A2A01068308)”
“이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연 구임(No. NRF-2013M2A2A9046502)”
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