KR20200093625A - 원자력 현미경 시스템, 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법 및 그러한 원자력 현미경 시스템의 용도 - Google Patents

원자력 현미경 시스템, 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법 및 그러한 원자력 현미경 시스템의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력 현미경 장치 및 기판을 운반하는 캐리어 표면을 갖는 기판 캐리어를 포함하는 원자력 현미경 시스템에 관한 것이다. 상기 기판은 기판 주 표면과 상기 기판 주 표면 반대쪽의 기판 주사 표면을 갖는다. 상기 원자력 현미경 장치는 프로브를 포함하는 스캔 헤드를 포함한다. 상기 프로브는 캔틸레버 및 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함한다. 상기 원자력 장치는 추가로 프로브 팁에 의한 기판 주사 표면의 스캐닝을 위한 캐리어 표면에 평행한 하나 이상의 방향으로 프로브 팁 및 기판 캐리어를 서로에 대해서 이동시키기 위해 스캔 헤드 또는 기판 캐리어 중 적어도 하나와 협동하는 액추에이터를 포함한다. 신호 인가 액추에이터가, 상기 스캐닝 동안에, 음향 입력 신호를 기판에 인가하고, 상기 음향 입력 신호가 제1 변위 방향에서만 제1 변위장을 생성시킨다. 팁 위치 분석기가 출력 신호를 얻기 위한 상기 스캐닝 동안에 스캔 헤드 대비 프로브 팁의 운동을 모니터링한다. 팁 위치 분석기는 변위 방향과 직각의 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된다.

Description

원자력 현미경 시스템, 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법 및 그러한 원자력 현미경 시스템의 용도
본 발명은 원자력 현미경 장치(atomic force microscopy device), 캐리어 표면(carrier surface)을 갖는 기판 캐리어, 및 반도체 소자를 포함한 기판을 포함하는 원자력 현미경 시스템(atomic force microscopy system)으로서, 상기 기판은 기판 주 표면(substrate main surface), 상기 기판 주 표면의 반대쪽의 기판 주사 표면(substrate scanning surface) 및 상기 기판 주 표면에 대해 횡으로 배향된 적어도 하나의 기판 측면을 가지며, 상기 캐리어 표면은 상기 기판의 기판 주 표면을 지지하도록 배열되고, 상기 원자력 현미경 장치가 스캔 헤드(scan head)를 포함하며, 상기 스캔 헤드가 프로브(probe)를 포함하고, 상기 프로브가 캔틸레버(cantilever) 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하는, 원자력 현미경 시스템에 관한 것이다.
원자력 현미경 시스템은 일반적으로 공지되어 있다. 그러한 공지된 원자력 현미경 시스템에서, 압축파 변환기는 기판 주 표면에 결합되어 있고 면외 방향(out-of-plane direction), 즉, 기판 주 표면에 대해 횡으로, 그리고 그에 따라 기판 주사 표면에 대해 횡으로 변위장을 갖는 음향 입력 신호를 생성시킨다. 공지된 원자력 현미경 시스템의 팁 위치 검출기는 표면하 피처(subsurface feature)에 대해서 모니터링하기 위해서 기판 주사 표면에서의 면외 운동(out-of-plane motion)에서 생성되는 변화를 모니터링(monitoring)한다.
반도체 산업에서의 발전은 전형적으로는 고밀도 집적회로에서의 트랜지스터의 수가 2년마다 두배가 된다고 예측하는 무어의 법칙(Moore's law)에 의해서 지배된다. 알 수 있는 바와 같이, 이는 물리적인 법칙에 의해서 구성되는 기술적 한계에 직면할 때마다 상당한 기술적 과제를 제기하고, 더욱더 작은 집적 회로에 대한 산업적 요구를 충족시키기 위해서 극복될 필요가 있다.
20 세기에 이미 직면한 한 가지 전형적인 과제는 다층 반도체 소자의 기능적 층들 사이의 층간 오정렬(misalignment)을 고려해야 할 필요였다. 반도체 소자의 다층 구조에서, 기능적 소자 층들은 전형적으로 다른 기능적 소자 층들의 상부에 증착된다. 기능적 제품 피처(functional product feature)들, 즉, 각각의 층에 형성된 패턴의 피처들은 최종 제품: 반도체 소자의 정확한 작동을 가능하게 하기 위해서 인접하는 기능적 층들 내의 것들과 정확하게 정렬되는 것이 필요하다. 이는 제작 동안의 오버레이 오차(overlay error), 즉, 후속 층들 사이의 오정렬의 양을 모니터링함으로써, 그리고 후속 층들에서의 마커 요소(marker element)들 사이의 상대적인 위치들을 측정함으로써 달성된다. 이러한 개선, 및 오버레이 오차의 측정에서의 이 이후에 달성된 진보는 무어의 법칙에 따라 과거 수십년에 걸쳐서 반도체 요소를 점점 더 작게 하는 것을 지속되게 하였다.
오버레이 오차를 측정하는 공지된 시스템 및 방법의 단점은 '볼 수 있는' 마커 피처가 기능적 제품 피처, 즉, 무어의 법칙에 따라서 현재 요구되는 패턴 피처보다 치수가 훨씬 더 크다는 것이다. 따라서, 비록, 다층 반도체 소자의 후속 층들에서의 마커 요소들의 정확한 정렬이 공지된 시스템 및 방법에 의해서 오버레이 오차를 모니터링함으로써 확립될 수 있지만, 후속 층들 내의 더 작은 패턴 피처가 또한 정확하게 정렬되는 것이 여전히 보장될 수 없다. 이들 작은 패턴 피처는 흔히 레이저 빔의 흡수에 의해서 유발된 음향 파의 열적으로 유도된 팽창(expansion) 및 여기(excitation)에 의해서 간과된다.
이러한 이유로, 바람직하지 않거나 파괴적인 오버레이 오차는 제작 동안에 배제되기에 점점 더 어렵다.
본 발명의 목적은, 예를 들어, 다층 반도체 소자의 제작 동안에 적용될 수 있고, 상기 기재된 단점을 극복하여, 제작에 요구되는 심지어 가장 작은 패턴 피처에 대한 오버레이 오차의 정확한 측정을 가능하게 하는, 원자력 현미경 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은 일반적으로 AFM-측정의 정확성을 높이는 것이다.
이러한 목적으로, 첫 번째 양태에 따라서, 본 발명에 의해서 청구항 1에 따른 원자력 현미경 시스템이 제공된다. 본 발명은 단지 한 방향(기판 주 표면 대비 수직 방향 또는 측방향)에서 변위장(displacement field)을 생성시키는 통찰(insight)을 기반으로 하고, 제1 변위 방향에 직각인 방향에서만 프로브 팁(probe tip)의 운동을 모니터링함으로써, 기판에서의 표면하 피처(subsurface feature)의 개선된 분석을 생성시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 시스템은 시각화하고자 하는 구조 및 중간층과 관련하여 광범위한 범위의 재료에 대해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 원자력 현미경 시스템은 금속층을 투과하여, 예를 들어, EUV 타입 레지스트 또는 전극층 아래의 구조의 시각화를 가능하게 하는데 사용될 수 있다. 추가의 효과로서, 나노미터 이하 스케일에 대한 정렬 및 오버레이 오차의 검출 가능성으로 인해서, 본 발명의 적용은 정렬 피처(alignment feature) 및 다른 소자 피처(device feature)의 크기를 추가로 감소시킬 수 있다. 이는 본 발명의 시스템이 제작 공정을 모니터링하고 그에 의해서, 필요한 경우, 그것을 관리하기 위한 수단을 제공한다는 사실에 기인한다. 결과적으로, 이는 반도체 소자의 성능에 더하여 진다. 종래 기술에 따르면, 프로브 팁의 운동의 모니터링은 항상 변위 방향과 평행한 방향에서 수행된다는 것을 주지해야 한다. 추가로, 종래 기술에서는, 캔틸레버의 진동이 생성된 변위장에 이미 존재하는 방향에서 항상 검출되는 반면에, 본 발명에 따르면, 캔틸레버의 진동이 생성된 변위장에 존재하지 않는 방향에서 검출된다는 것을 주지해야 한다.
본 발명에 따른 원자력 현미경 시스템의 구체예에서, 제1 신호 인가 액추에이터(first signal applicaion actuator)는 면외 방향에서 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기는 면내 방향(in-plane direction)에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된다. 제1 변위 방향은 비틀림 모드 AFM이 제공하는 면외 방향에 평행하기 때문에, 면내 방향에서의 프로브 팁의 운동을 모니터링하여 면내 결함(즉, 표면에 평행), 예컨대, 균열, 격자 구조 결함 또는 오정렬(misalignment)을 검출함으로써 향상된 감도가 얻어질 수 있는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 원자력 현미경 시스템의 또 다른 구체예에서, 제1 신호 인가 액추에이터는 기판 주 표면에 평행한 면내 방향에서 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 기판 주 표면에 횡으로 면외 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된다. 본 발명에 따른 원자력 현미경 시스템의 추가의 구체예에서, 제1 신호 인가 액추에이터는 제1 면내 주 방향에서 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기는 제1 면내 주 방향에 횡으로 제2 면내 주 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된다. 면내 방향은, 예를 들어, x-축에 평행한 그리고 y-축에 평행한, 두 직각의 면내 분극의 조합일 수 있고, 이때 면외 방향은 z-축임을 주지해야 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, (예를 들어, x-방향에 평행한) 하나의 면내 주 방향에서만 면내 분극(또는 변위 방향)을 생성시키고, (예를 들어, y-방향에 평행한) 직각 면내 주 방향에서만 변위를 모니터링하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 원자력 현미경 시스템의 유리한 구체예에서, 신호 분석기는 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑(mapping)하도록 또는 반도체 소자 내의 리소그래피 파라미터(lithographic parameter)를 모니터링하도록 구성된다. 특히, 신호 분석기는 다층 반도체 소자의 층들 중 적어도 하나에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하도록, 그리고 제1 반도체 소자층과 제2 반도체 소자층 사이의 오버레이 또는 정렬 오차를 측정하도록 구성될 수 있다. 신호 분석기는 또한, 예를 들어, 제품 계측(product metrology) 또는 어떠한 다른 관심 표면하 피처를 모니터링하도록 구성될 수 있다는 것을 주지해야 한다.
본 발명은 또한 청구항 6에 따라 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서의 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법 및 청구항 11에 따라 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서의 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법에서의 본 발명의 원자력 현미경 시스템의 용도에 관한 것이다.
본 발명은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일부 특정의 구체예에 대한 설명에 의해서 추가로 설명될 것이다. 상세한 설명은 본 발명의 가능한 구현예를 제공하지만, 그 범위에 속하는 유일한 구체예를 기재하는 것으로 여겨지지 않아야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에서 정의되고, 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않으면서 예시하는 것으로 여겨져야 한다.
도면에서,
도 1은 제작 동안의 반도체 소자의 상태 스케치(situation sketch)를 개략적으로 도시한다.
도 2는 측면 변환기를 구비한 본 발명에 따른 시스템의 제1 구체예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 수직 변환기를 구비한 본 발명에 따른 시스템의 제2 구체예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명과 함께 사용하기 위한 4개의 쿼드런트 광 센서(four quadrant photo sensor)를 개략적으로 도시한다.
도 1은 제작 동안의 웨이퍼(wafer) 상의 반도체 소자(1-1)의 상태 스케치를 개략적으로 도시한다. 상기 제작 동안에, 본 발명에 따른 시스템이 사용될 수 있다. 도 1에서, 반도체 소자(1-1)는 복수의 추가 반도체 소자(1-2, 1-3, 1-4)에 인접하여 웨이퍼 상에 배열된다. 소자(1-1, 1-2, 1-3 및 1-4)가 배열된(상태 스케치의 초점의 스케일 상에서는 보이지 않음) 웨이퍼는, 예를 들어, 오버레이 오차를 측정하기 위해서 사용될 수 있는, 본 발명에 따른 시스템의 계측 프레임(metrology frame) 상에 놓일 수 있다. 웨이퍼에서의 계측 프레임은 반듯하게 정렬되지 않아서, (반도체 소자를 분리하기 위해서 사용되는) 각각의 반도체 소자(1-1 내지 1-4)를 분리하는 스크라이빙 레인(scribing lane: 2)이 계측 프레임의 계측 좌표 시스템(13)과 완벽하게 정렬되지 않을 수 있다. 도 1에서, 이는 스크라이빙 레인(2)의 정렬 축(15)과 계측 프레임의 좌표 시스템(13)의 정렬 배향(14) 사이의 각도 α에 의해서 도시된다.
원칙적으로는, 어떠한 임의의 크기의 반도체 소자가 이러한 방식으로 생산될 수 있다. 본 발명의 시스템, 장치 및 방법을 사용하여 시각화될 수 있는 피처의 크기는 AFM으로 얻을 수 있는 측면 분해능(lateral resolution)에 의해서 결정되고, 1 나노미터보다 더 작을 수 있다(즉, 나노미터 미만 크기 피처). 따라서, 본 발명은 반도체 요소, 예컨대, 멀티게이트 소자(multigate device), 예를 들어, finFET 및 게이트 올어라운드(gate-all-around) 구조를 제공하는 제작 시스템 및 방법에 적용될 수 있다. 매우 높은 주파수 여기 모드, 즉, 수십 기가헤르쯔의 압축 또는 횡파 신호(compression or shear wave signal)를 사용하여, 신호의 산란 및 낮은 수준의 감쇠가 비교적 두꺼운 다층 반도체 구조, 예컨대, 3D NAND 요소의 오버레이 및 정렬 모니터링을 가능하게 한다. 당연히, 본 발명은 또한 더 크거나 더 거친(coarse) 반도체 구조에 적용될 수 있고, 다층 및 단층 반도체 소자 둘 모두에 적용될 수 있다. 본 발명이 오버레이 및 정렬 모니터링의 적용에 제한되지 않고, 또한 다른 이유로, 예컨대, 반도체 소자에서의 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위해서 또는 제품 계측 또는 어떠한 다른 관심 표면하 피처를 모니터링하기 위해서 적용될 수 있다는 것을 주지해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스크라이빙 레인(2)에서, 생성되는 반도체 소자(1-1 내지 1-4) 중 둘 이상 사이에, 하나 이상의 마커 요소(5, 6)가 존재하고, 이는 다층 반도체 소자(1-1 내지 1-4)의 후속층들 사이의 오버레이 오차를 검출하는 것을 가능하게 한다. 도 1에서, 알 수 있는 바와 같이, 마커 요소(5)는 수평 스크라이빙 레인(2)에 존재하며, 마커 요소(6)는 수직 스크라이빙 레인(2)에 존재한다. 마커 요소의 수 및 배향, 이들이 위치할 수 있는 웨이퍼의 스크라이빙 레인 또는 그밖의 부분은 통상의 기술자의 선택일 것이다.
또한, 반도체 소자(1-1 내지 1-4)의 각각은 패턴 피처 또는 표면하 피처(9, 10)로도 일컬어지는 기능적 제품 피처를 포함하는 둘 이상의 기능성 층을 포함한다. 도 1에서, 개략적으로 두 개의 패턴 피처(9 및 10)가 도시되지만, 실제로는, 제품 피처들의 복합 패턴이 각각의 기능성 제품 층에 존재할 수 있다.
통상적으로는, 오버레이 오차는, 예컨대, 마커 요소들 사이의 오프셋(offset)을 확립하기 위해서, 후속 층들에서의 이들 마커 요소(5 또는 6)의 상대적인 위치를 측정함으로써 측정된다. 이러한 오프셋을 기반으로 하여, 층 증착 시스템의 시스템 광학(system optics) 및 다른 시스템 파라미터가, 예컨대, 오프셋을 최소화하거나 완전히 제거하기 위해서 보정된다. 그러나, 요즈음 및 미래에 제작될 집적 회로에 의해서, 패턴 피처(9, 10) 및 마커 요소의 라인 패턴(line pattern)은 상기 논의된 바와 같이 훨씬 더 작은 크기(심지어, 나노 미만 스케일)이며, 표면하 피처는 훨씬 더 깊게 매립될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 상태 스케치에서, 확대도 H로, 패턴 피처(10)의 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy: SEM) 이미지가 제공된다. 패턴 피처(10)는 한 층에서의 조밀한 라인 간격의 일방향 라인들로 이루어져 있으며, SEM 이미지는 500 x 500 평방 나노미터의 면적을 나타내어, 라인 간격(line pitch)이 22 나노미터임을 도시하고 있다. 전형적으로는, 도 1의 상태에서, 마커 요소(5 및 6)은 80 x 50 평방 마이크로미터의 전체 마커 면적에 걸쳐서 2.5 마이크로미터의 라인 간격을 갖는 일방향 라인들로 이루어져 있다. 따라서, 도 1의 스케치된 상태에서, 패턴 피처는 마커 요소의 피처보다 대략 100배 더 작다. 예를 들어, 편향 광학(deflection optics)을 기반으로 하는, 오버레이 오차를 측정하는 통상의 방법을 이용하면, 측정된 오버레이 오차는 패턴의 패턴 피처(9 및 10)의 크기 스케일에서 정확하지 않을 수 있다. 이는, 예를 들어, 렌즈 오차 및/또는 광학적 감지 기술에서 유발되는 다른 교란 인자에 의해서 유발되어 패턴 피처(9 및 10)의 크기 스케일 뿐만 아니라 사용된 통상의 방법에 따른, 샘플의 파라미터, 예컨대, 흡수 계수에 대해서도 피처들에 상이하게 영향을 준다. 따라서, 오버레이 오차를 측정하는 통상적인 방법을 적용하는 것에 의해서는, 반도체 소자가 결함이 있거나 작동하지 않게 할 수 있는 중요한 실수가 방지되지 않을 수 있다.
본 발명은 통상적인 방식으로 마커 요소들 사이의 오버레이 오차를 측정하는 것 뿐만 아니라, 마커 요소들 및 하나 이상 또는 모든 제품 피처(9, 10)의 각 층 내의 상대적인 위치를 추가적으로 측정하는 것을 가능하게 한다. 이미징 방법(imaging method)의 측면 분해능은 모든 피처를 포함한 각각의 층의 정확한 레이아웃(layout)을 시각화시키기에 충분히 높고, 본 발명은 복수의 층에 대해서 이를 수행하는 것을 가능하게 한다. 제작 동안에, 이는, 예를 들어, 포토레지스트 아래에 있는 층의 시각화, 예컨대, 레지스트를 패턴화하기 전의 마스크 또는 조명 패턴의 포지셔닝(positioning)을 정확하게 입증하거나 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 제1 구체예에 따른 시스템(20)을 개략적으로 도시한다. 시스템(20)에서, 프로브(28)는 스캔 헤드(22)에 결합되어 있다. 스캔 헤드(22)는, 샘플(26)로도 일컬어지는 다층 반도체 소자를 포함한 기판의 기판 주사 표면(25)에 대한 프로브(28)의 스캐닝을 가능하게 한다.
기판(26)은 기판 주 표면(24), 기판 주 표면(24)의 반대쪽(그와 평행한)의 기판 주사 표면(25) 및 기판 주 표면(24)에 횡으로 배향된 적어도 하나의 기판 측면(21, 23)을 갖는다. 기판 주 표면(24)과 기판 주사 표면(25)은 z-방향, 즉, 면외 방향으로 서로 떨어져 있다. 기판(26)은, 가장 일반적으로는 수평으로 정위되는(positioned), 캐리어 표면(70)을 가진 기판 캐리어(71)에 의해서 지지되거나 운반된다. 기판 주사 표면(25) 위에서 스캐닝을 실현시키기 위해서, 시스템(20)은, 프로브 팁(30)에 의한 기판 주사 표면(25)의 스캐닝을 위하여 캐리어 표면(70)에 평행한 하나 이상의 방향으로 프로브 팁(30) 및 기판 캐리어(71) 및 그에 따른 기판 주사 표면(25)을 서로에 대해서 이동시키기 위하여 기판 캐리어(71)와 협동하여, 프로브 팁(30)이 상기 스캐닝 동안 기판 주사 표면(25)과 간헐적으로 또는 연속적으로 접촉되거나 그에 매우 가깝게 근접되게 하는, 액추에이터(73)를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 스캔 헤드(22)와 협동하여 기판 주사 표면(25) 상에서 스캔 헤드(22)를 이동시키는 액추에이터가 사용될 수 있다는 것을 주지해야 한다.
프로브(28)는 캔틸레버(29)와 프로브 팁(30)을 포함한다. 스캐닝 동안에, 프로브 팁(30)은 샘플(26)의 기판 주사 표면(25)에 가까워지거나 그와 접촉된다. 예를 들어, 프로브 팁(30)은 샘플(26)의 표면(25)을 가로질러 접촉 모드(프로브 팁(30)과 샘플(26)의 기판 주사 표면(25) 사이의 연속적인 접촉)로 스캐닝될 수 있다. 레이저 유닛(36)은 캔틸레버(29)에 영향을 주고 광 검출기(38)(예, 광 다이오드)를 향해서 반사되는 레이저 빔(35)을 제공한다. 광 검출기(38)를 사용하면, 캔틸레버(29)에서의 진동이 그러한 진동의 영향 하의 반사된 빔(35)의 작은 편향으로 인해서 감지될 수 있다. 이는 추가 분석을 위한 출력 신호(39)를 제공한다. 일부 구체예에 따라서, 그리고 도 4와 관련하여 추가로 설명된 바와 같이, 광 다이오드(38)는 4개의 쿼드런트 광 다이오드(quadrant photo diode)일 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 비록, 도 1에서, 단일의 스캔 헤드(22)가 도시되어 있지만, 상기 방법은 복수의 스캔 헤드를 포함하는 시스템에서 동일하게 적용될 수 있다. 광 검출기(38)는 출력 신호(39)를 얻기 위한 상기 스캐닝 동안에 스캔 헤드(22)에 대한 프로브 팁(30)의 운동을 모니터링하기 위한 프로브 팁 위치 검출기의 일부를 형성한다.
도 1에 도시된 구체예에서, 본 발명의 시스템은 출력 신호(39)를 얻기 위한 상기 스캐닝 동안에 기판 주 표면(25)과 평행한 면내 방향에서 스캔 헤드(22)에 대한 프로브 팁(30)의 운동을 모니터링할 수 있다. 이러한 구체예에서, 면내 방향은 x-방향, y-방향(x-방향과 z-방향 둘 모두에 직각임) 또는 이들 둘의 조합일 수 있다. 제1 신호 인가 액추에이터(3)는 제1 음향 입력 신호(90)를 샘플(26)에 적용하여 면외 방향과 평행한 변위 방향만을 갖는 변위장을 생성시킨다. 시스템(20)은 제1 신호 인가 액추에이터(3)의 작동을 제어하는 제어기(72)를 포함하여, 제1 신호 인가 액추에이터(3)가 100 킬로헤르쯔 내지 50 메가헤르쯔의 범위, 바람직하게는 100 킬로헤르쯔 내지 10 메가헤르쯔 범위 내의 제1 주파수를 갖거나 50 메가헤르쯔 내지 500 기가헤르쯔 범위 내의 주파수를 갖는 입력 신호 성분을 갖는 음향 입력 신호를 제공하게 한다.
음향 입력 신호(90)는 기간이 제한되어 열 발생을 방지할 수 있다. 대안적으로, 그러한 기간은 더 길거나 심지어 연속적일 수 있는데, 이는 그 세기가 열 발생을 한계 내에서 유지시키도록 제한되는 것을 단서로 한다. 음향 입력 신호(90)는 샘플(26)의 재료를 통해서 전파될 것이고, 직면하게 되는 어떠한 표면하 구조(80) 또는 밀도 변화가 입력 신호(90)의 분획(92)을 다시 기판 주사 표면(25)으로 산란되게 할 것이다. 입력 신호의 분획(92)은 회신 신호(92)로도 일컬어지며, 이러한 회신 신호(92)는 프로브(28)를 사용하여 포착된다. 따라서, 프로브 팁(30)은 이러한 회신 신호(92)의 결과로서 운동을 하게 될 것이다. 본 발명에 따르면, 기판 주사 표면(25)과 접촉되어 있는 프로브 팁(30)은 변위 방향에 직각, 즉, 면외 방향에 직각인 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된다. 따라서, 프로브 팁의 운동은 면내 방향에서만 모니터링되고, 이러한 운동은 회신 신호(92)의 음향 진동에 의해서 유도된다. 출력 신호(39)의 적절한 분석은 어떠한 표면하 구조(80)를 캔틸레버(29) 및 프로브 팁(30)의 진동 응답을 통해서 수신된 회신 신호(92)의 분석에 의해서 시각화되게 한다. 이는 광 다이오드(38)를 통해서 측정되고, 그에 따라서, 출력 신호(39)를 분석함으로써 출력 신호(39)로부터 유도될 수 있다. 이러한 출력 신호(39)는 신호 분석기(43)에 제공된다. 신호 분석기(43)에서, 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈(hardware or software module)이 출력 신호(39)로부터 산란된 분획(92)을 분리하여 표면하 구조(80)의 이미지를 제공할 수 있다.
시스템(20)은 캔틸레버(29)의 비틀림(torsion)과 관련하여 비틀림 신호 성분을 측정하는 것이 가능하도록 구성된다. 이러한 목적으로, 설명된 바와 같이, 광 다이오드(38)는 4개의 쿼드런트 광 다이오드일 수 있다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 광 다이오드(38)는 A, B, C 및 D로 지정된 4개의 쿼드런트를 포함한다. 프로브 팁(30)을 지지하는 캔틸레버(29)의 비틀림 정도는 스캐닝 프로브 상에서 발휘되는 횡력(lateral force)에 의해서 유발되는 표면 마찰의 상대적인 척도이기 때문에, 쿼드런트 (A+C)-(B+D)에 대한 레이저 스팟 세기(laser spot intensity)가 프로브 팁(30)과 기판 주사 표면(25) 사이의 마찰 신호로서 여겨질 수 있다. 분석은 분석 시스템(43)에서 수행된다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템(20')의 제2 구체예를 개략적으로 도시한다. 시스템(20')의 많은 부품들 및 요소들은 시스템(20)의 것들과 유사하거나 심지어 동일할 수 있거나, 동일하거나 유사한 기능을 제공하는 상이한 요소일 수 있다. 도면의 이해를 위해서, 그러한 요소들은 동일하거나 유사한 참조 번호로 지정될 수 있다. 적어도 요소들이 상이한 번호를 갖는 경우에, 그러한 요소들은 시스템에서 상이한 기능을 제공할 수 있다.
시스템(20')은 제1 신호 인가 액추에이터(3) 대신에 제2 신호 인가 액추에이터(4)를 포함할 수 있고, 그러한 제2 신호 인가 액추에이터(4)는 샘플(26)의 아래에 장착된다. 도시된 구체예에서, 제2 신호 인가 액추에이터(4)는 압전 유형 횡파 변환기(piezo type shear wave transducer)이며, 이러한 변환기는 시스템(20')이 제2 변위장을 갖는 횡파 신호(90')을 기판 주 표면(24)과 평행한, 즉, 면내 방향과 평행한 방향으로만 인가하게 할 수 있다. 시스템(20')에서, 횡파 변환기(4)는, 예를 들어, 100 킬로헤르쯔 내지 50 메가헤르쯔의 범위, 바람직하게는 100 킬로헤르쯔 내지 10 메가헤르쯔 범위 내의 제2 주파수를 갖거나 50 메가헤르쯔 내지 500 기가헤르쯔 범위 내의 주파수를 갖는 횡파 신호를 인가할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 횡파 입력 신호(90')는 압전 유형 변환기(4)를 사용하여 샘플(26)에 인가된다. 변환기(4) 및 시스템(20')은 샘플(26)의 주 표면(24)으로 신호를 전송하도록 배열된다. 예를 들어, 변환기(4)는 샘플 캐리어(71) 상에 배열되고, 음향 진동과 관련하여 전송 가능한 전송 매질을 사용하여 샘플 캐리어(71)에 연결될 수 있다. 적합한 매질은, 예를 들어, 그리스(grease) 또는 페이스트(paste)에 의해서 제공될 수 있다. 또한, 샘플 캐리어(71)에 전송 매질이 구비되어, 음향 진동이 샘플(26)을 따라서 운반되게 한다.
횡파 신호(90')는 샘플(26)의 재료를 통해서 전파될 것이고, 직면하게 되는 어떠한 표면하 구조(80) 또는 밀도 변화가 입력 신호(90')의 분획(92')을 다시 기판 주사 표면(25)으로 산란되게 할 것이다. 입력 신호의 분획(92')은 회신 신호(92')로도 일컬어지며, 이러한 회신 신호(92')는 프로브(28)를 사용하여 포착되고, 면외 방향(즉, 면내 방향에 평행한 변위장의 방향에 수직)에서만의 이의 운동이 검출된다. 출력 신호(39)의 적절한 분석은 어떠한 표면하 구조(80)를 시각화시키는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 광 다이오드(38)를 통해서 측정되고, 그에 따라서 출력 신호(39)를 분석함으로써 출력 신호(39)로부터 유도될 수 있다. 이러한 출력 신호(39)는 신호 분석기(43)에 제공된다. 신호 분석기(43)에서, 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈이 출력 신호(39)로부터 산란된 분획(92')을 분리하여 표면하 구조(80)의 이미지를 제공할 수 있다.
출력 신호(39)는 여러 작업, 예컨대, 전치 증폭기(pre-amplifier: 58)에서의 사전-증폭 및 전치 분석기(pre-analyzer: 60)에서의 사전-분석에 주어질 수 있으며, 록인 증폭기 신호 분석기(lock-in amplifier signal analyzer: 43) 및 저주파 통과 필터(low pass filter: 61) 둘 모두에 제공된다는 것이 주지될 것이다. 저주파 통과 필터(61)는 출력 신호(39)로부터 표면하 측정과 관련된 고주파 성분을 제거하고, 그 신호를 비교 측정기(comparator: 63)에 제공한다. 비교 측정기는 출력 신호를 입력부(62)에서(즉, 제어기(72)로부터) 수신되는 설정점(set-point)과 비교하고, 피드백 제어기(65)에 제공되는 차등 신호(differential signal)를 생성시킨다. 피드백 제어기(65)는 프로브(28)의 z-수준, 즉, 기판 주사 표면(25) 위의 프로브(28)의 높이 거리를 조절하기 위한 제어 신호를 제공한다. 제어 신호를 분석함으로써 피드백 제어기(65)로부터 얻을 수 있는 보정값은 z-수준 센서(53)에 의해서 더욱 정확하게 측정될 수 있다.
본 발명은 이의 일부 특정의 구체예의 관점에서 설명되었다. 도면에 도시된 그리고 본원 명세서에서 기재된 구체예들은 단지 예시 목적으로 의도되며 어떠한 방식 또는 의미로도 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 작동 및 구성은 상기 상세한 설명 및 본원에 첨부된 도면으로부터 명백할 것으로 여겨진다. 통상의 기술자에게는, 본 발명이 본원에서의 어떠한 구체예에 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 고려될 수 있는 변화들이 가능함이 명백할 것이다. 또한 운동학적 역전이 본질적으로 개시된 것으로 그리고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 여겨진다.
청구범위에서, 어떠한 참조 표시는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 명세서 또는 첨부된 청구범위에서 사용되는 용어 "포함하는" 및 "함유하는"은 배타적이거나 모든 것을 망라한 의미로 해석되지 않아야 하며 오히려 포괄적인 의미로 해석되어야 한다. 따라서, 본원에서 사용된 표현 "포함하는"은 어떠한 청구항에서 열거된 것들 외에 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 더욱이, 단수의 표현은 "단지 하나"로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 대신에, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 사용되고 복수를 배제하지 않는다. 특별히 또는 명확하게 기재되거나 청구되지 않은 특징이 그 범위 내에서 본 발명의 구조에 추가로 포함될 수 있다. "... 하기 위한 수단"과 같은 표현은 "... 하기 위해서 구성된 구성요소" 또는 "...하도록 구성된 구성원"으로서 해석되어야 하며, 개시된 구조에 대한 균등물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "바람직한" 등과 같은 표현의 사용은 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 통상의 기술자의 식견 내에서의 첨가, 삭제, 및 변형이 일반적으로 청구범위에 의해서 결정되는 바와 같은 본 발명을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 본 발명은 본원에서 구체적으로 설명된 바와 달리 실시될 수 있으며, 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (14)

  1. 원자력 현미경 장치(atomic force microscopy device), 캐리어 표면(carrier surface)을 갖는 기판 캐리어, 및 반도체 소자를 포함한 기판을 포함하는 원자력 현미경 시스템(atomic force microscopy system)으로서, 상기 기판은 기판 주 표면(substrate main surface), 상기 기판 주 표면의 반대쪽의 기판 주사 표면(substrate scanning surface) 및 상기 기판 주 표면에 대해 횡으로 배향된 적어도 하나의 기판의 측면을 가지며, 상기 캐리어 표면은 상기 기판의 기판 주 표면을 지지하도록 배열되고, 상기 원자력 현미경 장치는 스캔 헤드(scan head)를 포함하며, 상기 스캔 헤드는 프로브(probe)를 포함하고, 상기 프로브는 캔틸레버(cantilever) 및 상기 캔틸레버 상에 배열된 프로브 팁을 포함하고, 여기서, 상기 원자력 장치는 추가로,
    상기 프로브 팁(probe tip)에 의한 기판 주사 표면의 스캐닝을 위하여 캐리어 표면에 평행한 하나 이상의 방향으로 프로브 팁 및 기판 캐리어를 서로에 대해서 이동시키기 위하여 스캔 헤드 또는 기판 캐리어 중 적어도 하나와 협동하여, 프로브 팁이 상기 스캐닝 동안 기판 주사 표면과 간헐적으로 또는 연속적으로 접촉되게 하는, 액추에이터(actuator);
    상기 스캐닝 동안에, 제1 변위 방향(first displacement direction)으로만 제1 변위장(first displacement field)을 생성시키는 제1 음향 입력 신호(first acoustic input signal)를 상기 기판에 인가하기 위한 제1 신호 인가 액추에이터(first signal application actuator);
    출력 신호를 얻기 위해서 상기 스캐닝 동안에 스캔 헤드에 대한 프로브 팁의 운동을 모니터링하기 위한 팁 위치 검출기; 및
    제1 변위 방향에 직각인 적어도 한 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열된 팁 위치 검출기로부터의 출력 신호를 수신하고 분석하도록 구성된 신호 분석기를 포함하는, 원자력 현미경 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 기판 주 표면에 평행한 면내 방향에서 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 기판 주 표면에 횡으로 면외 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 원자력 현미경 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 제1 면내 주 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 제1 면내 주 방향에 횡으로 제2 면내 주 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 원자력 현미경 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 면외 방향에서 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 면내 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 원자력 현미경 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 분석기가 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑(mapping)하도록 구성되거나 반도체 소자에서의 리소그래피 파라미터(lithographic parameter)를 모니터링하도록 구성되는, 원자력 현미경 시스템.
  6. 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서의 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법으로서, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 원자력 현미경 시스템이 사용되고, 상기 방법이 제1 신호 인가 액추에이터에 의해서 단지 제1 변위 방향으로만 제1 변위장을 생성시키고, 팁 위치 검출기에 의해서 제1 변위 방향에 직각인 적어도 하나의 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 방법이 기판 주 표면에 평행한 면내 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키는 단계, 및 기판 주 표면에 횡으로 면외 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 방법이 제1 면내 주 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키는 단계, 및 제1 면내 주 방향에 횡으로 제2 면내 주 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 방법이 면외 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키는 단계, 및 면내 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법이 생성된 변위장에 존재하지 않는 방향에서 캔틸레버(cantilever)의 진동을 검출하는 단계를 포함하는, 방법
  11. 반도체 소자에 있는 하나 이상의 표면하 구조를 매핑하거나 반도체 소자에서 리소그래피 파라미터를 모니터링하기 위한 방법에서, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 원자력 현미경 시스템의 용도로서, 팁 위치 검출기가 제1 변위 방향에 직각인 적어도 하나의 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 용도.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 기판 주 표면에 평행한 면내 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 기판 주 표면에 횡으로 면외 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 용도.
  13. 청구항 11에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 제1 면내 주 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 제1 면내 주 방향에 횡으로 제2 면내 주 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 용도.
  14. 청구항 11에 있어서,
    제1 신호 인가 액추에이터가 면외 방향으로 제1 변위 방향을 갖는 제1 변위장을 생성시키도록 배열되고, 팁 위치 검출기가 면내 방향에서만 프로브 팁의 운동을 모니터링하도록 배열되는, 용도.
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