Image denoising study on actinic pattern mask inspection with EUV ptychography microscope

Abstract

As the demand for semiconductor scaling increases in the semiconductor exposure process, the industry introduces extreme ultraviolet lithography (EUVL) using a short wavelength of 13.5 nm to overcome the resolution limit of the existing deep ultraviolet (DUV) process. In order to apply an EUV mask containing pattern information necessary for the EUV exposure process in an EUV scanner, it is essential to inspect the mask defects or pattern deformation, and demand for this is increasing. However, due to the nature of the EUV mask, conventional inspection methods using DUV or scanning electron microscope (SEM) are unable to detect phase defects or accurately predict patterning effects in EUV mask. Thus, actinic inspection technology becomes crucial for the precise inspection of EUV mask. We developed an EUV ptychography microscope, an EUV pattern mask inspection device that emulates the environment of an EUV scanner to inspect the mask in advance. It generates EUV light through a high-order harmonic generation and employs a reflective optical system within a vacuum setting to direct light onto the mask. Subsequently, the detector captures the diffraction information from the mask’s diffracted light, and a phase retrieval algorithm is utilized to reconstruct the pattern image of the mask. Our study focused on enhancing the performance of mask image reconstruction to improve inspection accuracy of EUV ptychography microscope. To achieve this, controlling the noise generated during image reconstruction is crucial. In order to minimize potential noise during image convolution, we focused on enhancing positioning accuracy. Accordingly, a nanometer step size mask stage was introduced, with a position correction ptychography iterative engine (pcPIE) to enhance positioning accuracy. In addition, an aperture was introduced into the optical path to enhance the coherence, which is an essential element of ptychography, and its impact on imaging reconstruction performance was experimentally verified. As a result of the measurement with the EUV ptychography microscope, the diffraction pattern with improved coherence by the aperture compared to the diffraction pattern obtained from the non-aperture was confirmed. In the image reconstruction, we applied this coherence enhanced probe for mask pattern illumination. By employing a phase retrieval algorithm to reconstruct an image from a denoised diffraction pattern using the aforementioned method, the aberrations induced by optical system can be mitigated. However, the image reconstruction accuracy varies depending on the performance of the algorithm and the measurement environment. Therefore, in order to mitigate the image noise of the EUV ptychography microscope, we introduced a momentum-accelerated ptychography iterative engine (mPIE) with higher accuracy than the previously used extended ptychography iterative engine (ePIE) or regularized ptychography iterative engine (rPIE). In the process of optimizing the algorithm through comparison of each imaging performance, it was confirmed that combining the modulus enforce probe (MEP) based on the mPIE algorithm improved the imaging accuracy by realizing an image with the most reduced noise in the image reconstruction process. This study confirms the improvement in imaging reconstruction performance achieved by effectively controlling and mitigating noise during the imaging process of the EUV ptychography microscope. This proved the effectiveness of the EUV ptychography microscope as an EUV pattern mask inspection device. |반도체 노광 공정에서 패턴 미세화에 대한 요구가 증가함에 따라 산업계에서는 기존 심자외선 (DUV) 공정의 해상력 한계를 뛰어넘기 위해 13.5 nm의 짧은 파장을 활용한 극자외선 노광공정 (Extreme Ultraviolet lithography, EUVL)을 도입하였다. EUV 노광공정에 필요한 패턴 정보를 담고있는 EUV 마스크가 EUV 스캐너에 사용되기 위해서는 마스크의 결함 여부나 패턴 불량등에 대한 사전 검사가 필수적이며 이에 대한 수요가 증대되고 있다. 그러나 EUV 마스크 특성상 기존 DUV나 scanning electron microscope (SEM) 등으로 인한 검사는 위상 결함 검출이나 이에 따른 패터닝 영향성을 예측할 수 없어 이를 검사하기 위한 액티닉 기술이 필수적이다. 이에 우리는 마스크를 사전에 검사할 수 있는 EUV 패턴 마스크 검사 장치인 EUV 타이코그라피 검사장치를 구축하였다. 이는 EUV 스캐너의 환경을 모사하여 마스크를 검사하는 장비로써, 고차조화파 방식으로 EUV 광을 생성하고 진공 환경의 반사형 광학계를 이용하여 마스크에 광을 입사하게 된다. 이후 마스크로부터 광이 회절되어 나온 회절정보를 검출기에서 획득하여 이를 위상복원 알고리즘을 통해 마스크의 패턴 이미지를 복원하게 된다. 우리는 본 장치를 이용한 검사의 정확도를 향상시키기 위하여 마스크 이미지 복원 성능을 향상시키기는 연구를 진행하였다. 이를 위하여서는 이미지 복원시 발생하는 노이즈에 대한 제어가 필요하다. 이미지 컨볼루션시 발생가능한 노이즈를 줄이기 위하여 첫째로 포지셔닝 정확도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 이에 나노미터 정확도의 마스크 스테이지를 도입하였으며 알고리즘으로 위치 정확도를 높일 수 있는 position correction ptychography iterative engine (pcPIE)를 도입하였다. 다음으로, 타이코그라피의 필수 요소인 결맞음성을 향상시키기 위해 광경로에 조리개를 도입하였다. 이를 EUV 타이코그라피 검사장치로 측정한 결과, 기존 마스크에서 얻은 회절패턴에 비해 조리개에 의하여 결맞음성이 향상된 회절패턴을 실험적으로 확인할 수 있었고 이러한 결맞음성이 향상된 광을 측정에 적용하여 마스크 패턴을 조사하였다. 위의 방법으로 노이즈가 제거된 회절패턴으로부터 이미지 복원을 위해 위상 복원 알고리즘을 사용하면 광학 시스템으로 인한 수차를 줄일 수 있으나 알고리즘이 가진 성능 및 측정 환경에 따라서 이미지 복원 정확성이 달라지게 된다. 이에 마지막으로. EUV 타이코그라피 검사장치의 이미지 노이즈를 완화하기 위해 기존에 사용하던 extended ptychography iterative engine (ePIE) 또는 regularized ptychography iterative engine (rPIE) 알고리즘보다 정확도를 높인 momentum-accelerated ptychography iterative engine (mPIE) 알고리즘을 도입하였다. 각각의 이미징 성능 비교를 통한 알고리즘 최적화 과정에서 mPIE 알고리즘을 기반으로 modulus enforced probe (MEP)를 결합한 알고리즘이 이미지 재구성 과정에서 노이즈가 가장 많이 감소된 이미지를 구현하여 이미징 정확도를 향상시킴을 확인하였다. 본 연구를 통해서 EUV 타이코그라피 검사장치의 이미징 시 발생 가능한 노이즈에 대한 제어 및 개선을 통해 이미징 복원 성능이 향상됨을 확인하였으며 EUV 패턴 마스크 검사장비로써 EUV 타이코그라피 검사장치의 효용성을 입증하였다.