소프트 X‑레이 산란·형광 하이브리드로 나노 그레이팅 치수 정확히 재구성

초록

본 연구는 소프트 X‑레이 GISAXS와 GIXRF를 동시에 이용한 하이브리드 측정법을 제안한다. 실리콘 질화물·산화물 1차원 나노 그레이팅을 대상으로, 두 기술의 상보적 감도를 결합해 역문제의 다중해(멀티모달리티)를 제거하고, 피치 100 nm, 선폭 50 nm 수준의 구조를 서브 나노미터 정확도로 재구성한다.

상세 분석

이 논문은 현대 반도체 제조에서 필수적인 서브 나노미터 차원의 구조 측정을 위해, 기존의 소프트 X‑레이 산란(GISAXS)만으로는 역문제의 해가 다중적으로 존재할 수 있다는 한계를 정확히 짚고 있다. 저자들은 저원자 번호(Z) 물질인 실리콘 질화물(Si₃N₄)과 실리콘 산화물(SiO₂)의 K‑엽 전이 에너지(≈ 400–525 eV)보다 높은 680 eV의 입사 광자를 선택함으로써 두 물질 모두를 효율적으로 여기시킨다. 이렇게 얻은 입사각 스캔 데이터는, 임계각 이하에서는 강한 회절(산란) 신호가, 임계각을 초과하면 흡수가 증가해 형광 신호가 지배적으로 나타나는 특성을 보인다.

이론적으로는, 유한요소법(FEM)으로 구한 정재파장장(E(r,y))을 기반으로 회절 효율 Iₘ∝|E(kₓₘ,k_zₘ,y)|²와 형광 강도 Φₗ∝∫|E(r,y)|²·ρ·τ·ω·e^{-μd}를 각각 계산한다. 여기서 Debye‑Waller 인자 ξ는 라인 가장자리와 폭의 거칠기를 반영해 회절 효율을 감쇠시키며, 형광 방정식은 Sherman식의 변형으로 재료별 질량밀도·광전단면·형광수율·감쇠계수를 모두 포함한다.

실험 장비는 BESSY II의 소프트 X‑레이 빔라인에 GISAXS용 CCD와 Si‑드리프트 검출기(SDD)를 결합한 전용 챔버를 사용한다. 각도 스캔 동안 두 검출기의 데이터가 동시에 수집되고, 이를 파라미터(선 높이 h, 선폭 w, 측면각 β, 바닥·상단 반경 r_bottom, r_top, SiO₂ 층 두께 d_groove·d_line 등)와 비교해 최소제곱 회귀를 수행한다. 핵심은 회귀에 두 데이터 집합에 가중치를 부여해 결합 최적화를 수행함으로써, 순수 GISAXS만으로는 구분되지 않던 파라미터 조합을 명확히 구분할 수 있다는 점이다. 저자들은 가중치 범위를 체계적으로 탐색하고, 잔차가 최소가 되는 영역을 찾아 “멀티모달리티 해”를 하나로 수렴시킨다.

결과적으로, 하이브리드 접근법은 저Z 물질의 질량 분포 정보를 형광으로, 구조적 대비 정보를 산란으로 각각 최적 활용한다. 이를 통해 피치와 CD를 서브 나노미터 수준으로 재현했으며, 특히 측면각 β와 바닥·상단 라운드(r_bottom, r_top)와 같은 미세 형상 파라미터를 기존 방법보다 높은 신뢰도로 추정했다. 또한, 모델링에 포함된 거칠기 파라미터 ξ는 회절 데이터에만 민감하게 작용함을 확인해, 형광 데이터와의 결합이 ξ의 불확실성을 감소시킴을 보여준다.

이 연구는 향후 인라인 메트롤로지에 적용 가능한 비파괴, 고속, 고정밀 측정 체계의 설계에 중요한 기초를 제공한다. 특히, 저Z 재료가 복합된 다층 나노구조를 다룰 때, 단일 기술로는 해결하기 어려운 역문제의 다중해 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증한다.