KR100922142B1 - Apparatus for realtime film thickness monitoring using phase difference of polarized laser and the method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 코팅 장치에서 코팅중인 필름의 두께를 옹스트롬(0.1nm) 단위의 분해능으로 정확하게 코딩 두께를 실시간으로 모니터링할 수 있는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time film thickness monitoring apparatus and method using a phase difference of a polarizing laser that can accurately monitor the thickness of the coating film in the Angstrom (0.1 nm) unit in the vacuum coating device in real time with the coding thickness.
이를 실현하기 위한 수단으로서, 본 발명은 레이저빔 발생수단; 레이저빔 발생수단으로부터 생성된 레이저빔을 두 개의 편광(제1편광)으로 분리시켜 주는 제1편광 빔분리기(PBS1); 제1편광을 진공챔버 내에 구비된 기준시료와 측정시료에 각각 입사시켜 반사되어 나온 광경로차를 갖는 각 편광을 집광하여 제2편광을 형성하는 제1비편광 빔분리기(NPBS1); 제2편광을 원형 편광으로 변환시켜 주는 제1위상차판(QWP); 이 원형 편광된 제2편광을 다시 분리시켜 주는 제2비편광 빔분리기(NPBS2); 분리된 제2편광의 어느 한 편광의 위상을 바꿔주는 제2위상차판(HWP); 제2편광의 다른 한 편광과, 제2위상차판(HWP)을 투과한 편광을 각각 분리시켜 주기 위한 제2 및 제3편광 빔분리기(PBS2, PBS3); 그리고, 이 제2 및 제3편광 빔분리기(PBS2,PBS3)로부터 각각 분리된 4개의 편광을 검출하는 4개의 광검출기(PD1~PD4)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.As a means for realizing this, the present invention provides a laser beam generating means; A first polarization beam splitter (PBS1) for separating the laser beam generated from the laser beam generating means into two polarizations (first polarization); A first non-polarization beam splitter (NPBS1) configured to form a second polarized light by collecting each polarized light having the optical path difference reflected by injecting the first polarized light into the reference sample and the measurement sample provided in the vacuum chamber, respectively; A first phase difference plate (QWP) for converting the second polarized light into circularly polarized light; A second non-polarization beam splitter (NPBS2) which separates the circularly polarized second polarization again; A second phase difference plate (HWP) for changing the phase of any polarization of the separated second polarized light; Second and third polarization beam splitters PBS2 and PBS3 for separating the other polarization of the second polarization and the polarization transmitted through the second phase difference plate HWP, respectively; And four photodetectors PD1 to PD4 for detecting four polarizations separated from the second and third polarization beam splitters PBS2 and PBS3, respectively.
편광빔 분리기, 필름 두께 측정, 비편광 빔분리기, 광검출기, 위상차판 Polarizing Beam Separator, Film Thickness Measurement, Non-Polarized Beam Separator, Photodetector, Retardation Plate
Description
본 발명은 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치에 관한 것으로, 특히 진공 코팅 장치에서 코팅중인 필름의 두께를 옹스트롬(0.1nm) 단위의 분해능으로 정확하게 코딩 두께를 실시간으로 모니터링할 수 있는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time film thickness monitoring apparatus using the phase difference of the polarizing laser, in particular a polarizing laser that can accurately monitor the coding thickness in real time with the resolution of the Angstrom (0.1nm) unit of the thickness of the film being coated in the vacuum coating device The present invention relates to a real-time film thickness monitoring apparatus using a phase difference and a method thereof.
일반적으로 반도체 공정에서는 반도체 기판이나 유리 등과 같은 반도체 기질 상에 유전체 필름이나 반도체 필름 또는 금속 필름 등을 형성하게 된다. 이러한 필름 형성의 대표적인 방법으로는 진공증착(Vaccum Evaporation)이나 스퍼터링(Sputtering)과 같은 물리증착법(PVD)이나 프리커서라고 하는 원료재를 사용하는 화학증착법(CVD) 등을 많이 적용하고 있다.In general, in the semiconductor process, a dielectric film, a semiconductor film, a metal film, or the like is formed on a semiconductor substrate such as a semiconductor substrate or glass. As a typical method of forming the film, physical vapor deposition (PVD) such as vacuum evaporation or sputtering, chemical vapor deposition (CVD) using a raw material such as precursor, and the like are applied.
특히, 이러한 필름은 필름의 형성 공정이나 품질을 결정하는데 있어서 여러 가지 요인이 있으나, 최근에 와서 반도체 소자의 집적도를 높이기 위해 기판 위에 형성되는 필름을 얇고 다층화하는 추세에 있기 때문에, 반도체의 품질 결정에 있어서 필름 두께를 제어하는 비중이 높아졌다.In particular, such a film has various factors in determining the film forming process and quality, but in recent years, since the film formed on the substrate is tending to be thin and multilayered in order to increase the integration degree of the semiconductor device, it is necessary to determine the quality of the semiconductor. The specific gravity which controls the film thickness became high.
일반적으로 많이 사용되는 필름의 두께 측정 방법으로는, 크게 탐침을 이용하는 기계적인 방법, 현미경을 이용하는 방법 그리고 광학적인 방법으로 대별할 수 있다.In general, the thickness measuring method of a film which is widely used can be roughly classified into a mechanical method using a probe, a method using a microscope, and an optical method.
탐침을 이용한 기계적인 측정방법은 기판 표면 위에 단차가 있는 필름의 두께를 측정하기 위하여 개발된 장비로, 탐침이 기판 표면을 긁고 지나감에 따라 필름 표면의 단차에 의해 달라지는 압력을 감지하여 단차의 두께를 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 탐침이 직접 시료와 접촉하기 때문에 유기막은 물론, 금속 필름의 두께도 쉽게 구할 수는 있으나, 다음과 같은 문제점이 있다.The mechanical measurement method using the probe is a device developed to measure the thickness of the film with a step on the substrate surface. The thickness of the step is detected by detecting the pressure that is changed by the step of the film surface as the probe scratches the substrate surface. How to measure. However, this method can easily obtain the thickness of the metal film as well as the organic film because the probe is in direct contact with the sample, there are the following problems.
우선, 탐침과의 접촉으로 시료의 파괴와 오염을 유발시키게 되며, 두께 측정 속도가 늦고, 측정자의 주관에 따라 측정 오차가 생길 우려가 있다. 또한, 단차의 두께만을 구할 수 있기 때문에, 여러 층의 두께를 한번에 측정할 수 없을 뿐만 아니라 측정하고자 하는 곳에 미리 단차를 형성해야 하는 불편함이 있다.First of all, contact with the probe causes destruction and contamination of the sample, the thickness measurement speed is slow, and there is a concern that measurement errors may occur depending on the subjectivity of the measurer. In addition, since only the thickness of the step can be obtained, not only can the thickness of several layers be measured at a time, but there is an inconvenience in that the step must be formed in advance in the place to be measured.
현미경을 이용하는 측정 방법은 일반 광학 현미경을 이용하여 육안으로 측정하는 방법과 전자현미경을 이용하여 초고배율의 이미지를 얻어서 그 두께를 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 시료의 단면을 육안으로 확인할 수 있기 때문에 널리 사용되고는 있으나 다음과 같은 문제점이 있다.As a measuring method using a microscope, there is a method of measuring with a naked eye using a general optical microscope and a method of obtaining a very high magnification image using an electron microscope and measuring the thickness thereof. This method is widely used because it can visually check the cross section of the sample, but has the following problems.
두께를 측정하기 위해서는 시료를 절단해야 하기 때문에 상술한 기계적인 측정 방법에 비해 더 많은 시간이 필요하고, 시료를 측정할 수 있도록 하기 위한 가 공 기술을 필요로 한다. 특히, 이 방법은 필름을 형성한 뒤에 단면을 측정하기 때문에 실시간으로 필름의 두께를 측정할 수 없다는 단점이 있다.Since the sample must be cut to measure the thickness, more time is required than the mechanical measuring method described above, and a processing technique for measuring the sample is required. In particular, this method has a disadvantage in that the thickness of the film cannot be measured in real time because the cross section is measured after the film is formed.
마지막으로, 광학적인 측정 방법은 필름 표면에서의 반사광과 하부의 계면에서의 반사광에 의한 간섭 현상을 이용하여 필름의 두께를 측정하는 방법이다. 이 방법은 상술한 두 가지 방법에 비하여 정확도 및 측정 속도에 있어 우수할 뿐만 아니라 다층 필름 구조의 경우 수학적인 계산에 의한 두께의 측정이 가능하다는 점 등 여러 가지 장점이 있기 때문에 최근에는 이 광학적 측정 방법이 주류를 이루고 있으나, 다음과 같은 문제가 있다.Finally, the optical measuring method is a method of measuring the thickness of the film by using the interference phenomenon by the reflected light at the surface of the film and the reflected light at the interface below. This method is not only superior in accuracy and measurement speed compared to the two methods described above, but also has recently been described in this optical measurement method because of its many advantages, such as the ability to measure thickness by mathematical calculations for multilayer film structures. This is mainstream, but has the following problems.
단파장의 광원을 사용하는 측정장치의 경우 금속과 같이 광원이 투과하지 못하는 필름인 경우 두께 측정이 불가능하고, 또한 광원을 시료에 수직으로 입사시키더라도 광원의 파장이 λ/4와 같은 필름의 두께가 코팅되었을 경우에만 필름 두께를 정확히 측정할 수 있으며, 필름의 두께가 달라지게 되면 이에 따라 광원의 파장(λ)도 달리 해 주어야 하는 문제가 있다.In the case of a measuring device using a short wavelength light source, it is impossible to measure thickness when the light source does not transmit such as metal, and even if the light source is incident perpendicularly to the sample, the thickness of the film whose wavelength is λ / 4 Only when coated, the film thickness can be accurately measured, and if the thickness of the film is changed, there is a problem that the wavelength λ of the light source should be changed accordingly.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 기존의 광 간섭 기술에서 간섭광이 소멸 또는 보강 간섭이 일어날 때에만 필름의 두께를 모니터링할 수 있는 기술적 한계를 극복하고, 특히 코팅된 필름의 두께에 대한 측정 분해능을 옹스트롬(0.1nm) 정도로 획기적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 광원이 투과하지 못했던 금속과 같은 재질이 코팅된 경우에도 필름의 두께를 측정할 수 있는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of this point, and overcomes the technical limitation of monitoring the thickness of the film only when the interference light disappears or constructive interference in the conventional optical interference technology, and particularly in the thickness of the coated film Real-time film using the retardation of the polarization laser that can not only significantly increase the measurement resolution of the angstrom (0.1 nm), but also measure the thickness of the film even when a material such as a metal, which has not been transmitted through the conventional light source, is coated. The present invention provides a thickness monitoring apparatus and method thereof.
이를 실현하기 위한 수단으로서, 본 발명은,As a means for realizing this, the present invention,
레이저빔 발생수단(10);Laser beam generating means (10);
레이저빔 발생수단(10)으로부터 생성된 레이저빔을 두 개의 편광(제1편광)으로 분리시켜 주는 제1편광 빔분리기(PBS1);A first polarization beam splitter (PBS1) for separating the laser beam generated from the laser beam generating means (10) into two polarizations (first polarization);
제1편광을 진공챔버 내에 구비된 기준시료와 측정시료에 각각 입사시켜 반사되어 나온 광경로차를 갖는 각 편광을 집광하여 제2편광을 형성하는 제1비편광 빔분리기(NPBS1);A first non-polarization beam splitter (NPBS1) configured to form a second polarized light by collecting each polarized light having the optical path difference reflected by injecting the first polarized light into the reference sample and the measurement sample provided in the vacuum chamber, respectively;
제2편광을 원형 편광으로 변환시켜 주는 제1위상차판(QWP);A first phase difference plate (QWP) for converting the second polarized light into circularly polarized light;
원형 편광된 제2편광을 다시 분리시켜 주는 제2비편광 빔분리기(NPBS2);A second non-polarization beam splitter (NPBS2) for separating the circularly polarized second polarization again;
분리된 제2편광의 어느 한 편광의 위상을 바꿔주는 제2위상차판(HWP);A second phase difference plate (HWP) for changing the phase of any polarization of the separated second polarized light;
제2편광의 다른 한 편광과, 제2위상차판(HWP)을 투과한 편광을 각각 분리시켜 주기 위한 제2 및 제3편광 빔분리기(PBS2, PBS3); 및Second and third polarization beam splitters PBS2 and PBS3 for separating the other polarization of the second polarization and the polarization transmitted through the second phase difference plate HWP, respectively; And
제2 및 제3편광 빔분리기(PBS2,PBS3)로부터 각각 분리된 4개의 편광을 검출하는 4개의 광검출기(PD1~PD4)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.And four photodetectors PD1 to PD4 for detecting four polarizations separated from the second and third polarization beam splitters PBS2 and PBS3, respectively.
또한, 레이저빔 발생수단(10)은 선형 편광(linear polarization)을 생성하는 헬륨-네온 레이저 발생기인 것을 특징으로 한다.In addition, the laser beam generating means 10 is characterized in that helium-neon laser generator for generating linear polarization (linear polarization).
또한, 레이저빔 발생수단(10)은 45°의 선형 편광각도로 레이저빔을 제1편광 빔분리기(PBS1)에 주사하는 것을 특징으로 한다.In addition, the laser beam generating means 10 is characterized in that for scanning the laser beam to the first polarized beam splitter (PBS1) at a linear polarization angle of 45 °.
또한, 제1편광 빔분리기(PBS1)로부터 분리된 제1편광은 각각 0°와 90°의 편광 각도를 갖는 편광인 것을 특징으로 한다.In addition, the first polarized light separated from the first polarized beam splitter PBS1 may be polarized light having a polarization angle of 0 ° and 90 °, respectively.
또한, 제1위상차판은 QWP(Quater-Wave Plate)인 것을 특징으로 한다.In addition, the first phase difference plate is characterized in that the QWP (Quater-Wave Plate).
또한, 제2위상차판은 HWP(Half-Wave Plate)인 것을 특징으로 한다.In addition, the second phase difference plate is characterized in that the half-wave plate (HWP).
또한, 4개의 광검출기(PD1~PD4)는 각각 0°,90°,180°,270°의 위상차를 갖는 광을 검출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the four photodetectors PD1 to PD4 detect light having phase differences of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, respectively.
한편, 본 발명에 따른 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 방법은,On the other hand, the real-time film thickness monitoring method using the phase difference of the polarizing laser according to the present invention,
(a) 편광 레이저빔을 생성하는 단계(S100);(A) generating a polarizing laser beam (S100);
(b) 편광 레이저빔을 45°의 선형 편광 각도로 투사하여 위상이 각각 0°과 90°인 편광으로 분리하여 제1편광을 얻는 단계(S200);(b) projecting a polarization laser beam at a linear polarization angle of 45 ° to separate the phase into polarized light having a phase of 0 ° and 90 °, respectively, to obtain a first polarized light (S200);
(c) 제1편광의 각 빔을 기준시료(110)와 측정시료(120)에 주사하여 빔의 경 로차에 의해 임의의 편광 각도를 가지면서 반사된 각 빔을 합치고, 합쳐진 빔을 원형 편광시켜 제2편광을 얻는 단계(S300);(c) scanning the respective beams of the first polarized light to the
(d) 원형 편광된 제2편광 중에서 하나의 빔의 위상을 180°로 바꿔주고, 이 빔과 나머지 빔을 편광 빔분리기에 투사하여 4개의 빔(제3편광)을 얻는 단계(S400); 및,(d) changing the phase of one of the circularly polarized second polarizations to 180 ° and projecting the beam and the remaining beams to the polarization beam splitter to obtain four beams (third polarization) (S400); And,
(e) 제3편광으로부터 각각 위상차가 다른 신호 세기를 검출하여 필름의 두께를 계산하는 단계(S500);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.(e) calculating a thickness of the film by detecting signal strengths having different phase differences from the third polarized light (S500).
또한, 편광레이져빔 생성단계(S100)는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저를 이용하여 편광 레이저빔을 생성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the polarizing laser beam generation step (S100) is characterized in that for generating a polarizing laser beam by using a helium-neon (He-Ne) laser.
또한, 제3편광은 각각 위상차가 각각 0°,90°,180°,270°인 것을 특징으로 한다.In addition, the third polarized light has a phase difference of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, respectively.
특히, 본 발명에 따르는 모니터링 방법은 편광 레이저빔 생성단계(S100)~필름두께 계산단계(e)를 실시간으로 반복하여 실시하는 것을 특징으로 한다.In particular, the monitoring method according to the invention is characterized in that the polarizing laser beam generation step (S100) ~ film thickness calculation step (e) is carried out in real time.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
1) 필름의 코팅이 진행중인 상황에서도 실시간으로 필름의 두께를 옹스트롬(0.1nm) 두께의 분해능으로 측정할 수 있다.1) Even if the coating of the film is in progress, the thickness of the film can be measured by the resolution of Angstrom (0.1 nm) thickness in real time.
2) 편광 레이저의 위상차를 이용하여 기존의 광간섭을 이용하기 위한 간섭광의 소멸 또는 보강간섭으로만 필름의 두께를 측정할 수 있는 기술적 한계를 극복할 수 있다.2) By using the phase difference of the polarizing laser, it is possible to overcome the technical limitation that the thickness of the film can be measured only by extinction or constructive interference of interference light to use the conventional optical interference.
3) 기존의 광간섭을 이용하는 방법과 달리 금속과 같은 필름의 경우에도 측정이 가능하다.3) Unlike conventional methods of using optical interference, it is possible to measure a film such as metal.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described.
도 1은 본 발명에 따르는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 여기서, 도면부호 100은 반도체 필름 등의 생성 공정에서 이용되는 진공챔버이며, 110은 코팅이 되어 있지 않은 반도체 기질 등으로 이용되는 기준시료를, 120은 기준시료와 동일한 재질이며 실시간으로 필름이 코팅이 이루어지고 있는 측정시료를 각각 나타낸다. 또한, 도 1에서, 실선으로 표시된 화살표는 입사광을 은선으로 표시된 화살표는 반사광을 나타내고, 기타 화살표는 광의 흐름을 각각 나타낸다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a real-time film thickness monitoring apparatus using a phase difference of a polarizing laser according to the present invention. Here,
본 발명은 기준시료(110)와 측정시료(120)에 각각 선형 편광된 레이저빔을 주사하여 반사되고 다시 합쳐진 제2편광을 둘로 나누어 어느 하나를 위상 변화시킨 다음, 이들 반사파를 편광 빔분리기를 통해 분리하여 광검출기를 통해 얻은 시그널의 세기를 계산하여 필름의 두께를 측정할 수 있도록 한 것이다.According to the present invention, a linearly polarized laser beam is scanned on the
이를 좀 더 상세하게 설명하면, 본 발명은 기준시료(110)와 측정시료(120)에 레이저빔을 주사하여 필름의 두께로 인해 생기는 반사파의 위상차를 이용하게 된다. 본 발명에서는 레이저빔을 생성하기 위한 수단으로서 레이저빔 발생수단(10)을 구비하고 있으며, 레이저빔 발생수단(10)으로는 수 밀리와트의 가시광선(632.8 nm)을 내게 하여 실험실에서 간섭을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작 등에 널리 이 용되는 선형 편광(Linear Polarization) 레이저 장치인 헬륨-네온 레이저(He-Ne Laser) 발생기를 사용한다.In more detail, the present invention uses the phase difference of the reflected wave caused by the thickness of the film by scanning the laser beam on the
이렇게 발생된 레이저빔은 기준시료(110)와 측정시료(120)으로 각각 입사가 가능하도록 하기 위해 제1편광 빔분리기(PBS1)에 투사된다. 제1편광 빔분리기(PBS1)는 위상에 따라 일부는 투사하고 일부는 반사하게 되는데, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 투사되는 빔의 위상을 45°로 주사하여, 제1편광 빔분리기(PBS1)을 투과 및 반사하도록 구성한다.The laser beam generated as described above is projected on the first polarization beam splitter PBS1 to enable incidence into the
제1편광 빔분리기(PBS1)는 투사된 레이저로부터 2개의 편광(제1편광)을 분리하게 되고, 이 분리된 제1편광은 각각 기준시료(110)와 측정시료(120)를 향해 주사된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기준시료(110)와 측정시료(120)는 진공챔버(100), 더욱 바람직하기로는 현재 진공증착 등의 방법으로 측정시료(120)에 필름(미도시됨)이 형성되고 있는 필름 형성 공정에서 이용되는 진공챔버(100)인 것이 바람직하다.The first polarization beam splitter PBS1 separates two polarizations (first polarization) from the projected laser, and the separated first polarizations are scanned toward the
또한, 제1편광 빔분리기(PBS1)는 제1편광의 각 편광이 각각 기준시료(110)와 측정시료(120)에 수직인 면으로 주사가 이루어지도록 제1미러(MR1)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.In addition, the first polarization beam splitter PBS1 includes a first mirror MR1 such that each polarization of the first polarization is scanned in a plane perpendicular to the
기준시료(110)와 측정시료(120)에 반사된 광경로차를 갖는 제1편광은 다시 상기 제1편광 빔분리기(PBS1)에 의해 집광되며, 이때의 제1편광은 임의의 편광 각 도(Φ)를 갖는다. 이 제1편광은 제1비편광 빔분리기(NPBS1)에 투사되어 제1위상차판(QWP)에 주사된다. 이때, 제1편광은 직접 제1위상차판(QWP)에 주사하는 것도 가능하며, MR2에 의해 방향 전환되어 주사되는 것도 가능하다.The first polarized light having the optical path difference reflected by the
제1위상차판(QWP)은 제1편광을 투사시키면서 원형 편광(Circular Polarization)인 제2편광을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1위상차판(QWP)은 투사되는 빔의 위상을 λ/4만큼 바꿔주는 QWP(Quater-wave plate)를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 제1편광은 제1위상차판(QWP)을 지나면서 위상 변화와 함께 원형 편광된 제2편광이 된다.The first phase difference plate QWP forms a second polarization that is circular polarization while projecting the first polarization. In a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the first phase difference plate QWP uses a quater-wave plate (QWP) that changes the phase of the beam to be projected by λ / 4. That is, the first polarized light becomes a circularly polarized second polarized light with the phase change while passing through the first phase difference plate QWP.
원형 편광된 제2편광은 제2비편광 빔분리기(NPBS2)에 투사되며, 제2비편광 빔분리기는 제2편광으로부터 두 개의 빔 중의 하나를 제2위상차판(HWP)에 투사하게 된다. 여기서, 제2위상차판(HWP)은 투사되는 빔의 위상을 λ/2만큼 변환시켜 주는 HWP(Half-Wave Plate)인 것이 바람직하다.The circularly polarized second polarization is projected onto the second non-polarization beam splitter NPBS2, and the second non-polarization beam splitter projects one of two beams from the second polarization on the second phase difference plate HWP. Here, the second phase difference plate HWP is preferably a half-wave plate (HWP) that converts the phase of the beam to be projected by λ / 2.
따라서, 제2편광중에서 한개의 빔은 다시 제2위상차판(HWP)으로 λ/2만큼 변환되기 때문에, 결국 제2편광은 위상이 0°과 180°인 빔이 된다.Therefore, one of the beams of the second polarization is converted back to the second phase difference plate HWP by λ / 2, so that the second polarization becomes a beam having phases of 0 ° and 180 °.
위상 변화가 생긴 제2편광은 각 빔을 각각 제2편광 빔분리기(PBS2)와 제3편광 빔분리기(PBS3)에 투사하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 편광 빔분리기(PBS2,PBS3)는 90°의 위상차를 갖도록 빔을 분리하는 것을 사용하는 것이 바 람직하다.The second polarized light having the phase change causes each beam to be projected on the second polarized beam splitter PBS2 and the third polarized beam splitter PBS3, respectively. In a preferred embodiment of the present invention, it is preferred that the polarizing beam splitters PBS2 and PBS3 use splitting beams to have a phase difference of 90 °.
이에 따라서, 제2편광은 편광 빔분리기(PBS2,PBS3)에 투사되면서 위상이 0°,90°,180°,270°인 빔으로 분리된다. 예를 들어, 제2편광의 빔 중에서 위상이 0°인 빔은 제2편광 빔분리기(PBS2)에 투사되어 위상이 각각 0°과 90°인 빔으로 분리되고, 제2편광의 빔 중에서 위상이 90°인 빔은 제3편광 빔분리기(PBS3)에 투사되어 위상이 각각 90°와 270°인 빔으로 분리된다.Accordingly, the second polarized light is projected onto the polarization beam splitters PBS2 and PBS3 and separated into beams having phases of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °. For example, a beam having a phase of 0 ° among the beams of the second polarized light is projected onto the second polarized beam splitter PBS2 and separated into beams having a phase of 0 ° and 90 °, respectively, and out of phase beams of the second polarized light. The 90 ° beam is projected onto the third polarization beam splitter PBS3 and separated into beams having phases of 90 ° and 270 °, respectively.
마지막으로, 본 발명의 구성에는 이렇게 다른 위상을 갖는 빔으로부터 시그널의 세기를 측정하는 4개의 광검출기(PD1~PD4)를 포함한다. 이들 광검출기(PD1~PD4)는 4개의 빔에 대하여 시그널을 측정하게 되면 각각 다음과 같은 코사인 또는 사인 함수 형태의 결과를 얻을 수 있다.Finally, the configuration of the present invention includes four photodetectors PD1 to PD4 for measuring the intensity of the signal from beams having such different phases. When the photodetectors PD1 to PD4 measure signals with respect to four beams, the results of the following cosine or sine function can be obtained.
E2 = A2cos(Φ + π/2) + B2E2 = A2cos (Φ + π / 2) + B2
E3 = A3cos(Φ + π) + B3E3 = A3cos (Φ + π) + B3
E4 = A4cos(Φ + 2π) + B4E4 = A4cos (Φ + 2π) + B4
여기서, E1~E4는 각각 4개의 광검출기에서 측정된 광의 세기를 나타내고, A1~A4는 각각 광신호의 진폭을 나타내며, B1~B4는 각각 광신호의 배경 값을 나타내고, λ와 t는 각각 레이저 파장과 코팅된 필름 두께를, Φ는 편광각도를 각각 나타낸다. 또한, A1~A4와 B1~B4 값은 t=0일때 조건식을 이용하여 구할 수 있다.Here, E1 to E4 each represent the intensity of light measured by four photodetectors, A1 to A4 each represent the amplitude of the optical signal, B1 to B4 each represent the background value of the optical signal, and λ and t are each a laser. For the wavelength and the coated film thickness, Φ represents the polarization angle, respectively. In addition, the values A1 to A4 and B1 to B4 can be obtained by using a conditional expression when t = 0.
도 2은 이와 같은 구성에 따르는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치를 이용하여 두께를 측정한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing a simulation result of measuring thickness using a real-time film thickness monitoring apparatus using the phase difference of the polarizing laser according to such a configuration.
이하, 본 발명에 따른 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 방법에 대하여 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a real-time film thickness monitoring method using a phase difference of a polarizing laser according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.
본 발명에 따른 실시간 모니터링 방법은 반도체 기판과 같은 기질 상에 필름을 형성하는 공정에서의 예를 설명한다. 이를 위한 사전 작업으로, 필름 형성용 진공챔버(100) 안에 기질과 동일한 재질의 기준시료(110)와 이 기질에 필름을 코팅시키기 위한 측정시료(120)를 구비한다. 특히, 이들 시료(110,120)는 가상의 동일선상에 오도록 설치하는 것이 바람직하며, 필름 코팅시에는 측정시료(120)에만 코팅이 이루어지도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.The real time monitoring method according to the present invention describes an example in the process of forming a film on a substrate such as a semiconductor substrate. As a preliminary work for this purpose, the
이와 같은 상태에서, 편광 레이저빔을 기준시료(110)와 측정시료(120)에 주사한다. 우선, 편광 레이저빔을 생성하는 단계를 거치게 된다(S100). 이때의 편광 레이저빔를 생성하기 위하여 He-Ne 레이저를 이용한다.In this state, the polarization laser beam is scanned on the
이어, 이 편광 레이저빔을 45°의 편광 각도로 투사하여 제1편광을 얻게 된다(S200). 이때, 편광 레이저빔은 제1편광 빔분리기(PBS1)에 투사하게 되며, 이때 2개로 분리되는 빔은 위상이 각각 0°과 90°인 편광으로 분리하게 된다.Subsequently, the first polarized light is obtained by projecting the polarized laser beam at a polarization angle of 45 ° (S200). In this case, the polarization laser beam is projected on the first polarization beam splitter PBS1, and the two beams are separated by polarization having phases of 0 ° and 90 °, respectively.
그 다음 단계로 제1편광을 기준시료(110)와 측정시료(120)에 주사하여 제2편광을 얻게 된다(S300). 이때, 제1편광의 2개의 빔을 각각 기준시료(110)와 측정시료(120)에 주사하게 되며, 특히 제1미러(MR1)를 이용하여 주사된 각 빔이 나란하게 기준시료(110)와 측정시료(120)에 입사되도록 주사한다. 제2편광은 이렇게 주사된 빔의 반사광을 제1편광 빔분리기(PBS1)를 이용하여 다시 합쳐 생성하게 되며, 이때의 제1편광은 두 빔의 광경로차에 의해 임의의 편광 각도를 갖는다.Next, the second polarized light is obtained by scanning the first polarized light on the
이렇게 합쳐진 제1편광은 제1위상차판(QWP)에 투사시켜 π/4만큼 위상차를 갖는 원형 편광(circular polarization)을 갖는 제2편광을 얻게 된다.The combined first polarized light is projected onto the first phase difference plate QWP to obtain a second polarized light having circular polarization having a phase difference of π / 4.
그 다음 단계로서, 제2편광 중에서 하나의 빔의 위상을 180°로 바꿔 제3편광을 얻는 단계를 거치게 된다(S400). 이 제2편광과 제3편광의 빔을 각각 제2편광 빔분리기(PBS2)와 제3편광 빔분리기(PBS3)에 투사하여 각각 2개씩 전부 4개의 빔(제3편광)을 얻게 된다.As a next step, a phase of one beam of the second polarized light is changed to 180 ° to obtain a third polarized light (S400). The beams of the second polarized light and the third polarized light are respectively projected on the second polarized light beam splitter PBS2 and the third polarized light beam splitter PBS3 to obtain four beams (third polarized light), respectively.
이때, 각 편광 빔분리기(PBS2,PBS3)는 출사된 빔의 위상차가 90°가 되게 하여, 제3편광의 4개의 빔은 각각 0°, 90°, 180°, 270°의 위상차를 가지게 하는 것이 바람직하다.In this case, the polarization beam splitters PBS2 and PBS3 have a phase difference of the emitted beams to be 90 °, so that the four beams of the third polarized light have phase differences of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, respectively. desirable.
물론, 각 편광 빔분리기(PBS2,PBS3)는 출사되는 빔의 위상차를 임의의 각도로 바꿀 수도 있으나, 90°의 위상차에 의해 변화 추이를 쉽게 판단할 수 있게 하는 것이 바람직하다.Of course, each of the polarizing beam splitters PBS2 and PBS3 may change the phase difference of the emitted beam to an arbitrary angle, but it is preferable to easily determine the change trend by the phase difference of 90 °.
마지막으로, 제3편광의 4개의 빔을 각각의 광검출기(PD1~PD4)를 이용하여 시그널의 세기를 계산하여 필름의 두께를 계산한다(S500).Finally, the thickness of the film is calculated by calculating the intensity of the signal using the four beams of the third polarized light using the respective photodetectors PD1 to PD4 (S500).
이때의 시그널의 세기는 상술한 [수학식 1]에 의해 도 2와 같이 사인 함수 또는 코사인 함수의 결과를 얻게 된다. 또한, 상기 광검출기(PD1~PD4)로부터 전압차를 출력신호로 얻어 그 차를 이용하여 두께를 계산할 수도 있다.At this time, the intensity of the signal is obtained as a result of a sine function or a cosine function as shown in FIG. In addition, a voltage difference may be obtained as an output signal from the photodetectors PD1 to PD4 and the thickness may be calculated using the difference.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.
도 1은 본 발명에 따르는 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치의 구성을 나타내는 개략도.1 is a schematic view showing the configuration of a real-time film thickness monitoring apparatus using a phase difference of a polarizing laser according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 장치를 이용하여 두께를 측정한 결과를 나타내는 그래프.Figure 2 is a graph showing the results of measuring the thickness using a real-time film thickness monitoring device using the phase difference of the polarizing laser according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 편광 레이저의 위상차를 이용한 실시간 필름두께 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram for explaining a real-time film thickness monitoring method using the phase difference of the polarizing laser according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 레이저빔 발생수단10: laser beam generating means
100 : 진공챔버100: vacuum chamber
110 : 기준시료110: reference sample
120 : 측정시료120: measurement sample
HWP : 제2위상차판(Half-Wave Plate)HWP: Half-Wave Plate
MR1 : 제1미러MR1: first mirror
NPBS1 : 제1비편광 빔분리기(Non-Polarized Beam Splitter)NPBS1: Non-Polarized Beam Splitter
NPBS2 : 제2비편광 빔분리기NPBS2: second non-polarization beam splitter
PBS1 : 제1편광 빔분리기(Polarized Beam Splitter)PBS1: Polarized Beam Splitter
PBS2 : 제2편광 빔분리기PBS2: second polarization beam splitter
PBS3 : 제3편광 빔분리기PBS3: third polarization beam splitter
PD1~PD4 : 제1~제4광검출기PD1 to PD4: First to fourth photodetectors
QWP : 제1위상차판(Quarter-Wave Plate)QWP: Quarter-Wave Plate
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