KR101245098B1 - 박막 두께 측정장치 - Google Patents

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Abstract

형상측정기능의 고 분해능을 유지함과 동시에 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 박막 두께 측정장치 및 방법이 개시된다. 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치는, 광원, 광원으로부터 조사된 광을 박막에 집속하고 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 대물렌즈의 상부에 제공되며, 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하는 구경조리개(aperture stop), 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하며, 제1검출부가 박막의 두께를 측정하는 동안 구경조리개는 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킨다.

Description

박막 두께 측정장치{DEVICE FOR MEASURING THICKNESS OF THIN FILM}
본 발명은 형상측정기능이 통합된 박막 두께 측정장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 형상측정기능의 고 분해능을 유지함과 동시에 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 박막 두께 측정장치에 관한 것이다.
반도체 및 FPD 분야에서 많이 사용되는 박막층의 두께는 품질 및 후공정에 큰 영향을 미치기 때문에, 공정 중에 박막층의 두께를 정확하게 모니터링할 수 있어야 한다. 참고로, 박막층이란 기저층 즉, 기판의 표면 또는 다른 박막층 위에 형성되는 매우 미세한 두께(예를 들어, 수십 Å ~ 수㎛)를 가지는 층을 의미한다.
일반적으로 박막층의 두께는 탐침(stylus)를 이용한 기계적인 방법 및 광학적인 방법 등에 의해 측정될 수 있으며, 광학적인 방법에 의한 두께 측정에는 비접촉식 측정장치인 간섭계(Interferometer)와 반사계(Reflectometer)가 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용한 두께 측정 장치를 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래 반사광도계를 이용한 두께 측정장치의 경우, 광원으로부터 조사된 광은 각종 렌즈(22,28)를 통과한 후 광분할기(beam splitter)(32)와 대물렌즈(34)를 통해 기판 위에 형성된 박막층(F)으로 입사된다. 그 후, 박막층(F)에 의해 반사된 광은 대물렌즈(34) 및 광분할기(32)를 거쳐 반투과미러(혹은 특정 반사율의 하프미러)로 입사될 수 있으며, 반투과미러로 입사된 광 중 일부는 반투과미러에서 반사된 후 분광기(spectrometer)(40)로 입사될 수 있다. 그 후, 분광기(40)를 이용하여 입사된 광을 분광시켜서 각각의 개별 파장에 대한 빛의 강도(intensity)를 취득할 수 있으며, 이러한 강도 데이터는 박막층의 반사도를 구하는데 활용되어 최종적으로는 파장에 대한 반사도 변화를 나타내는 반사도분포곡선을 완성시킬 수 있다.
박막층의 두께를 결정하기 위하여, 상기와 같이 측정된 반사도분포곡선과, 수학식에 의해 모델링된 반사도분포곡선을 비교하는 방법이 활용되고 있다. 우선 서로 다른 두께의 다양한 박막층을 가정하고, 각각의 박막층에 대하여 수학식을 이용하여 반사도분포곡선을 생성한다. 이후 모델링된 다수의 반사도분포곡선 중 측정된 반사도분포곡선과 가장 일치하는 모델링된 반사도분포곡선을 선택함으로써, 그 모델링된 반사도분포곡선에 대응되는 두께를 박막층의 두께로 결정할 수 있다. 이러한 두께측정기능은 단순한 박막이 아닌 반도체, LCD 등 micron 레벨의 복잡한 패턴이 존재하는 박막에서 수행되며, 이 때 측정을 원하는 부분을 정밀하게 찾기 위하여 형상측정기능을 같은 광학계로 수행하게 된다.
이를 위하여, 반투과미러로 입사된 광 중 분광기를 통과한 광은 CCD와 같은 광검출부(50)로 입사되어 측정위치의 형상이나 초점확인 등을 관찰하는데 이용할 수 있다.
그런데, 종래 형상측정기능이 통합된 두께 측정 장치에서는, 대물렌즈(34)의 개구수가 커질수록 형상측정기능의 분해능(해상도)이 높아질 수 있으나, 두께측정기능에서는 대물렌즈(34)가 물체로부터 받아들이는 빛이 개구(aperture) 전체에 걸쳐 상대적인 경로차 발생함에 따라 측정값의 평균화 효과가 나타나 정확한 측정 결과를 산출하기 어려운 문제점이 있다. 예를 들어, 대물렌즈(34)의 중앙부를 통해 박막층에 수직으로 입사된 후 반사되는 광과, 대물렌즈(34)의 가장자리 부위를 통해 박막층에 경사지게 입사된 후 반사되는 광이 취하는 경로차(θ)는, 대물렌즈의 확대률이 커질수록(대물렌즈의 중앙부와 가장자리 부위 사이의 거리가 커질수록) 더욱 크게 발생하게 되는 바, 대물렌즈(34)를 통과하는 광의 경로차가 커질수록 실제 측정에 의한 반사도분포곡선의 생성이 매우 어렵거나 불가능한 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 형상측정기능의 높은 분해능을 보장하면서 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 박막 두께 측정장치에 대한 일부 대책들이 제안되고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 형상측정기능의 분해능(해상도)을 유지 및 향상시킴과 동시에 두께측정기능의 정확도를 유지 및 향상시킬 수 있는 박막 두께 측정장치를 제공한다.
특히, 본 발명은 고성능의 대물렌즈를 통과하는 광의 경로차에 의한 두께측정기능 성능 저하현상을 방지할 수 있으며, 고 해상도로 박막을 관찰하면서 박막의 두께를 정확히 측정할 수 있는 박막 두께 측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 보다 효율적이고 정교한 측정이 가능한 박막 두께 측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 측정 편의성을 향상시킬 수 있으며, 측정 시간을 단축할 수 있는 박막 두께 측정장치를 제공한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치는, 광원, 광원으로부터 조사된 광을 박막에 집속하고 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 대물렌즈의 상부에 제공되며, 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하는 구경조리개(aperture stop), 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하며, 제1검출부가 박막의 두께를 측정하는 동안 구경조리개는 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킨다.
이와 같이, 본 발명은 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절함으로써, 박막의 영상 정보 검출시와 박막의 두께 측정시 각각 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적의 크기가 선택적으로 가변시킬 수 있다. 여기서, 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적이라 함은, 대물렌즈를 통과하는 광(조명)의 면적 중 영상 정보 검출 및 두께 측정을 위해 사용되는 광(조명)의 면적으로 이해될 수 있다.
참고로, 본 발명에서 박막의 영상 정보라 함은 측정이 이루어지고 있는 위치에 관련된 정보, 측정위치의 형상에 관련된 정보, 및 초점확인에 관련된 정보 등 사용자가 시각적으로 관찰할 수 있는 정보를 모두 포함할 수 있다.
대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하기 위해, 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적 중 구경조리개에 의해 차단되는 부위는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 변경될 수 있다. 일 예로, 구경조리개는 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위를 차단하고, 광축 중심부에 인접한 부위만을 부분적으로 통과시키도록 구성될 수 있다.
구경조리개는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 구경조리개로서는 구멍(홀) 형태의 고정된 크기의 구경을 갖는 조리개 구조, 또는 통상의 카메라에 사용되는 조리개와 같이 구경의 크기를 변경 가능한 조리개 구조가 적용될 수 있으며, 구경조리개의 구조 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 아울러, 구경조리개가 크게 열릴수록(또는 구경이 클수록) 구경조리개를 통과하는 광의 면적이 증가할 수 있고, 반대로 구경조리개가 작게 열릴수록(또는 구경이 작을수록) 구경조리개를 통과하는 광의 면적이 감소할 수 있다.
아울러, 대물렌즈는 노스피스(nosepiece)에 장착될 수 있고, 구경조리개는가 노스피스에 제공될 수 있다. 대물렌즈는 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개가 제공될 수 있으며, 노스피스로서는 회전 가능한 리볼빙 노스피스(revolving nosepiece)가 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 단 하나의 대물렌즈가 사용될 수도 있으며, 구경조리개가 고정형 노스피스 또는 여타 다른 부위에 장착될 수도 있다.
구경조리개의 일 장착예로서, 구경조리개는 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하는 제1위치, 및 대물렌즈로 안내되는 광을 전체적으로 통과시키는 제2위치로 이동 가능하게 제공될 수 있고, 구경조리개가 제1위치에 배치된 상태에서는 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부가 차단될 수 있고, 구경조리개가 제2위치에 배치된 상태에서는 대물렌즈로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다. 구경조리개는 리볼빙 노스피스에 직선 이동 가능하게 제공되어 선택적으로 제1위치 및 제2위치로 이동할 수 있다. 경우에 따라서는 구경조리개가 일 지점을 중심으로 회전 이동하며 제1위치 및 제2위치로 이동하도록 구성할 수도 있다.
또한, 구경조리개를 제1위치 및 제2위치 중 어느 한곳으로부터 다른 한곳으로 이동시키기 위한 이동부재가 제공될 수 있으며, 이동부재가 제거되면 구경조리개를 제1위치 및 제2위치 중 이동하기 전 초기위치로 탄성적으로 복귀시키기 위한 복귀부재가 제공될 수 있다. 복귀부재로서는 통상의 스프링 또는 탄성체에 의해 탄성적으로 지지될 수 있는 부재가 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 스프링 또는 탄성체 자체를 복귀부재로서 사용할 수도 있다.
구경조리개의 다른 장착예로서, 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개의 대물렌즈가 사용될 수 있는 바, 각각의 대물렌즈는 노스피스에 장착될 수 있으며, 구경조리개는 노스피스에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 구경조리개가 노스피스에 조립된 상태에서는 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부가 차단될 수 있고, 구경조리개가 노스피스로부터 분리된 상태에서는 대물렌즈로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다.
아울러, 노스피스에는 수용부가 형성될 수 있고, 구경조리개는 수용부에서 선택적으로 인출 및 수납 가능하게 제공될 수 있다. 일 예로, 구경조리개는 슬라이드 이동하며 수용부에 인출 및 수납되도록 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 구경조리개가 일 지점을 중심으로 회전 이동하며 인출 및 수납되도록 구성될 수 있다.
참고로, 구경조리개가 삽입(on)된다 함은 구경조리개가 대물렌즈로 안내되는 광의 경로 상에 배치되는 상태로 이해될 수 있고, 구경조리개가 제거(off)된다 함은 구경조리개가 대물렌즈로 안내되는 광의 경로 상에서 벗어나도록 배치되는 상태로 이해될 수 있다.
또한, 수용부에는 구경조리개의 삽입 및 인출이 탄성적으로 이루어질 수 있도록 탄성력을 제공하기 위한 인출부재가 제공될 수 있다. 일 예로, 인출부재는 통상의 스프링부재(미도시)에 의해 지지되며 탄성적으로 직선 이동 가능하게 수용부에 제공될 수 있으며, 구경조리개는 수납시 인출부재를 가압하며 수용부에 수용될 수 있고, 인출시에는 인출부재가 가압될 시 압축되었던 스프링부재가 복원되는 복원력에 의해 탄성적으로 밀려나며 수용부 외측으로 인출될 수 있다. 경우에 따라서는 리니어 모터 또는 회전 모터 등을 이용하여 전자동 방식으로 구경조리개가 인출 및 수납되도록 구성하는 것도 가능하다.
구경조리개의 다른 장착예로서, 구경조리개는 대물렌즈에 직접 모듈화되는 것도 가능하다. 구경조리개는 통상의 조립 및 결합 방식에 의해 대물렌즈에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 경우에 따라서는 구경조리개가 대물렌즈에 일체로 고정되는 것도 가능하다.
구경조리개의 다른 장착예로서, 노스피스와 대물렌즈를 연결하는 어댑터를 포함할 수 있으며, 구경조리개는 어댑터에 장착될 수 있다. 경우에 따라서는 별도의 구경조리개를 배제하고 어댑터 자체를 구경조리개로서 사용하는 것도 가능하다.
구경조리개의 다른 장착예로서, 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개의 대물렌즈가 리볼빙 노스피스에 장착되되, 복수개의 대물렌즈 중 적어도 두개는 서로 동일한 배율을 갖도록 제공될 수 있으며, 두개의 대물렌즈 중 어느 하나에는 구경조리개가 일체로 또는 분리 가능하게 제공될 수 있다.
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본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의하면, 높은 개구수(N.A; Numerical aperture)를 가지는 대물렌즈의 전체 개구수를 사용하여 형상측정기능에서 고 분해능(해상도)을 유지함과 동시에 두께측정기능에서는 상대적으로 낮은 개구수를 사용하여 두께측정기능의 정확도를 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 대물렌즈의 상부에 제공되는 구경조리개를 이용하여 박막의 영상 정보 검출시와 박막의 두께 측정시 각각 대물렌즈를 통과하는 조명(광)의 유효면적이 선택적으로 가변될 수 있게 함으로써, 대물렌즈를 통하는 현미경조명시스템의 개구수만을 능동적으로 조정하여 대물렌즈를 통과하는 광의 경로차에 의한 측정 불능 현상을 방지할 수 있으며, 전체 구조의 단순화를 이루는 동시에, 여러 개의 대물렌즈를 사용하는 시스템에서 구조의 복잡화를 막고, 고 해상도로 박막을 관찰하면서 박막의 두께를 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구경조리개가 공간 확보가 유리한 대물렌즈 상부에 배치되기 때문에, 기본 부품의 구조 및 배치변화를 최소화할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 구경조리개가 대물렌즈 또는 노스피스에 장착되거나, 대물렌즈와 노스피스를 연결하기 위한 어댑터에 장착될 수 있기 때문에, 구경조리개를 장착하기 위한 큰 구조 변경없이 구경조리개를 간단하게 장착할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 고배율 대물렌즈를 사용하더라도, 대물렌즈를 통과하는 광의 경로차에 의한 측정 불능 현상을 방지할 수 있으며, 보다 효율적이고 정교한 측정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 박막의 두께 측정을 위해 고 배율 대물렌즈를 저 배율 대물렌즈로 별도로 교체해야 해야 할 필요가 없기 때문에, 측정 편의성을 향상시킬 수 있으며, 측정 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 종래 박막 두께 측정장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치로서, 구경조리개의 장착예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치로서, 구경조리개의 장착예를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 박막 두께 측정장치는 기판(기저층) 혹은 다른 박막 위에 형성된 1층 혹은 다층의 박막의 형상을 관찰하면서 두께를 측정할 수 있도록 구성되며, 박막의 영상 정보 검출시와 박막의 두께 측정시 각각 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적의 크기가 선택적으로 가변될 수 있도록 구성된다. 참고로, 본 발명에서 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적이라 함은, 대물렌즈를 통과하는 광(조명)의 면적 중 영상 정보 검출 및 두께 측정을 위해 사용되는 광(조명)의 면적으로 이해될 수 있다. 아울러, 박막의 두께 측정은 통상의 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 수행될 수 있다.
이들 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치는 광원(110), 광학계(130), 구경조리개(210~610), 제1검출부(140), 및 제2검출부(150)를 포함한다.
상기 광원(110)으로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 광원(110)이 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 광원(110)으로서는 백색광을 조사하는 발광다이오드(LED)가 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 할로겐 램프와 같은 여타 다른 통상의 백색광원이 사용될 수 있다.
상기 광원으로부터 조사된 광은 광학안내부(120)에 의해 광학계로 안내될 수 있다. 상기 광학안내부(120)는 요구되는 조건 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있는 바, 이하에서는 상기 광학안내부(120)가 집광렌즈(122) 및 광학필터(126)를 포함하여 구성된 예를 들어 설명하기로 한다.
상기 집광렌즈(122)는 광원(110)으로부터 조사된 광을 일 부위에 집중시키기 위해 제공된다. 일 예로, 상기 집광렌즈(122)는 볼록한 입사면 및 볼록한 출사면을 갖는 볼록렌즈 형태로 제공될 수 있다.
상기 광학필터(126)로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 광학필터(126)가 사용될 수 있다. 일 예로, 광학필터(126)로서는 반사광도계(Reflectometry)에서 사용되는 특정 파장만을 통과시키기 위한 밴드패스필터(band-pass filter), 및 밝기를 조정하기 위한 필터가 사용될 수 있고, 이외에도 광원으로부터 조사된 광을 스펙트럼 특성을 바꾸지 않고 단지 휘도만을 줄이기 위한 회색 필터(Neutal Density filter) 등이 사용될 수 있으며, 광학필터(126)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 광학안내부(120)는 집광렌즈(122)를 통과한 광을 평행 광선으로 변환하는 콜리메이팅(collimating) 렌즈(128)를 포함할 수 있으며, 집광렌즈(122)를 통과한 광은 콜리메이팅 렌즈(128)에 의해 평행 광선 상태로 후술할 광학계(130)에 입사될 수 있다. 참고로, 본 발명에서는 콜리메이팅 렌즈가 단일 렌즈로 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 복수개의 렌즈를 이용하여 콜리메이팅 렌즈를 구성할 수도 있다.
상기 광학계(130)는 광학안내부(120)를 통해 안내된 광을 기판 위에 형성된 박막(F)으로 안내하고, 박막(F) 측으로부터 반사된 광을 안내하기 위해 제공된다. 상기 광학계(130)는 미러, 렌즈 등과 같은 통상의 광학 부품 등을 조합하여 구성될 수 있으며, 광학계(130)의 구조 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 광학계(130)는 광학안내부(120)를 통과한 광을 분할하기 위한 광분할기(beam splitter)(132), 입사되는 광을 박막(F)에 집속하고 박막(F) 측으로부터 반사된 광을 안내하기 위한 대물렌즈(134), 박막(F) 측으로부터 반사되어 대물렌즈(134)를 통과한 광을 집광하기 위한 보조렌즈(136)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광학안내부(120)를 통과한 광은 광분할기(132)와 대물렌즈(134)를 통해 기판 위에 형성된 박막(F)으로 입사될 수 있으며, 박막(F) 측으로부터 반사된 광은 다시 대물렌즈(134) 및 광분할기(132)를 거쳐 후술할 제1검출부(140) 및 제2검출부(150)로 안내될 수 있다.
상기 구경조리개(aperture stop)(210~610)는 대물렌즈(134)의 상부에 인접하게 제공될 수 있으며, 대물렌즈(134)로 안내되는 광의 조사면적을 선택적으로 가변시킬 수 있도록 구성된다.
즉, 상기 구경조리개(210~610)는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킬 수 있도록 구성된다. 일 예로, 상기 구경조리개(210~610)는 대물렌즈(134)로 안내되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위를 차단하고, 광축 중심부에 인접한 부위만을 부분적으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 상기 구경조리개(210~610)가 크게 열릴수록(또는 구경이 클수록) 구경조리개(210~610)를 통과하는 광의 면적이 증가할 수 있고, 반대로 구경조리개(210~610)가 작게 열릴수록(또는 구경이 작을수록) 구경조리개(210~610)를 통과하는 광의 면적이 감소할 수 있다.
상기 구경조리개(210~610)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 구경조리개(210~610)로서는 통상의 카메라에 사용되는 가변 가능한 구경 크기를 갖는 조리개 구조(도 11의 210' 참조), 또는 단순히 구멍(홀) 형태의 고정된 구경 크기를 갖는 조리개 구조(도 4의 210 참조)가 적용될 수 있으며, 구경조리개(210~610)의 구조 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
아울러, 고정된 크기를 갖는 구경조리개(도 4의 210)가 사용될 경우, 구경조리개(210)가 삽입(또는 배치)된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광의 조사면적 중 일부가 차단될 수 있으며, 구경조리개(210)가 제거된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다. 한편, 가변 가능한 크기를 갖는 구경조리개(도 11의 210' 참조)가 사용될 경우에는 구경조리개를 별도로 조립 및 분리하지 않고 구경조리개 자체의 크기를 조절함으로써 대물렌즈로 안내되는 조명(광)의 유효면적을 선택적으로 가변시킬 수 있다.
일 예로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 구경조리개(210)는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부를 차단하는 제1위치, 및 상기 대물렌즈(134)로 안내되는 광을 전체적으로 통과시키는 제2위치로 이동 가능하게 제공될 수 있으며, 상기 구경조리개(210)가 제1위치에 배치된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부가 차단될 수 있고, 상기 구경조리개(210)가 제2위치에 배치된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다.
이하에서는 상기 대물렌즈(134)가 노스피스(nosepiece)에 장착되고, 구경조리개(210)가 노스피스에 제공되는 예를 들어 설명하기로 한다. 아울러, 상기 대물렌즈(134)는 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개가 제공될 수 있으며, 노스피스로서는 회전 가능한 리볼빙 노스피스(revolving nosepiece)(200)가 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 단 하나의 대물렌즈가 사용될 수도 있으며, 구경조리개가 고정형 노스피스 또는 여타 다른 부위에 장착될 수도 있다.
일 예로, 상기 구경조리개(210)는 리볼빙 노스피스(200)에 직선 이동 가능하게 제공되어 선택적으로 상기 제1위치 및 제2위치로 이동할 수 있다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 구경조리개(210)가 직선 이동하며 제1위치 및 제2위치로 이동하도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 구경조리개가 일 지점을 중심으로 회전 이동하며 제1위치 및 제2위치로 이동하도록 구성할 수도 있다.
또한, 상기 리볼빙 노스피스(200)에는 구경조리개(210)를 제1위치 및 제2위치 중 어느 한곳으로부터 다른 한곳으로 이동시키기 위한 이동부재(220)가 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 이동부재(220)는 리볼빙 노스피스(200)의 외부에서부터 진입되어 구경조리개(210)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 구경조리개(210)는 최초 제1위치에 배치되어 있다가 이동부재(220)가 진입됨에 따라 제2위치로 이동하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 리볼빙 노스피스(200)에는 이동부재(220)가 제거되면 구경조리개(210)를 제1위치 및 제2위치 중 구경조리개(210)가 이동하기 전의 어느 한 위치로 탄성적으로 복귀시키기 위한 복귀부재(230)가 제공될 수 있다. 상기 복귀부재(230)로서는 통상의 스프링 또는 탄성체에 의해 탄성적으로 지지될 수 있는 부재가 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 스프링 또는 탄성체 자체를 복귀부재로서 사용할 수도 있다.
후술할 제2검출부(150)가 박막(F)의 영상 정보를 검출하는 동안에는 구경조리개(210)가 제2위치에 배치되게 함으로써, 대물렌즈(134)로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있고, 후술할 제1검출부(140)가 박막(F)의 두께를 측정하는 동안에는 구경조리개(210)가 제1위치에 배치되게 함으로써, 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킬 수 있다.
다른 일 예로, 도 5 를 참조하면, 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개의 대물렌즈(134)는 리볼빙 노스피스(revolving nosepiece)(300)에 장착될 수 있으며, 상기 구경조리개(310)는 리볼빙 노스피스(300)에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 상기 구경조리개(310)가 리볼빙 노스피스(300)에 조립된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부가 차단될 수 있고, 상기 구경조리개(310)가 리볼빙 노스피스(300)로부터 분리된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다.
아울러, 상기 리볼빙 노스피스(300)에는 수용부(302)가 형성될 수 있고, 상기 구경조리개(310)는 수용부(302)에서 선택적으로 인출 및 수납 가능하게 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 리볼빙 노스피스(300)에는 측면으로부터 삽입 가능하게 수용부(302)가 형성될 수 있으며, 상기 구경조리개(310)는 수용부(302)의 개구를 통해 수용부(302)를 따라 슬라이드 이동하며 선택적으로 삽입 및 인출될 수 있다.
또한, 상기 수용부(302)에는 구경조리개(310)의 삽입 및 인출이 탄성적으로 이루어질 수 있도록 탄성력을 제공하기 위한 인출부재(330)가 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 인출부재(330)는 통상의 스프링부재(미도시)에 의해 지지되며 탄성적으로 직선 이동 가능하게 수용부(302)에 제공될 수 있다. 상기 구경조리개(310)는 수납시 인출부재(330)를 가압하며 수용부(302)에 수용될 수 있고, 인출시에는 인출부재(330)가 가압될 시 압축되었던 스프링부재(미도시)가 복원되는 복원력에 의해 탄성적으로 밀려나며 수용부(302) 외측으로 인출될 수 있다. 아울러, 상기 구경조리개(310)의 수납상태는 통상의 스토퍼 수단(미도시)에 의해 일시적으로 구속될 수 있으며, 상기 스토퍼 수단에 의한 구속력에 해제되면 스프링부재의 복원력에 의해 구경조리개의 인출이 자동적으로 구현될 수 있다. 경우에 따라서는 리니어 모터 또는 회전 모터 등을 이용하여 전자동 방식으로 구경조리개가 인출 및 수납되도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에서는 구경조리개가 리볼빙 노스피스의 내측에 삽입되도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 구경조리개가 리볼빙 노스피스의 외면에 배치되도록 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 구경조리개가 슬라이드 이동하며 인출 및 삽입되도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 구경조리개가 일 지점을 중심으로 회전 이동하며 인출 및 삽입되도록 구성될 수도 있다. 다르게는 구경조리개가 리볼빙 노스피스의 일 지점에 고정적으로 장착되는 것도 가능하다.
상기 구경조리개(310)는 사용자의 수동 조작에 의해 선택적으로 삽입 및 제거(on/off) 가능하게 제공될 수 있으며, 경우에 따라서는 통상의 공압 또는 전기적인 방법에 의해 자동 또는 반자동 방식으로 선택적으로 삽입 및 제거(on/off)되도록 구성될 수 있다.
참고로, 구경조리개(310)가 삽입(on)된다 함은 구경조리개(160)가 대물렌즈(134)로 안내되는 광의 경로 상에 배치되는 상태로 이해될 수 있고, 구경조리개(310)가 제거(off)된다 함은 구경조리개(310)가 대물렌즈(134)로 안내되는 광의 경로 상에서 벗어나도록 배치되는 상태로 이해될 수 있다.
다른 일 예로, 도 6을 참조하면, 구경조리개(410)는 대물렌즈(134)에 직접 모듈화되는 것도 가능하다. 구경조리개(410)는 통상의 조립 및 결합 방식에 의해 대물렌즈(134)에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 경우에 따라서는 구경조리개(410)가 대물렌즈(134)에 일체로 고정되는 것도 가능하다.
참고로, 도 6에서는 대물렌즈(134)에 모듈화되는 구경조리개(410)로서 고정된 크기를 갖는 조리개 구조가 적용된 예를 들어 설명하고 있지만, 가변 가능한 크기를 갖는 구경조리개가 적용될 수도 있다.
다른 일 예로, 도 7을 참조하면, 구경조리개(510)는 노스피스(400)와 대물렌즈(134)를 연결하기 위한 어댑터(610)에 장착될 수 있다.
즉, 상기 어댑터(610)의 일측에는 노스피스(400)에 결합되기 위한 제1결합부(612)가 형성될 수 있고, 어댑터(610)의 다른 일측에는 대물렌즈(134)가 결합되기 위한 제2결합부(614)가 형성될 수 있으며, 상기 대물렌즈(134)는 어댑터(610)를 매개로 노스피스(400)에 장착될 수 있다. 일 예로, 상기 제1결합부(612) 및 제2결합부(614)는 통상의 스크류 체결 가능한 형태로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 제1결합부 및 제2결합부가 여타 다른 구조 및 방식으로 제공될 수 있으며, 제1결합부 및 제2결합부의 구조 및 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 상기 구경조리개(510)는 어댑터(610)의 제2결합부(614) 내측에 장착될 수 있다. 경우에 따라서는 구경조리개가 어댑터의 제1결합부 측에 장착되거나, 어댑터의 중간 부위에 배치되도록 구성하는 것도 가능하며, 어댑터에 대한 구경조리개의 장착 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 다르게는 별도의 구경조리개를 배제하고 어댑터 자체를 구경조리개로서 사용하는 것도 가능하다.
다른 일 예로, 도 8을 참조하면, 서로 다른 분해능(배율)을 갖는 복수개의 대물렌즈가 리볼빙 노스피스(revolving nosepiece)(500)에 장착되되, 상기 복수개의 대물렌즈 중 적어도 두개(134,134')는 서로 동일한 배율을 갖도록 제공될 수 있으며, 상기 두개의 대물렌즈(134,134') 중 어느 하나에는 구경조리개(610)가 일체로 또는 분리 가능하게 제공될 수 있다. 따라서, 박막(F)의 영상 정보를 검출할 때에는 구경조리개(610)가 장착되지 않은 대물렌즈(134)를 이용할 수 있으며, 박막(F)의 두께 측정시에는 리볼링 노스피스(500)를 회전시켜 구경조리개(610)가 장착된 대물렌즈(134')를 이용할 수 있다.
한편, 상기 제1검출부(140)는 광학계(130)로부터 안내된 광을 이용하여 반사광도계의 원리에 의해 박막(F)의 두께를 측정하도록 구성된다. 상기 제1검출부(140)는 입사된 광을 개별 파장 대역 별로 분광시키기 위한 분광기(spectrometer)(미도시) 및 분광기에서 획득된 신호를 처리하는 처리부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광학계(130)로부터 안내된 광은 통상의 반투과미러(또는 특정 반사율의 하프미러)(미도시)를 이용하여 분광기(spectrometer)로 입사될 수 있는 바, 분광기를 이용하여 입사된 광을 분광시켜서 각각의 개별 파장에 대한 빛의 강도(intensity)를 취득할 수 있으며, 이러한 강도 데이터는 박막(F)의 반사도를 구하는데 활용되어 최종적으로는 파장에 대한 반사도 변화를 나타내는 반사도분포곡선(도 8의 A)을 완성시킬 수 있다. 그 후, 상기와 같이 측정된 반사도분포곡선(도 8의 A)과, 수학식에 의해 모델링된 반사도분포곡선(도 8의 B)을 비교 및 결정함으로써 박막(F)의 두께를 측정할 수 있다.
상기 제2검출부(150)는 광학계(130)로부터 안내된 광을 이용하여 박막(F)의 영상 정보를 검출할 수 있도록 제공된다. 상기 제2검출부(150)로서는 측정하고자 하는 영역에 적합한 화소 개수를 가지는 통상의 CCD 카메라가 사용될 수 있으며, 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 여타 다른 검출장비가 사용될 수도 있다.
참고로, 본 발명에서 박막의 영상 정보라 함은 측정이 이루어지고 있는 위치에 관련된 정보, 측정위치의 형상에 관련된 정보, 및 초점확인에 관련된 정보를 모두 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기로 한다. 도 10 내지 도 12는 구경조리개에 의해 광원으로부터 조사된 광의 조사면적이 가변됨에 따른, 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적 변화를 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 10 내지 도 12에서는 카메라의 조리개와 같이 구경의 크기를 변경 가능한 구경조리개(210')가 적용된 예를 들어 설명하기로 한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 구경조리개(210')가 최대로 개방된 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내된 광(B1)이 전체적으로 대물렌즈(134)를 통과할 수 있다. 이때는 제2검출기(150)에 의한 박막(F)의 영상 정보 검출에 필요한 조명 광이 충분히 확보될 수 있으며, 사용자는 고 분해능(해상도)(Resolving power)으로 박막(F)을 관찰할 수 있다. 참고로, 이 상태는 고정된 구경 크기를 갖는 구경조리개(도 3 및 도 4의 160 참조)가 대물렌즈로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용 가능한 제2위치에 배치된 상태에 대응될 수 있다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 구경조리개(210')가 일부 닫힌 상태에서는 대물렌즈(134)로 안내된 광 중 특정 일부(B2)만이 부분적으로 대물렌즈(134)를 통과할 수 있다. 이때는, 대물렌즈(134)로 안내되는 광 중 일부가 차단되고 나머지 일부(광축 중심부에 인접한 부위)만이 부분적으로 대물렌즈(134)를 통과할 수 있기 때문에, 대물렌즈(134)를 통과하는 광(B2',B2")의 경로차(θ2)를 최소화할 수 있으며, 대물렌즈(134)를 통과하는 광의 경로차가 커짐(θ1>θ2)에 따른 전술한 측정 불능 현상을 방지할 수 있다. 참고로, 이 상태는 고정된 구경 크기를 갖는 구경조리개(도 3 및 도 4의 160 참조)가 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단할 수 있는 제1위치에 배치된 상태에 대응될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 광원 120 : 광학안내부
130 : 광학계 140 : 제1검출부
150 : 제2검출부 210 : 구경조리개

Claims (18)

  1. 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치에 있어서,
    광원;
    상기 광원으로부터 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계;
    상기 대물렌즈의 상부에 제공되며, 상기 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하는 구경조리개(aperture stop);
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부; 및
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부;를 포함하며,
    상기 제1검출부가 상기 박막의 두께를 측정하는 동안, 상기 구경조리개는 상기 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시키며,
    상기 구경조리개를, 상기 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하는 제1위치 및 상기 대물렌즈로 안내되는 광을 전체적으로 통과시키는 제2위치 중 어느 한 위치로부터 다른 위치로 이동시키기 위한 이동부재;
    상기 이동부재가 제거되면 상기 구경조리개를 상기 제1위치 및 상기 제2위치 중 상기 구경조리개가 이동하기 전의 어느 한 위치로 탄성적으로 복귀시키기 위한 복귀부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구경조리개는,
    상기 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위를 차단하고, 상기 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적 중 광축 중심부에 인접한 부위만을 부분적으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구경조리개는 가변 가능한 구경 크기, 또는 고정된 구경 크기를 가지며,
    상기 구경조리개의 구경 크기에 따라 상기 대물렌즈의 개구수(N.A; Numerical aperture)를 조절 가능한 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치에 있어서,
    광원;
    상기 광원으로부터 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계;
    상기 대물렌즈의 상부에 제공되며, 상기 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하는 구경조리개(aperture stop);
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부; 및
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부;를 포함하며,
    상기 제1검출부가 상기 박막의 두께를 측정하는 동안, 상기 구경조리개는 상기 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시키며,
    상기 구경조리개는 상기 대물렌즈가 장착되는 노스피스(nosepiece)에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화되어 제공되며,
    상기 구경조리개가 상기 노스피스에 조립된 상태에서는 상기 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부가 차단될 수 있고, 상기 구경조리개가 상기 노스피스로부터 분리된 상태에서는 상기 대물렌즈로 안내되는 광 전체를 조명으로 사용 가능한 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 복수개가 제공되며,
    상기 노스피스는 회전 가능한 리볼빙 노스피스(revolving nosepiece)인 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 대물렌즈 중 적어도 두개는 서로 동일한 배율을 갖도록 제공되고,
    상기 두개의 대물렌즈 중 어느 하나에는 상기 구경조리개가 제공되며,
    상기 리볼링 노스피스를 회전시켜 상기 두개의 대물렌즈 중 어느 하나를 선택하여 사용 가능한 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 노스피스와 상기 대물렌즈를 연결하는 어댑터를 더 포함하고,
    상기 구경조리개는 상기 어댑터에 장착된 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 노스피스에는 수용부가 형성되고 상기 구경조리개는 상기 수용부에 선택적으로 인출 및 수납 가능하게 제공되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수용부에 이동 가능하게 제공되는 인출부재를 더 포함하고,
    상기 구경조리개는 수납시 상기 인출부재를 가압하며 상기 수용부에 수용되고, 인출시에는 상기 인출부재에 의해 밀려나며 상기 수용부 외측으로 인출되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인출부재는 탄성적으로 이동 가능하게 제공되며,
    상기 구경조리개의 인출은 상기 인출부재의 탄성력에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  15. 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치에 있어서,
    광원;
    상기 광원으로부터 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계;
    상기 대물렌즈의 상부에 제공되며, 상기 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적을 조절하는 구경조리개(aperture stop);
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부; 및
    상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부;를 포함하며,
    상기 제1검출부가 상기 박막의 두께를 측정하는 동안, 상기 구경조리개는 상기 대물렌즈로 안내되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시키며,
    상기 구경조리개는 상기 대물렌즈에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화된 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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