KR101305804B1 - 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치 - Google Patents

증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 이용한 증착 박막의 물리적 특성 측정방법에 있어서, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 단계, 및 상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 단계를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법을 제공한다.
상기 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치에 따르면, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 촬상 영상으로부터 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수 특성 또는 전자수의 변화량이 큰 깊이 지점을 이용하여 증착 박막의 증착률 및 굴절률과 같은 박막 특성을 손쉽게 측정할 수 있는 이점이 있다. 또한, 별도의 샘플 웨이퍼의 제작이 필요 없이 단순히 촬상 영상의 분석만을 이용하여 증착 박막의 여러 박막 특성들을 동시에 측정할 수 있어 증착 박막의 물리적 특성의 측정에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다.

Description

증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치{Method for measuring physical characteristics of deposition film and apparatus for thereof}
본 발명은 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 샘플 웨이퍼를 제작할 필요 없이 증착 박막의 증착률과 굴절률을 측정할 수 있는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 증착 박막에 대한 물리적 특성으로는 증착률, 표면거칠기, 굴절률 등이 있다. 박막 특성 중 증착률과 굴절률은 주로 Ellipsometry를 이용하여 측정한다. 이 측정장치는 증착된 박막의 전체 두께를 측정하며 임의의 수직 위치에서의 두께정보는 제공하지 못한다. 나아가 박막 내부의 전자분포에 대한 정보를 제공하지 못하며, 이에 따라 박막 내부 전기적 결함을 진단하지 못한다. Ellipsometry를 이용하여 박막의 증착률을 측정하는 배경 기술은 국내공개특허 제2003-0088568호에 개시되어 있다.
소자 제조 업체의 경우 플라즈마 챔버 내부의 이상을 탐지하기 위하여 샘플 웨이퍼를 제작한 다음 이 샘플 웨이퍼를 별도의 측정장치 시스템으로 옮겨서 증착률 등의 박막 특성을 측정한다. 이렇게 샘플 웨이퍼를 사용하는 경우, 샘플 웨이퍼의 제작에 따른 추가 비용이 요구될 뿐만 아니라, 샘플 웨이퍼를 이동시켜서 측정하는 데에 상당한 시간이 요구되어 공정 감시 효율이 떨어진다. 따라서, 샘플 웨이퍼의 제작이 필요 없이 증착 박막의 물리적 특성을 손쉽게 측정할 수 있는 장치의 개발이 요구된다.
본 발명은, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 촬상 영상으로부터 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수 특성 또는 전자수의 변화량이 큰 깊이 지점을 이용하여 증착 박막의 증착률 및 굴절률과 같은 박막 특성을 손쉽게 측정할 수 있는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 이용한 증착 박막의 물리적 특성 측정방법에 있어서, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 단계, 및 상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 단계를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법을 제공한다.
여기서, 상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의될 수 잇다.
Gmin < 임의의 그레이 스케일 범위 < Gmax-T
여기서, Gmin 및 Gmax는 상기 촬영 영상에 대한 최소 및 최대 그레이 스케일 값, T는 상기 최대 그레이 스케일 값의 10~15%에 해당되는 값이다.
또한, 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 단계는, 상기 전자수에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하되, 상기 스케일 인자는, 상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법.
이때, 상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
그리고, 본 발명은 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 이용한 증착 박막의 물리적 특성 측정방법에 있어서, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는 단계와, 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산하는 단계와, 상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득하는 단계, 및 상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법을 제공한다.
여기서, 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 단계는, 상기 변곡 지점의 깊이에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하되, 상기 스케일 인자는, 상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정될 수 있다.
이때, 상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
그리고, 본 발명은, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 영상 입력부와, 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 전자수 연산부, 및 상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 증착률 연산부를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는 영상 입력부와, 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산하는 전자수 연산부와, 상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득하는 깊이 탐색부, 및 상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 굴절률 연산부를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 제공한다.
본 발명에 따른 증착 박막의 물리적 특성 측정방법 및 장치에 따르면, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 촬상 영상으로부터 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수 특성 또는 전자수의 변화량이 큰 깊이 지점을 이용하여 증착 박막의 증착률 및 굴절률과 같은 박막 특성을 손쉽게 측정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 별도의 샘플 웨이퍼의 제작이 필요 없이 단순히 촬상 영상의 분석만을 이용하여 증착 박막의 여러 박막 특성들을 동시에 측정할 수 있어, 증착 박막의 물리적 특성의 측정에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 위한 광학 현미경의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 박막의 물리적 특성 측정장치의 구성도이다.
도 3은 도 2를 이용한 측정방법의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 S310 단계에 따른 촬상 영상의 예이다.
도 5는 도 3의 S310 단계에서 얻어진 촬상 영상에 대한 전체 그레이 스케일 별 전자수 분포를 도시한 것이다.
도 6은 기존의 Elipsometry를 이용하여 실제 측정한 증착률과 본 발명의 실시예에 따른 주어진 그레이 스케일 범위 내에 포함된 전자수 간의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 증착 박막의 물리적 특성 측정장치의 구성도이다.
도 8은 도 7을 이용한 측정방법의 흐름도이다.
도 9는 도 8의 S820 단계에 따른 깊이별 촬상 영상에 대한 연산된 입자수를 나타낸 그래프이다.
도 10은 기존의 Elipsometry를 이용하여 실제 측정한 굴절률과 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 변곡 지점의 깊이 간의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 위한 광학 현미경의 개략 구성도이다. 광학 현미경은 레이저(Laser), 빔 분할기(Beam splitter), 마이크로 렌즈(Microscope Lens), 그리고 CCD(Charge Coupled Device) 센서로 구성된다. 전자수 분포의 측정을 위해 100배 (x100) 이상의 배율을 가진 마이크로 렌즈를 사용하며, 스테이지에 놓인 샘플(증착 박막)과 마이크로 렌즈 사이의 간격은 1 mm 이내로 조정한다.
빔 분할기에 의해 분할된 레이저는 증착 박막을 향해 아래로 투과한 후 다시 상부로 반사되어 증착 박막 내부의 전자분포 이미지가 CCD 영상에 저장된다. 여기서, 증착 박막 상에 전자수가 많으면 CCD에 빛이 적게 들어오면서 포토 다이오드에 찍히는 전자수는 작게 되고 촬상 영상이 어둡게 된다. 따라서, 촬상 영상에서 밝은 부분 즉 그레이 스케일 값이 큰 부분은 실제로 증착 박막에서는 전자수가 적은 부분이고, 반대로 어두운 부분 즉 그레이 스케일 값이 작은 부분은 증착 박막에서 전자수가 많은 부분에 해당된다.
상기 CCD 이미지는 본래 2차원 평면인 X, Y 축으로 이루어져 있지만 복원을 통하여 2차원 평면을 Z축으로 이동시켜 3차원의 공간에서 대상물을 구분할 수 있다. 이 복원 기술은 공지된 일반적인 방법으로서 박막 내부의 전자분포를 계산하는 데에 응용된다. 복원 식은 수학식 1을 참조한다.
Figure 112012042142516-pat00001
여기서, u(x,y)는 입력 이미지이고, d는 object가 떨어진 거리이다. kx, ky 는 프레넬 존 패턴(Fresnel zone pattern)을 만들기 위한 특이 함수이다. h(r,c)는 실수부와 허수부로 나뉜다. 수학식 2는 위상, 수학식 3은 크기를 나타내는 것으로서 이를 통해 다시 이미지화할 수 있게 된다.
Figure 112012042142516-pat00002
Figure 112012042142516-pat00003
이하에서는 상기 광학 현미경을 통해 촬상된 영상을 이용하여 증착 박막의 증착률을 연산하는 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 박막의 물리적 특성 측정장치의 구성도이다. 상기 장치(100)는 영상 입력부(110), 전자수 연산부(120), 증착률 연산부(130)를 포함하여, 상기 증착 박막의 증착률 특성을 측정한다.
먼저, 상기 영상 입력부(110)는 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 부분이다. 그리고, 상기 전자수 연산부(120)는 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산한다. 상기 증착률 연산부(130)는 상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산한다.
도 3은 도 2를 이용한 측정방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조로 하여 상기 증착률을 연산하는 방법을 설명한다.
먼저, 상기 영상 입력부(110)에서는 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는다(S310).
도 4는 도 3의 S310 단계에 따른 촬상 영상의 예이다. 이러한 도 4는 도 1에 200W의 소스 파워를 적용하고 SiH4 8 sccm, NH3 22 sccm의 조건에서 촬영한 CCD 영상이다.
도 5는 도 3의 S310 단계에서 얻어진 촬상 영상에 대한 전체 그레이 스케일 별 전자수 분포를 도시한 것이다. 이러한 도 5는 소스 파워를 200, 400, 600, 800W로 변화시켜 얻어진 각각의 촬상 영상에 관한 전자수 분포도에 해당되며, 각 파워 별로 입자 분포가 다른 것을 수 있다.
본 실시예에서 촬상 영상의 그레이 스케일 값은 0~255 범위를 갖는다. 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중에서 각각의 그레이 스케일 값에 해당되는 전자수를 도 5의 그래프와 같이 나타낸 결과, 낮은 그레이 스케일 값 쪽으로 전자수가 밀집해 있는 것을 확인할 수 있다.
이후, 상기 전자수 연산부(120)에서는 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산한다(S320).
여기서, 상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식 4로 정의된다.
Figure 112012042142516-pat00004
여기서, Gmin 및 Gmax는 상기 촬영 영상에 대한 최소 그레이 스케일 값 및 최대 그레이 스케일 값이고, T는 상기 최대 그레이 스케일 값의 10~15%에 해당되는 값이다.
예를 들어, 임의의 그레이 스케일 범위는 6과 223 값 사이일 수 있다. 이때, Gmin는 6, T는 255의 12.5%에 해당되는 값인 32를 사용한 것으로서, Gmax-T = 255-32 = 223이다. 여기서, 실제 표현 가능한 최소 그레이 스케일 값은 0이지만, 상기 촬상 영상에서 0~5의 그레이 스케일 값을 갖는 픽셀은 거의 존재하지 않으므로 Gmin 값을 6으로 바로 사용하여도 무관하다.
그리고, 상기와 같은 임의의 그레이 스케일 범위에 포함되는 전자수의 연산은 수학식 5를 참조한다.
Figure 112012042142516-pat00005
여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내에 속하는 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값이다. 여기서, M은 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 그레이 스케일 값들의 개수를 나타낸다
그리고, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수이고, LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다. 8 비트의 영상의 경우 대략 LSB 당 180개의 전자가 발생한다.
예를 들어, 상기 임의의 그레이 스케일 범위가 6~223(G1=6, GM=223)인 경우, N11×(GMAX-G11)×n만 구하고자 할 때, N11은 촬상 영상의 모든 픽셀들 중 11번째 그레이 스케일 값(G11=16)을 갖는 픽셀들의 개수, GMAX는 255, G11=16, n=180을 적용하여 연산하면 된다. 만약, N11이 1인 경우 1×(255-16)×180=43020로서, 그레이 스케일 값 16에 해당되는 픽셀들에 존재하는 모든 전자수는 43020 개이다. 이러한 원리를 이용하여 상기 전자수 연산부(120)는 6~223의 그레이 스케일 범위 전체에 포함된 전자수를 연산할 수 있다.
이후, 증착률 연산부(130)에서는 상기 S320 단계에서 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산한다(S330).
도 6은 기존의 Elipsometry를 이용하여 실제 측정한 증착률과 본 발명의 실시예에 따른 주어진 그레이 스케일 범위(ex, 6~223 범위) 내에 포함된 전자수 간의 상관 관계를 도시한 그래프이다. 가로축은 광학 현미경에 적용된 RF 소스 파워 값을 나타내고, 좌측 세로축은 Elipsometry를 사용한 경우에 측정 증착률(Deposition rate) 값, 우측 세로축은 본 발명을 사용한 경우 연산되는 전자수(Particle counts)를 나타낸다.
이러한 도 6으로부터, 각 파워별 그래프 추이를 보면 본 발명에 의해 연산된 전자수와 기존 Elipsometry를 통해 측정된 증착률 사이에 매우 깊은 상관성이 있음을 확인할 수 있다. 이는 입자수의 변이로 증착률의 변이를 감시할 수 있음을 의미한다.
여기서, 사용된 소스 파워에 따라 실제 증착률과의 이격 정도가 약간 다르지만 그 추이는 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 수학식 5를 통해 연산된 전자수에 별도의 스케일 인자(양의 상수)를 곱하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하도록 한다. 예를 들어, 도 6에서 800W를 사용한 경우, 연산된 전자수는 3194884이고 실제 증착률은 약 400이므로, 194884을 400으로 만들기 위한 스케일 인자는 0.0020525이다. 이에 따라 800W 소스를 사용한 촬상 영상에 대해서는 전자수에 대한 스케일 인자 값으로 0.0020525 값을 사용한다.
물론, 다른 소스 파워를 사용한 경우에도 위와 같은 원리를 통해 그에 대응되는 고유 스케일 인자 값을 사용한다. 즉, 상기 스케일 인자는 상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 달리 결정되며, 이는 도 6의 데이터로부터 쉽게 획득할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 촬상 영상으로부터 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 것만으로도 증착 박막의 증착률을 손쉽게 측정할 수 있는 이점이 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 증착 박막의 물리적 특성 측정장치의 구성도이다. 상기 장치(200)는 영상 입력부(210), 전자수 연산부(220), 깊이 탐색부(230), 굴절률 연산부(240)를 포함하여 상기 증착 박막의 굴절률 특성을 측정한다.
상기 영상 입력부(210)는 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는 부분이다. 여기서, 깊이별 촬상 영상은 앞서 광학 현미경에 의한 3차원 공간의 object 구분 방법을 이용한다.
상기 전자수 연산부(220)는 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산한다. 상기 깊이 탐색부(230)는 상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득한다. 본 실시예에서 전자수의 변화량이란 전자수의 감소량에 대응된다. 그리고, 상기 굴절률 연산부(240)는 상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산한다.
도 8은 도 7을 이용한 측정방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 7 및 도 8을 참조로 하여 상기 굴절률을 연산하는 방법을 설명한다.
먼저, 영상 입력부(210)에서는 광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는다(S810). 촬상 영상의 획득 방법은 앞서 일 실시예의 경우와 동일하며 굴절률의 경우 깊이별 촬영 영상을 획득한다.
다음, 전자수 연산부(220)에서는 상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산한다(S820).
상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함되는 전자수의 연산은 앞서의 수학식 5와 동일한 원리로 연산한다. 다만 S820 단계의 경우 상기 전자수의 연산을 깊이별 촬상 영상마다 연산한다. 즉, 수학식 5의 연산을 깊이 별로 수행한다.
여기서, 상기 임의의 그레이 스케일 범위는 앞서 일 실시예에서 설명한 수학식 4의 경우와 동일하거나 유사 범위에 해당할 수 있다. 이하 본 실시예서 굴절률 측정에 사용된 임의의 스케일 범위는 0~200 범위에 해당되나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 도 8의 S820 단계에 따른 깊이별 촬상 영상에 대한 연산된 입자수를 나타낸 그래프이다. 여기서, 가로 축은 증착 박막의 깊이(d)를 의미하는 것으로서 S_0.001은 표면으로부터 0.001㎛의 깊이에 해당되고, S_6.1은 표면으로부터 6.1㎛의 깊이에 해당된다.
d는 가장 작은 0.001부터 박막 증착이 시작되는 위치까지 증가시키고, 각 d의 위치에서 프레넬 존 패턴을 복원하게 된다. 복원된 패턴에서 해당 그레이 스케일 범위에 속하는 입자수가 계산이 된다.
이러한 도 9는 증착 박막을 층분해하여 각 층에서의 입자수를 쉽게 확인할 수 있게 한다. 증착 박막은 웨이퍼의 상부에 임의의 높이로 형성되는 박막으로서, 본 실시예에서는 박막 표면으로부터 깊이별 전자수를 이용한다면 증착 박막의 굴절률을 알 수 있다.
이후, 상기 깊이 탐색부(230)에서는 상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득한다(S830). 상기 전자수의 변화량은 구체적으로 단위 깊이당 전자수 감소량 혹은 전자수 감소 속도에 해당될 수 있다.
도 9의 경우 상기 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이(d)는 6.1㎛의 깊이에 해당된다. 참고로 도 9에서 깊이 2.3㎛ 부근의 경미한 입자수 감소는 그 감소량이 기준값보다 작은 경우로서 불량 증착된 깊이 부위에 해당될 수 있다.
이러한 6.1㎛의 깊이 지점을 기준으로 전자수(입자수)의 급격한 감소와 증가가 있다는 것은 6.1㎛에 해당되는 깊이 위치에서 증착이 시작된 것을 의미한다. 증착의 시작 부분은 웨이퍼의 바로 윗 표면 부위에 해당될 것이다. 이와 같은 방식으로 여러 소스 파워에서의 박막을 깊이 별로 분해하여 분석한 결과를 얻을 수 있다.
이후, 상기 굴절률 연산부(240)에서는 상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산한다(S840).
도 10은 기존의 Elipsometry를 이용하여 실제 측정한 굴절률과 본 발명의 실시예에 따라 얻어진 변곡 지점의 깊이 간의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
가로축은 광학 현미경에 적용된 RF 소스 파워 값을 나타내고 좌측 세로축은 본 발명을 사용한 경우 획득된 변곡 지점의 깊이(Reconstruction variable)를 나타내고, 우측 세로축은 Elipsometry를 사용한 경우에 측정된 굴절률(Refractive index) 값을 나타내는 축이다.
이러한 도 10으로부터, 각 파워별 그래프 추이를 보면 본 발명에 의해 획득된 변곡 지점의 깊이와 기존 Elipsometry를 통해 측정된 굴절률 사이에 매우 깊은 상관성이 있음을 확인할 수 있다. 이는 변곡 지점의 깊이를 굴절률의 변화 감시에 효과적으로 적용할 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 굴절률 변화는 소숫점 둘째 자리의 값이 변하는 매우 미미한 변이를 보임에도 불구하고 본 발명의 방식은 그와 유사한 변이를 보인다는 점을 통해 본 발명은 미세 굴절률 변화의 감시에도 효과적으로 적용할 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 사용된 소스 파워에 따라 실제 굴절과의 이격 정도가 약간 다르나 그 추이는 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 변곡 지점의 깊이에 별도의 스케일 인자(양의 상수)를 곱하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하도록 한다. 예를 들어, 800W를 사용한 경우, 변곡 지점의 깊이는 6.1이고 실제 굴절률은 약 1.79이므로 6.1을 1.79로 만들기 위한 스케일 인자는 0.29344이다. 즉, 800W 소스를 사용한 촬상 영상에 대해서는 본 발명에 의해 탐색된 해당 변곡 지점의 깊이에 대한 스케일 인자 값으로 0.29344 값을 사용한다.
물론, 다른 소스 파워를 사용한 경우에도 위와 같은 원리를 통해 그에 대응되는 고유 스케일 인자 값을 사용한다. 즉, 굴절률 연산 시에 사용되는 스케일 인자는 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 달리 결정되며, 이는 도 10의 데이터로부터 쉽게 획득할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 깊이별 촬상 영상으로부터 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이 별 촬영 영상마다 연산한 다음 전자수가 급감하는 변곡 지점의 깊이를 탐색하여, 이로부터 증착 박막의 굴절률을 손쉽게 측정할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 광학 현미경을 이용하여 촬상된 영상을 이용하여 증착률과 굴절률 특성을 동시에 측정할 수 있어, 여러 특성을 동시 측정하는 박막 특성 감시 시스템으로 활용할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 별도의 샘플 웨이퍼의 제작이 필요 없이 단순히 촬상 영상의 분석만을 이용하여 증착 박막의 여러 박막 특성들을 동시에 측정할 수 있어, 증착 박막의 물리적 특성의 측정에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 200: 증착 박막의 물리적 특성 측정장치
110,210: 영상 입력부 120,220: 전자수 연산부
130: 증착률 연산부 230: 깊이 탐색부
240: 굴절률 연산부

Claims (14)

  1. 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 이용한 증착 박막의 물리적 특성 측정방법에 있어서,
    광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 단계;
    상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 단계를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법:
    Gmin < 임의의 그레이 스케일 범위 < Gmax-T
    여기서, Gmin 및 Gmax는 상기 촬상 영상에 대한 최소 및 최대 그레이 스케일 값, T는 상기 최대 그레이 스케일 값의 10~15%에 해당되는 값이다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 단계는,
    상기 전자수에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하되,
    상기 스케일 인자는,
    상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법:
    전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
    여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
  5. 증착 박막의 물리적 특성 측정장치를 이용한 증착 박막의 물리적 특성 측정방법에 있어서,
    광학 현미경을 이용하여 촬상된 상기 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는 단계;
    상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산하는 단계;
    상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득하는 단계; 및
    상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 단계는,
    상기 변곡 지점의 깊이에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하되,
    상기 스케일 인자는,
    상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정방법:
    전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
    여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
  8. 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 표면에 대한 촬상 영상을 입력받는 영상 입력부;
    상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 연산하는 전자수 연산부; 및
    상기 연산된 전자수를 이용하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하는 증착률 연산부를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치:
    Gmin < 임의의 그레이 스케일 범위 < Gmax-T
    여기서, Gmin 및 Gmax는 상기 촬상 영상에 대한 최소 및 최대 그레이 스케일 값, T는 상기 최대 그레이 스케일 값의 10~15%에 해당되는 값이다.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 증착률 연산부는,
    상기 전자수에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 증착률을 연산하되,
    상기 스케일 인자는,
    상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정되는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치:
    전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
    여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
  12. 광학 현미경을 이용하여 촬상된 증착 박막의 내표면에 대한 깊이별 촬상 영상을 각각 입력받는 영상 입력부;
    상기 촬상 영상 내에서 임의의 그레이 스케일 범위에 속하는 픽셀들을 이용하여 상기 임의의 그레이 스케일 범위에 포함된 전자수를 상기 깊이별 촬상 영상마다 연산하는 전자수 연산부;
    상기 깊이별로 연산된 상기 전자수를 이용하여 상기 전자수의 변화량이 기준값보다 큰 변곡 지점의 깊이를 획득하는 깊이 탐색부; 및
    상기 변곡 지점의 깊이를 이용하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하는 굴절률 연산부를 포함하는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 굴절률 연산부는,
    상기 변곡 지점의 깊이에 스케일 인자를 곱하여 상기 증착 박막의 굴절률을 연산하되,
    상기 스케일 인자는,
    상기 광학 현미경에 적용된 소스 파워의 크기에 따라 결정되는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 전자수는 아래의 수학식으로 정의되는 증착 박막의 물리적 특성 측정장치:
    전자수 = Σ(Ni×(GMAX-Gi)×n)
    여기서, Ni는 상기 촬상 영상을 구성하는 픽셀들 중 상기 임의의 그레이 스케일 범위 내의 i번째 그레이 스케일 값에 해당되는 픽셀들의 개수, Gi는 상기 i번째 그레이 스케일 값, GMAX는 상기 촬상 영상에서 표현 가능한 최대 그레이 스케일 값, n은 상기 픽셀에 대한 비트열의 LSB당 발생하는 전자수, 상기 LSB(Least significant bit)는 2진수로 표현된 비트열 중에서 최하위의 비트 또는 상기 비트열의 최하위 비트를 의미한다.
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