KR101326204B1 - 박막 두께 측정장치 및 방법 - Google Patents

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, 제1광원, 상기 제1광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원, 상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부 및 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하고, 상기 제1검출부는 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역과 겹쳐지는 영역을 제외한 나머지 영역을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정한다.

Description

박막 두께 측정장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THICKNESS OF THIN FILM}

본 발명은 형상측정기능이 통합된 박막 두께 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 형상측정기능의 고 분해능을 유지함과 동시에 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 박막 두께 측정장치 및 방법에 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 측정장치 및 방법을 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 측정장치 및 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 보다 효율적이고 정교한 측정이 가능한 박막 두께 측정장치 및 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 측정 편의성을 향상시킬 수 있으며, 측정 시간을 단축할 수 있는 박막 두께 측정장치 및 방법을 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 조사되는 광의 경로 상에 제공되며 선택적으로 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적을 조절하는 조리개부, 조리개부를 통과한 광을 박막에 집속하고 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하며, 제1검출부가 박막의 두께를 측정하는 동안, 조리개부는 광원으로부터 조사되는 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킨다. 본 발명은 대물렌즈가 아닌 광원부를 조작함으로써 목적을 달성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명은 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적을 선택적으로 가변시킴으로써, 박막의 영상 정보 검출시와 박막의 두께 측정시 각각 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적의 크기를 조절할 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.

광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 조리개부에 의해 차단되는 부위는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 변경될 수 있다. 일 예로, 조리개부는 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위를 차단하고, 광원의 광축 중심부에 인접한 부위만을 부분적으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 조리개부가 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위가 아닌 여타 다른 부위를 차단하도록 구성될 수도 있다.

조리개부는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 조리개부는 광원으로부터 조사된 광을 집광하는 집광렌즈, 및 집광렌즈를 통과한 광이 집광되는 부위에 제공되며 집광렌즈에 의해 집광된 광이 통과되는 면적을 선택적으로 조절하는 구경조리개(aperture stop)를 포함하여 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, 조리개부는 조명의 파장, 밝기 등을 조정하는 기능의 필터를 포함하는 하우징을 포함할 수 있다. 아울러, 가변 혹은 고정된 구경 크기의 구경조리개는 하우징의 일면에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있는 바, 고정된 구경 크기의 구경조리개가 경우 하우징에 조립된 상태에서는 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 일부가 차단될 수 있으며, 고정된 구경 크기의 구경조리개가 하우징으로부터 분리된 상태에서는 광원으로부터 조사되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다.

또한, 하우징의 다른 일면에는 광원으로부터 조사된 광의 광학적 특성을 가변시키기 위한 광학필터가 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 일 예로, 광학필터로서는 반사광도계(Reflectometry)에서 사용되는 파장만을 통과시키기 위한 밴드패스필터(band-pass filter), 및 밝기를 조정하기 위한 필터가 사용될 수 있으며, 광학필터의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

또한, 전술한 구경조리개 및 광학필터는 구조적으로 서로 연결되어 하우징에 동시에 조립 및 분리되도록 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 구경조리개 및 광학필터가 하우징에 각각 별도로 조립 및 분리되도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서는 조리개부가 광원에 인접하게 배치되어 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적을 가변시키도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 조리개부를 대물렌즈의 상부에 인접하게 배치하고, 조리개부에 의해 대물렌즈로 안내되는 광의 조사면적이 선택적으로 가변되도록 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 광원, 광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 제공되며 선택적으로 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적을 가변시키는 가변 혹은 고정된 구경 크기의 조리개부, 조리개부를 통과한 광을 박막에 집속하고 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하는 박막 두께 측정장치를 이용한 박막 두께 측정방법은, 광원으로부터 광을 조사하는 단계, 광학계를 통과한 광을 이용하여 제2검출부에서 박막의 영상 정보를 검출하는 단계, 조리개부를 이용하여 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적을 가변시키는 단계, 조사면적이 가변된 상태로 광학계를 통과한 광을 이용하여 제1검출부에서 박막의 두께를 측정하는 단계를 포함하고, 광의 조사면적을 가변시키는 단계에서 광원으로부터 조사되는 광 중 일부는 차단되고 나머지 일부만이 부분적으로 통과된다.

아울러, 광의 조사면적을 가변시키는 단계에서, 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위가 차단될 수 있고, 광원의 광축 중심부에 인접한 부위만이 부분적으로 통과될 수 있다. 또한, 조리개부에서 광학계로 조사되는 광의 광학적 특성을 가변시킬 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치는, 제1광원; 상기 제1광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원; 상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계; 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부; 및 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부;를 포함하고, 상기 제1검출부는 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역과 겹쳐지는 영역을 제외한 나머지 영역을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정한다.

삭제

제2광원으로부터 조사된 단일 파장 광과 제1광원에서 조사된 광이 겹쳐지는 부위는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절히 변경될 수 있다. 일 예로, 제2광원으로부터 조사되는 단일 파장 광은 제1광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위에 겹쳐지도록 조사될 수 있다. 경우에 따라서는 제2광원으로부터 조사되는 단일 파장 광이 제1광원으로부터 조사되는 광의 조사면적의 둘레 가장자리 부위가 아닌 여타 다른 부위에 겹쳐지도록 조사되는 것도 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대물렌즈를 통과하는 광 영역 중 광 경로차를 유발하는 부위에 의도적으로 단일 파장 피크 광을 조사함으로써, 측정을 통한 반사도분포곡선이 모델링된 반사도분포곡선과 비교 가능한 형태로 산출될 수 있다. 따라서, 제1검출부는 제1광원으로부터 조사된 광 영역 중 제2광원으로부터 조사된 단일 파장 광과 겹쳐지는 부위를 제외한 나머지 부위를 이용하여 박막의 두께를 측정할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제1광원, 상기 제1광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원, 상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사된 광을 박막에 집속하고 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하는 박막 두께 측정장치를 이용한 박막 두께 측정방법에 있어서, 상기 제1광원으로부터 광을 조사하는 단계; 상기 제1광원으로부터 조사되어 상기 광학계를 통과한 광을 이용하여 상기 제2검출부에서 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 단계; 상기 제2광원으로부터 단일 파장 광을 조사하는 단계; 상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사되어 상기 광학계를 통과한 광을 이용하여 상기 제1검출부에서 상기 박막의 두께를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 박막의 두께를 측정하는 단계에서, 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역과 겹쳐지는 영역을 제외한 나머지 영역을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정한다.

아울러, 단일 파장 광을 조사하는 단계에서, 단일 파장 광은 제1광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위에 겹쳐지도록 조사될 수 있다.

본 발명에 따른 박막 두께 측정장치 및 방법에 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 광원 측에 제공되는 조리개부를 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 대물렌즈에 다파장 광과 함께 단일 파장 피크 광이 함께 입사될 수 있게 함으로써, 대물렌즈를 통과하는 광의 경로차에 의한 측정 불능 현상을 방지할 수 있으며, 고 해상도로 박막을 관찰하면서 박막의 두께를 정확히 측정할 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 3은 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치로서, 구경조리개 및 광학필터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 두께 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 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 3은 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치로서, 구경조리개 및 광학필터를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 4 내지 도 7은 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.

이하에서는 광원으로부터 조사된 광의 조사면적으로 가변시킴으로써, 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적이 가변될 수 있도록 구성된 예를 들어 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치는 광원(110), 조리개부(120), 광학계(130), 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 조리개부(120)는 광원(110)으로부터 조사되는 광의 경로 상에 제공되며, 광원(110)으로부터 조사되는 광의 조사면적을 조절할 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 조리개부(120)는 광원(110)으로부터 조사된 광 중 일부를 차단하고 나머지 일부만을 부분적으로 통과시킬 수 있도록 구성된다. 일 예로, 상기 조리개부(120)는 광원(110)으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위를 차단하고, 광원(110)의 광축 중심부에 인접한 부위만을 부분적으로 통과시키도록 구성될 수 있다.

상기 조리개부(120)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 이하에서는 조리개부(120)가 집광렌즈(122) 및 구경조리개(124)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 구경조리개(aperture stop)(124)는 집광렌즈(122)를 통과한 광이 집광되는 부위에 배치될 수 있으며, 상기 집광렌즈(122)에 의해 집광된 광이 통과되는 면적을 조절할 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 구경조리개(124)가 크게 열릴수록 구경조리개(124)를 통과하는 광의 면적이 증가할 수 있고, 반대로 구경조리개(124)가 작게 열릴수록 구경조리개(124)를 통과하는 광의 면적이 감소할 수 있다.

상기 구경조리개(124)로서는 통상의 카메라에 사용되는 가변 가능한 구경 크기 또는 고정된 구경 크기를 갖는 조리개 구조가 적용될 수 있으며, 구경조리개(124)의 구조 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에서는 구경조리개가 집광렌즈의 후방에 배치된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 구경조리개가 집광렌즈의 전방 또는 여타 다른 위치에 배치되는 것이 가능하다.

상기 조리개부(120)는 하우징(123)을 포함할 수 있으며, 전술한 구경조리개(124)는 하우징(123)의 일면에 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 수 있다. 일 예로, 상기 하우징(123)은 내부에 소정의 수용공간을 갖는 박스 형태로 제공될 수 있으며, 구경조리개(124)는 하우징의 측면 또는 상하면으로부터 진입되어 하우징 내부에 수용될 수 있다. 경우에 따라서는 구경조리개가 하우징의 외면에 부착되도록 구성할 수도 있다.

아울러, 고정된 구경 크기를 갖는 구경조리개가 사용될 경우, 구경조리개가 하우징에 조립된 상태에서는 광원으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 일부가 차단될 수 있으며, 구경조리개가 하우징으로부터 분리된 상태에서는 광원으로부터 조사되는 광 전체를 조명으로 사용할 수 있다. 한편, 가변 가능한 구경 크기를 갖는 구경조리개가 사용될 경우에는 별도의 조립 및 분리없이 구경조리개 자체의 구경 크기를 조절함으로써 대물렌즈를 통과하는 조명(광)의 유효면적을 조절할 수 있다.

또한, 상기 하우징(123)의 다른 일면에는 광학필터(126)가 선택적으로 분리 및 조립 가능하게 모듈화될 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 조리개부(120)는 구경조리개(124)를 통과한 광을 평행 광선으로 변환하는 콜리메이팅(collimating) 렌즈(128)를 포함할 수 있으며, 구경조리개(124)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 조리개부(120)를 통과한 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 조리개부(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 조리개부(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 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 7의 A)을 완성시킬 수 있다. 그 후, 상기와 같이 측정된 반사도분포곡선(도 7의 A)과, 수학식에 의해 모델링된 반사도분포곡선(도 7의 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.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 단 하나의 대물렌즈가 사용된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 실시간으로 교체 가능한 서로 다른 분해능을 갖는 복수개의 대물렌즈가 사용될 수 있으며, 대물렌즈의 개수 및 분해능에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기로 한다. 도 4 내지 도 7은 조리개부에 의해 광원으로부터 조사된 광의 조사면적이 가변됨에 따른, 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 구경조리개(124)가 최대로 개방된 상태에서는 광원(110)으로부터 조사된 광(B1)이 전체적으로 대물렌즈(134)를 통과할 수 있다. 이때는 제2검출기에 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.

도 4 및 도 6을 참조하면, 구경조리개(124)가 일부 닫힌 상태에서는 광원(110)으로부터 조사된 광 중 특정 일부(B2)만이 부분적으로 대물렌즈(134)를 통과할 수 있다. 이때는, 광원(110)으로부터 조사되는 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.

한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 두께 측정장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 두께 측정장치에 의한 박막 두께 측정과정을 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

전술한 실시예에서는 광원으로부터 조사된 광의 조사면적으로 가변시킴으로써 대물렌즈를 통과하는 광의 유효면적이 가변될 수 있도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 대물렌즈에 다파장 광과 함께 단일 파장 피크 광이 함께 입사될 수 있게 함으로써, 대물렌즈를 통과하는 광의 경로차에 의한 측정 불능 현상을 방지할 수 있다.

도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 두께 측정장치는 제1광원(210), 상기 제1광원(210)으로부터 조사되는 광의 경로 상에 선택적으로 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원(212), 상기 제1 및 제2광원(212)으로부터 각각 조사된 광을 박막(F)에 집속하고, 박막(F) 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈(234)를 포함하는 광학계(230), 상기 광학계(230)로부터 안내된 광을 이용하여 박막(F)의 두께를 측정하는 제1검출부(240), 및 상기 광학계(230)로부터 안내된 광을 이용하여 박막(F)의 영상 정보를 검출하는 제2검출부(250)를 포함한다.

상기 제1광원(210)으로서는 전술한 실시예의 광원과 동일 또는 유사한 통상의 백색광원이 사용될 수 있다.

상기 제2광원(212)은 제1광원(210)으로부터 조사되는 광의 경로 상에 선택적으로 특정 파장 대역의 단일 파장 피크 광을 조사하도록 제공된다. 상기 제2광원(212)으로부터 조사되는 광의 파장 대역은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절히 변경될 수 있다. 일 예로, 상기 제2광원(212)으로서는 레이저가 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 제2광원으로서 단일 파장 피크 광을 조사 가능한 여타 다른 통상의 단일 파장 광원이 사용될 수 있다.

상기 제2광원(212)으로부터 조사된 단일 파장 광은 제1광원(210)에서 조사된 광의 조사면적 중 적어도 일부에 겹쳐지도록 조사된다. 일 예로, 상기 제2광원(212)으로부터 조사되는 단일 파장 광은 제1광원(210)으로부터 조사되는 광의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위(대물렌즈를 통과하는 광 영역 중 광 경로차를 유발하는 부위)에 겹쳐지도록 조사될 수 있다. 경우에 따라서는 제2광원으로부터 조사되는 단일 파장 광이 제1광원으로부터 조사되는 광의 조사면적의 둘레 가장자리 부위가 아닌 여타 다른 부위에 겹쳐지도록 조사되는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 제1광원에 대해 제2광원이 교차되는 방향으로 배치되고, 제2광원으로부터 조사된 단일 파장 광이 하나의 반투과성 미러에 의해 안내되도록 구성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 제2광원으로부터 조사된 단일 파장 광이 복수개의 반투과성 미러에 의해 안내되도록 구성될 수 있으며, 다르게는 제1광원에 대해 제2광원이 동일 선상에 배치되는 것도 가능하다.

전술한 실시예와 동일 또는 유사한 방식으로, 제1광원(210) 및 제2광원(212)으로부터 조사된 광은 광학계(230)를 통해 박막(F)으로 안내될 수 있으며, 제1검출부(240)는 광학계(230)를 통해 안내된 광을 이용하여 박막(F)의 두께를 측정할 수 있고, 제2검출부(250)는 광학계(230)를 통해 안내된 광을 이용하여 박막(F)의 영상 정보를 검출할 수 있다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 제1광원(210)으로부터 단독적으로 광(B1)이 조사될 시에는 제1광원(210)으로부터 조사된 광(B1)이 전체적으로 대물렌즈를 통과할 수 있다. 이때는 제2검출기(250)에 의한 박막(F)의 영상 정보 검출에 필요한 조명 광이 충분히 확보될 수 있으며, 사용자는 고 분해능으로 박막(F)을 관찰할 수 있다.

도 9 및 도 11을 참조하면, 박막(F)의 두께 측정시에는 제1광원(210)으로부터 광(B1)이 조사됨과 동시에 제2광원(212)에서 단일 파장 피크 광(B2)이 조사될 수 있다. 이때, 상기 제2광원(212)으로부터 조사되는 단일 파장 피크 광(B2)은 제1광원(210)으로부터 조사되는 광(B1)의 조사면적 중 둘레 가장자리 부위에 겹쳐지도록 조사될 수 있기 때문에, 대물렌즈(234)를 통과하는 광(B2',B2")의 경로차에 의한 전술한 측정 불능 현상을 방지할 수 있다.

즉, 제1광원(210)에서 조사된 광만을 이용할 경우에는 대물렌즈(234)를 통과하는 광의 경로차(특히, 대물렌즈의 중앙부를 통과하는 광과, 가장자리 부위를 통과하는 광 간의 경로차)에 의해 측정을 통한 반사도분포곡선이 수학식에 의해 모델링된 반사도분포곡선과 비교하기 어려운 형태(일 예로, 대략 직선 형태)로 산출될 수 있다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 대물렌즈(234)를 통과하는 광 영역 중 전술한 광 경로차를 유발하는 부위(대물렌즈의 가장자리 부위)에 의도적으로 단일 파장 피크 광을 조사함으로써, 도 12와 같이, 측정을 통한 반사도분포곡선이 모델링된 반사도분포곡선(도 7의 B 참조)과 비교 가능한 형태로 산출될 수 있다. 따라서, 상기 제1검출부(250)는 제1광원(210)으로부터 조사된 광 영역(면적) 중 제2광원(212)으로부터 조사된 단일 파장 광과 겹쳐지는 부위(피크 부위)를 제외한 나머지 부위를 이용하여 박막(F)의 두께를 측정할 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 : 조리개부
130 : 광학계
140 : 제1검출부
150 : 제2검출부

Claims (5)

1. 반사광도계의 원리(Reflectometry)를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정장치에 있어서,
   제1광원;
   상기 제1광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원;
   상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사된 광을 상기 박막에 집속하고, 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계;
   상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부; 및
   상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부;를 포함하고,
   상기 제1검출부는 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역과 겹쳐지는 영역을 제외한 나머지 영역을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하며,
   상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역은 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 둘레 가장자리 영역에 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1광원, 상기 제1광원으로부터 조사되는 광의 경로 상에 특정 파장 대역의 단일 파장 광을 조사하는 제2광원, 상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사된 광을 박막에 집속하고 상기 박막 측으로부터 반사된 광을 안내하는 대물렌즈를 포함하는 광학계, 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하는 제1검출부, 및 상기 광학계로부터 안내된 광을 이용하여 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 제2검출부를 포함하는 박막 두께 측정장치를 이용한 박막 두께 측정방법에 있어서,
   상기 제1광원으로부터 광을 조사하는 단계;
   상기 제1광원으로부터 조사되어 상기 광학계를 통과한 광을 이용하여 상기 제2검출부에서 상기 박막의 영상 정보를 검출하는 단계;
   상기 제2광원으로부터 단일 파장 광을 조사하는 단계;
   상기 제1 및 제2광원으로부터 각각 조사되어 상기 광학계를 통과한 광을 이용하여 상기 제1검출부에서 상기 박막의 두께를 측정하는 단계;를 포함하고,
   상기 박막의 두께를 측정하는 단계에서, 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역과 겹쳐지는 영역을 제외한 나머지 영역을 이용하여 상기 박막의 두께를 측정하며,
   상기 단일 파장 광을 조사하는 단계에서, 상기 제2광원의 단일 파장 광이 조사된 영역은 상기 제1광원의 광이 조사된 영역 중 둘레 가장자리 영역에 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
5. 삭제

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