KR101398835B1 - 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측정 대상물을 손상시키지 않고 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 중 적어도 하나를 정확하게 측정할 수 있는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다. 특히, 광 대역폭의 빛을 조사하는 광원부와 상기 광원부로부터 조사되고 측정 대상물로부터 반사된 빛의 간섭 신호로부터 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 중 적어도 하나를 측정하는 간섭계를 포함하는 측정 장치에 있어서, 광원부는 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗으로 변환하는 패브리-페로 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법 {Spectral interferometer using comb generation and detection technique for real-time profile measurement}
본 발명은 측정 대상물을 손상시키지 않고 측정 대상물의 두께, 위치, 표면 형상, 내면 형상 중 적어도 하나를 정확하게 측정할 수 있는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
최근, 액정 디스플레이(LCD), 실리콘 웨이퍼 등의 초미세 전자부품의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서 위 실리콘 웨이퍼 등의 초미세 전자부품의 두께, 위치, 내면 형상 등에 대한 정밀한 측정이 요구되고 있다.
특히, 다수의 웨이퍼 칩을 수직으로 적층하는 3D 반도체 패키징 공정에서, 웨이퍼 층간의 전기적 연결을 위해 실리콘 웨이퍼에는 TSV(Through Silicon Via )라는 가늘고 긴 구멍(이하, '비아홀' 이라 한다)을 형성하고, 상기 비아홀에 도전물질을 채워 웨이퍼 층간의 회로를 연결한다. 상기 비아홀은 지름이 작고 깊이는 긴 구조로 비아홀이 원하는 소정의 깊이와 지름을 가지도록 정상적으로 형성되었는가 확인하기 어려웠다.
이를 구현하기 위해 노광을 통해 미세 선폭을 구현해 왔으나, 회절 한계로 인해 구현할 수 있는 선폭에 제한을 받게 되었다.
이를 극복하기 위해, 극자외선(EUV)과 같은 가시광 보다 짧은 파장의 광을 이용하여 회절 한계를 줄여가는 방법이 제안되었다.
웨이퍼의 비아홀과 같은 초미세 전자 부품의 가공 혹은 제조 상태를 검사하는 종래의 방법으로는 측정하고자 하는 측정 대상물에 광을 조사하여 형상, 두께, 위치를 측정하는 광학적 측정 방법과, 측정하고자 하는 측정 대상물의 단면을 절단하여 주사전자현미경(SEM,scanning electron microscope)으로 검사하는 방법 등이 있다.
종래의 광학적 측정 방법 중 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용한 측정법은 측정 대상물의 측면과 바닥면에서의 난반사 때문에 깊이 측정 오차가 심하여 정확한 깊이 판정이 곤란하고, 백색광 간섭계(white-light scanning interferometer)를 이용한 측정법은 빛이 측정 대상물의 바닥면까지 도달하지 못하거나, 측정 대상물의 표면 형상에 굴곡이 형성된 경우, 상기 굴곡에서 생기는 회절 현상으로 인해 정확한 측정 대상물의 두께, 위치, 표면 및 내면 형상을 측정하기 어려운 점이 있었다.
또한, 주사전자주사현미경(SEM)을 이용한 방법은 측정 대상물을 손상시키는 단점이 있고, 따라서 반도체 패키징 공정에서 웨이퍼 전수 검사 등에 이용될 수 없었다.
일본공개공보 2002-176087
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정 대상물을 손상시키지 않고, 측정 대상물의 위치, 표면 형상, 내면 형상, 두께 등을 정확하게 측정할 수 있는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 또한 측정 대상물의 위치, 표면 형상, 내면 형상, 두께 특히 웨이퍼의 비아홀의 깊이를 고속으로 고해상도로 측정할 수 있는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 외부 진동으로 인한 측정 노이즈를 줄일 수 있는 측정 대상물의 위치, 표면 형상, 내면 형상, 두께 등을 측정할 수 있는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗으로 변환함에 있어, 패브리- 페로 필터를 사용하여 비용을 절감함과 동시에, 주파수 모드 간격 조절이 가능한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 이용한 측정 장치 및 측정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 간섭계에 삼각 기둥 형상의 제1프리즘과 역삼각 기둥형상의 제2프리즘으로 형성된 분광기를 포함하여, 분광된 간섭 신호의 파장간 간격을 일정하게 하여, 검출기의 픽셀의 교정이 요구되지 않는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치는 광원부와 상기 광원부로부터 생성된 광을 측정 대상물에 조사하여 상기 측정 대상물로부터 반사된 빛의 간섭 신호로부터 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 중 적어도 하나를 측정하는 간섭계를 포함하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치에 있어서, 상기 광원부는 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 패브리-페로 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 간섭계는 상기 패브리-페로 필터로부터 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈와 상기 시준렌즈를 통해 변환된 평행광 중 일부는기준광으로 나머지는 측정광으로 분배하여, 각각 기준면과 측정면으로 분배하는 광분배기와 상기 기준면에서 반사된 기준광과 상기 측정면에서 반사된 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭 신호를 검출하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준면은 측정 대상물의 표면이며, 상기 측정면은 측정 대상물의 내면이거나, 상기 기준면은 기준미러의 표면이며, 상기 측정면은 측정 대상물의 표면 또는 내면인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 간섭계는 상기 간섭신호를 각 파장 또는 각 주파수에 따라 분광하는 분광기(spectrometer)와 상기 분광기와 상기 검출기 사이에 배치되어, 상기 분광기의 파장 분해능을 향상시키는 핀홀 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분광기는 프리즘 분광기로, 삼각 기둥 형상의 프리즘으로 형성되거나, 삼각 기둥 형상의 제1프리즘과 역삼각 기둥 형상의 제2프리즘이 연속적으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분광기는 간섭신호를 회절격자로 회절시켜 상기 간섭신호를 각 파장 성분에 따라 분광하는 회절격자 분광기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패브리-페로 필터 전방에는 상기 패브리-페로 필터에 의해 생성된 상기 광대역 광 주파수 빗의 광량을 증폭하는 광증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부가 생성하는 상기 광대역 주파수 빗은 반복률이 1kHz내지 100 GHz 이고, 대역폭이 0.1 nm에서 2000 nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법은
패브리-페로 필터를 이용하여 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 광 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물의 표면에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물의 내면에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 간섭신호 형성 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물의 두께, 내면 형상 중 적어도 하나를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본 발명에 따른 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법은 패브리-페로 필터를 이용하여 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 상기 기준미러의 표면에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물의 표면에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물의 위치, 표면 형상 중 적어도 하나를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 본 발명에 따른 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법은 패브리-페로 필터를 이용하여 광원으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러의 표면에 조사되어 반사되도록 하고, 상기 광대역 광 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물의 표면에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물의 표면과 내면에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물의 표면 형상과 내면 형상을 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 수단에 의하면, 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치를 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법에 의하면, 측정 분해능이 향상되며 펄스 폭이 짧은 펄스를 이용함으로써 신호/노이즈 비가 높은 효과가 있다.
본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법은 비파괴 방식으로 측정 대상물인 초미세 전자부품 특히, 실리콘 웨이퍼의 비아홀의 불량여부를 고속으로 정확히 확인할 수 있으므로 3D 반도체 패키징 공정에서의 활용도가 우수하고, 반도체 패키지의 수율이 향상되며, 기계진동이 측정 품질에 미치는 영향이 최소화된다.
본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법은 패브리-페로 필터를 이용함으로써, 광원부에서 출력되는 광대역 광 주파수 빗의 주파수 모드 간격을 조절할 수 있어, 검출기 종류에 제약 받지 않는 효과가 있다.
본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법은 삼각 기둥 형상의 제1프리즘과 역삼각 기둥 형상의 제2프리즘으로 형성된 분광기를 통해 분광 파장간 간격이 균일되는바, 검출기의 픽셀의 교정이 요구되지 않아, 측정 시간이 단축되고, 제조비용이 감소되는 효과가 발생된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 실리콘 웨이퍼의 배면에 적용한 구성도.
도 2는 도 1의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 이용하여 비아홀의 깊이와 지름을 측정할 때 빛의 반사 경로를 도시한 모식도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치의 구성도
도 4는 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치의 또 다른 실시예의 구성도
도 5은 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치에 포함된 패브리-패로 필터의 구성도.
도 6a은 본 발명의 패브리-패로 필터에서 생성된 레이저 펄스를 주파수 도메인으로 나타낸 도면.
도 6b는 본 발명의 패브리-패로 필터에서 생성된 레이저 펄스를 파장 도메인으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 프리즘 분광기 및 핀홀 어레이의 동작을 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 회절격자 분광기 및 핀홀 어레이의 동작을 나타낸 도면
이하, 본 발명에 따른 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
측정 대상물은 일정 두께를 갖는 물체로, 제1면과 제2면을 갖는바, 본 발명에서는 광원에서 조사된 빛이 제일 먼저 도달된 면을 측정 대상물의 표면으로 지칭하기로 하며, 광원에서 조사된 빛이 나중에 도달되는 면을 측정 대상물의 내면으로 지칭하기로 한다.
본 발명에 따른 콤 생성 장치는 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)을 생성하는 장치로, 광원(11)에서 생성된 적외선 또는 근적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗으로 변환하는 장치이다. 특히, 본 발명에서는 상기 콤 생성 장치로 기존의 팸토 초 레이저 대신, 패브리- 페로 필터(12)에 의해 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)이 생성된다.
또한, 본 발명에 따른 콤 검출장치는 상기의 광대역 광 주파수 빗을 측정 대상물(100)에 조사하여 측정 대상물(100)로부터 반사된 빛의 간섭신호를 검출하는 장치로, CCD 카메라가 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 콤 검출장치는 간섭신호를 각 파장에 따라, 또는 각 주파수에 따라 분광하는 분광기(25)를 더 포함할 수 있다. 또한, 더욱 바람직하게는 상기 콤 검출장치는 검출기(23), 분광기(25)와 함께, 분광기(25)의 파장 분해능을 향상시키도록 핀홀 어레이(26)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치는 측정 대상물에서 반사되는 빛의 간섭 현상을 이용하여 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 등을 측정하는 것이다.
특히, 실리콘 웨이퍼에 형성된 비아홀 바닥의 경계면(이하, 바닥면이라 함)에서 반사되는 빛의 간섭현상을 이용하여 비아홀의 깊이와 지름을 측정할 수 있다. 반도체용 실리콘 웨이퍼는 매우 균일하게 결정이 형성되는 단결정 구조이므로 빛은 단일 매질인 실리콘 웨이퍼를 통과할 때 매질의 중간에서는 굴절되지 않게 되며, 이에 따라 비아홀 바닥의 경계면과 웨이퍼 전면 또는 배면의 외부 경계면으로부터 반사된 빛으로부터 비아홀의 깊이에 대한 정보를 얻을 수 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 이용한 측정 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 광원부(1)와 간섭계(2)를 포함한다. 상기 광원부(1)는 광원(11)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗(comb)으로 변환하는 생성하는 패브리-페로 필터(12)를 포함한다.
또한, 바람직하게 상기 패브리-페로 필터(12)에 의해 생성된 상기 광대역 적외선 광을 간섭계(2)에 적용하기 충분한 광량이 되도록 증폭하는 증폭기(13)를 더 포함할 수 있다.
상기 광원(11)은 적외선 혹은 근적외선 영역의 단일 파장의 광을 생성하는 초발광다이오드 (SLD: Super-Luminescent Diode), LED, DFB레이저(Distributed Feed Back laser) 중 어느 하나일 수 있다.
바람직하게 상기 광원(11)은 적외선 혹은 근적외선 영역의 단일 파장의 광을 생성하는 초발광다이오드가 바람직하다. 초발광다이오드는 레이저에 비해 간섭 길이(coherency length)가 짧고 낮은 동작 전류에서 높은 이득을 갖는 장점이 있다.
도 5는 패브리-페로 필터(12)를 도시한 것이며, 도 6은 상기 패브리-페로 필터(12)에 의해 생성된 광대역 광 주파수 빗이다. 도 5을 참조하면, 패브리-페로 필터(12)는 2개의 평행한 구면 거울(12a, 12b)로 구성된다. 이 패브리- 페로 필터(12)는 반사율이 큰 2개의 평행한 구면 거울(12a, 12b)을 서로 마주보게 하여 공동(cavity)를 형성하며, 상기 공동에서 발생한 광파가 거울에 반사된 광파와 간섭을 일으켜 특정 파장의 광파만 남고 나머지는 상쇄되는 필터다.
상기 패브리-페로 필터(12)는 일종의 주파수 발생기로, 그에 의해 생성되는 광대역 레이저 펄스의 반복률(repetition rate)은 기준클럭(Rb-reference clock)에 잠금되어 안정화되어 있다.
도 6a은 위 패브리-페로 필터(12)에 의해 발생된 광대역 광 주파수 빗을 주파수 도메인으로 나타낸 것이다. 본 발명의 패브리- 페로 필터(12)에 조사되는 광은 적외선 혹은 근적외선 영역의 광으로, 상기 적외선 영역의 광이 상기 패브리- 페로 필터(12)를 통과하는 경우, 도 6a과 같은 광대역 광 주파수 빗(broad mode spacing of the optical comb)을 형성한다. 상기 패브리-페로 필터(12)에 의해 형성된 빛이 광대역 광 주파수 빗이므로, 빛이 스펙트럼별로 시간차이를 두고 나가도록 할 필요가 없어 측정 시간이 단축되고, 비용이 감소되는 장점이 있다.
이러한 광대역 광 주파수 빗은 주파수 도메인에서 중심 주파수를 중심으로 일정 간격으로 잘 정의된 주파수 성분들로 표현되며, 시간 도메인 영역에서 볼 때는 여러 주파수 성분을 포함한 레이저 펄스가 일정한 주기로 반복되는데 일반적으로 이를 펄스 레이저라 한다. 이와 같이 광 주파수 빗을 형성한 펄스 레이저는 여러 주파수 성분을 가지나 동시에 각 주파수 성분이 매우 잘 정의되고 안정화되어 있어, 간섭 신호의 주기 분석 측면에서 유리하여 측정 대상물(100)의 두께, 내면 형상을 측정하는 경우, 정밀도가 향상된다. 특히 실리콘 웨이퍼의 비아홀(100a)의 깊이를 측정하는 경우, 측정의 정밀도가 보다 향상된다.
도 5과 도 6a를 계속 참조하면, 본 발명의 패브리-페로 필터(12)의 제1구면 거울(12a)과 제2구면 거울(12b) 사이의 간격을 공진기 길이(cavity length)(L)라 한다. 상기 공진기 길이(L)과 주파수 모드 간격(D1)사이에는 다음과 같은 수식이 성립한다.
Figure 112012039386398-pat00001
(여기서, fr: 주파수 모드 간격(D1), C: 빛의 속도, L: 공진기 길이)
따라서, 상기 공진기 길이(L)가 길어질수록 주파수 모드 간격(D1)이 좁아지는 특징이 있다.
또한, 도 6b를 참조하면, 파장 도메인에서 특정 파장 사이의 간격을 파장 모드 간격(D2)라 하며, 상기 공진기 길이(L)를 조절하면, 상기 파장 모드 간격(D2) 또한 조절되어 원하는 파장 모드 간격(D2)을 갖는 광대역 적외선 광을 생성할 수 있다.
검출기(23)는 종류에 따라 파장 모드 간격이 긴 간섭신호까지 검출할 수 있는 것과 파장 간격이 짧은 간섭신호만 검출할 수 있는 것으로 나뉜다. 예컨대 통상적으로 이용되는 검출기(23)는 파장 모드 간격(D2)이 0.02 nm인 간섭신호를 검출할 수 있다. 파장 간격이 0.02 nm 인 간섭신호를 검출할 수 있는 검출기(23)의 경우, 파장 간격이 0.02 nm 이상인 간섭신호는 검출할 수 있으나, 0.02 nm 를 미만인 파장 간격을 갖는 간섭신호는 검출할 수 없다.
따라서, 본 발명의 패브리- 페로 회로(12)를 통하여, 간섭신호의 주파수 모드 간격(D1) 또는 파장 모드 간격(D2)를 조절하는 경우, 검출기(23)의 픽셀수에 따라 원하는 간섭파장 간격을 형성할 수 있는바, 검출기(23)의 픽셀수에 제한되지 않는 장점이 있다.
기존의 광주파수 발생기로 이용되는 펨토 초 레이저는 고가일 뿐만 아니라 검출기(23)의 픽셀수가 많은 경우, 간섭신호의 검출이 가능하나, 검출기(23)의 픽셀수가 적은 경우, 간섭신호를 검출할 수 없는 단점이 있었다. 이에 비해 본 발명의 패브리-페로 필터(12)는 검출기(23)의 종류에 따라 원하는 파장 간격(D2)을 갖는 간섭신호를 생성할 수 있는 바, 검출기(23)의 픽셀수에 따른 검출기(23) 사양의 제한이 없는 장점이 있다.
상기 패브리-페로 필터(12)에 의해 발생되는 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)은 반복률이 수 kHz내지 수백 GHz 이고, 대역폭이 수 nm내지 수백 nm인 스펙트럼의 광대역 빛이고, 바람직하게는 반복률이 1 kHz내지 100 GHz 이고, 대역폭이 0.1 nm에서 2000 nm이다.
상기와 같이 구성된 광원부(1)에 의해 조사되는 빛은 대역폭이 넓어 위상천이(phase shifting) 없이도 광로차(optical path difference)를 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.
간섭계(2)는 하나의 광원(11)으로부터 조사된 광을 둘 또는 그 이상으로 나누어 광로차(光路差)를 갖도록 하여 다시 파면(波面)을 중첩할 때 생기는 간섭을 관측하는 장치를 이용한 측정기로, 상기 간섭계(2)는 패브리-페로 필터(12)로부터 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈(21)와 상기 시준렌즈(21)를 통해 변환된 평행광 중 일부는 기준광으로 나머지는 측정광으로 분배하여, 각각 기준면과 측정면으로 분배하는 광분배기(22)와 상기 기준면에서 반사된 기준광과 상기 측정면에서 반사된 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭 신호를 검출하는 검출기(23)를 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 3 내지 5의 간섭계(2)는 분광기(25)를 더 포함하여, 상기의 간섭신호를 각 파장 성분에 따라 분광할 수 있다. 분광기는 빛의 스펙트럼을 계측하는 장치로서, 간섭분광기, 프리즘 분광기, 회절격자 분광기 등이 있다.
바람직하게 본 발명의 분광기(25)는 프리즘 분광기로 삼각기둥 형상의 프리즘으로 형성된 분광기일 수 있으며, 바람직하게 도 5의 제1프리즘(25a)과 제2프리즘(25b)이 연속으로 형성된 분광기(25)일 수 있다. 도 5에 도시된 분광기(25)는 제1프리즘(25a)과 제2프리즘(25b)이 연속되어 형성되며, 상기 제1프리즘(25a)은 간섭 신호를 처음 입력받는 프리즘으로, 삼각기둥 형상으로 형성되며, 상기 제2프리즘(25b)은 제1프리즘(25a)을 통과한 간섭 신호를 입력받는 프리즘으로 역삼각기둥 형상으로 형성된다. 상기 제1프리즘(25a)은 간섭 신호를 각 파장에 따라 서로 다른 편각을 갖도록 분광하며, 상기 제2프리즘(25b)은 서로 다른 편각을 갖도록 분광된 파장들을 같은 편각을 갖는 파장들로 분광한다.
삼각기둥 형상의 프리즘으로만 구성된 프리즘 분광기를 사용하여 간섭 신호를 분광하는 경우, 주파수에 따라 서로 다른 편각을 갖도록 분광되어 분광 주파수간 간격이 일정하지 않기 때문에, 검출기 픽셀(23a)의 교정이 요구되며, 분광 파장의 범위를 알기 어렵다.
이에 비해, 삼각기둥 형상의 제1프리즘(25a)과 연속으로 역삼각기둥 형상의 제2프리즘(25b)으로 형성된 프리즘 분광기는 간섭 신호의 분광 파장간 간격이 균일해지고, 검출기 픽셀(23a)의 교정이 요구되지 않으며 분광 파장의 범위를 알 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 이용되는 분광기(25)는 간섭신호를 회절격자로 회절시켜 간섭신호를 파장 성분에 따라 분광하는 회절격자 분광기(25c)일 수도 있다. 상기 회절격자 분광기(25c)는 회절격자에 간섭신호를 입사시켜 상기 간섭신호를 파장 별로 분광시킨다. 상기 회절격자 분광기의 회절격자는 균일한 평면 회절격자로 구현될 수 있다. 이때 회절격자 분광기는 저가이며 소형인 장점이 있다. 또한, 상기 회절격자 분광기에 입사되어 분광되는 광원은 점광원 뿐만 아니라 입력슬릿의 광도 가능한바, 상기 입력 슬릿의 광을 미도시된 시준렌즈 등에 의해 평행광으로 변환시켜 회절격자로 분광 회절 시키는 경우, 점(spot) 단위가 아닌 면 단위로 분광할 수 있어 분광 속도가 매우 증가되는 장점이 있다.
상기 회절격자 분광기(26c)의 성능은 회절격자의 크기를 증가시켜 격자선 수를 증가시키거나 격자밀도를 높여 증가시킬 수 있다. 그러나, 격자밀도를 높이는 것은 고도의 정밀기술을 필요로 하며, 회절격자의 크기를 증가시키는 경우 제조비용이 기하급수적으로 증가된다.
바람직하게, 본 발명의 분광기(25)의 주파수 분해능을 향상시키기 위해 분광기(25)와 검출기(23) 사이에 핀홀 어레이(26)를 더 포함할 수 있다. 분광기(25)에서 분광된 간섭신호가 핀홀 어레이(26)의 각 구멍으로만 투과되도록 한다. 핀홀 어레이(26)의 각 구멍만으로 분광된 간섭신호가 투과되는 경우, 각 픽셀(23a)당 도달되는 간섭신호의 면적이 좁아져 파장 분해능이 높아지게 된다. 따라서, 상기의 회절격자 분광기의 성능을 높이고자 회절격자의 크기를 증가시키거나, 격자밀도를 높이지 않아도 되므로, 제조비용이 감소된다.
또한 파장과 주파수와의 관계는 하기의 수학식과 같으므로, 파장성분 값을 주파수 성분 값으로 바꿀 수 있다. 따라서, 상기의 분광기(25)로부터 간섭신호를 각 파장에 따라 분광할 수 있을 있으며, 하기의 식을 이용하여, 간섭신호를 각 주파수에 따라 분광할 수 있다.
빛의 속도= 주파수 * 파장
도 1을 참조하면, 상기 광원부(1)는 상기 간섭계(2)로 빛을 조사하며, 상기 간섭계(2)는 광원부(1) 중 패브리- 페로 필터로부터 조사된 빛 중 일부를 기준광으로, 나머지를 측정광으로 분배하여 각각 기준면과 측정면으로 조사한다. 상기 기준면에서 반사된 기준광과 상기 측정면에서 반사된 측정광이 간섭된 간섭 신호를 검출하여, 신호로부터 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 중 적어도 하나를 측정한다.
도 1을 계속 참조하면, 간섭계(2)는 광원부(1)와 측정 대상물(100) 사이에 배치된다. 특히, 상기 간섭계(2)는 실리콘 웨이퍼의 비아홀(100a)이 형성된 면인 웨이퍼 전면(101) 또는 그 반대면인 배면(102)에 대향되게 설치될 수 있다. 광원(11)으로부터 조사되는 빛이 실리콘 웨이퍼를 투과하여 비아홀(100a)의 바닥면이나 웨이퍼의 전면 또는 배면에서 반사되고 상호 간섭된 빛을 감지할 수 있다.
이렇게 구성된 간섭계(2)는 측정면으로부터 반사된 측정광과 비교하기 위한 기준광이 요구된다. 이때, 기준면을 측정 대상물(100)의 표면(101)으로 하고, 측정면은 측정 대상물의 내면(102)으로 할 수 있다. 따라서, 상기 기준광은 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되는 광으로 정의하고, 측정 대상물(100)의 내면(102)에서 반사되는 광을 측정광으로 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 간섭되어 형성된 간섭 신호를 통해 측정 대상물(100)의 내면 형상을 측정할 수 있다.
예컨대 웨이퍼의 표면(101)으로부터 반사되는 빛을 기준광으로 정의하고, 이 기준광과 웨이퍼의 내면(102)으로부터 반사되는 빛을 측정광으로 정의하여, 상기 기준광과 측정광의 간섭 신호를 측정하여 웨이퍼의 내면 형상을 측정할 수 있으며, 특히 실리콘 웨이퍼(100)에 형성된 비아홀(100a)의 깊이를 측정할 수 있다
이렇게 웨이퍼의 표면(101)에서 반사된 측정광을 기준광으로 사용함으로써 후술하는 기준미러(24)를 설치하였을 때 발생될 수 있는 기준광의 오차를 줄일 수 있다. 즉, 웨이퍼(100)가 흔들려도 기준광은 흔들리는 웨이퍼(100)로부터 반사된 빛이 되고, 이렇게 기준광이 흔들릴 때 측정광 역시 같이 흔들리게 되므로 기준광을 웨이퍼(100)의 어느 일측의 경계면에서 반사된 빛으로 설정할 경우 기준광과 측정광 사이의 진동 오차를 완벽히 제거할 수 있는 것이다.
또한, 상기와 같이 구성된 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치는 실리콘 웨이퍼의 비아홀(100a)의 지름이나 폭을 측정할 수 있으며, 비아홀(100a)의 지름이나 폭을 측정하는 방법은 상기 웨이퍼(100)를 광원부(1)로부터 조사되는 빛과 수직 방향으로 미세하게 이동시키면서 반사된 측정광과 기준광의 간섭신호를 측정하여 비아홀(100a)의 지름을 측정한다.
즉, 비아홀(100a) 바닥의 경계면으로부터 반사되는 측정광의 영역을 확인함으로서 비아홀(100a)의 지름이나 폭을 확인할 수 있는 것이다.
일반적으로 간섭계로부터 얻어진 간섭신호 I(L)은 광경로차 L의 함수로, 다음 식과 같이 표현된다.
I(L)=I0(1+γcos(2π/c·L·f)
여기서, I0는 배경과의 세기, γ는 가시도, c는 빛의 속도, L은 광경로차, f는 광원의 주파수이다.
일반적으로 단일광을 사용하는 경우, 정확한 위상을 구하기 위해 기준 거울을 일정 거리만큼 이동시켜 간섭무늬를 획득하고 이를 분석해야 거리 정보를 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명은 광대역 광 주파수 빗을 사용하므로, 광주파수 f에 따른 간섭 신호를 스펙트럼 영역에서 획득하여 그 주기를 구함으로써 광경로차 L을 구할 수 있다.
따라서 이러한 빛의 성질을 이용하여, 본 발명의 간섭계(2)는 광대역 적외선을 측정 대상물(100)의 두께, 내면 형상, 위치, 외면 형상을 측정함에 있어, 기준 거울(24)을 광경로 방향으로 이동하지 않고도 광대역 적외선 간섭 신호를 동시에 획득하고 스펙트럼 분석함으로써, 실시간으로 다수의 광경로차를 동시에 얻어 측정 대상물(100)의 두께, 내면 형상 등을 고속으로 측정할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 실리콘 웨이퍼(100)에 적용하는 경우, 기준 거울을 광경로 방향으로 이동하는 스캐닝 과정 없이도 광대역 적외선 간섭신호를 동시에 획득하고 스펙트럼 분석함으로써 실시간으로 다수의 광경로차를 동시에 얻을 수 있다. 이에 따라 고속으로 비아홀(100a) 깊이의 측정이 가능하며, 측정 정밀도도 우수하다.
또한, 상기 간섭계(2)는 분광기(spectrometer)(25)를 포함하여 각 주파수 성분에 따른 간섭 신호를 획득하는 것이 바람직하다.
도 1을 계속 참조하면, 본 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치는 측정 대상물(100)의 내면 형상, 두께 등을 측정할 수 있다. 여기서 측정 대상물(100)의 내면 형상이란, 내면(102)의 단차, 돌출, 거칠기, 홀(hole) 등을 의미한다. 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 광 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 내면(102)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 간섭신호 형성 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물(100)의 두께, 내면 형상 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
특히, 측정 대상물(100)이 실리콘 웨이퍼인 경우, 실리콘 웨이퍼의 표면(101)을 기준면으로 하고, 실리콘 웨이퍼의 내면(102)을 측정면으로 하여, 각각 기준면 및 측정면에서 반사된 빛의 간섭 신호로부터 실리콘 웨이퍼의 두께와 내면 형상 등을 측정한다.
즉, 광원부(1)에서 생성된 빛이 광분배기(22)에 의해 각각 실리콘 웨이퍼의 표면(101)과 실리콘 웨이퍼의 내면(102)으로 각각 조사되고 반사되어 형성된 빛의 간섭 신호로부터 실리콘 웨이퍼의 두께와 내면 형상을 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 광원부(1)는 광대역의 적외선을 생성하는데, 적외선 광은 측정 대상물(100)에 대해 좋은 투과 특성을 가지므로, 상기 적외선 광은 측정 대상물(100)의 표면(101)을 통과하여 내면(102)까지 도달되어, 표면(101) 및 내면(102) 모두에서 반사되므로 측정 대상물(100)의 두께와 내면 형상을 측정하기 유리하다.
특히, 비아홀의 깊이를 측정하고자 하는 경우에, 상기 적외선 광은 실리콘 웨이퍼(100)에 대해 투과 특성을 가지므로 실리콘 웨이퍼의 전면(비아홀이 형성된 면의 경계면, 이하 전면이라 함)과 배면(비아홀이 형성된 면의 반대쪽 경계면, 이하 배면이라 함) 중 어느 쪽으로 조사되어도 좋다. 이처럼 적외선 광을 실리콘 웨이퍼에 조사함으로써 비아홀 전면에서의 회절의 문제나 높은 종횡비로 인해 비아홀 바닥면에 도달하지 못하는 문제 없이, 비아홀 바닥면에서 반사되는 반사 적외선과 기준광의 간섭 신호를 획득하여 처리함으로써 비아홀의 깊이를 정확히 측정할 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 이용하여, 측정 대상물(100)의 내면 형상을 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
광분배기(22)에서 분배된 광 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물의 표면(101)에서 반사되게 한다. 또한 광분배기(22)에서 분배된 나머지 광을 측정광으로 하여 측정 대상물의 내면(102)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭 신호를 분석하는 경우 측정 대상물(100)의 내면 형상을 측정할 수 있다. 간섭신호의 스펙트럼 주기를 얻는 것은 푸리에 변환을 통해 가능하며, 푸리에 영역에서 보다 정확한 피크 위치를 얻기 위해서 원하는 피크만 필터링하여 역푸리에 변환하여 위상으로 측정하는 방법도 이용될 수 있다.
만일 내면(102)에 도 1에서 도시된 바와 같은 측정물에 비아홀(100a)이 형성된 경우, 실리콘 표면(101)에서 반사된 광을 기준광으로 한다. 상기 실리콘 표면(101)에 도달한 광 중 일부는 비아홀(100a)의 바닥면에서 반사되고, 일부는 그대로 투과하여 내면(102)에서 반사된다. 상기 비아홀(100a)의 바닥과 내면(102)에서 반사된 두 광을 측정광으로 하여, 기준광과 간섭된 간섭 신호를 분석하는 경우 측정 대상물(100)의 내면 형상을 측정할 수 있다
보다 구체적으로 비아홀이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)를 예를 들어 설명하면 다음과 같다
상기 측정 대상물(100)이 비아홀이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)인 경우, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 대향하는 위치에 간섭계(2)가 설치되어 적외선 광이 비아홀(100a)로 바로 입사하고 비아홀(100a) 바닥면에서 반사되며, 일부는 그대로 투과하여 배면(102)에서 반사되며, 이 두 반사 성분의 기준광과의 간섭 신호를 분석함으로써 비아홀(100a)의 깊이를 산정할 수 있다.
또한, 상기 측정 대상물(100)이 비아홀(100a)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)인 경우 위 경우와 반대로 간섭계(2)는 실리콘 웨이퍼(100)의 비아홀(100a)이 형성된 면의 반대면에 대향되게 설치되어 조사되는 빛이 웨이퍼(100)를 투과하여 비아홀(100a)의 바닥면이나 웨이퍼(100)의 반대측 표면과의 경계면에서 반사된 빛을 감지할 수도 있다.
즉, 실리콘 웨이퍼(100)의 전면으로 적외선 광을 조사하여 비아홀(100a)을 측정하는 장치와 배면에서 조사하는 장치는 그 구조가 동일하며, 다만 웨이퍼(100)의 배치 방향이 상이하다.
도 1을 계속 참조하면, 본 발명의 광 간섭계를 이용한 측정 장치를 이용하여 측정 대상물(100)의 두께도 측정할 수 있다. 측정 대상물(100)의 표면(101)을 무한히 편평한 면이라 가정한 후, 상기 표면(101)을 기준면으로 한다. 만일 측정 대상물(100)의 내면(102) 또한 무한히 편평하다 가정하는 경우, 광원부(1)에서 조사된 광은 투과율이 좋은 적외선 광이므로, 표면(101)을 통과하여 내면(102)까지 도달되어 반사된다. 광분배기(22)에서 분배된 광 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물의 표면(101)에서 반사되도록 하고, 광분배기에서 분배된 광 중 일부를 측정광으로 하여 측정 대상물의 내면(102)에서 반사되도록 하여 상기 측정광과 반사광이 상호 간섭되어 형성된 간섭 신호를 분석하는 경우, 측정 대상물(100)의 두께를 측정할 수 있다. 역시, 간섭신호의 스펙트럼 주기를 얻는 것은 푸리에 변환을 통해 가능하며, 푸리에 영역에서 보다 정확한 피크 위치를 얻기 위해서 원하는 피크만 필터링하여 역푸리에 변환하여 위상으로 측정하는 방법도 이용될 수 있다.
특히, 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 실리콘 웨이퍼(100)의 비아홀(100a)에 적용하는 경우, 비아홀(100a)이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(100)의 부분에서는 실리콘 웨이퍼 전면과 배면 두 경계점으로부터 적외선 광이 반사되는데 이로부터 실리콘 웨이퍼(100)의 두께 정보도 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법을 실리콘 웨이퍼의 비아홀 측정 장치와 이를 이용한 측정 방법을 예시로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 비아홀(100a) 측정 방법은 상기 광원부(1)로부터 조사되는 빛을 웨이퍼(100)에 조사하되 조사되는 빛이 웨이퍼에 형성된 비아홀(100a)의 반대면에 조사되게하여 조사된 빛이 웨이퍼의 양 표면(101)과의 경계면, 비아홀(100a) 바닥의 경계면에서 반사되게 하고, 반사된 빛과 기준광의 간섭 신호를 이용하여 비아홀(100a)의 깊이를 측정한다.
상기 간섭계(2)는 높은 측정 분해능뿐만 아니라 길이 표준 소급성도 확보할 수 있어 초정밀 측정에 널리 사용되는 것이지만 위상을 결정하기 위해 기준미러(24)를 이동시키거나 위상 반전하여야 하는 문제가 있으므로 대역폭이 넓은 광원(11)을 이용하여 스펙트럼 해석을 함으로써 기준미러(24)를 이동시키거나 위상반전 없이 광로차를 얻을 수 있게 하였다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 설명하겠으며, 다른 실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
광대역 적외선 광을 생성하는 광원부(1)는 광원(11), 패브리-페로 필터(12) 및 광증폭기(13)를 포함한다. 상기 광원은 중심 파장 1541nm를 갖는 광대역 주파수 의 레이저 광을 생산하는 초발광 다이오드(11)이며, 상기 초발광 다이오드에서 나온 광대역 주파수 의 레이저 광은 패브리-페로 필터(12)로 입사되어 반복률이 20 GHz내지 30 GHz이고, 대역폭이 15 nm내지 25 nm인 스펙트럼을 생성한다.
바람직하기로 상기 반복률은 10 MHz 이상이고 대역폭은 10 nm 이상이다.
상기 패브리-페로(12)의 반복률(repetition rate)은 기준클럭(Rb-reference clock)에 잠금되어 안정화되어 있고, 이렇게 생성된 광빗(optical comb)은 실제 간섭계에 적용하여 사용하기 충분한 광량이 되도게 하기 위해 증폭기(13)를 통해 증폭된다. 상기 증폭기(13)로는 EDFA(Er doped fiber amplifier)가 사용될 수 있다.
이렇게 증폭된 빛은 간섭계(2)로 입력되고, 이렇게 증폭된 빛은 간섭계(2)로 입력되고, 상기 시준렌즈(21)를 거쳐 시준된 빛은 광분배기(22)를 통과하여 기준 미러(24)와 측정 대상물(100)로 나뉘어 입사되고, 기준 미러(24)의 표면에서 반사된 빛을 기준광으로, 측정 대상물(100)에서 반사된 빛을 측정광으로 하여, 상기 기준광과 측정광의 간섭 신호를 검출기(23)에서 검출 및 계산하여 측정 대상물(100)의 위치, 표면 형상, 내면 형상, 두께를 측정할 수 있다. 이때 기준광이 조사되는 기준면은 기준미러(24)의 표면이며, 측정광이 조사되는 측정 대상물의 표면(101) 혹은 내면(102)일 수 있다.
또한, 기준미러(24)를 설치할 경우, 광원부(1)에서 생성된 빛은 광분배기(22)를 통해 각각 기준미러(24)와 측정 대상물(100)로 조사된다. 기준미러(24)의 표면에 조사되어 반사된 빛을 기준광으로, 측정 대상물(100)의 표면(101)으로 조사되고 반사된 빛을 측정광으로 하는 경우, 측정 대상물(100)의 위치와 표면형상을 측정할 수 있다.
즉 측정 대상물(100)의 표면(101)이 무한히 편평하다고 가정하는 경우, 기준미러(24)의 위치는 이미 결정된 것이므로, 기준광과 측정광의 간섭 신호를 통해 측정 대상물(100)의 위치를 알아낼 수 있다. 상세히 설명하면, 광원부(1)에서 생성된 빛은 광분배기(22)를 통해 각각 기준미러(24)와 측정 대상물(100)로 조사된다. 상기 광분배기(22)에서 분배된 광 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러(24)의 표면에 조사되어 반사되도록 한다. 또한 상기 광분배기(22)에서 분배된 나머지 광을 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 통해 측정 대상물(100)의 위치를 알아낼 수 있다. 역시, 간섭신호의 스펙트럼 주기를 얻는 것은 푸리에 변환을 통해 가능하며, 푸리에 영역에서 보다 정확한 피크 위치를 얻기 위해서 원하는 피크만 필터링하여 역푸리에 변환하여 위상으로 측정하는 방법도 이용될 수 있다.
특히, 상기 측정 대상물(100)이 실리콘 웨이퍼(100)인 경우 실리콘 웨이퍼(100)의 미세한 위치 에러를 측정할 수 있다.
또한, 기준미러(24)를 설치할 경우, 측정 대상물의 표면 형상(101)의 측정도 가능하다. 광원부(1)에서 생성된 빛은 광분배기(22)를 통해 각각 기준미러(24)와 측정 대상물(100)로 조사된다. 상기 광분배기(22)에서 분배된 광 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러(24)의 표면에 조사되어 반사되도록 한다. 또한 상기 광분배기(22)에서 분배된 나머지 광을 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 통해, 측정 대상물(100)의 표면(101) 형상을 측정할 수 있다. 즉 측정 대상물(100)이 무한히 편평하다 가정하지 않는 경우, 표면(101)의 거칠기, 단차, 요철, 홈 등을 측정할 수 있다. 동일하게, 간섭신호의 스펙트럼 주기를 얻는 것은 푸리에 변환을 통해 가능하며, 푸리에 영역에서 보다 정확한 피크 위치를 얻기 위해서 원하는 피크만 필터링하여 역푸리에 변환하여 위상으로 측정하는 방법도 이용될 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 상기 기준미러(24)의 표면에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물(100)의 위치, 표면 형상을 측정할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 광원부에서 생성되는 빛은 적외선 영역의 광이므로, 상기 측정광은 측정 대상물(100)의 표면을 통과하여 측정 대상물(100)의 내면까지 도달될 수 있다. 이때 광원부(1)에서 생성된 빛은 광분배기(22)를 통해 각각 기준미러(24)와 측정 대상물의 외면(101)과 내면(102)으로 조사된다. 상기 광분배기(22)에서 분배된 광 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러(24)의 표면에 조사되어 반사되도록 한다. 또한 상기 광분배기(22)에서 분배된 나머지 광을 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면(101)과 내면(102)에서 반사되게하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 통해, 측정 대상물(100)의 표면(101) 형상과 내면(102) 형상을 동시에 측정할 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계와 상기 광대역 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러(24)의 표면에 조사되어 반사되도록 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면(101)과 내면(102)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계와 상기 간섭신호를 분광시키는 단계와 상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계와 상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계를 통해 측정 대상물(100)의 표면(101) 형상과 내면(102) 형상을 동시에 측정할 수 있다.
특히, 이를 실리콘 웨이퍼의 비아홀(100a)의 측정에 적용하면 다음과 같다. 증폭된 빛은 간섭계(2)로 입력되고, 상기 시준렌즈(21)를 거쳐 시준된 빛은 광분배기(22)를 통과하여 기준 미러(24)와 웨이퍼(100)로 나뉘어 입사되고, 실리콘 웨이퍼(100)로부터 반사되어 되돌아온 빛 중 어느 일측 표면(101)의 경계면으로부터 반사된 빛 또는 기준미러(24)에서 반사된 빛을 기준광으로 하여 측정광과의 간섭 신호를 검출기(23)에서 검출 및 계산하여 비아홀(100a)의 깊이와 지름 또는 폭을 측정한다
물론, 상기 광원부(1)에서 웨이퍼(100)에 조사되는 빛은 웨이퍼(100)의 비아홀(100a)이 형성된 면의 반대면에 조사하며, 웨이퍼(100)로부터 반사되는 빛의 반사면은 세 부분이 된다.
즉, 도 2에 도시한 바와 웨이퍼(100)의 배면(비아홀이 형성된 면을 정면으로 보았을 때), 정면, 및 비아홀(100a)의 바닥면의 경계면에서 빛의 반사가 이루어지므로, 이 세 개의 측정광(반사광)과 기준미러(24)로부터 반사된 기준광 사이의 간섭 신호를 측정함으로써 비아홀(100a)의 깊이를 측정할 수 있다.
이렇게 기준미러(24)를 사용하지 않을 경우에는 도 2에 도시한 바와 같이 배면을 기준면으로 설정하여 이 배면에서 반사된 빛을 기준광으로 설정하거나 도시하지는 않았으나 정면을 기준면으로 하고 이로부터 반사된 빛을 기준광으로 설정할 수 있다.
물론 도 3에 도시한 바와 같이 기준미러(24)를 설치할 경우에는 기준미러(24)로부터 반사된 빛을 기준광으로 설정하게 된다.
그러나, 기준미러(24)의 흔들림에 의해 기준광의 오류가 발생될 수 있으므로 측정 대상물(100)의 두께 혹은 형상을 측정하고자 하는 경우, 특히 실리콘 웨이퍼의 비아홀(100a)의 지름이나 폭, 깊이를 측정하고자 하는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 웨이퍼(100)의 어느 일측 경계면으로부터 반사된 빛을 기준광으로 설정하는 것이 바람직하다. 특히 웨이퍼(100)의 표면(101)으로부터 반사된 빛을 기준광으로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기준미러(24)를 사용하지 않고, 웨이퍼(100)의 어느 일측의 경계면으로부터 반사되는 빛을 기준광으로 하여 측정광과의 간섭 신호로부터 깊이나 지름을 측정할 경우 웨이퍼(100)가 진동에 둔감한 특성까지 얻어낼 수 있어 공정 내 실시간 측정이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치를 설명하겠으며, 다른 실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
이 실시예는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 중 특히, 간섭 현상을 이용하여 측정 대상물(100) 중 실리콘 비아홀(100a)의 깊이와 지름을 측정하는 것으로, 비아홀(100a)의 깊이와 지름을 측정하는 원리는 다른 실시예와 동일하며, 아래의 상이점을 제외한 구성도 동일하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원(11)으로부터 발생한 광대역 적외선 광은 실리콘 웨이퍼(100)의 전면으로 조사되어, 비아홀(100a)의 바닥면을 일단 투과한 후 일부는 배면을 투과하고 나머지 일부는 배면에서 반사되고 그 중 일부는 다시 비아홀(100a)의 바닥면에서 재반사된다. 따라서, 반사없이 투과된 적외선 광과 비아홀(100a) 투과 후 2번에 걸쳐 반사된 적외선 광은 그 광경로차에 따라 간섭 신호를 생성하고 이를 검출기(23)가 측정하여 비아홀(100a)과 배면의 거리를 측정할 수 있게 된다.
도 4와 동일한 구조의 간섭계의 경우 실리콘 웨이퍼(100)와 검출기(23) 사이에 집속렌즈(28)를 설치하는 것도 가능하다. 이 경우 기준광은 비아홀(100a)이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼면을 투과한 광이 되고, 비아홀(100a)을 투과한 광은 굴절률 차이로 인해 광의 진행 속도가 달라지므로 결국 광경로차가 생기게 되며, 이 두 광을 집속 렌즈로 집속하여 간섭신호를 얻게 된다.
이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법은 비파괴 방식으로 초미세 전자부품 특히, 실리콘 웨이퍼의 비아홀의 불량여부를 고속으로 정확히 확인할 수 있으므로 3D반도체 패키징 공정에서의 활용도가 우수하고, 반도체 패키지의 수율이 향상되며, 기계진동이 측정 품질에 미치는 영향이 최소화된다.
1: 광원부
11: 광원
12: 패브리-페로 필터
12a: 제1구면거울 12b: 제2구면거울
13: 증폭기
2: 간섭계
21: 시준렌즈
22: 광분배기
23: 검출기
24: 기준미러
25: 분광기
25a: 제1프리즘 25b: 제2프리즘 26c: 회절격자 분광기
26: 핀홀 어레이
28: 집속렌즈
100: 측정 대상물
100a: 비아홀
101: 표면 102: 내면
L: 공진기 길이(cavity length)
D1: 주파수 모드 간격
D2: 파장 모드 간격

Claims (11)

  1. 광원부(1)와 상기 광원부(1)로부터 생성된 광을 측정 대상물(100)에 조사하여 상기 측정 대상물(100)로부터 반사된 빛의 간섭 신호로부터 측정 대상물의 표면 형상, 측정 대상물의 내면 형상, 측정 대상물의 두께, 측정 대상물의 위치 중 적어도 하나를 측정하는 간섭계(2)를 포함하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치에 있어서,
    상기 광원부(1)는 광원(11)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 패브리-페로 필터(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간섭계(2)는 상기 패브리-페로 필터(12)로부터 출력되는 광을 평행광으로 변환하는 시준렌즈(21)와;
    상기 시준렌즈(21)를 통해 변환된 평행광 중 일부는 기준광으로 나머지는 측정광으로 분배하여, 각각 기준면과 측정면으로 분배하는 광분배기(22)와;
    상기 기준면에서 반사된 기준광과 상기 측정면에서 반사된 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭 신호를 검출하는 검출기(23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준면은 측정 대상물(100)의 표면(101)이며, 상기 측정면은 측정 대상물의 내면(102)이거나,
    상기 기준면은 기준미러(24)의 표면이며, 상기 측정면은 측정 대상물(100)의 표면(101) 또는 내면(102)인 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 간섭계(2)는 상기 간섭신호를 각 파장 또는 각 주파수에 따라 분광하는 분광기(25)(spectrometer)와;
    상기 분광기(25)와 상기 검출기(23) 사이에 배치되어, 상기 분광기(25)의 파장 분해능을 향상시키는 핀홀 어레이(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 분광기(25)는 프리즘 분광기로, 삼각 기둥 형상의 프리즘으로 형성되거나,
    삼각 기둥 형상의 제1프리즘(25a)과 역삼각 기둥 형상의 제2프리즘(25b)이 연속적으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 분광기는 간섭신호를 회절격자로 회절시켜 상기 간섭신호를 각 파장 성분에 따라 분광하는 회절격자 분광기(25c)인 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패브리-페로 필터(12) 전방에는 상기 패브리-페로 필터(12)에 의해 생성된 상기 광대역 광 주파수 빗의 광량을 증폭하는 광증폭기(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  8. 제 1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원부(1)가 생성하는 상기 광대역 주파수 빗은 반복률이 1kHz내지 100 GHz 이고, 대역폭이 0.1 nm에서 2000 nm인 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치.
  9. (a)패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계;
    (b)상기 광대역 광 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 내면(102)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 간섭신호 형성 단계;
    (c)상기 간섭신호를 분광시키는 단계;
    (d)상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계;
    (e)상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계; 를 통해 측정 대상물(100)의 두께, 내면 형상 중 적어도 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법.
  10. (a)패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계;
    (b)상기 광대역 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 기준미러(24)의 표면에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계;
    (c)상기 간섭신호를 분광시키는 단계;
    (d)상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계;
    (e)상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계; 를 통해 측정 대상물(100)의 위치, 표면 형상 중 적어도 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법.
  11. (a)패브리 페로 필터(12)를 이용하여 광원(1)으로부터 출력된 적외선 영역의 광대역 주파수 광을 광대역 광 주파수 빗 (broad mode spacing of the optical comb)으로 변환하는 광대역 광 주파수 빗 변환 단계;
    (b) 상기 광대역 광 주파수 빗 중 일부를 기준광으로 하여 측정 대상물(100)의 표면(101)에서 반사되게 하고, 나머지를 측정광으로 하여 상기 측정 대상물(100)의 표면(101)과 내면(102)에서 반사되게 하여, 상기 기준광과 측정광이 상호 중첩되어 간섭된 간섭신호를 형성하는 단계;
    (c)상기 간섭신호를 분광시키는 단계;
    (d)상기 분광된 간섭신호를 핀홀 어레이(26)의 구멍으로 투과시켜 상기 분광된 간섭신호의 파장 분해능을 향상시키는 단계;
    (e)상기 파장 분해능이 향상된 간섭신호를 검출하는 단계;를 통해 측정 대상물(100)의 표면(101) 형상과 내면(102) 형상을 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 방법.
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