KR101722815B1 - 시료의 표면 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 시료의 표면 측정 방법 및 측정 장치에 관한 것이며, 본 출원에서는 시료 표면에 단순한 금속 코팅 작업 만으로도 왜곡 되지 않은 실제 표면 형상을 정밀하게 측정 가능한 측정 방법을 제공할 수 있다.

Description

시료의 표면 측정 방법 및 장치{MEASURING METHOD OF SURFACE OF SPECIMEN AND MEASUREMENT APPARATUS OF SURFACE OF SPECIMEN}
본 출원은 시료의 표면 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
평면 디스플레이, 반도체, 미세 정밀 부품 등의 결함을 검출하기 위해, 물체의 표면을 검사하고 3차원 두께 및/또는 형상을 측정할 필요가 있으며, 일반적으로 간섭계 방식이 이용되고 있다. 측정 대상이 되는 물체의 표면에 대한 간섭계 패턴을 생성하고 분석함으로써 물체의 두께 및/또는 입체 형상을 얻는 것이 가능하다.
이를 위한 방법 중에 하나로 백색광 주사 간섭 측정법(WSI: White light Scanning Interferometry)이 있다. 1990년 이후부터 활발히 연구되고 있는 백색광 주사 간섭 측정법은 위상 천이 간섭법(phase-shiftinginterferometry)의 위상 모호성을 극복하기 위하여 개발되었으며, 수 ㎛의 큰 단차를 가지는 형상에 대해서도 수 nm의 분해능으로 측정할 수 있는 장점을 가진다.
본 출원은 표면 형상의 왜곡 없이 측정할 수 있는 시료의 표면 측정 방법 및 측정 장치에 관한 것이다.
본 출원의 일 구현예는 시료의 표면 측정 방법을 제공한다. 예시적인 본 출원의 측정 방법에 의하면 시료 표면에 단순한 금속 코팅 작업만으로도 왜곡 되지 않은 실제 표면 형상을 정밀하게 측정 가능한 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 출원의 측정 방법은 광원으로부터 백색광을 광분리기로 조사하는 단계; 상기 광분리기로 조사된 상기 백색광을 기준광 및 측정광으로 분리하는 단계; 상기 기준광 및 측정광을 각각 기준면 및 표면이 금속으로 코팅된 시료의 금속 코팅층으로 조사하는 단계; 및 상기 기준면 및 금속 코팅층에서 반사된 광의 간섭 신호를 통하여 상기 시료의 표면 형상을 측정하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 출원의 측정 방법의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 광원(10), 광분리기(20), 기준거울(30), 측정 시료(40) 및 측정부(50)를 포함하는 백색광 주사 간섭계가 도시되어 있다.
예시적인 본 출원의 백색광 주사 간섭계로는 리닉(Linnik), 마이켈슨(Michelson), 미라우(Mirau), 트와이만-그린(Twyman-GreeN) 방식 중 하나를 사용할 수 있다.
상기 광원(10)으로부터 백색광을 광분리기(20)로 조사하는 단계에서 상기 광원(10)은, 백색광을 조사할 수 있는 장치라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 중심파장 λ0 및 파장 밴드폭 △λ을 갖는 상기 백색광을 발생시키는 레이저, 램프 또는 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있으며, 상기 램프는, 예를 들어, 할로겐 램프, 메탈 할로겐 램프, 크세논 램프 등을 사용할 수 있다. 상기에서 백색광은 백색의 광을 의미하는 것이 아니라, 전기적 에너지를 열에너지로 변환하여 그 자체의 온도를 높이며 그 온도에 상응하는 복사선을 이용하는 광원을 의미하고, 특정 파장 대역, 예를 들어, 375 내지 6000 nm의 파장 대역의 광을 의미한다.
상기 광원으로부터 조사된 백색광은 광분리기(20)로 조사된다. 상기 광분리기는 상기 광분리기(20)로 조사된 상기 백색광을 기준광 및 측정광으로 분리하기 위한 부재이며, 또한, 분리되었던 기준광 및 측정광이 반사되어 되돌아오면 이를 간섭시켜 간섭광을 만드는 역할을 수행할 수 있다.
광원(10)에서 나온 조명광, 예를 들어, 백색광(white light)은 광분리기(20)에 의해 측정광과 기준광으로 분리되고, 측정면인 측정 시료(40)의 표면과 기준면인 기준 거울(30)의 표면에 각각 조사된다. 각 면에서 반사된 광은 동일한 광경로를 거쳐 간섭 신호를 생성한다.
본 출원의 측정 방법에서는, 백색광의 짧은 가간섭성(coherence length)을 이용하는 것으로, 레이저와 같은 단색광은 수 m에 걸쳐서 간섭 신호를 발생시키지만, 백색광은 수 ㎛이내에서만 간섭 신호를 발생시키는 특성을 이용할 수 있다.
도 1에서와 같이 측정 시료를 광축 방향(z축 방향)으로 미소 간격씩 이동하면서 한 측정점에서의 간섭 신호를 관찰하면, 그림에서와 같이 측정점과 기준면의 위치 차이가 가간섭 길이 내의 짧은 거리에 있는 경우, 즉 측정점이 기준면과 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서만 간섭 신호가 나타난다. 그러므로 측정 영역 내의 모든 측정점에 대한 간섭 신호를 획득하고, 각 간섭 신호의 정점에서의 광축 방향위치를 높이값으로 설정하면, 기준면에 대한 측정면의 3차원 입체 표면 형상을 구현할 수 있다.
본 출원의 측정 방법에서, 상기 측정 시료(40)의 표면은 금속으로 코팅되어 있으며, 이에 따라, 상기 측정광은 표면이 금속으로 코팅된 시료의 금속 코팅층으로 조사된다.
도 2는 본 출원의 측정 시료의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
예를 들어, 도 2와 같이, 상기 측정 시료(40)는 기재층(41) 및 박막층(42)을 포함할 수 있으며, 상기 금속 코팅층(43)은 상기 박막층(42) 상에 형성되어 있을 수 있다. 상기 시료(40)의 표면 형상을 분석하는 경우, 상기 시료(40)의 실제 표면이 아닌 박막층 하부의 기재층에서 반사되는 빛이 더 강하기 때문에, 측정된 표면 형상이 실제 형상으로부터 왜곡될 수 있다. 그러나, 본 출원의 방법에 따라 금속 코팅층(43)이 박막층(42) 상에 형성된 시료(40) 상으로 측정광을 조사함으로써, 시료(40)의 실제 표면의 반사율을 높이고 기재층(41)에서 반사되는 빛의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따라 기준면에서 반사된 빛과 측정면에서 반사된 빛 사이의 간섭 현상을 강하게 발생시킬 수 있어 표면 형상의 왜곡 없이 실제 형상에 가까운 표면 형상의 분석이 가능하다.
상기 금속 코팅층(43)은, 기술 분야에서 알려진 다양한 코팅 방법에 의하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, 진공 증착, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 및 원자층 증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 증착법에 의하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 금속 코팅층(43)에 포함되는 금속의 반사율은 시료의 반사율보다 높을 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속의 반사율은 400 내지 2000 nm의 파장에서 70 % 이상, 75 % 이상, 80 % 이상, 85 % 이상, 90 % 이상, 95 % 이상, 96% 이상, 97% 이상, 98% 이상 또는 99% 이상일 수 있다. 상기 금속으로는, 시료의 반사율보다 높은 반사율을 가지는 금속이라면, 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 백금, 금, 은. 크롬, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 출원의 측정 방법에서는, 하기 일반식 1을 만족하도록 설정함으로써, 실제 표면 형상의 왜곡을 최소화 할 수 있다.
[일반식 1]
0.001 ≤ Md/[Rconvex+Rconcave] ≤ 0.1
상기 일반식 1에서, Md는 금속 코팅층의 평균 두께를 나타내고, Rconvex는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 철부(convex part)의 정점까지의 평균거리를 나타내며, Rconcave는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 요부(concave part)의 저점까지의 평균거리를 나타낸다.
상기 일반식 1을 만족함에 따라, 실제 표면의 높낮이 두께, 즉, 요부의 저점과 철부의 정점 사이의 평균 거리에 비하여 충분히 얇은 두께로 금속 코팅층(43)이 형성되게 되며, 이에 따라, 금속 코팅층(43)에 의한 시료 표면 형상의 변형을 무시할 수 있어, 보다 정확한 표면 형상의 분석이 가능하다.
하나의 예시에서, 상기 일반식 1을 만족한다면, 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 시료(40)의 기재층(41)의 두께는 1 내지 10000 ㎛, 박막층의 두께는 10 nm 내지 1000 nm 일 수 있고, 상기 시료(40) 표면의 높낮이 두께, 즉, 시료(40)의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 철부의 정점까지의 평균거리와 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 요부의 저점까지의 평균거리의 합은 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 또한, 이 경우, 상기 금속 코팅층(43)의 두께는 1 내지 10 nm일 수 있다.
본 출원의 다른 구현예는, 시료의 측정 장치를 제공한다. 예시적인, 상기 측정 장치는, 전술한 측정 방법에 사용되는 장치일 수 있다.
도 3은, 본 출원의 측정 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3과 같이, 본 출원의 측정 장치는 광원(100), 광분리기(200) 및 측정부(800)를 포함한다.
상기 광원(100)은 백색광을 광분리기로 조사하기 위한 부재로서, 상기 광원에 대한 설명은 전술한 측정 방법에서 설명한 바와 동일한 바, 생략한다.
상기 광분리기(200)는 백색광으로부터 조사된 광을 기준면(300)으로 조사되는 기준광과 시표 표면(401) 상에 형성된 금속 코팅층(43)으로 조사되는 측정광으로 분리하기 위한 소자 또는 장치이다.
상기 광원(100)과 광분리기(200) 사이에는 복수의 제 1 볼록 렌즈로 구성되며, 빛을 투과하는 광학계(500)가 위치할 수 있으며, 상기 광학계(500)를 통과한 광은 광분리기(200)로 입사될 수 있다. 상기 백색광은 상기 광학계(500)를 투과하면서 일정한 폭으로 정렬될 수 있으며, 상기 광학계(500)를 투과한 백색광은 상기 광학계(500)에 소정거리를 두고 위치하는 상기 제 1 광분리기(201)에 입사될 수 있다
하나의 예시에서, 상기 광분리기(200)는 제 1 광분리기(201) 및 제 2 광분리기(202)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계(500)를 투과한 빛은 상기 투과한 빛을 하부로 입사시키기 위한 제 1 광분리기(201)로 입사될 수 있으며, 상기 제 1 광분리기(201)에서 빛의 일부는 반사되고, 일부는 투과될 수 있다.
상기 제 1 광분리기(201)는 입사되는 백색광을 50:50의 비율로 분리시킬 수 있는 무편광 큐브(Non Polarized Cube) 형태일 수 있으며, 상기 분리는 동시에 진행되는 것이 아닌 측정과정에 따라 순차적으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 광분리기(201)의 반사각은 백색광의 입사방향에 대해 약 45°정도이므로, 반사되는 백색광은 입사방향에 수직하게 반사될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 광분리기(201)의 반사각에 대응하여, 제 1 광분리기(201)와 제 2 광분리기(202) 사이에 제 2 볼록 렌즈(600)가 위치할 수 있다. 상기 광학계(500)의 제 1 볼록 렌즈가 투과되는 백색광을 평행광으로 출사하는 것과는 달리 상기 제 2 볼록 렌즈(600)에서는, 투과되는 백색광의 폭을 진행방향에 따라 한 지점에 모아지도록 하는 초점 맞추기가 실시될 수 있다. 또한, 상기 제 2 볼록렌즈(600)를 투과한 백색광이 한 지점에 모아지는 즉 초점이 맞추어지는 곳에 상기 제 2 광분리기(202)가 위치할 수 있다. 이 때 상기 제 2 광분리기(202)에 도달한 백색광의 일부는 기준면(300)을 향해 반사되고, 다른 일부는 그대로 투과하여 측정 시료(400)의 표면(401)에 조사될 수 있다.
또한, 상기 제 2 광분리기(202)에 의해 분리되어 기준면(300)과 측정 시료의 표면(401)에 각각 입사되었던 백색광은 특히 측정 시료의 표면(401)에 조사되면서 파장의 변화를 일으키게 된다. 이 경우 상기 측정 시료의 표면(401)은 전술한 바와 같이 금속으로 코팅된 금속 코팅층(43)의 표면일 수 있다. 이에 대한 설명은, 전술한 바와 동일하므로 생략한다.
이와 같이 조사되었던 백색광은 다시 반사되어 제 2 광분리기(202)를 투과한 뒤, 제 2 볼록 렌즈(600)를 투과하면서 진행폭이 다시 정렬되어 평행광이 된다. 그리고 제 1 광분리기(201)를 투과하여 집광 렌즈(700)에 입사된다. 그리고, 집광 렌즈(700)를 통과한 광은 회절 격자, CCD 및 영상 표시부를 포함하는 측정부(800)로 입사되고, 상기 회절 격자에 부딪히면서 회절현상이 일어난다. 상기 회절 격자에서는 상기 기준면(300)으로부터 반사된 광 및 상기 금속 코팅층 표면으로부터 반사된 광의 간섭광을 주파수별로 분광시킬 수 있다.
이렇게 회절 격자를 통과하면서 회절된 백색광은 상기 CCD에 의해 검출되어 박막의 표면 형상정보를 갖는 간섭 신호로 획득되며, 표면 형상을 표시하는 상기 영상 표시부를 통하여 관측된다.
하나의 예시에서, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 측정 장치는 시료 표면을 금속으로 코팅하는 코팅부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 코팅부는 상기 측정 장치 내부에 통합된 형태로 포함되거나 또는 상기 측정 장치 외부에 별도로 존재할 수도 있으며, 상기 코팅부가 측정 장치 내부에 포함되는 경우, 보다 용이하게 금속이 코팅된 시료 표면의 형상 측정이 가능하다.
본 출원에서는 시료 표면에 단순한 금속 코팅 작업 만으로도 왜곡 되지 않은 실제 표면 형상을 정밀하게 측정 가능한 측정 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 측정 방법의 원리를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 출원의 측정 시료의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 출원의 측정 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 출원의 실시예에 따라 측정된 시료의 표면 형상을 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 출원의 비교예에 따라 측정된 시료의 표면 형상을 나타낸 도면이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
시료 표면의 전처리
측정 시료로서, 약 3 mm의 두께의 PC(polycarbonate) 기재 위에 SiO2 및 TiO2로 이루어진 다층 박막이 코팅된 시료를 준비하였다. 상기 다층 박막은 모두 8개의 층으로 이루어져 있으며, 전체 두께는 약 750 nm이고, 각 층의 두께는 약 100 nm이었다. 또한, 상기 시료의 표면 조도를 원자힘 현미경(AFM)을 이용하여 측정하였으며, 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 철부의 정점까지의 평균거리는 50 nm이고, 상기 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 요부의 저점까지의 평균거리는 250 nm이었다. 상기 시료에 이온 스퍼터링 코팅을하여, 6 nm 두께의 백금 코팅층을 상기 다층 박막 상에 형성하였다.
표면 형상 측정
도 3과 같은 측정 장치를 사용하여, 시료 형상의 표면 형상을 측정하였으며, 측정된 표면 형상을 도 4에 나타내었다.
비교예
시료 표면에 백금 코팅의 전처리를 수행하지 않은 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 시료의 표면 형상을 측정하였으며, 측정된 표면 형상을 도 5에 나타내었다.
상기 실시예 및 비교예에서 측정된 시료의 표면에서 불량 부위가 육안으로 관찰되는데 이 불량 부위를 보통의 백색광 주사 간섭계의 분석 방법으로 관찰하여서는 정확한 표면 형상 이미지를 얻을 수가 없었다. 그러나 실시예와 같이 백금 코팅층을 형성한 경우, 불량 부위의 정확한 표면 형상 이미지를 얻을 수 있었다. 도 4에서 약 300 nm 정도 움푹 들어간 형상은 불량 부위를 나타낸다.
10: 광원
20: 광분리기
30: 기준 거울
40: 측정면
41: 기재층
42: 박막층
43: 금속 코팅층
50: 측정부
100: 광원
200: 광분리기
201: 제 1 광분리기
202: 제 2 광분리기
300: 기준면
400: 측정 시료
401: 측정 시료의 표면
500: 제 1 볼록 렌즈
600: 제 2 볼록 렌즈
700: 집광 렌즈
800: 측정부

Claims (17)

  1. 광원으로부터 백색광을 광분리기로 조사하는 단계; 상기 광분리기로 조사된 상기 백색광을 기준광 및 측정광으로 분리하는 단계; 상기 기준광 및 측정광을 각각 기준면 및 표면이 금속으로 코팅된 시료의 금속 코팅층으로 조사하는 단계; 및 상기 기준면 및 금속 코팅층에서 반사된 광의 간섭 신호를 통하여 상기 시료의 표면 형상을 측정하는 단계를 포함하고, 하기 일반식 1을 만족하는 시료의 표면 측정 방법:
    [일반식 1]
    0.001 ≤ Md/[Rconvex+Rconcave] ≤ 0.1
    상기 일반식 1에서, Md는 금속 코팅층의 평균 두께를 나타내고, Rconvex는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 철부의 정점까지의 평균거리를 나타내며, Rconcave는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 요부의 저점까지의 평균거리를 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서, 시료는 기재층 및 박막층을 포함하고, 금속코팅층은 상기 박막층 상에 형성되는 시료의 표면 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 금속 코팅층은 진공 증착, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 및 원자층 증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 증착법에 의하여 형성되는 시료의 표면 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 금속의 반사율은 시료의 반사율보다 높은 시료의 표면 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 금속의 반사율은 400 내지 2000 nm의 파장에서 70 % 이상인 시료의 표면 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 금속은 백금, 금, 은. 크롬, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금인 시료의 표면 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 금속 코팅층의 두께는 1 내지 10 nm인 시료의 표면 측정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 기준면 및 금속 코팅층에서 반사된 광의 간섭 신호를 이용하여 시료 표면의 3차원 입체 형상을 구현하는 시료의 표면 측정 방법.
  10. 백색광을 조사하는 광원;
    상기 백색광을 기준면으로 조사되는 기준광과 시료 표면 상에 형성된 금속 코팅층으로 조사되는 측정광으로 분리하는 광분리기;
    상기 기준면으로부터 반사된 광 및 상기 금속 코팅층 표면으로부터 반사된 광의 간섭 신호를 이용하여 표면 형상을 측정하는 측정부를 포함하고, 하기 일반식 1을 만족하는 표면 측정 장치:
    [일반식 1]
    0.001 ≤= Md/[Rconvex+Rconcave] ≤ 0.1
    상기 일반식 1에서, Md는 금속 코팅층의 평균 두께를 나타내고, Rconvex는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 철부의 정점까지의 평균거리를 나타내며, Rconcave는 시료의 표면 조도 곡선의 중심선으로부터 시료 표면의 요부의 저점까지의 평균거리를 나타낸다.
  11. 제 10 항에 있어서, 시료 표면을 금속으로 코팅하는 코팅부를 추가로 포함하는 표면 측정 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 금속의 반사율은 시료의 반사율보다 높은 표면 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 금속의 반사율은 400 내지 2000 nm의 파장에서 70 % 이상인 표면 측정 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 금속은 백금, 금, 은. 크롬, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금인 표면 측정 장치.
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서, 금속 코팅층의 두께는 1 내지 10 nm인 표면 측정 장치.
  17. 제 10 항에 있어서, 측정부는 기준면으로부터 반사된 광 및 상기 금속 코팅층 표면으로부터 반사된 광의 간섭광을 주파수별로 분광시키는 회절 격자 및 표면 형상을 표시하는 영상 표시부를 추가로 포함하는 표면 측정 장치.
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