KR102233677B1 - 멀티스케일 두께 측정 광학 장치 - Google Patents

멀티스케일 두께 측정 광학 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102233677B1
KR102233677B1 KR1020190134059A KR20190134059A KR102233677B1 KR 102233677 B1 KR102233677 B1 KR 102233677B1 KR 1020190134059 A KR1020190134059 A KR 1020190134059A KR 20190134059 A KR20190134059 A KR 20190134059A KR 102233677 B1 KR102233677 B1 KR 102233677B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
infrared
sample
visible
light
thickness
Prior art date
Application number
KR1020190134059A
Other languages
English (en)
Inventor
진종한
박정재
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020190134059A priority Critical patent/KR102233677B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102233677B1 publication Critical patent/KR102233677B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/08—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/50—Depth or shape recovery
    • G06T7/514—Depth or shape recovery from specularities

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는 적외선 대역에서 분광 간섭계를 구성하고 가시광 대역에서 분광 반사계를 일체형으로 구현하여 동시에 박막 및 후막의 두께를 나노미터에서 미터까지의 광범위 멀티스케일 측정 범위에서 자동 시편 조절 기능과 함께 측정할 수 있다.

Description

멀티스케일 두께 측정 광학 장치{Multi-scale Thickness Measuring Optical Apparatus}
본 발명은 광학 두께 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 가시광 광원을 이용한 분광 반사계와 및 적외선 광원을 이용한 분광 간섭계를 통합하여 기존에 구현할 수 없었던 나노미터에서 미터까지의 광범위 멀티스케일 측정 범위를 갖는 광학 두께 측정 장치에 관한 것이다.
1 μm 이하의 박막의 두께를 측정하기 위한 광학 기술에는, 백색광 간섭계 , 분광 반사계 (spectroscopic reflectometry), 및 타원계 (ellipsometry)등이 있다.
분광 반사계는 박막의 두께에 따라 반사율이 변하는 현상을 이용한 측정 기술이다. 분광기를 이용하여 파장별로 반사율을 획득한 뒤, 이를 분석하여 박막의 두께가 계산된다.
분광 간섭계는 가간섭성을 가진 광대역 광원과 분광기를 이용하여 기준빔과 측점빔 사이의 간섭에 의해 발생하는 간섭 스펙트럼을 측정함으로써 광경로차를 측정하는 기술이다. 이를 이용하면 1 μm 이상의 후막 두께, 삼차원 표면 형상을 측정할 수 있다.
두 기술의 통합에 있어, 박막 및 후막에 의해 생긴 간섭 신호들이 서로 영향을 주기 때문에 하드웨어적인 단순한 결합으로 구현은 어렵다.
본 발명에서는 파장 대역을 적절히 나누어 박막 신호만을 추출할 수 있도록 구성하고, 투과하는 후막 신호는 박막 신호와 섞이기 때문에 이를 분리하기 위한 모델 기반 분석법을 적용하며, 시편의 정렬이 측정 정확도에 직접적으로 영향을 주기 때문에 시편의 각도 정렬이 잘 이루어질 수 있는 구조가 포함되었다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 반도체 기판, 차세대 디스플레이인 OLED, AMOLED, 지능형 반도체의 공정에서 널리 사용되는 적층형 샘플의 삼차원 표면 형상, 박막 및 후막 두께를 동시에 측정할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것이다. 본 발명은 넓은 측정 영역에서 동작하기 때문에, 기준에 측정이 어려웠던 기판 두께와 박막 두께를 동시에 측정할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는, 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하는 이색성 거울; 상기 시료를 투과한 상기 적외선 측정빔을 투과시키고 상기 기준 거울에서 반사된 적외선 기준빔을 반사시키는 적외선 광 분할기; 상기 적외선 광 분할기가 제공한 적외선 측정빔과 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 제2 광 분할기로부터 상기 가시 반사광을 제공받아 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광 분할기에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하는 제3 광 분할기; 상기 제3 광 분할기에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정하는 4분할 광검출 소자; 상기 시료를 장착하고 상기 시료의 배치평면을 구성하는 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제공하는 틸트 스테이지; 및 상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 포토다이오드 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 적외선 측정빔이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 광 분할기는 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기 및 상기 4분할 광검출 소자에 각각 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는, 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하고 상기 시료에서 반사된 적외선 측정빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 이색성 거울; 상기 제1 광 분할기가 제공한 상기 적외선 측정빔과 상기 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광 분할기에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하는 제3 광 분할기; 상기 제3 광 분할기에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정하는 4분할 광검출 소자; 상기 시료를 장착하고 상기 시료의 배치평면을 구성하는 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제공하는 틸트 스테이지; 및 상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 광검출 소자 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 적외선 측정빔이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 광 분할기는 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기 및 상기 4분할 광검출 소자에 각각 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는, 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하는 이색성 거울; 상기 시료를 투과한 상기 적외선 측정빔을 투과시키고 상기 기준 거울에서 반사된 적외선 기준빔을 반사시키는 적외선 광 분할기; 상기 적외선 광 분할기가 제공한 적외선 측정빔과 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 제2 광 분할기로부터 상기 가시 반사광을 제공받아 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함한다. 이 두께 측정 광학 장치의 동작 방법은, 상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계; 상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계; 상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계; 상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계; 및 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계는, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계; 상기 4분할 광검출 소자의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호와 제3 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제2 축의 회전 운동을 제공하는 단계; 및 상기 4분할 광검출 소자의 상측에서 생성된 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제1 축의 회전 운동을 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는, 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하고 상기 시료에서 반사된 적외선 측정빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 이색성 거울; 상기 제1 광 분할기가 제공한 상기 적외선 측정빔과 상기 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함한다. 이 두께 측정 광학 장치의 동작 방법은, 상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계; 상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계; 상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계; 상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계; 및 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계는, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계; 상기 4분할 광검출 소자의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호와 제3 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제2 축의 회전 운동을 제공하는 단계; 및 상기 4분할 광검출 소자의 상측에서 생성된 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제1 축의 회전 운동을 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 적외선 광원에 대하여는 투과형 분광 간섭계를 구성하여 후막의 두께를 측정하고, 가시광 광원에 대하여는 반사형 분광 반사계를 구성하여 박막 두께를 동시에 측정할 수 있다. 본 발명에서의 중요한 특징은 (1) 후막 신호와 박막 신호가 섞이게 되는 경우 정확도를 높이고, (2) 시료의 정렬에 의한 기하학적 오차를 줄이는데 있다. 자세히는, 박막 신호만을 얻기 위해 이색성 거울을 사용한 구조를 적용한다. 이를 통해 정확한 박막 두께 값을 산출한다. 이때 산출된 박막 두께 값을 사용하여 후막의 두께에 따른 후막 신호와 박막 신호가 섞인 다수의 간섭 스펙트럼을 이론적으로 생성한다. 이를 실험으로 획득한 후막 신호와 박막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 비교하여, 가장 유사한 간섭 스펙트럼을 갖을 때의 후막의 두께를 정밀하게 산출한다. 이를 통해 박막과 후막에 의해 섞임 영향을 제거할 수 있다. 또한 측정 정확도에 가장 큰 영향을 주는 시편의 정렬 상태를 확인하고 교정하기 위해 사분할 소자를 활용한 자동 정렬 기능도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 적외선 광원에 대하여는 반사형 분광 간섭계를 구성하여 후막의 두께를 측정하고, 가시광 광원에 대하여는 반사형 분광 반사계를 구성하여 박막 두께를 동시에 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 4분할 광검출소자 및 틸트 스테이지를 이용하여 입사광이 시료에 수직입하도록 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 시료에 입사하는 적외선 측정빔과 가시 광선을 나타낸다.
도 3은 수직 입사시 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 4는 x축 오프셋이 있는 경우 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 5는 y축 오프셋이 있는 경우 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 두께 측정 광학 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 것을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9는 도 8의 두께 측정 광학 장치에서 시료를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는 적외선 대역에서 분광 간섭계를 구성하고 가시광 대역에서 분광 반사계를 일체형으로 구현하여 동시에 박막 및 후막의 두께를 동시에 측정할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 시료에 입사하는 적외선 측정빔과 가시 광선을 나타낸다.
도 3은 수직 입사시 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 4는 x축 오프셋이 있는 경우 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 5는 y축 오프셋이 있는 경우 틸스 스테이지와 4분할 광검출 소자에 입사하는 가시광 반사광의 위치를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 두께 측정 광학 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 것을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 상기 두께 측정 광학 장치(100)는, 적외선 광원(110); 상기 적외선 광원(110)의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기(112); 상기 적외선 기준빔을 반사시키는 기준 거울(114); 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료(10)에 제공하는 이색성 거울(124); 상기 시료(10)를 투과한 상기 적외선 측정빔을 투과시키고 상기 기준 거울(114)에서 반사된 적외선 기준빔을 반사시키는 적외선 광 분할기(116); 상기 적외선 광 분할기(116)가 제공한 적외선 측정빔과 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기(118); 가시광 광원(120); 상기 가시광 광원(120)의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울(124)에 제공하고, 상기 이색성 거울(124)를 투과하여 상기 시료(10)에서 다중 반사된 가시광 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기(122); 및 상기 제2 광 분할기(122)로부터 상기 가시광 반사광을 제공받아 상기 가시광 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기(128)를 포함한다.
상기 시료(10)는 기판(11) 및 기판(11) 상에 배치된 박막(12)을 포함할 수 있다. 상기 기판(10)은 반도체 기판 또는 디스플레이용 기판일 수 있다. 박막의 두께는 d이고, 박막의 굴절율은 n2일 수 있다. 공기의 굴절율은 n1일 수 있다. 기판의 두께는 a이고, 굴절율은 n3일 수 있다.
상기 박막(12)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다. 상기 기판이 실리콘인 경우, 밴드갭은 1.17 eV이다. 이에 따라, 1.17 eV 초과의 에너지를 가진 가시광선은 상기 실리콘 기판에서 흡수되고, 1,17 eV 미만의 에너지를 가진 적외선은 상기 실리콘 기판을 투과할 수 있다. 따라서, 1.17 eV 이상의 에너지를 가진 가시광선에 대하여 투과형 간섭계는 상기 실리콘 기판의 두께 측정에 적용되기 어렵다.
한편, 상기 기판(111) 상에 증착된 박막(12)은 수 nm 내지 수십 nm 의 두께를 가질 수 있다. 적외선은 마이크로미터 수준의 파장을 가진다. 따라서, 파장(λ)에 대한 박막 두께(d)의 비(d/λ)는 1보다 충분히 작을 수 있다. 이에 따라, 반사도는 파장에 따라 천천히 변하여, 정밀한 두께 측정을 어렵게 한다.
따라서, 본 발명은 박막의 두께 측정에 유리한 가시광 분광 반사계를 사용하고, 수 마이크로미터 이상의 기판 또는 후막의 두께 측정에 유리한 투과형 분광 간섭계를 채택한다. 가시광 광원은 분광 반사계를 구성하고, 적외선 광원은 투과형 분광 간섭계를 구성한다. 상기 분광 반사계와 상기 투과형 분광 간섭계는 이색성 거울를 이용하여 일체형으로 형성되어, 후막의 두께와 박막의 두께를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 4분할 광검출소자 및 제어부는 입사광이 상기 시료에 수직 입사하는 지 여부를 판단하고, 상기 시료가 장착된 틸트 스테이지를 제어하여 입사광이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어할 수 있다.
적외선 광원(110)은 상기 시료(10)를 투과할 수 있는 파장 대역일 수 있다. 상기 적외선 광원(110)은 1550nm에서 중심 파장을 가질 수 있다. 상기 적외선 광원(110)은 LED 또는 superluminescent diode일 수 있다. 상기 적외선 광원(110)은 간섭 신호를 형성할 수 있도록 가간섭성을 가질 수 있다.
제1 광 분할기(112)는 적외선 파장 대역에서 동작하는 광 분할기일 수 있다. 상기 제1 광 분할기(112)는 상기 적외선 광원(110)의 출력광을 제공받아 반사를 통하여 적외선 측정빔을 형성하고, 투과를 통하여 적외선 기준빔을 형성할 수 있다. 상기 제1 광 분할기(112)는 적외선 기준빔와 적외선 측정빔을 수직하게 분기할 수 있다. 적외선 기준빔은 기준 경로를 형성하고, 적외선 측정빔은 상기 시료를 경우하는 측정 경로를 형성할 수 있다. 적외선 기준 경로와 적외선 측정 경로는 상기 시료(10)가 제거된 경우 동일할 수 있다.
기준 거울(114)은 상기 제1 광 분할기(112)로부터 상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 적외선 광 분할기(116)에 제공할 수 있다. 적외선 기준 경로는 상기 기준 거울(114)에서 90도 꺾일 수 있다.
이색성 거울(124)는 상기 제1 광 분할기(112)로부터 상기 적외선 측정빔을 제공받아 반사시키어 상기 시료에 제공할 수 있다. 상기 이색성 거울(124)는 적외선을 반사시키고, 가시광선을 투과시킬 수 있다. 상기 적외선 측정 경로는 상기 이색성 거울(124)에서 90도 꺾일 수 있다.
적외선 광 분할기(116)는 상기 기준 거울(114)에서 제공하는 상기 적외선 기준빔과 상기 시료(10)를 투과한 상기 적외선 측정빔을 결합시키어 상기 적외선 분광기(118)에 제공할 수 있다.
상기 적외선 분광기(118)는 파장에 따른 상기 적외선 측정빔과 상기 적외선 기준빔의 적외선 간섭 신호를 측정할 수 있다. 상기 적외선 간섭 신호는 파장에 따라 일정한 주기를 가질 수 있다. 이를 위하여, 상기 적외선 간섭 신호는 푸리어 변환되어, 기본 주파수를 추출할 수 있다. 상기 기본 주파수는 상기 적외선 기준 경로와 상기 적외선 측정 경로 사이의 경로차 또는 위상차에 의존한다.
가시광 광원(120)은 상기 시료(10)에서 반사할 수 있는 파장 대역일 수 있다. 상기 가시광 광원(120)은 200 nm 내지 900nm에서 중심 파장을 가질 수 있다. 상기 가시광 광원(120)은 LED 또는 SLD(superluminescent diode)일 수 있다. 상기 가시광 광원(120)은 할로겐 램프와 같은 백색 광원일 수 있다.
제2 광 분할기(122)는 상기 가시광 광원(120)의 출력광을 투과시키고, 상기 가시광 광원(120)의 출력광을 상기 이색성 거울(124)를 통하여 상기 시료(10)에 전달하고, 상기 시료(10)에서 다중 반사된 가시광 반사광을 90도 꺾어 상기 가시광 분광기(128)에 전달할 수 있다. 상기 가시광 광원의 출력광은 상기 제2 광 분할기(122)를 투과하고, 상기 제2 광 분할기(122)는 상기 시료(10)에서 반사된 상기 가시광 반사광을 90도 꺽어 반사시킬 수 있다. 상기 가시광 반사광은 상기 가시광 분광기(128)에 제공된다.
가시광 분광기(128)는 파장에 따라 상기 시료의 박막(12)의 반사율을 측정한다. 상기 시료의 박막(12)은 다중 반사를 통하여 서로 다른 위상을 가진 빛이 중첩되어 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 발생시킨다. 보강 및 상쇄 간섭은 파장에 따라 다르게 발생하기 때문에 파장별 반사도가 변할 수 있다.
분광 반사계는 파장에 따라 반사율(Rsam)을 측정할 수 있다. 통상적으로, 최소자승법(Least squares method)은 박막 두께 측정을 위하여 사용된다. 박막의 두께(d)와 물질의 굴절율(n2)을 알고 있는 경우, 파장별 반사율(reflectance)은 이론적으로 계산된다. 최소자승법을 사용하면, 실측 데이터와 가장 유사한 반사율을 가지도록 이론적 두께(d)가 산출될 수 있다.
분광 반사계를 이용한 박막 두께 측정은 박막(12)의 두께가 영인 기준 시료의 반사율(Rref)을 계산한다. 상기 기준 시료에 대한 기준 반사 신호 스펙트럼(Gref)이 측정된다. 박막을 가진 시료의 측정 반사 신호 스펙트럼(Gsam)이 측정된다. 박막을 가진 시료의 반사율(Rsam)은 (Gsam/Gref ) X Rref로 주어진다. 박막을 가진 시료의 이론적 반사율이 설정된다. 상기 반사율은 박막의 두께(d)의 함수일 수 있다. 박막을 가진 시료의 측정 반사율과 이론 반사율의 차이를 최소자승법을 사용하여 최소화하도록 박막의 두께(d)를 결정한다.
상기 가시광 반사광은 저주파 성분의 박막 신호를 포함할 수 있다. 상기 박막 신호는 반사 간섭계의 원리를 이용하여 박막 두께가 산출될 수 있다.
상기 적외선 간섭 신호는 고주파 성분의 후막 신호를 포함할 수 있다. 분광 간섭계의 원리에 의하여 파장에 따른 진동하는 사인파의 주기를 이용하여 후막 두께가 산출될 수 있다. 예를 들어, 기판 (후막)의 두께 및 굴절률은 a 및 n3이고, 박막의 두께 및 굴절율은 d 및 n2이고, 공기의 굴절률은 n1일 수 있다. 이 경우, 후막 신호로부터, 사인파의 주기는 c/L로 표시될 수 있다. 광 경로차이(L)은 n2 X d + n3 X a 일 수 있다.
분광 간섭계의 간섭 신호(I(f))는 파장 또는 주파수에 따라 다음과 같이 주어진다.
Figure 112019109535625-pat00001
여기서, L은 스펙트럼 영역 간섭계의 적외선 측점빔과 적외선 기준빔 사이의 광 경로차이며, f는 광의 주파수이고, c는 빛의 속도이다. γ는 상수이고, I0는 배경광의 크기이다.
따라서, 주파수 영역에서 간섭 스펙트럼의 주기는 c/L이다. 주파수(f)에 대한 간섭 신호를 분석하면, 스펙트럼 주기(c/L) 또는 기본 주파수가 추출될 수 있다. 스펙트럼 주기(c/L)를 이용하면, 광경로차(L) 또는 표면 형상이 구해질 수 있다.
그러나, 투과형 간섭계는 적외선 측정빔의 입사각 또는 시료의 각도에 따라 두께 오차가 증가한다. 따라서, 적외선 측정빔과 시료가 수직을 이룰 수 있도록 틸트를 제어할 필요가 있다.
두께 산출부(160)는 상기 적외선 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 간섭계의 원리에 기반하여 기판 또는 후막의 두께를 산출하고, 상기 가시광 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 반사계의 원리에 기반하여 박막의 두께를 산출할 수 있다.
상기 박막에 의한 신호의 경우, 이색성 거울은 가시광선 파장 대역을 투과시키고, 상기 가시광 분광기는 상기 박막에 의한 간섭 신호만을 측정할 수 있다.
적외선 분광기(118)는 후막(11)의 두께에 기인한 신호와 후막 및 박막을 포함하는 전체 시료(10)의 두께에 기인한 신호를 동시에 검출한다. 이때, 상기 박막의 두께가 상대적으로 얇기 때문에, 위의 두 신호는 아주 비슷한 값을 갖는다. 따라서, 후막의 두께(11)에 기인한 신호는 왜곡될 수 있다.
가시광 분광기는 상기 박막(12)의 두께를 측정을 위해 낮은 파장 분해능으로 얇은 두께 측정을 위한 설정된다. 두께가 두꺼운 후막에 기인한 신호가 가시광 분광기에 들어온다고 해도, 두께 차이가 커서, 가시광 분광기 후막에 기인한 신호를 측정하지 못할 수 있다.
적외선 분광기는 후막(11)의 두께 측정을 위해 높은 파장 분해능으로 설정한다. 비슷한 두께에 기인한 두 신호가 동시에 입사하는 경우, 후막의 두께(11)에 기인한 신호는 왜곡될 수 있다.
따라서, 두께 산출부(160)는 상기 후막에 기인한 신호와 상기 박막에 기인한 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 상기 후막의 두께 별로 이론적으로 생성한다. 이 경우, 상기 박막에 관한 두께는 상기 분광 반사계를 통하여 산출된다.
이에 따라, 실험으로 얻은 간섭 스펙트럼과 이론적으로 얻은 복수의 간섭 스펙트럼들을 비교함으로써, 특정한 두께의 후막을 정밀하게 결정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 4분할 광검출 소자를 이용하여 투과형 간섭계에서 간단한 알고리즘을 통하여 측정빔이 시료에 수직 입사하는 것을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 분광 반사계는 반사 광량에 매우 민감하여 시료에 따라 광량 조절이 요구된다. 이를 위하여, 별도의 광검출기를 사용하지 않고 4분할 광검출 소자를 사용하여 광량을 제어할 수 있다.
제3 광 분할기(126)는 상기 제2 광 분할기(122)에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하여 4분할 광검출 소자(150)에 제공하고 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기(128)에 제공할 수 있다.
상기 4분할 광검출 소자(150)는 상기 제3 광 분할기(150)에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정할 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자(150)는 서로 인접하게 배치된 4 개의 광검출 소자를 포함할 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자(150)를 구성하는 광 검출소자 각각은 포토다이오드일 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자(150)는 제1 내지 제4 광검출 소자(A,B,C,D)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 광검출소자(B)는 1 사분면에 배치되고, 제4 광검출소자(D)는 2 사분면에 배치되고, 제3 광검출소자(C)는 3 사분면에 배치되고, 제1 광검출소자(C)는 4 사분면에 배치될 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자(150)는 높은 분해능을 위해 여러 픽셀을 갖는 CCD 등으로 대체될 수 있다.
상기 가시 반사광이 상기 시료(10)에 수직 입사한 경우, 상기 가시 반사광은 상기 4분할 광검출 소자(150)의 중심에 입사할 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 각각의 광검출 소자(A~D)는 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 각각 출력할 수 있다. 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)는 동일한 값을 가질 수 있다.
상기 가시 반사광이 상기 시료(10)에 경사 입사한 경우, 상기 가시 반사광은 상기 4분할 광검출 소자(150)의 중심에서 오프셋되어 입사할 수 있다. 상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 각각의 광검출 소자(A~D)는 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 각각 출력할 수 있다. 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)는 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 제어부(140)는 상기 4분할 광검출 소자(150)를 구성하는 포토다이오드 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료(10)에 수직 입사하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(140)는 상기 4분할 광검출 소자(150)를 구성하는 광검출 소자의 전기 신호를 모두 합산한다. 합산 신호(VA + VB + VC + VD)의 값이 최대 문턱값을 초과하는 경우, 상기 가사광 광원의 출력을 감소시킨다. 합산 신호(VA + VB + VC + VD)의 값이 최초 문턱값을 미만인 경우, 상기 가사광 광원의 출력을 증가시킨다. 따라서, 상기 박막의 종류에 상관없이 안정적인 박막 두께의 측정이 가능하다.
틸트 스테이지(130)는 상기 시료(10)를 장착하고 상기 시료(10)의 배치평면을 구성하는 제1 축(x축)과 제2 축(y축) 각각에 대하여 회전 운동을 제공할 수 있다. 상기 틸트 스테이지(130)는 상기 제어부(140)로부터 제어 신호를 제공받아 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 수행할 수 있다.
상기 틸트 스테이지(130)는 베이스 프레임(132), 상기 베이스 프레임(132)에 장착된 복수의 구동기들(134a~134d), 상기 구동기들(134a~134d) 상에 배치된 틸트 플레이드(136), 및 상기 틸트 플레이트(136) 상에 배치된 시료 홀더(138)를 포함할 수 있다. 상기 구동기들(134a~134d) 각각은 선형 구동기일 수 있다. 상기 구동기들(134a~134d)은 제1 내지 제4 구동기를 포함할 수 있다. 제1 구동기(134a)는 4 사분면에 배치되고, 제2 구동기(134b)는 1 사분면에 배치되고, 제3 구동기(134c)는 3 사분면에 배치되고, 제4 구동기(134d)는 2사분면에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 구동기(134a)와 제3 구동기(134c)의 길이가 상기 제2 구동기(134b)와 상기 제4 구동기(134d)의 길이보다 큰 경우, 제2 광검출소자(B)의 출력과 제4 광검출소자(D)의 출력의 합(VB+VD)은 제1 광검출소자(A)의 출력과 제3 광검출소자(C)의 출력의 합(VA+VC)보다 클 수 있다. 이에 따라, 수직 입사를 위하여, 상기 틸트 플레이트(130)는 경사각(
Figure 112019109535625-pat00002
)을 감소시키도록 y축을 중심으로 회전 운동할 수 있다.
예를 들어, 제1 구동기(134a)와 제2 구동기(134b)의 길이가 상기 제3 구동기(134c)와 상기 제4 구동기(134d)의 길이보다 큰 경우, 제1 광검출소자(A)의 출력과 제2 광검출소자(B)의 출력의 합(VA+VB)은 제3 광검출소자(C)의 출력 및 제4 광검출소자(D)의 출력의 합(VC+VD)보다 클 수 있다. 이에 따라, 수직 입사를 위하여, 상기 틸트 플레이트(130)는 경사각(θ)을 감소시키도록 -x축을 중심으로 회전 운동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치의 동작 방법은, 상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계(S100); 상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계(S210); 상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계(S220); 상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계(S230); 및 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자(150)를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원(120)의 출력광이 상기 시료(10)에 수직 입사하도록 틸트 스테이지(130)의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계(S300)는, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자(150)를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계(S310); 상기 4분할 광검출 소자(150)의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호(VA)와 제3 전기 신호(VC)의 합(VA+VC)과 상기 4분할 광검출 소자(150)의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호(VB)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VB+VD)을 비교하여 제2 축(y축)의 회전 운동을 제공하는 단계(S320); 및 상기 4분할 광검출 소자(150)의 상측에서 생성된 제1 전기 신호(VA)와 제2 전기 신호(VB)의 합(VA+VB)과 상기 4분할 광검출 소자(150)의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호(VC)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VC+VD)을 비교하여 제1 축(x축)의 회전 운동을 제공하는 단계(S330);를 포함한다.
상기 4분할 광검출 소자(150)의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호(VA)와 제3 전기 신호(VC)의 합(VA+VC)과 상기 4분할 광검출 소자(150)의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호(VB)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VB+VD)을 비교하여 제2 축(y축)의 회전 운동을 제공한다(S320).
구체적으로, 제1 전기 신호(VA)와 제3 전기 신호(VC)의 합(VA+VC)이 상기 제2 전기 신호(VB)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VB+VD)보다 큰 경우(S322), +y축의 회전운동을 제공한다(S324).
제1 전기 신호(VA)와 제3 전기 신호(VC)의 합(VA+VC)이 상기 제2 전기 신호(VB)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VB+VD)보다 작은 경우(S321), -y축의 회전운동을 제공한다(S323).
제1 전기 신호(VA)와 제3 전기 신호(VC)의 합(VA+VC)이 상기 제2 전기 신호(VB)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VB+VD)과 동일한 경우(S325), 다음 단계로 진행한다.
상기 4분할 광검출 소자(150)의 상측에서 생성된 제1 전기 신호(VA)와 제2 전기 신호(VB)의 합(VA+VB)과 상기 4분할 광검출 소자(150)의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호(VC)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VC+VD)을 비교하여 제1 축(x축)의 회전 운동을 제공한다(S330).
구체적으로, 제1 전기 신호(VA)와 제2 전기 신호(VB)의 합(VA+VB)이 상기 제3 전기 신호(VC)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VC+VD)보다 큰 경우(S331), -x축의 회전 운동을 제공한다(S333).
제1 전기 신호(VA)와 제2 전기 신호(VB)의 합(VA+VB)이 상기 제3 전기 신호(VC)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VC+VD)보다 작은 경우(S332), +x축의 회전 운동을 제공한다(S334).
제1 전기 신호(VA)와 제2 전기 신호(VB)의 합(VA+VB)이 상기 제3 전기 신호(VC)와 제4 전기 신호(VD)의 합(VC+VD)과 동일한 경우(S335), 시료의 다음 측정 위치로 이동한다(S340).
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 9는 도 8의 두께 측정 광학 장치에서 시료를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 두께 측정 광학 장치(200)는 적외선 광원(110); 상기 적외선 광원(110)의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기(112); 상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 기준 거울(114); 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료(10)에 제공하고 상기 시료(10)에서 반사된 적외선 측정빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기(112)에 제공하는 이색성 거울(124); 상기 제1 광 분할기(112)가 제공한 상기 적외선 측정빔과 상기 기준 거울(114)에서 반사된 상기 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기(118); 가시광 광원(120); 상기 가시광 광원(120)의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울(124)에 제공하고, 상기 이색성 거울(124)를 투과하여 상기 시료(10)에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기(122); 및 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기(128);를 포함한다.
분광 간섭계가 반사형으로 구성된 경우, 적외선 측정빔은 상기 기판의 후면에서 반사될 수 있다. 적외선 측정빔은 상기 이색성 거울에서 다시 반사되어 제1 광 분할기를 통하여 적외선 분광기에 제공될 수 있다. 또한, 적외선 기준빔은 상기 기준 미러에서 반사되어 상기 제1 광 분할기에서 반사되어 상기 적외선 분광기에 제공될 수 있다. 상기 적외선 기준빔과 상기 적외선 측정빔은 간섭 신호를 형성하고, 푸리어 변환되어, 주기 또는 기본 주파수가 추출된다.
예를 들어, 기판 (후막)의 두께 및 굴절률은 a 및 n3이고, 박막의 두께 및 굴절율은 d 및 n2이고, 공기의 굴절률은 n1일 수 있다. 이 경우, 적외선 분광기(118)가 측정한 간섭 신호 또는 후막 신호로부터, 사인파의 주기는 c/L로 표시될 수 있다. 광 경로차이(L)는 2 X (n2 X d + n3 X a) 일 수 있다. 분광 간섭계는 반사형일 수 있다.
제3 광 분할기(126)는 상기 제2 광 분할기(122)에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 4분할 광검출 소자(150) 및 상기 가시광 분광기(128)에 각각 제공할 수 있다. 4분할 광검출 소자(150)는 상기 제3 광 분할기(126)에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정할 수 있다. 틸트 스테이지(130)는 상기 시료를 장착하고 상기 시료의 배치평면을 구성하는 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제공할 수 있다. 제어부(140)는 상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 광검출 소자 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 적외선 측정빔이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어할 수 있다. 상기 제3 광 분할기(126)는 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기(128) 및 상기 4분할 광검출기(150)에 각각 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치의 동작 방법은, 상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계(S100); 상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계(S210); 상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계(S220); 상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계(S230); 및 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자(150)를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원(110)의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지(130)의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계(S300)는, 상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자(150)를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계(S310); 상기 4분할 광검출 소자(150)의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호와 제3 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제2 축의 회전 운동을 제공하는 단계(S320); 및 상기 4분할 광검출 소자(150)의 상측에서 생성된 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제1 축의 회전 운동을 제공하는 단계(S330);를 포함한다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 적외선 광원
112: 제1 광 분할기
114: 기준 거울
124: 이색성 거울
116: 적외선 광 분할기
118: 적외선 분광기
120: 가시광 광원
122: 제2 광 분할기
128: 가시광 분광기

Claims (8)

  1. LED 또는 superluminescent diode을 포함하는 적외선 광원;
    상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기;
    상기 적외선 기준빔을 반사시키는 기준 거울;
    상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하는 이색성 거울;
    상기 시료를 투과한 상기 적외선 측정빔을 투과시키고 상기 기준 거울에서 반사된 적외선 기준빔을 반사시키는 적외선 광 분할기;
    상기 적외선 광 분할기가 제공한 적외선 측정빔과 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기;
    가시광 광원;
    상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기;
    상기 제2 광 분할기로부터 상기 가시 반사광을 제공받아 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기; 및
    상기 적외선 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 간섭계의 원리에 기반하여 상기 시료의 후막의 두께를 산출하고, 상기 가시광 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 반사계의 원리에 기반하여 상기 시료에 적층된 박막의 두께를 산출하는 두께 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광 분할기에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하는 제3 광 분할기;
    상기 제3 광 분할기에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정하는 4분할 광검출 소자;
    상기 시료를 장착하고 상기 시료의 배치평면을 구성하는 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제공하는 틸트 스테이지; 및
    상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 포토다이오드 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 적외선 측정빔이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제3 광 분할기는 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기 및 상기 4분할 광검출 소자에 각각 제공하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  3. LED 또는 superluminescent diode을 포함하는 적외선 광원;
    상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기;
    상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 기준 거울;
    상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하고 상기 시료에서 반사된 적외선 측정빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 이색성 거울;
    상기 제1 광 분할기가 제공한 상기 적외선 측정빔과 상기 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기;
    가시광 광원;
    상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기;
    상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기; 및
    상기 적외선 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 간섭계의 원리에 기반하여 상기 시료의 후막의 두께를 산출하고, 상기 가시광 분광기의 스펙트럼을 제공받아 분광 반사계의 원리에 기반하여 상기 시료에 적층된 박막의 두께를 산출하는 두께 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 광 분할기에서 반사된 상기 가시 반사광을 분기하는 제3 광 분할기;
    상기 제3 광 분할기에서 분기된 상기 가시 반사광을 측정하는 4분할 광검출 소자;
    상기 시료를 장착하고 상기 시료의 배치평면을 구성하는 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제공하는 틸트 스테이지; 및
    상기 4분할 광검출 소자를 구성하는 광검출 소자 각각의 전기 신호를 이용하여 상기 적외선 측정빔이 상기 시료에 수직 입사하도록 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제3 광 분할기는 상기 가시 반사광을 분기하여 상기 가시광 분광기 및 상기 4분할 광검출 소자에 각각 제공하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  5. LED 또는 superluminescent diode을 포함하는 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하는 이색성 거울; 상기 시료를 투과한 상기 적외선 측정빔을 투과시키고 상기 기준 거울에서 반사된 적외선 기준빔을 반사시키는 적외선 광 분할기; 상기 적외선 광 분할기가 제공한 적외선 측정빔과 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울을 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 제2 광 분할기로부터 상기 가시 반사광을 제공받아 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계;
    상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계;
    상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계; 및
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계는:
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계;
    상기 4분할 광검출 소자의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호와 제3 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제2 축의 회전 운동을 제공하는 단계; 및
    상기 4분할 광검출 소자의 상측에서 생성된 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제1 축의 회전 운동을 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법.
  7. LED 또는 superluminescent diode을 포함하는 적외선 광원; 상기 적외선 광원의 적외선 광을 제공받아 분기하여 적외선 기준빔과 적외선 측정빔을 형성하는 제1 광 분할기; 상기 적외선 기준빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 기준 거울; 상기 적외선 측정빔을 반사시키어 시료에 제공하고 상기 시료에서 반사된 적외선 측정빔을 반사시키어 상기 제1 광 분할기에 제공하는 이색성 거울; 상기 제1 광 분할기가 제공한 상기 적외선 측정빔과 상기 적외선 기준빔의 간섭 신호를 파장에 따라 측정하는 적외선 분광기; 가시광 광원; 상기 가시광 광원의 출력광을 제공받아 상기 이색성 거울에 제공하고, 상기 이색성 거울를 투과하여 상기 시료에서 다중 반사된 가시 반사광을 반사시키는 제2 광 분할기; 및 상기 가시 반사광의 반사율을 파장에 따라 측정하는 가시광 분광기;를 포함하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 가시광 분광기를 이용하여 상기 가시 반사광을 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막의 두께를 산출하는 단계;
    상기 적외선 분광기를 이용하여 파장에 따라 분광하여 상기 시료의 박막 신호와 후막 신호가 섞인 간섭 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 시료의 박막의 두께를 이용하여, 상기 시료의 박막 및 상기 시료의 후막에 기인한 간섭 스펙트럼 신호를 상기 시료의 후막의 두께에 따라 이론적으로 생성하는 단계;
    상기 적외선 분광기로부터 획득된 간섭 스펙트럼과 이론적으로 생성된 간섭 스펙트럼을 비교하여 상기 후막의 두께를 산출하는 단계; 및
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하고 상기 가시광 광원의 출력광이 상기 시료에 수직 입사하도록 틸트 스테이지의 제1 축과 제2 축 각각에 대하여 회전 운동을 제어하는 단계는:
    상기 가시광 반사광을 4분할 광검출 소자를 사용하여 검출하여 제1 내지 제4 전기 신호(VA, VB, VC, VD)를 생성하는 단계;
    상기 4분할 광검출 소자의 좌측에서 생성된 제1 전기 신호와 제3 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 우측에서 생성된 상기 제2 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제2 축의 회전 운동을 제공하는 단계; 및
    상기 4분할 광검출 소자의 상측에서 생성된 제1 전기 신호와 제2 전기 신호의 합과 상기 4분할 광검출 소자의 하측에서 생성된 상기 제3 전기 신호와 제4 전기 신호의 합을 비교하여 제1 축의 회전 운동을 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치의 동작 방법.
KR1020190134059A 2019-10-25 2019-10-25 멀티스케일 두께 측정 광학 장치 KR102233677B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190134059A KR102233677B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 멀티스케일 두께 측정 광학 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190134059A KR102233677B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 멀티스케일 두께 측정 광학 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102233677B1 true KR102233677B1 (ko) 2021-03-30

Family

ID=75264847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190134059A KR102233677B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 멀티스케일 두께 측정 광학 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102233677B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020039506A (ko) * 2000-11-21 2002-05-27 구자홍 틸트 제어 방법 및 장치
JP2015102545A (ja) * 2013-11-21 2015-06-04 アジレント・テクノロジーズ・インクＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． ダイクロイック・ビームコンバイナおよびスプリッタを含む光学吸収分光システム
JP2016118464A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 株式会社トプコンテクノハウス 平面分光干渉計

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020039506A (ko) * 2000-11-21 2002-05-27 구자홍 틸트 제어 방법 및 장치
JP2015102545A (ja) * 2013-11-21 2015-06-04 アジレント・テクノロジーズ・インクＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． ダイクロイック・ビームコンバイナおよびスプリッタを含む光学吸収分光システム
JP2016118464A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 株式会社トプコンテクノハウス 平面分光干渉計

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10365163B2 (en) Optical critical dimension metrology
US4999014A (en) Method and apparatus for measuring thickness of thin films
US8334986B2 (en) Methods and apparatus for the measurement of film thickness
US11262293B2 (en) System and method for use in high spatial resolution ellipsometry
US5291269A (en) Apparatus and method for performing thin film layer thickness metrology on a thin film layer having shape deformations and local slope variations
KR101698022B1 (ko) 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법
CN109387155B (zh) 形貌检测装置与形貌检测方法
KR102139988B1 (ko) 수직입사 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 광물성 측정 방법
JP6878553B2 (ja) 半導体ウェハ検査及び計量システム及び方法
CN103003661A (zh) 用于测量膜厚度的方法和设备
CN103162831B (zh) 宽带偏振光谱仪及光学测量系统
CN105066889A (zh) 一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法
KR101987402B1 (ko) 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치
KR102139995B1 (ko) 수직입사 및 경사입사 결합형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 광물성 측정 방법
KR102233677B1 (ko) 멀티스케일 두께 측정 광학 장치
JPH0815130A (ja) フーリエ変換分光位相変調偏光解析法
CN103185638B (zh) 宽带偏振光谱仪和光学测量系统
KR102570084B1 (ko) 3차원 반사도 곡면을 이용한 두께 측정 방법
US11112234B2 (en) Multi-probe gauge for slab characterization
US20220390355A1 (en) Device and method for measuring the profile of flat objects comprising unknown materials
US11073372B2 (en) Multi-probe gauge for slab characterization
NL2034073B1 (en) Interferometry using harmonically related wavelengths
RU2301400C2 (ru) Способ и устройство для определения шероховатости поверхности
JP2000074633A (ja) 膜厚検査装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant