KR102494082B1 - 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법 - Google Patents
간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법은, 광대역 다파장 빛을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생된 빛의 일부를 투과하고 나머지를 반사시키는 제1빔 스플리터; 상기 제1빔 스플리터에서 분기된 빛을 시료를 향해 입사시키는 간섭 렌즈 모듈; 및 상기 시료와 상기 간섭 렌즈 모듈을 통해 생성된 간섭광이 상기 제1빔 스플리터를 통과한 후 측정되는 이미징 분광기;를 포함하며, 상기 이미징 분광기에 측정되는 빛의 신호에 파수에 대한 고주파 변조 효과를 구현하는 고주파 신호 변조 모듈을 포함한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 간섭계 원리를 이용하여 박막 시료의 두께와 형상을 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로, 기준광을 획득함에 있어서, 멀티오더 위상 지연자를 이용하여 기준광의 적어도 일부를 고주파 신호 변조시키도록 구성함으로써, 고주파 변조된 신호를 분광기에서 감지한 후 소프트웨어적으로 신호를 후처리함으로써 극단적으로 얇은 약 200㎚ 이하 박막의 두께와 형상을 정밀하게 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체와 디스플레이 공정에서는 증착된 박막의 두께 및 형상을 측정하는 것이 필수적이다. 박막의 두께 및 형상을 측정하기 위해서 이미징 반사계(Imaging Reflectometer), 이미징 엘립소미터(Imaging Ellipsomter), 백색광 위상 천이 간섭계(White Light Phase Shift Interferometer)와 분광 간섭계(Dispersive Interferometer) 장비가 사용된다.
반사계(reflectometer)는 입사광에 대한 반사광의 신호를 측정하여 시료의 두께나 물성을 분석하는 방법 및 장비를 말한다. 광학을 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법 중, 시료의 분광 반사도 특성을 토대로, 박막의 두께를 측정하는 분광 반사계 (Spectroscopic Reflectometry)는 측정 속도가 가장 빠르고, 양산 라인에 적용 가능한 것으로 알려져 있다.
분광 반사계는 입사광량과 반사광량을 측정하여 시료의 반사도를 계측하는 장치이다.
이론 반사도(Reflectance)는 다음 식(1)로 정의된다.
박막에서의 반사계수는 도 1에 도시된 단면 구조에서 다음 식(2)로 정의된다.
식(2)에서 Rp, Rs는 각각 p파와 s파의 반사계수를 의미한다.
식(2)에 포함된 β는 파장(λ)의 함수이다.
구체적으로 β(λ)는 다음 식(3)과 같이 정의된다.
또한, 식(2)에 포함된 r값은 도 2에 도시된 단면 구조에서 다음 식(4)에 프레넬 방정식으로 정의된다.
분광 반사계를 이용해 측정된 반사도를 이론 반사도와 비교하여, 오차가 최소가 되는 이론 두께를 추론함으로써 실제 시료의 두께를 알 수 있다. 그러나, 분광 반사계는 기질(substrate)의 형상은 측정할 수 없기 때문에, 정확한 박막 두께와 형상은 측정할 수 없는 한계를 가지고 있다.
이미징 엘립소미터는 빛이 반사, 또는 투과한 후 빛의 편광 상태 변화를 측정하는 장비로서, 측정한 시료의 특성(두께, 복소 굴절률 또는 유전함수)에 따라 편광 상태 변화가 결정되는 원리를 이용한다. 이미징 엘립소미터의 원리는 다음과 같다. 빛을 시료에 경사로 입사시켰을 때 빛의 입사광과 반사광을 포함하는 평면이 빛의 입사면으로 정의된다. 전기장의 진동방향에 따라 입사면에 평행한 것을 p파 수직한 것을 s파라고 한다. p파와 s파는 서로 독립적인 진폭과 위상을 가진다. 특정 편광 상태의 빛을 시료에 경사로 입사시키면, 시료의 특성에 따라 편광 상태가 변하게 된다. 이를 통해 p파와 s파의 위상 차이(Δ) 및 상대 진폭 변화비(Ψ)를 의미하는 타원 파라미터들을 계산하고 이론적인 신호와 비교하여 박막의 두께를 측정할 수 있다. 하지만 이미징 엘립소미터는 이미징 반사계와 마찬가지로 기질(substrate)의 형상을 측정할 수 없기 때문에 정확한 박막 두께와 형상을 측정할 수 없는 한계를 가지고 있다.
백색광 위상 천이 간섭계(White Light Phase Shift Interferometer)는 빛의 간섭 현상을 활용하여 시료의 형상을 측정하는 장비로서, 광원을 백색광으로 사용하여 Position Scan을 사용한다. 백색광 위상 천이 간섭계는 기질의 단차 형상을 측정하는데 신뢰도가 높은 장비이다. 백색광 위상 천이 간섭계는 기질의 단차를 높은 정확도로 측정할 수 있지만, 박막의 두께가 일정 수준(약 200nm)보다 얇으면 박막 두께를 측정하지 못 하는 문제점이 있다.
분광 간섭계 (Dispersive Interferometer)는 백색광 위상 천이 간섭계와 마찬 가지로 빛의 간섭 현상을 활용하는 장치다. 분광 간섭계는 고정된 광경로차에서 간섭광을 분광기로 측정하는 장비이다. 측정 신호를 푸리에 변환하면 분광 위상 정보를 구할 수 있다. 이 분광 위상 정보 중 파수에 대해서 비선형인 위상 성분은 시료의 두께 정보만을 담고 있고, 선형인 위상 성분은 시료의 두께 정보와 높이 형상 정보를 모두 담고 있기 때문에 분광 위상을 분석하여 시료의 정확한 형상을 측정할 수 있다. 하지만 위상의 비선형 성분만으로부터 두께를 결정하게 되면 약 200nm 두께 이하에서 두께에 따른 비선형 위상의 모호성이 발생하여 두께 측정의 정확도가 상당히 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래 장치들의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 백색 광원에서 발산된 기준광의 일부 또는 전부를 파수에 대한 고주파 신호 변조하여 간섭 신호와 동시에 획득함으로써 극단적으로 얇은 박막의 두께와 형상을 신속하고 정밀하게 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막의 두께 와 형상을 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치는, 광대역 다파장 빛을 발생시키는 광원;
상기 광원에서 발생된 빛의 일부를 투과하고 나머지를 반사시키는 제1빔 스플리터;
상기 제1빔 스플리터에서 분기된 빛을 시료를 향해 입사시키는 간섭 렌즈 모듈; 및
상기 시료와 상기 간섭 렌즈 모듈을 통해 생성된 간섭광이 상기 제1빔 스플리터를 통과한 후 측정되는 이미징 분광기;를 포함하며,
상기 이미징 분광기에 측정되는 빛의 신호에 파수에 대한 고주파 변조 효과를 구현하는 고주파 신호 변조 모듈을 포함한 점에 특징이 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치되는 제1편광자;
상기 제1빔 스플리터를 투과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 멀티오더 위상 지연자;
상기 멀티오더 위상 지연자를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자를 향해 반사시키는 제2기준 미러; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛과 상기 제2기준 미러로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 합성되어 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원으로부터 상기 제1빔 스플리터를 투과한 빛을 편광시키는 제1편광자;
상기 제1편광자를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 멀티오더 위상 지연자를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자를 향해 반사시키는 제2기준 미러;를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치된 제1편광자;
상기 제1편광자를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치되는 제1편광자;
상기 제1빔 스플리터와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어 상기 제1빔 스플리터에서 상기 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 제1빔 스플리터와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어, 상기 제1빔 스플리터로부터 상기 간섭 렌즈 모듈을 향해 입사되는 빛을 편광시키는 제1편광자; 및
상기 제1편광자와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어, 상기 제1편광자로부터 상기 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 멀티오더 위상 지연자;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법은, 상기 측정 장치를 이용한 박막의 두께와 형상 측정 방법으로서,
상기 이미징 분광기에서 분광 신호를 획득하는 분광 신호 획득 단계;
상기 분광 신호 획득 단계에서 획득된 신호 데이터를 파수에 대한 주파수 분석 기법을 사용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리하는 신호 분리 단계;
상기 신호 분리 단계 후에 수행되며, 파수에 대한 주파수 분석 기법을 역으로 사용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리 복원하는 신호 복원 단계:
상기 신호 복원 단계 후에 수행되며, 상기 기준광 신호와 상기 DC 신호를 이용해 반사도를 계산하는 반사도 계산 단계;
상기 신호 복원 단계 후에 수행되며, 상기 간섭광 신호에서 위상 정보를 추출하는 위상 정보 추출 단계;
상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 위상 정보 중 비선형 위상과 상기 반사도를 이용해 박막의 두께를 결정하는 두께 결정 단계;
상기 두께 결정 단계 후에 수행되며, 상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 간섭광의 위상 정보와 상기 두께 결정 단계에 의해서 결정된 두께로부터 계산된 시료의 위상 정보를 이용하여 박막의 형상을 결정하는 형상 결정 단계; 및
상기 두께 결정 단계에서 결정된 박막의 두께와 상기 형상 결정 단계에서 결정된 박막의 형상을 이용해 박막의 두께가 반영된 형상을 산출하는 최종 결정 단계;를 포함한 점에 특징이 있다.
상기 형상 결정 단계는, 상기 두께 결정 단계에서 결정된 박막의 두께로부터 시료의 위상 신호를 계산한 후, 상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 간섭광의 위상 신호에서 계산된 시료의 위상 신호를 차감함으로써 간섭광의 선형 위상 신호값을 얻는 과정을 포함한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법은, 광원의 기준광 신호와 간섭광 신호를 쉽게 분리할 수 있도록 기준광의 전부 또는 기준광의 일부를 고주파 신호 변조 모듈을 통해 고주파 신호 변조함으로써 이미징 분광기에서 측정된 신호를 파수에 대한 주파수 분석 기법 적용시 DC 신호와, 간섭광 신호와, 기준광 신호가 명확하게 분리되도록 하여 반사도 계산을 위한 신호와 간섭광의 위상 신호를 효과적으로 분리해 낼 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 박막 두께와 형상 측정 방법은 역변환된 신호를 주파수 분석 기법을 이용해 각각의 신호를 효과적으로 분리 복원함으로써 반사도와 비선형 위상 정보를 이용해 박막의 두께를 산출하고, 산출된 박막 두께를 이용하여 선형 위상 정보를 계산해 박막 두께와 형상을 효과적으로 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 종래의 장치나 방법에 비하여 구성요소의 동적인 구동 없이 측정 신호를 얻을 수 있으므로 측정 시간이 현저하게 짧으며, 외부의 진동이나 구동 장비의 이송 오차 등의 영향을 최소함으로써 정밀한 박막 두께 및 형상을 효과적으로 측정할 수 있다. 또한, 박막의 두께를 측정함에 있어서, 반사도와 위상 성분을 동시에 이용하므로 200nm 이하의 박막 두께도 높은 정확도로 측정할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 박막에서 반사계수를 정의하기 위한 도면이다.
도 2는 프레넬 방정식을 정의하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 8은 도 3에 도시된 장치에서 고주파 신호 변조 모듈이 결여된 상태에서 상기 이미징 분광기에서 측정된 신호를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 장치에서 광원에서 발생된 빛이 고주파 신호 변조 모듈만을 통해 형성된 신호를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 3에 도시된 장치의 이미징 분광기에서 측정되는 고주파 신호가 합성된 실제 신호를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 박막 두께와 형상 측정 방법을 구성하는 공정도이다.
도 12는 도 10에 도시된 신호를 푸리에 역변환하여 얻은 신호 분포를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 DC 신호를 신호 복원 단계에서 복원한 DC 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다.
도 14는 신호 복원 단계에서 복원된 기준광 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 13과 도 14에 도시된 신호의 산술계산에 의해 구해진 반사도의 분포를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 12에 도시된 간섭광 신호를 윈도우 고속 푸리에 변환하여 얻은 복원 위상 신호이다.
도 17은 도 16에 도시된 위상 분포에서 비선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다.
도 18은 도 16에 도시된 위상 분포에서 선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다.
도 19는 두께 결정 단계에서 결정된 박막과 기질의 표면 및 경계면의 상대적 위치를 보여주는 맵이다.
도 20은 두께 결정 단계에서 결정된 두께값을 이용하여 박막의 위상 신호를 계산한 값의 분포를 보여준다.
도 21은 도 16에 도시된 위상 신호에서 도 20에 도시된 비선형 위상 신호값을 차감하여 얻은 선형 위상의 분포를 보여주는 도면이다.
도 22는 도 19에 도시된 박막 두께 맵과 도 21에서 얻을 수 있는 기질 표면의 높이(h)를 반영한 최종 박막 두께 정보와 형상 정보 맵을 보여주는 도면이다.
도 2는 프레넬 방정식을 정의하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다.
도 8은 도 3에 도시된 장치에서 고주파 신호 변조 모듈이 결여된 상태에서 상기 이미징 분광기에서 측정된 신호를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 장치에서 광원에서 발생된 빛이 고주파 신호 변조 모듈만을 통해 형성된 신호를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 3에 도시된 장치의 이미징 분광기에서 측정되는 고주파 신호가 합성된 실제 신호를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 박막 두께와 형상 측정 방법을 구성하는 공정도이다.
도 12는 도 10에 도시된 신호를 푸리에 역변환하여 얻은 신호 분포를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 DC 신호를 신호 복원 단계에서 복원한 DC 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다.
도 14는 신호 복원 단계에서 복원된 기준광 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다.
도 15는 도 13과 도 14에 도시된 신호의 산술계산에 의해 구해진 반사도의 분포를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 12에 도시된 간섭광 신호를 윈도우 고속 푸리에 변환하여 얻은 복원 위상 신호이다.
도 17은 도 16에 도시된 위상 분포에서 비선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다.
도 18은 도 16에 도시된 위상 분포에서 선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다.
도 19는 두께 결정 단계에서 결정된 박막과 기질의 표면 및 경계면의 상대적 위치를 보여주는 맵이다.
도 20은 두께 결정 단계에서 결정된 두께값을 이용하여 박막의 위상 신호를 계산한 값의 분포를 보여준다.
도 21은 도 16에 도시된 위상 신호에서 도 20에 도시된 비선형 위상 신호값을 차감하여 얻은 선형 위상의 분포를 보여주는 도면이다.
도 22는 도 19에 도시된 박막 두께 맵과 도 21에서 얻을 수 있는 기질 표면의 높이(h)를 반영한 최종 박막 두께 정보와 형상 정보 맵을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 5는 본 발명의 제3실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 6은 본 발명의 제4실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 7은 본 발명의 제5실시 예에 따른 박막 두께 측정 장치의 구성도이다. 도 8은 도 3에 도시된 장치에서 고주파 신호 변조 모듈이 결여된 상태에서 상기 이미징 분광기에서 측정된 신호를 보여주는 도면이다. 도 9는 도 3에 도시된 장치에서 광원에서 발생된 빛이 고주파 신호 변조 모듈만을 통해 형성된 신호를 보여주는 도면이다. 도 10은 도 3에 도시된 장치의 이미징 분광기에서 측정되는 고주파 신호가 합성된 실제 신호를 보여주는 도면이다. 도 11은 본 발명에 따른 박막 두께와 형상 측정 방법을 구성하는 공정도이다. 도 12는 도 10에 도시된 신호를 푸리에 역변환하여 얻은 신호 분포를 보여주는 도면이다. 도 13은 도 12에 도시된 DC 신호를 신호 복원 단계에서 복원한 DC 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다. 도 14는 신호 복원 단계에서 복원된 기준광 신호의 파장별 강도 분포를 보여주는 도면이다. 도 15는 도 13과 도 14에 도시된 신호의 산술계산에 의해 구해진 반사도의 분포를 보여주는 도면이다. 도 16은 도 12에 도시된 간섭광 신호를 윈도우 고속 푸리에 변환하여 얻은 복원 위상 신호이다. 도 17은 도 16에 도시된 위상 분포에서 비선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다. 도 18은 도 16에 도시된 위상 분포에서 선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다. 도 19는 두께 결정 단계에서 결정된 박막과 기질의 표면 및 경계면의 상대적 위치를 보여주는 맵이다. 도 20은 두께 결정 단계에서 결정된 두께값을 이용하여 박막의 위상 신호를 계산한 값의 분포를 보여준다. 도 21은 도 16에 도시된 위상 신호에서 도 20에 도시된 비선형 위상 신호값을 차감하여 얻은 선형 위상의 분포를 보여주는 도면이다. 도 22는 도 19에 도시된 박막 두께 맵과 도 21에서 얻을 수 있는 기질 표면의 높이(h)를 반영한 최종 박막 두께 정보와 형상 정보 맵을 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 22를 참조하여, 본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법을 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치(이하, "박막 두께와 형상을 측정하는 장치"라 함)는 광원(100)과, 제1빔 스플리터(200)와, 간섭 렌즈 모듈(201)과, 이미징 분광기(401)와, 고주파 신호 변조 모듈을 포함한다.
상기 광원(100)은 광대역 다파장 빛을 발생시키는 장치다. 예컨대 상기 광원(100)은 백색광을 발생시킬 수 있다. 상기 광원(100)에서 발산된 빛을 평행광이 되도록 굴절시키는 일종의 렌즈 구조물로서 콜리메이터(101)가 구비될 수 있다. 본 발명에서 상기 광원(100)에서 발산된 빛을 기준광으로 정의한다. 한편, 상기 광원(100)으로부터 상기 콜리메이터(10)를 통과하고 후술하는 간섭 렌즈 모듈(201) 내부의 제1기준 미러(204)와 시료(202)에서 반사되어 합쳐진 빛을 간섭광으로 정의한다.
상기 제1빔 스플리터(200)는 상기 콜리메이터(101)를 통과한 빛의 일부는 투과시키고 나머지는 시료를 향해 빛의 진행방향을 바꾸어 진행하도록 반사시키는 구성요소이다.
상기 간섭 렌즈 모듈(201)은 상기 제1빔 스플리터(200)에서 반사된 빛을 시료를 향해 입사시키는 장치다. 상기 간섭 렌즈 모듈(201)은 간섭 렌즈(203)와, 제2빔 스플리터(205)와, 제1기준 미러(204)를 포함할 수 있다.
상기 간섭 렌즈(203)는 상기 제1빔 스플리터(200)에서 반사된 빛을 시료를 향해 입사시키는 렌즈이다. 상기 간섭 렌즈(203)는 상기 제1빔 스플리터(200)에서 반사된 빛의 경로상에 배치된다. 상기 간섭 렌즈(203)의 하방에는 시료(202)가 배치된다. 상기 시료(202)는 예컨대 기질(substrate) 상에 반도체 박막이 증착된 제품일 수 있다. 상기 간섭 렌즈(203)는 상기 제1빔 스플리터(200)에서 반사된 빛을 시료(202)에 특정 영역에 입사시킨다.
상기 제2빔 스플리터(205)는 상기 간섭 렌즈(203)와 상기 시료(202) 사이에 배치된다. 상기 제2빔 스플리터(205)는 상기 간섭 렌즈(203)에서 입사된 빛의 일부를 투과하고 나머지를 상기 제1빔 스플리터(200)쪽으로 반사시키는 구성요소이다.
상기 제1기준 미러(204)는 상기 간섭 렌즈(203)로부터 상기 제2빔 스플리터(205)에서 반사된 빛을 다시 상기 제2빔 스플리터(205)를 향해 반사시킴으로써 상기 시료(202)에 입사되는 빛과 경로차를 발생시켜 시료에서 반사되는 빛에 간섭 효과를 발생시키는 구성요소이다. 간섭 효과를 통해 획득된 위상 정보에는 시료(202)의 두께 정보와 형상 정보가 포함되어 있다. 상기 제1기준 미러(204)와 상기 시료(202) 간 거리는 광경로차를 구성하며, 후술하는 식(6)에서 h값에 해당한다.
상기 이미징 분광기(401)는 상기 간섭 렌즈 모듈(201)과 시료(202)에서 형성된 간섭광과 상기 제2빔 스플리터(205)에서 반사된 기준광이 상기 제1빔 스플리터(200)를 통과한 후 측정되는 빛 감지 장치다. 상기 이미징 분광기(401)는 고주파 신호 변조된 합성광 신호의 강도(intensity)가 파장별로 측정되어 디지털 신호로 출력할 수 있다. 상기 이미징 분광기(401)는 공지된 분광기를 채용하여 구성할 수 있다. 상기 이미징 분광기(401)는 빛을 집광하는 집광 렌즈(402)와, 집광된 빛을 회절시키는 회절판 및 슬릿 요소(403)와, 회절된 빛을 평행광으로 보정하는 보정 렌즈(404) 및 빛의 세기를 측정하는 센서(405)가 하나의 모듈로 형성될 수 있다. 상기 이미징 분광기(401)는 신호 처리를 위한 컴퓨터 장치가 분리 가능하게 부가되거나 일체로 형성될 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은 상기 이미징 분광기(401)에 측정되는 빛의 신호에 고주파 변조 효과를 구현하는 구성요소이다. 상기 고주파 신호 변조 모듈은 멀티오더 위상 지연자(300)와 적어도 하나 이상의 편광자를 포함한다. 상기 고주파 신호 변조 모듈을 구성하는 구성요소들은 서로 이격된 위치에 분리된 상태로 배치될 수 있다.
상기 고주파 신호 변조 모듈은 다양한 형태로 구성될 수 있다.
예컨대 도 3에 도시된 제1실시 예에서는 제1편광자(102)와, 멀티오더 위상 지연자(300)와, 제2기준 미러(301)와, 제2편광자(400)로 구성된다.
도 3을 참조하면, 상기 제1편광자(102)는 상기 콜리메이터(101)와 상기 제1빔 스플리터(200) 사이에 배치된다. 상기 제1편광자(102)는 상기 콜리메이터(101)를 통과한 빛을 편광시키는 구성요소이다.
상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1빔 스플리터(200)를 투과한 빛의 위상을 지연시켜 고주파 신호로 변조한다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)로부터 상기 제1빔 스플리터(200)를 투과한 빛의 위상을 지연시키는 구성요소다. 일반적으로 멀티오더 위상 지연자(300)는 복굴절(birefringence)을 일으키는 플레이트 형태의 구조물을 채용할 수 있다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 빛과 같은 전자기파를 구성하는 p파와 s파간 속도차이를 발생시킨다. 이에 따라 상기 멀티오더 위상 지연자(300)를 통과한 빛은 p파와 s파 간에 위상 차이가 발생함으로써 p파와 s파 간 미세 파형의 골과 마루의 진폭이 커짐으로써 파형이 선명한 사인파 형태로 변조된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)의 복굴절에 의한 빛의 위상은 파수(wavenumber)에 선형적 함수관계를 가진다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)의 두께가 증가할수록 위상차가 발생된 p파와 s파 간 골과 마루가 더욱 선명하게 분리된다. 이에 따라 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 주어진 파수 범위에서 통과된 빛이 고주파 형태의 신호 파형을 형성한다. 이에 따라 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 기준광이나 상기 시료(202)에서 반사된 간섭광 신호에 합성되어 고주파 신호로 변조하는 역할을 수행한다. 기준광이나 간섭광이 고주파 신호로 변조된 경우, 박막의 두께가 200nm 이하인 경우에도 후술하는 신호 분리 단계(S200)에서 고속 푸리에 역변환에 의해 얻어진 신호에서 기준광 신호가 DC 신호 및 간섭광 신호와 선명하게 분리됨으로써 박막 두께 측정의 정밀도를 혁신적으로 향상시킬 수 있다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 후술하는 신호 분리 단계(S200)에서 푸리에 역변환에 의해 DC 신호와, 간섭광 신호 및 기준광 신호가 명확하게 구분될 수 있도록 충분히 큰 위상 변조가 일어날 수 있는 정도로 위상 지연값을 발생시키는 것이 바람직하다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)와 상기 제1편광자(102) 및 후술하는 제2편광자(400)의 협동 작용에 의해 제2기준 미러(301)에 반사되는 빛은 상기 이미징 분광기(401)에서 측정된 신호를 후처리하는 과정에서 기준광과 간섭광 신호가 잘 분리될 수 있도록 고주파 신호 변조 효과를 제공한다.
상기 제2기준 미러(301)는 상기 멀티오더 위상 지연자(300)를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자(300)쪽으로 반사시키는 구성요소이다. 상기 제2기준 미러(301)에서 반사된 빛은 상기 멀티오더 위상 지연자(300)를 역 방향으로 통과하면서 다시 한번 위상이 지연된다.
상기 제2편광자(400)는 상기 간섭 렌즈 모듈(201)과 상기 시료(202)에서 형성된 간섭광과 상기 제2기준 미러(301)에서 반사된 빛이 합성되어 통과하는 경로상에 배치된다. 더 구체적으로 상기 간섭 렌즈(203)로부터 상기 제1빔 스플리터(200)로 입사된 빛과 상기 제2기준 미러(301)로부터 상기 제1빔 스플리터(200)로 입사된 빛이 합성되어 상기 이미징 분광기(401)로 입사되는 경로상에 배치된다. 상기 제2편광자(400)는 상기 시료(202)에서 반사된 간섭광의 광축상에 배치된다. 제1실시 예에서 상기 제2편광자(400)는 상기 제1빔 스플리터(200)의 상방에 배치된다. 상기 제1빔 스플리터(200)에서는 상기 제2기준 미러(301)에서 반사된 파수 고주파 변조광과 상기 간섭 렌즈 모듈(201)과 상기 시료(202)에서 형성된 간섭광이 합성된 후 상기 제2편광자(400)로 입사된다. 상기 제2편광자(400)는 고주파 신호 변조된 합성광을 편광시킨다. 상기 제2편광자(400)를 통과한 빛은 상기 이미징 분광기(401)에서 측정된다. 제1실시 예에서 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 기준광의 일부를 파수에 대해 고주파 신호 변조하여 나머지 빛과 합성시키도록 구성된다.
한편, 도 4에 도시된 제2실시 예에서는 상기 고주파 신호 변조 모듈은, 제1편광자(102)와, 멀티오더 위상 지연자(300)와, 제2기준 미러(301)로 구성된다.
제2실시 예에서 상기 제1편광자(102)는 상기 콜리메이터(101)에서 상기 제1빔 스플리터(200)를 투과한 빛을 편광시키도록 배치된다.
상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 고주파 신호로 변조하도록 배치된다. 상기 제2기준 미러(301)는 상기 멀티오더 위상 지연자(300)를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자(300)쪽으로 반사시키는 역할을 수행한다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)에서 고주파 신호 변조된 빛은 상기 제1빔 스플리터(200)에서 반사되어 상기 이미징 분광기(401)로 입사된다. 제2실시 예에서 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 기준광의 일부를 고주파 신호 변조하여 나머지 빛과 합성시키도록 구성된다.
한편, 도 5에 도시된 제3실시 예에서는 상기 고주파 신호 변조 모듈은, 제1편광자(102)와, 멀티오더 위상 지연자(300)와, 제2편광자(400)로 구성된다.
제3실시 예에서 상기 제1편광자(102)는 상기 콜리메이터(101)와 상기 제1빔 스플리터(200) 사이에 배치된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)와 상기 제1빔 스플리터(200) 사이에 배치된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 고주파 신호로 변조한다. 상기 제2편광자(400)는 상기 제1빔 스플리터(200)와 상기 이미징 분광기(401) 사이에 배치된다. 즉, 상기 제2편광자(400)는 상기 간섭 렌즈(203)로부터 상기 제1빔 스플리터(200)로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기(401)로 입사되는 경로상에 배치된다. 제3실시 예에서 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 기준광의 전부를 고주파 신호 변조하도록 구성된다.
한편, 도 6에 도시된 제4실시 예에서는 상기 고주파 신호 변조 모듈은, 제1편광자(102)와, 멀티오더 위상 지연자(300)와, 제2편광자(400)로 구성된다.
제4실시 예에서 상기 제1편광자(102)는 상기 콜리메이터(101)와 상기 제1빔 스플리터(200) 사이에 배치된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1빔 스플리터(200)와 상기 간섭 렌즈(203) 사이에 배치된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1빔 스플리터(200)에서 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 고주파 신호로 변조한다. 상기 제2편광자(400)는 상기 제1빔 스플리터(200)와 상기 이미징 분광기(401) 사이에 배치된다. 더 구체적으로 상기 제2편광자(400)는 상기 간섭 렌즈(203)로부터 상기 제1빔 스플리터(200)로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기(401)로 입사되는 경로상에 배치된다. 제4실시 예에서 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 시료로 입사되는 빛과 시료로부터 반사되는 빛을 고주파 신호 변조하도록 구성된다.
한편, 도 7에 도시된 제5실시 예에서는 상기 고주파 신호 변조 모듈은, 제1편광자(102)와, 멀티오더 위상 지연자(300)로 구성된다.
제5실시 예에서 상기 제1편광자(102)는 상기 제1빔 스플리터(200)와 상기 간섭 렌즈(203) 사이에 배치된다. 상기 제1편광자(102)는 상기 제1빔 스플리터(200)로부터 상기 간섭 렌즈(203)를 향해 입사되는 빛을 편광시킨다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)와 상기 간섭 렌즈(203) 사이에 배치된다. 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 상기 제1편광자(102)로부터 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 고주파 신호로 변조한다. 제5실시 예에서 상기 멀티오더 위상 지연자(300)는 시료로 입사되는 빛과 시료로부터 반사되는 빛을 고주파 신호 변조하도록 구성된다.
상술한 바와 같은 박막 두께와 형상을 측정하는 장치는 종래의 박막 두께 측정 장치에 비하여, 상기 고주파 신호 변조 모듈에 의해 상기 이미징 분광기(401)에서 측정되는 신호의 특성이 달라진다. 더 구체적으로 상기 고주파 신호 변조 모듈이 결여된 상태에서 상기 이미징 분광기에서 측정된 신호가 도 8에 도시된다. 한편, 상기 광원(100)에서 발생된 빛이 상기 고주파 신호 변조 모듈만을 통과한 후에 생성된 신호가 도 9에 도시된다. 한편, 도 10에 도시된 신호는 도 3에 도시된 장치에서 상기 이미징 분광기(401)에서 측정되는 고주파 신호가 합성된 실제 신호이다. 본 발명은 종래 분광 간섭계난 백색광 위상 천이 간섭계와 달리 항상 고주파 변조된 신호가 합성된 측정 신호가 상기 이미징 분광기(401)에서 측정된다. 이에 따라 상기 시료(202)에 입사되는 간섭광만을 측정하기 위해 기준 미러로 입사되는 빛을 선택적으로 차단하는 차단 구조물이 없으므로 측정 시간이 현저하게 단축된다. 또한, 측정 과정에서 시료(202)가 움직이거나 제2기준 미러(301)가 움직이지 않으므로 진동에 의한 오차를 혁신적으로 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.
이제, 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 측정 장치를 이용하여 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법(이하, "박막 두께와 형상 측정 방법"이라 함)을 설명하기로 한다.
상기 박막 두께와 형상 측정 방법은, 분광 신호 획득 단계(S100)와, 신호 분리 단계(S200)와, 신호 복원 단계(S300)와, 반사도 계산 단계(S400)와, 위상 정보 추출 단계(S500)와, 두께 결정 단계(S600)와, 형상 결정 단계(S700)와, 최종 결정 단계(S600)를 포함한다.
상기 분광 신호 획득 단계(S100)에서는 상기 이미징 분광기(401)에서 분광 신호를 획득한다. 상기 분광 신호 획득 단계(S100)에서는 얻어지는 신호는 컴퓨터에서 처리될 수 있도록 디지털 신호인 것이 바람직하다. 상기 분광 신호 획득 단계(S100)에서 얻어지는 신호는 도 10에 도시된 파장별 빛의 강도 분포 데이터일 수 있다.
상기 신호 분리 단계(S200)는 상기 분광 신호 획득 단계(S100) 후에 수행된다. 상기 신호 분리 단계(S200)에서는 상기 분광 신호 획득 단계(S100)에 획득된 신호 데이터를 파수에 대한 주파수 분석 기법을 이용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리한다. 상기 신호 분리 단계(S200)에서는 예컨대, 예컨대, 상기 분광 신호 획득 단계(S100)에서 획득된 데이터 신호를 고속 푸리에 역변환((iFFT, inverse Fast Fourier Transformation))하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리한다. 도 12를 참조하면 도 10에 도시된 신호를 푸리에 역변환하여 얻은 신호로서 DC 신호와, 간섭광 신호와, 기준광 신호가 가시적으로 분리된 상태를 쉽게 이해할 수 있다. 본 발명에 따른 박막 두께와 형상을 측정하는 장치는 상기 고주파 신호 변조 모듈에 의해 상기 이미징 분광기(401)에서 측정되는 신호에서 DC 신호와, 간섭광 신호와, 기준광 신호가 쉽게 분리될 수 있도록 기준광의 전부나 일부를 고주파 신호 변조하여 합성한 점에 특징이 있다.
도 12에 도시된 빛의 강도는 파수(wave number)의 함수로서 다음 식(5)로 정의된다.
식(5)에서 허수 부분(e-i2x)은 푸리에 도메인에서 중심(z=0)으로부터 얼마나 많이 이동(shift)되어 있는가를 의미한다.
상기 신호 복원 단계(S300)는 상기 신호 분리 단계(S200)에 수행된다. 상기 신호 복원 단계(S300)에서는 상기 신호 분리 단계(S200)에서 사용한 파수에 대한 주파수 분석 기법을 역으로 사용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리 복원한다. 예컨대, 상기 신호 복원 단계(S300)에서는 도 12에 도시된 각각의 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호 데이터를 윈도우 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transformation)하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리된 상태로 복원한다. 윈도우 FFT는 특정 범위의 신호만을 선택적으로 푸리에 변환하는 알고리즘으로써 공지된 애플리케이션 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 신호 복원 단계(S300)에서 복원된 DC 신호의 파장별 강도 분포를 볼 수 있다. 도 14를 참조하면, 상기 신호 복원 단계(S300)에서 복원된 기준광 신호의 파장별 강도 분포를 볼 수 있다.
상기 반사도 계산 단계(S400)는 상기 신호 복원 단계(S300)후에 수행된다. 상기 반사도 계산 단계(S400)에서는 상기 기준광 신호와 상기 DC 신호를 이용해 반사도를 계산한다. 상기 반사도 계산 단계(S400)는, 각 파장별로 상기 DC 신호의 강도값을 상기 기준광 신호로 나누는 과정을 포함한다. 더 구체적으로 도 12에 도시된 DC 신호의 강도는 식(5)에서 실수 부분의 값에 대응된다. 또한, 도 13에 도시된 기준광 신호의 강도는 식(5)에서 말단 항목의 계수값에 대응된다. 이에 따라 도 13에 도시된 신호와 도 14에 도시된 신호의 산술계산에 의해 반사도를 계산할 수 있다. 즉, 각각의 파장별로 도 13에 도시된 세로축 값을 도 14에 도시된 세로축 값으로 나누는 과정을 포함한 산술계산을 수행함으로써 도 15에 도시된 바와 같은 반사도 신호를 얻을 수 있다. 도 15를 참조하면 도 13과 도 14에 도시된 신호의 산술계산에 의해 구해진 반사도의 분포를 볼 수 있다. 도 15에 도시된 세로축 값은 식(1)에 정의된 반사도에 대응된다.
상기 위상 정보 추출 단계(S500)는 상기 신호 복원 단계 후에 수행된다. 상기 위상 정보 추출 단계(S500)에서는 도 12에 도시된 간섭광 신호로부터 간섭광의 위상 정보를 추출한다. 더 구체적으로 도 12에 도시된 간섭광 신호를 윈도우 고속 푸리에 변환하면 도 16에 도시된 바와 같이 복원된 간섭 신호의 파수별 위상 분포를 구할 수 있다. 도 16에서 위상(φ) 값은 파수(k)와 반사도의 합성함수로서 다음 식(6)과 같이 정의 된다.
도 17은 도 16에 도시된 위상 분포에서 비선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다. 도 18은 도 16에 도시된 위상 분포에서 선형 위상 성분만 분리한 것을 도시한 도면이다. 이와 같은 방법에 의해 상기 위상 정보 추출 단계(S500)에서 간섭광의 비선형 위상과 선형 위상 분포를 분리해 낼 수 있다. 예컨대, 간섭광의 비선형 위상과 선형 위상 분포를 분리하는 방법은 최소자승법과 같은 공지된 알고리즘을 채용할 수 있다.
상기 두께 결정 단계(S600)는 상기 위상 정보 추출 단계(S500) 후에 수행된다. 상기 두께 결정 단계(S600)에서는 반사도와 비선형 위상의 측정값과 이론값 사이의 오차를 수치적으로 계산하여, 오차가 최소가 되게 하는 두께를 산출하는 과정이다. 반사도와 비선형 위상 측정값은 각각 도 15에 도시된 수치와 도 17에 도시된 수치를 사용한다. 반사도 이론값은 식(1)로부터 계산되고, 비선형 위상 이론값은 식(2)의 반사계수 위상에서 최소자승법으로 비선형 성분을 추출함으로써 계산된다. 도 19에는 상기 두께 결정 단계(S600)에서 결정된 박막과 기질의 표면 및 경계면의 상대적 위치를 보여주는 맵이 도시된다.
상기 형상 결정 단계(S700)는 상기 두께 결정 단계(S600) 후에 수행된다. 상기 형상 결정 단계(S700)에서는 간섭광의 위상과 상기 두께 결정 단계(S600)에서 결정된 박막의 두께를 이용해 박막의 형상을 결정한다. 더 구체적으로 상기 형상 결정 단계(S700)에서는 기질(substrate)의 표면 높이(h)를 결정하는 것이다. 상기 식(6)에서 
값은 박막 반사계수의 위상 성분이다. 또한 간섭광의 비선형 위상 성분은 박막 두께만의 함수이다. 따라서, 상기 두께 결정 단계(S600)에서 결정된 두께 값을 이용하여 식(6)의 
값을 계산한다. 이와 같이 계산된 
값 신호 분포가 도 20에 도시된다.
도 21은 도 16에 도시된 간섭광의 위상 신호에서 도 20에 도시된 비선형 위상 신호값을 차감하여 얻은 선형 위상의 분포를 보여주는 도면이다. 도 21은 1차 함수 그래프로서 가로축은 파수(k)이며 세로축이 선형 위상값이다. 이에 따라 도 21에서 직선의 기울기를 알 수 있으므로 식(6)에 포함된 기질의 표면 높이(h)를 계산할 수 있다. 이에 따라 기질 표면의 형상이 결정된다. 이와 같이, 상기 형상 결정 단계(S700)는, 상기 두께 결정 단계(S600)에서 결정된 박막의 두께로부터 시료의 위상 신호를 계산한 후, 상기 위상 정보 추출 단계(S500)에서 추출된 간섭광의 위상 신호에서 계산된 시료의 위상 신호를 차감함으로써 형상 정보만을 담은 선형 위상 신호값을 얻을 수 있다.
상기 최종 결정 단계(S600)는 상기 형상 결정 단계(S700) 후에 수행된다. 상기 최종 결정 단계(S600)에서는 상기 두께 결정 단계(S600)에서 결정된 박막의 두께에 상기 형상 결정 단계(S700)에서 결정된 기질 표면의 높이를 합성하여 박막의 두께가 반영된 형상을 최종적으로 산출한다. 도 22를 참조하면, 상기 최종 결정 단계(S600)에서 도 19에 도시된 박막 두께 맵과 도 21에서 얻을 수 있는 기질 표면의 높이(h)를 반영한 최종 박막 두께 정보와 형상 정보 맵을 얻을 수 있다는 것을 개념적으로 쉽게 이해할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치 및 그 장치를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법은, 광원의 기준광 신호와 시료에서 간섭 렌즈 모듈과 시료에서 형성된 간섭광 신호를 쉽게 분리할 수 있도록 기준광의 전부 또는 기준광의 일부를 고주파 신호 변조 모듈을 통해 고주파 신호 변조함으로써 이미징 분광기에서 측정된 신호를 파수에 대한 주파수 분석 기법 적용시 DC 신호와, 간섭광 신호와, 기준광 신호가 명확하게 분리되도록 하여 반사도 계산을 위한 신호와 간섭광의 위상 신호를 효과적으로 분리해 낼 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 박막 두께와 형상 측정 방법은 역변환된 신호를 주파수 분석 기법을 이용해 각각의 신호를 효과적으로 분리 복원함으로써 반사도와 비선형 위상 정보를 이용해 박막의 두께를 산출하고, 산출된 박막 두께를 이용하여 선형 위상 정보를 계산해 박막 두께와 형상을 효과적으로 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은 종래의 장치나 방법에 비하여 구성요소의 동적인 구동 없이 측정 신호를 얻을 수 있으므로 측정 시간이 현저하게 짧으며, 외부의 진동이나 구동 장비의 이송 오차 등의 영향을 최소함으로써 정밀한 박막 두께 및 형상을 효과적으로 측정할 수 있다. 또한, 박막의 두께를 측정함에 있어서, 반사도와 위상 성분을 동시에 이용하므로 200nm 이하의 박막 두께도 높은 정확도로 측정할 수 있는 효과를 제공한다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.
100 : 광원
101 : 콜리메이터
102 : 제1편광자
200 : 제1빔 스플리터
201 : 간섭 렌즈 모듈
202 : 시료
203 : 간섭 렌즈
204 : 제1기준 미러
205 : 제2빔 스플리터
300 : 멀티오더 위상 지연자
301 : 제2기준 미러
400 : 제2편광자
401 : 이미징 분광기
402 : 집광 렌즈
403 : 회절판 및 슬릿 요소
404 : 보정 렌즈
405 : 센서
S100 : 분광 신호 획득 단계
S200 : 신호 분리 단계
S300 : 신호 복원 단계
S400 : 반사도 계산 단계
S500 : 위상 정보 추출 단계
S600 : 두께 결정 단계
S700 : 형상 결정 단계
S800 : 최종 결정 단계
101 : 콜리메이터
102 : 제1편광자
200 : 제1빔 스플리터
201 : 간섭 렌즈 모듈
202 : 시료
203 : 간섭 렌즈
204 : 제1기준 미러
205 : 제2빔 스플리터
300 : 멀티오더 위상 지연자
301 : 제2기준 미러
400 : 제2편광자
401 : 이미징 분광기
402 : 집광 렌즈
403 : 회절판 및 슬릿 요소
404 : 보정 렌즈
405 : 센서
S100 : 분광 신호 획득 단계
S200 : 신호 분리 단계
S300 : 신호 복원 단계
S400 : 반사도 계산 단계
S500 : 위상 정보 추출 단계
S600 : 두께 결정 단계
S700 : 형상 결정 단계
S800 : 최종 결정 단계
Claims (8)
- 광대역 다파장 빛을 발생시키는 광원;
상기 광원에서 발생된 빛의 일부를 투과하고 나머지를 반사시키는 제1빔 스플리터;
상기 제1빔 스플리터에서 분기된 빛을 시료를 향해 입사시키는 간섭 렌즈 모듈; 및
상기 시료와 상기 간섭 렌즈 모듈을 통해 생성된 간섭광이 상기 제1빔 스플리터를 통과한 후 측정되는 이미징 분광기;를 포함하며,
상기 이미징 분광기에 측정되는 빛의 신호에 파수에 대한 고주파 변조 효과를 구현하는 고주파 신호 변조 모듈을 포함하며,
상기 고주파 신호 변조 모듈은 멀티오더 위상 지연자와 적어도 하나 이상의 편광자를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치되는 제1편광자;
상기 제1빔 스플리터를 투과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 상기 멀티오더 위상 지연자;
상기 멀티오더 위상 지연자를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자를 향해 반사시키는 제2기준 미러; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛과 상기 제2기준 미러로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 합성되어 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원으로부터 상기 제1빔 스플리터를 투과한 빛을 편광시키는 제1편광자;
상기 제1편광자를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 상기 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 멀티오더 위상 지연자를 통과한 빛을 다시 상기 멀티오더 위상 지연자를 향해 반사시키는 제2기준 미러;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치된 제1편광자;
상기 제1편광자를 통과한 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 상기 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 광원과 상기 제1빔 스플리터 사이에 배치되는 제1편광자;
상기 제1빔 스플리터와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어 상기 제1빔 스플리터에서 상기 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 상기 멀티오더 위상 지연자; 및
상기 간섭 렌즈 모듈로부터 상기 제1빔 스플리터로 입사된 빛이 상기 이미징 분광기에 입사되는 경로상에 배치된 제2편광자;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 신호 변조 모듈은,
상기 제1빔 스플리터와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어, 상기 제1빔 스플리터로부터 상기 간섭 렌즈 모듈을 향해 입사되는 빛을 편광시키는 제1편광자; 및
상기 제1편광자와 상기 간섭 렌즈 모듈 사이에 배치되어, 상기 제1편광자로부터 상기 시료를 향해 입사되는 빛의 위상을 지연시켜 파수에 대한 고주파 신호로 변조하는 상기 멀티오더 위상 지연자;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상을 측정하는 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 측정 장치를 이용한 박막의 두께와 형상 측정 방법으로서,
상기 이미징 분광기에서 분광 신호를 획득하는 분광 신호 획득 단계;
상기 분광 신호 획득 단계에서 획득된 신호 데이터를 파수에 대한 주파수 분석 기법을 사용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리하는 신호 분리 단계;
상기 신호 분리 단계 후에 수행되며, 파수에 대한 주파수 분석 기법을 역으로 사용하여 DC 신호, 간섭광 신호 및 기준광 신호를 분리 복원하는 신호 복원 단계:
상기 신호 복원 단계 후에 수행되며, 상기 기준광 신호와 상기 DC 신호를 이용해 반사도를 계산하는 반사도 계산 단계;
상기 신호 복원 단계 후에 수행되며, 상기 간섭광 신호에서 위상 정보를 추출하는 위상 정보 추출 단계;
상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 위상 정보 중 비선형 위상과 상기 반사도를 이용해 박막의 두께를 결정하는 두께 결정 단계;
상기 두께 결정 단계 후에 수행되며, 상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 간섭광의 위상 정보와 상기 두께 결정 단계에 의해서 결정된 두께로부터 계산된 시료의 위상 정보를 이용하여 박막의 형상을 결정하는 형상 결정 단계; 및
상기 두께 결정 단계에서 결정된 박막의 두께와 상기 형상 결정 단계에서 결정된 박막의 형상을 이용해 박막의 두께가 반영된 형상을 산출하는 최종 결정 단계;를 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법. - 제7항에 있어서,
상기 형상 결정 단계는, 상기 두께 결정 단계에서 결정된 박막의 두께로부터 시료의 위상 신호를 계산한 후, 상기 위상 정보 추출 단계에서 추출된 간섭광의 위상 신호에서 계산된 시료의 위상 신호를 차감함으로써 간섭광의 선형 위상 신호값을 얻는 과정을 포함한 것을 특징으로 하는 간섭과 파수 고주파 변조를 이용한 박막 두께와 형상 측정 방법.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100007894A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Canon Kabushiki Kaisha | Multilayer Structure Measuring Method and Multilayer Structure Measuring Apparatus |
| JP5536667B2 (ja) | 2008-11-26 | 2014-07-02 | ザイゴ コーポレーション | 低コヒーレンス走査干渉法における走査エラー補正 |
| KR101486271B1 (ko) * | 2013-05-13 | 2015-01-27 | 한국표준과학연구원 | 삼차원 박막 두께 형상 측정 방법 |
| US20200225115A1 (en) | 2019-01-15 | 2020-07-16 | Guangdong University Of Technology | Device and method for measuring lens contour based on laser wave number scanning |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006250849A (ja) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Naohiro Tanno | 光コヒーレンストモグラフィー装置を用いた光画像計測方法及びその装置 |
| JP5157610B2 (ja) * | 2008-04-17 | 2013-03-06 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 薄肉鋼管の肉厚測定方法 |
| JP5506491B2 (ja) * | 2010-03-26 | 2014-05-28 | 株式会社日立製作所 | 距離測定装置および距離測定方法 |
| JP2014035257A (ja) * | 2012-08-08 | 2014-02-24 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ミューラー行列顕微エリプソメータ |
| KR101886919B1 (ko) | 2016-06-16 | 2018-09-11 | 한국표준과학연구원 | 영상분광광학계를 이용한 다층막 구조물의 두께와 형상 측정장치 및 측정방법 |
| KR20190052885A (ko) | 2017-11-09 | 2019-05-17 | 삼성전자주식회사 | 다중층 구조 검사 장치와 방법, 및 그 방법을 구비한 반도체 소자 제조방법 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100007894A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Canon Kabushiki Kaisha | Multilayer Structure Measuring Method and Multilayer Structure Measuring Apparatus |
| JP5536667B2 (ja) | 2008-11-26 | 2014-07-02 | ザイゴ コーポレーション | 低コヒーレンス走査干渉法における走査エラー補正 |
| KR101486271B1 (ko) * | 2013-05-13 | 2015-01-27 | 한국표준과학연구원 | 삼차원 박막 두께 형상 측정 방법 |
| US20200225115A1 (en) | 2019-01-15 | 2020-07-16 | Guangdong University Of Technology | Device and method for measuring lens contour based on laser wave number scanning |
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