KR20020041260A - 미세패턴 박막두께 측정장치. - Google Patents

Abstract

기판위에 형성된 박막두께를 광 간섭법을 이용하여 측정할 수 있는 박막 두께 측정 장치는 광원으로부터 발광 된 광이 기판에 형성된 박막 시료에 입사되고, 입사광은 박막의 경계면에 의해 반사되며 반사광은 광 경로차에 의한 광 간섭정보를 가지고 분광기에 전해진다. 반사광은 분광기에 의해 파장별 스펙트럼을 이루며 정보 처리기는 스펙트럼 신호를 처리, 분석하여 박막두께를 산출 후 나타낸다 .

기판 위에 형성된 미세 패턴등과 같은 특정부분의 박막두께를 측정하기 위한 장치에 있어서, 시료의 측정위치를 인지하기 위해 보조광원을 조사부로서 시료의 측정하고자 하는 특정부분에 표시하고, 표시된 특정부분의 간섭정보만을 확대상위치에 정렬된 수광부로 수용하여 선택적으로 분석, 처리함으로서 측정부분의 위치확인 및 두께를 정밀하게 측정 가능한다.

Description

미세패턴 박막두께 측정장치.{apparatus for measurement of thin film thickness in micro-pattern}

본 발명은 광 간섭법을 이용한 박막 두께 측정 장치로서, 보다 상세하게는 기판에 형성된 박막의 패턴등과 같은 특정 부분에 광을 조사하여, 박막의 상면과 하면에서 반사된 광 간섭정보를 이용하여 기판에 형성된 특정 부분의 박막 두께를 측정하는 장치에 관한 것이다.

종래에 기판 위에 형성된 박막두께를 측정하는데 있어서 광 간섭법을 이용한 박막 두께 측정 장치가 이용되어 왔다.

도 1에서와 같이 광원(1)은 광섬유부의 발광부(2)를 통하여 시료(4)에 입사되고 시료의 박막 경계면에서 반사된 간섭정보를 가진 광은 수광부(3)에 수용되어 분광기에서 파장별 스펙트럼을 이루고 이를 정보처리기(컴퓨터)에서 분석하여 박막두께를 나타낸다. 그러나 이러한 구조는 광원(1)으로부터 발광 된 광이 시료의 어느 부분을 조사하고 측정하는지 인지할 수 없고 혹 어느 특정부분의 박막두께를 측정할 수 있는 장치라고는 하더라도, 대강 두께 측정하는 부분을 밀리미터 단위로만 알 수 있을 뿐, 마이크로미터 단위로 정확하게 기판상의 박막의 어느 부분을 두께 측정하고 있는지 확인 할 수 없는 어려움이 있다.

또 다른 예로 도 2와 같은 장치의 경우, 광원(1)에서 시료(4)에 광 입사 후, 시료의 박막 경계면에서 반사된 간섭정보를 가진 광들 중에서, 경사반사판(5)에 형성된 구멍을 통과한 간섭광은 분광기에 입사되어 파장별 스펙트럼을 이루고 이를 분석하여 박막두께 해석에 이용하고, 경사반사판(5)에서 반사된 나머지 광은 관찰용 접안렌즈(6)로 입사되어 초점확인과 관찰에 사용한다. 접안렌즈(6)로 시료상을 보면 경사반사판(5)의 구멍도 시료상에 위치한 검은 점으로 보이므로 시료의 어느 부분을 측정하고 있는지를 알 수가 있다. 그러나 경사반사판(5)의 구멍가공에 있어 기계적인 가공한계로 인하여 일정크기 이하의 면적을 가지는 패턴 등의 시료박막의 특정부분을 분석하는 데는 한계가 있다.

본 발명의 목적은 광 간섭법을 이용한 박막 두께 측정 장치에 있어서, 시료의 미세 패턴 등과 같은 특정부분의 박막두께를 측정함에 있어 측정하고자 하는 곳의 위치를 인지하는 수단을 도입하여 측정하고자 하는 특정부분의 박막두께를 간편히 정밀하게 측정하는 박막두께 측정기의 개발이다.

도 1과 도 2는 종래기술을 나타낸 구성도.

도 3은 미세패턴 박막두께 측정장치 구성도.

도 4는 광섬유부의 구조를 나타낸 단면도.

도 5는 확대상위치에서 시료의 패턴상이 확대된 상을 이루는 것을 나타낸 도면.

도 6은 광섬유부의 조사부가 시료의 패턴위치에 표시 될 때, 육안으로 관찰 된 상을 나타낸 도면.

도 7은 CCD 카메라를 이용한 미세패턴 박막두께 측정장치 구성도.

도 8은 단일 광섬유를 이용하여 패턴 표시장치로 사용하기 위하여 분광기 내부에 보조광원을 위치시킨 경우의 분광기 내부도.

도 9는 다수의 광섬유를 사용하여 패턴 표시장치로 사용한 경우와 단일광섬유를 이용하여 측정위치 표시장치로 사용한 경우의 비교 도면.

도 10은 보조광원을 유도거울 혹은 광분할기를 이용하여 단일 광섬유에 입사시키는 방법으로 측정위치 표시장치를 구성하고 이를 사용한 박막두께 측정장치를 나타낸 구성도.

도 11은 분기형 광섬유식 측정위치 표시장치를 이용한 박막두께 측정장치를 나타낸 구성도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원 4 : 시료

19 : 확대상위치 21: 보조광원

22 : 조사부 23 : 수광부

24 : 단일광섬유 30 : 패턴상

31 : 조사부상 32 : 측정점

도 3에서와 같이 본 발명은 크게 광원부, 광학부, 광섬유부, 분광기, 신호 처리기(컴퓨터)로 구성된다.

광학부은 측정용 광원(1)을 대물렌즈로 유도하는 제1 광분할기(10)와 시료에 광을 집속시키는 대물렌즈(11), 시료(4)에 입사후 반사된 광을 육안검사를 위한 접안렌즈(12)와 광섬유부(20)로 분할 유도하는 제2 광분할기(13) 및 확대상위치(19)에 상을 맺도록 하는 보조렌즈(14)로 구성된다.

박막 두께측정을 위한 광원부은 가시광선 영역의 할로겐 램프(1)와 조리개(7) 및 렌즈조합(8)으로 구성되어 있다.

제1, 제2 광분할기(10,13)는 가시광선영역의 파장범위를 수용하는 것으로 이용한다.

상기의 광학부와 광원부는 상업적으로 이용되는 금속현미경의 구조와 비슷하여, 이들 금속현미경을 이용하면 제작에 있어 비용절감이 가능하다.

도 3의 보조광원(21)은 도면 4에 나타낸 조사부(22)를 통하여 조사되며, 시료의 측정부분을 표시하기 위한 것으로 색을 가진 광을 이용하면 시료의 측정부분 식별이 더욱 용이하다.

도 4에 보이듯이 광섬유부는 보조광을 조사할수 있는 조사부(22)와 반사된 간섭 정보광을 수광할 수 있는 수광부(23)로 이루어져 있다. 조사부(22)의 광섬유 6개로 수광부(23) 1개를 둘러싼 구조는 제조에 있어서 조립을 용이하게 한다.

도 3으로 개략적인 원리를 설명하면, 광원(1)으로부터 발광된 광은 제1광분할기(10)와 대물렌즈(11)를 통하여 기판에 형성된 박막시료(4)에 입사된다.

이때 입사광은 박막표면의 1차 경계면(4a)과 박막과 기판의 2차 경계면(4b)에 의해 반사되며 반사광은 광 경로차에 의한 광 간섭정보를 가지고 광섬유부(20)의 수광부를 통해 분광기에 전해진다.

간섭정보를 가진 반사광의 분광기로의 유도는 광섬유부(20)의 수광부에 의해서 이루어지므로 광학부내의 각 광학부품과 분광기의 정열은 고려되지 않고 광섬유부(20)와 광학부품과의 정렬만이 요구된다. 박막의 경계면(4a,4b)에 의해 형성된 반사광은 분광기에 의해 파장별 스펙트럼을 이루며 정보 처리기는 스펙트럼 신호를 처리, 분석하여 박막두께를 산출 후 나타낸다.

패턴과 같은 특정 부분의 박막두께 측정방법을 설명하면, 광원(1)으로부터 발광된 광이 시료(4)위에서 초점이 맞도록 시료를 위치시킨다. 그리고 광섬유부(20)의 수광부를 박막의 미세 패턴이 선명하게 상을 이루는 확대상위치(19)에 위치함으로서 패턴의 광 간섭정보만을 수광 할 수 있다. 이때 확대상위치(19)는 도 5와 같이 시료의 패턴상(30)이 선명하게 확대된 상을 맺는 위치 이며, 동시에 접안렌즈를 통한 육안으로 관찰시 광섬유부의 조사부가 도 6과 같이 시료위에 선명히 조사부상(31)을 맺도록 하는 위치이다.

광학부의 대물렌즈와 보조렌즈에 의해 시료의 패턴은 도 5와 같이 확대상위치(19)에 확대되어 나타나고, 광섬유부의 수광부(23)가 확대된 패턴상(30)에 정렬함으로서 수광부(23)는 패턴상의 간섭정보를 수반한 반사광만을 수용한다.

도 6에서와 같이 광학부의 접안렌즈를 통하여 육안으로 관찰하면 광섬유부의 조사부에서 조사된 광은 시료 표면의 측정범위에 밝은 조사부상(31)을 이루고 이때수광부로 수광되는 측정점(32)은 조사부상(31)과 명암이 구별되어 측정하고자 하는 특정부분의 박막을 육안으로 관찰함과 동시에 박막두께를 측정할 수 있다. 즉 시료상에 나타난 조사부상(31)으로 둘러싸여 명암이 구별되는 곳이 측정점(32)이라는 것을 인지하고, 조사부로부터 조사되는 보조광원을 끈 후, 측정점으로부터 반사된 간섭정보만을 수용함으로서 선택적으로 패턴등의 특정부분를 두께측정 할 수 있다.

본 발명에 부가적으로 도 7과 같이 제 3 광분할기(15)를 삽입하여 이용하면 간섭정보를 가진 반사광을 광섬유부(20)의 수광부와 CCD 카메라(16)로 분할 입사함으로서 박막 두께 측정과 함께 동시에 모니터를 통한 시료의 측정부분 관찰도 가능하다.

본 발명에 부가적으로 도 8과 같이 광섬유부의 조광부와 수광부를 단일광섬유(24)로 이용하는 것이다. 즉 분광기 내에 보조광원(21)을 삽입하여 측정위치를 확인할 때는 보조광원을 광섬유 앞에 놓고 켠 후(21a), 측정위치 확인 후 박막의 두께를 측정할 때는 보조광원을 광섬유앞에서 제거함(21b)과 동시에 광원을 끄고 측정하는 것이다. 도 9에서 보이듯 단일 광섬유를 이용하여 측정위치를 확인하는 것(41)은 다수의 광섬유로서 측정위치를 확인하는 것(40)보다 더욱 세밀하게 측정위치를 확인 할 수 있다.

본 발명에 부가적으로 도 10과 같이 광섬유부를 단일광섬유로 이용하고 단일광섬유 사이에 측정위치 인지용으로 이용되는 보조광원(21)을 유도하는 유도거울(50a,50b) 혹은 광분할기(51)를 설치하여 측정위치 표시장치를 구성한다. 유도거울(50a,50b)의 사용시에는 분광기 외부에서 보조광원과 거울의 위치를 조절하는 방법으로 미세 패턴의 측정위치를 정밀하게 인지하며 박막 두께를 측정할 수 있다. 즉, 보조광원을 켜고 거울을 광섬유 사이에 위치시킨 후(50a), 미세 패턴의 측정위치를 인지하고, 보조광원을 끄고 거울을 광섬유 사이에서 제거한 후(50b), 인지된 미세패턴의 위치에서 박막의 두께를 측정한다. 이때 렌즈계(52)는 단일광섬유에서 다음 단일광섬유로 간섭정보가 전달될 때 광의 강도손실이 최소가 되도록 한다. 광분할기(51) 사용시에는 광분할기 이동없이 보조광원을 켜고 끄는 조절에 의해서 인지된 미세패턴의 위치에서 박막의 두께를 측정한다.

본 발명에 부가적으로 도 11과 같이 광섬유부를 분기형 광섬유로 이용하는 것이다. 광섬유의 한쪽은 조광부(60)와 수광부(61)로 이용되도록 분기형의 두개의 광섬유로 구성되고 다른 한쪽은 보조광원의 조사와 시료로부터 반사된 간섭정보가 하나의 광섬유(62)를 통하여 전달된다. 따라서 미세 패턴의 측정위치 인지에 있어 상기의 단일광섬유를 이용한 것과 같은 효과를 나타낸다.

상기와 같이 광섬유부의 조사부에서 광을 조사하여 조사부의 상이 시료위에 선명히 형성되도록 광섬유를 확대상위치에 위치시키고 광원에서 시료에 광을 입사하면 광학부의 대물렌즈와 보조렌즈에 의해 패턴상은 확대상위치에 확대되어 나타나고 광섬유부의 수광부가 확대된 패턴상에 정렬함으로서 수광부는 패턴상의 간섭정보를 수반한 반사광만을 수용한다.

시료 위에 나타난 조사부상으로 표시되는 곳을 측정 하고자 하는 시료의 특정부분에 위치함으로서 선택적으로 패턴 등과 같은 특정부분의 측정위치를 인지함과 동시에 측정점에서의 박막두께를 쉽고, 정밀하게 측정 가능하다.

Claims (9)

1. 측정용 광원으로 부터 발광된 광을 광학적 장치를 이용하여 박막시료에 입사시키고 박막시료로 부터 반사된 간섭정보를 가진 광을 광섬유를 이용하여 수광하여 분광기에 유도한 후, 분광기에 의한 파장별 스펙트럼을 분석하여 박막두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 박막두께 측정장치.
2. 제 1항에 있어서 광학적 장치는 측정용 광원의 입사경로와 박막시료로부터 반사된 반사광의 반사경로를 분리할 수 있는 광분할기와, 박막시료에 측정용 광원을 집속하는 대물렌즈, 박막시료의 육안검사를 위한 접안렌즈, 반사광을 광섬유에 수광하기 위한 보조렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막두께 측정장치.
3. 제 1항 내지 제 2항의 박막두께 측정장치에 있어서, 시료의 측정위치를 인지하기 위해 보조광원을 조사하여 시료의 측정하고자 하는 특정부분에 표시하고 수광부를 통해 표시된 특정부분의 간섭정보를 수용하여 특정부분의 박막두께를 간편히 측정하는 것을 특징으로 하는 장치
4. 제 3항에 있어서 측정위치를 인지하기 위한 보조광원은 백색광 혹은 특정 파장영역의 색을 가진 광을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 3항에 있어서 수광부는 시료의 패턴등과 같은 특정부분이 확대되어 상을 맺는 확대상위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서 CCD카메라와 CCD카메라로 반사광을 분할 유도하는 광분할기를 추가함으로서 정보처리기에서 자동 패턴인식하여 인식부의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정기.
7. 제 3항에 있어서 측정위치를 표시하기 위한 보조광원의 조사가 광섬유를 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7항에 있어서 측정위치를 표시하기 위한 보조광원을 단일광섬유에 유도하여 시료에 표시하고, 표시된 곳에서의 박막두께 측정시 단일광섬유 입구로부터 보조광원이 방해되지 않도록 한 후 측정함으로서 미세패턴과 같은 특정부분의 측정위치를 보다 정확하게 인지할 수 있는 방법을 추가한 박막두께 측정기.
9. 제 7항에 있어서 박막 두께 측정장치에 분기형광섬유를 사용함으로써 한쪽의 광섬유는 보조광원의 조사부로 이용하고 다른 한쪽의 광섬유는 수광부로 이용함으로서 미세 패턴과 같은 특정부분의 측정위치를 보다 정확하게 인지할 수 있는 방법을 추가한 박막두께 측정기.