KR20040004825A - 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상측정장치 - Google Patents

음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상측정장치 Download PDF

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KR20040004825A
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Abstract

본 발명은 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 광원으로부터 조사되는 백색광이 반사 및 투과되어 각각 기준면과 측정부로 분리 조사되도록 하기 위한 제 2빔스플리터와, 상기 제 2빔스플리터의 반사각에 대응하는 위치로 제 2빔스플리터 및 기준면의 사이에 설치되어 기준면에 대한 백색광의 조사를 선택적으로 차단하는 블록킹 플레이트를 포함하여 이루어지는 마이켈슨 간섭모듈과, 백색광의 차단여부에 따라 기준면으로부터 선택적으로 반사되는 백색광 및 상기 측정부로부터 반사되는 백색광의 진행방향에 설치되어 표면에 조사되는 백색광 중 일정 파장대역의 백색광을 선별하는 음향광학변조필터와, 광원, 제 2빔스플리터 및 음향광학변조필터 사이의 백색광 반사 및 투과가 순차적으로 이루어질 수 있도록 광원으로부터의 백색광 출사방향 및 제 2빔스플리터로부터의 백색광 출사방향에 대해 대응하여 설치되는 무편광 큐브 형태의 제 1빔스플리터 및 음향광학변조필터에 대해 순차적으로 설치되어 선별된 백색광이 조사되어 분광이미지로 결상되는 CCD센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치{3 Dimensional Shape Measuring Device Using Acoustic-Optic Tunable Filter}
본 발명은 음향광학 변조필터(Acoustic Optics Tunable Filter 이하 AOTF))를 이용하여 반도체 제조공정에서 사용되는 미세 박막층에 대한 3차원 형상정보를 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블록킹 플레이트(Blocking Plate)가 내장된 마이켈슨 간섭계 모듈과 가시광선 분광영역 범위의 주사가 가능한 AOTF가 결합된 구조를 취함으로써, 형상정보 획득의 난이점으로 대두되었던 박막 두께 정보를 AOTF를 사용하여 독립적으로 측정해낼 수 있는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정 중에서는 불투명한 금속층의 표면상에 투명한 박막층을 도포하는 공정이 존재하는데, 이 때 상기 투명한 박막층의 두께나 형상에 대한 정보를 측정하는 기술로서 개발된 것이 종래 백색광 주사 간섭계에 관한 것이다.
종래 광학적 형상 측정 시스템 중의 하나인 백색광 주사 간섭계는 단색광이출사되는 광원과 상기 단색광이 조사된 뒤 분리될 수 있도록 단색광의 출사방향에 설치되는 빔스플리터 및 상기 빔스플리터에서 조사되는 백색광을 분광이미지로서 얻을 수 있는 CCD센서 등으로 이루어진다.
광원에서 조사되는 단색광(이하 백색광)은 빔스플리터(Beam Splitter)에 의해서 기준면과 측정부으로 분리되어 진행하게 된다.
다시 기준면과 측정부에서 반사된 백색광은 빔스플리터를 통과 후 CCD 센서에 조사되어 결상을 맺게 된다. 기준면에 부착된 압전 소자는 직선방향으로 주사를 하게 되며 센서 어레이의 한점은 측정부의 한점에 대응을 하게 된다.
압전소자를 주사하게 되면 기준면과 측정부 사이의 거리가 거의 같은 위치에 도달했을 때 센서 어레이 대응점에 백색광 간섭무늬가 생성되며 이 때 기준면의 정확한 위치를 거리 센서를 사용하여 측정함으로써 측정부의 형상 정보를 얻을 수 있다.
이러한 백색광 주사 간섭계는 백색광의 짧은 가간섭성의 원리를 이용한 주사형 간섭계의 원리를 채택하고 있으며 불투명 측정부의 3차원 형상 측정에 사용된다.
하지만 아주 얇은 투명 박막이 이와 같은 불투명 측정부 위에 도포가 되어 있을 경우 불투명 측정부에서 반사되어 나오는 파면 이외에 투명 박막의 표면으로부터 반사되어 나오는 빛이 간섭에 영향을 미치기 때문에 이를 분리하는 것이 실제적인 시스템의 한계점으로 존재하고 있다.
이것을 해결하기 위해 박막의 두께 정보와 형상 정보에 관한 복수개의 미지수를 수치해석적인 리스트 스퀘어 피팅(Least Square Fitting) 방식을 이용하여 구하고자 하는 시도가 이루어졌다. 하지만, 이 방식은 기존의 백색광 주사 간섭계를 그대로 사용하였으며 매우 긴 측정 시간이 소요되는 단점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 기준면으로 조사되는 백색광에 대한 블록킹 플레이트의 선택적인 차단여부에 따른 모드별 독립 측정으로 다층 구조의 측정대상에 대한 두께 정보 및 형상 정보의 독립적 추출이 가능한 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은, 가시광선 분광영역까지의 주사가 가능한 음향광학변조필터가 설치되어 구동되는 부위없이 측정이 가능한 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, 단색광을 출사하는 광원(10);
상기 광원(10)으로부터 조사되는 단색광이 반사 및 투과되어 각각 기준면(33)과 측정부(80)로 분리 조사되도록 하기 위한 제 2빔스플리터(32)와,
상기 제 2빔스플리터(32)의 반사각에 대응하는 위치로 상기 제 2빔스플리터(32) 및 기준면(33)의 사이에 설치되어 상기 기준면(33)에 대한 단색광의 조사를 선택적으로 차단하는 블록킹 플레이트(34)를 포함하여 이루어지는 마이켈슨 간섭모듈(30);
상기 단색광의 차단여부에 따라 상기 기준면(33)으로부터 선택적으로 반사되는 단색광 및 상기 측정부(80)로부터 반사되는 단색광의 진행방향에 설치되어 표면에 조사되는 단색광 중 소정 조건을 만족하는 일정 파장대역의 단색광을 선별하는 음향광학변조필터(40);
상기 광원(10), 제 2빔스플리터(32) 및 음향광학변조필터(40) 사이의 단색광 반사 및 투과가 순차적으로 이루어질 수 있도록 상기 광원(10)으로부터의 단색광 출사방향 및 상기 제 2빔스플리터(32)로부터의 단색광 출사방향에 대해 대응하여 설치되는 무편광 큐브 형태의 제 1빔스플리터(20); 및
상기 음향광학변조필터(40)에 대해 순차적으로 설치되어 선별된 단색광이 조사되어 분광이미지로 결상되는 CCD센서(70);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치에 의하여 달성된다.
이러한 상기 측정부(80)는 웨이퍼(81) 상부에 불규칙적으로 형성되는 일정패턴의 금속층(82)과, 상기 금속층(82)의 상부에 불규칙적으로 도포되어 형성되는 미세박막층(83)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서 상기 단색광 출사방향으로 일측이 상기 광원(10)에 대응 연결되고, 타측은 상기 제 1빔스플리터(20)의 반사각에 대응 고정되는 싱글모드 광파이버(11)가 더 설치되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 싱글모드 광파이버(11)로부터 출사되는 단색광의 진행방향에 따른 광폭이 상기 제 1빔스플리터(20)에 대한 조사 이전에 투과되어 정렬될 수 있도록 상기 싱글모드 광파이버(11) 및 상기 제 1빔스플리터(20) 사이에 제1볼록렌즈(13)가 더 설치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제 2빔스플리터(32)에 대해 상기 단색광의 초점이 맞추어질 수 있도록 상기 마이켈슨 간섭모듈(30)에는 상기 제 1빔스플리터(20) 및 제 2빔스플리터(32)의 사이에 설치되는 제 2볼록렌즈(31)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 CCD센서(70)에 대해 선별된 단색광의 초점이 맞추어질 수 있도록 상기 CCD센서(70) 및 음향광학변조필터(40)의 사이에는 제 3볼록렌즈(50)가 더 설치되는 것이 바람직하다.
이 때 상기 기준면(33)은 단색광의 조사방향에 대응 설치되는 평면 반사경인 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 형상 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따라 두께 측정모드로 동작하는 마이켈슨 간섭모듈의 구성도,
도 3은 본 발명에 따라 형상 측정모드로 동작하는 마이켈슨 간섭모듈의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 두께 정보와 형상정보를 나타내는 개념도,
도 5는 본 발명에 따라 측정된 파장별 광량 측정 결과를 도시한 그래프도,
도 6은 본 발명에 따른 투명 박막 패턴에 대한 측정 결과를 도시한 분포도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
10: 광원 11: 광파이버
12: 고정부재 13: 제 1볼록렌즈
20: 제 1빔스플리터 30: 마이켈슨 간섭모듈
31: 제 2볼록렌즈 32: 제 2빔스플리터
33: 기준면 34: 블록킹 플레이트
40: 음향광학변조필터(AOTF) 50: 제 3볼록렌즈
60: 차단부재 70: CCD센서
80: 측정부 81: 웨이퍼
82: 금속층 83: 미세박막층
90: 가상 기준면 100: 측정장치
다음으로는 본 발명에 따른 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 형상 측정장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 측정장치(100)는 음향광학변조필터(이하 AOTF라 약칭함)(40)를 백색광 간섭시스템에 적용하여 불투명 금속층(82) 패턴 위에 도포된 투명한 미세박막층(83)으로 이루어진 다층 구조의 측정부(80)에 대해 단색광의 간섭현상을 이용한 측정시 두께에 관한 정보와 형상에 관한 정보를 분리하여 독립적으로 측정할 수 있는 구조의 장치이다.
이 때 상기 AOTF(40)는 공학용 밴드 패스필터(Band-Pass Filter)의 일종으로, 음향광학 결정면에 입사된 단색광(본 발명에서는 일실시예로서 이하 백색광이라 지칭)에 대하여 회절격자의 역할을 하는 동시에 조건을 만족하는 특정한 파장만을 선별하는 매우 좁은 대역폭을 가진 광학필터이다.
백색광이 출사되는 광원(10)은 약 70W 정도의 텅스텐-할로겐 램프이며, 출사방향으로 싱글모드 광파이버(11)의 일측이 연결되어 있어 출사되는 백색광을 광파이버(11)의 타측으로 전송한다.
상기 광파이버(11)의 타측에는 고정부재(12)가 위치하는데, 중앙의 핀홀에 상기 광파이버(11)의 타측이 대응 연결되어 있다. 상기 핀홀을 통해 출사되는 백색광은 핀홀을 중심으로 퍼져나가게 된다.
이 때 고정부재(12)의 전면인 백색광의 출사방향으로 소정거리를 두고 제 1볼록렌즈(13)에 위치한다. 상기 백색광은 상기 제 1볼록렌즈(13)를 투과하면서 일정한 폭으로 정렬된다.
이렇게 상기 제 1볼록렌즈(13)를 투과한 백색광은 상기 제 1볼록렌즈(13)에 소정거리를 두고 위치하는 제 1빔스플리터(20)에 입사된다. 상기 제 1빔스플리터(20)는 입사되는 백색광을 50 : 50의 비율로 분리시킬 수 있는 무편광 큐브(Non Polarized Cube) 형태로, 분리는 동시에 진행되는 것이 아닌 측정과정에 따라 순차적으로 이루어진다.
이러한 상기 제 1빔스플리터(20)의 반사각은 백색광의 입사방향에 대해 약 45°정도이므로, 반사되는 백색광은 입사방향에 수직하게 반사된다.
상기 제 1빔스플리터(20)의 반사각에 대응하여 제 2볼록렌즈(31)가 위치한다. 상기 제 2볼록렌즈(31)는 상기 제 1볼록렌즈(13)에 비해 상반된 자세를 갖는다.
즉, 상기 제 1볼록렌즈(13)가 투과되는 백색광을 일정한 폭을 갖도록 정렬하는 것과는 달리 투과되는 백색광의 폭을 진행방향에 따라 일지점에 모아지도록 하는 초점 맞추기가 실시된다.
이러한 상기 제 2볼록렌즈(31)를 투과한 백색광이 일지점에 모아지는 즉 초점이 맞추어지는 곳이 제 2빔스플리터(32)이다. 이 때 상기 제 2빔스플리터(32)에 도달한 백색광의 일부는 기준면(33)을 향해 반사되고, 다른 일부는 그대로 투과하여 측정부(80)에 조사된다.
이 때 상기 기준면(33)의 전면에는 소정간격을 두고 블록킹 플레이트(34)가 위치한다. 상기 블록킹 플레이는 기준면(33)과 근접한 위치에서 서로 평행한데, 상기 기준면(33)으로 입사되는 백색광을 선택적으로 차단한다.
이와 같이 제 2볼록렌즈(31) 및 제 2빔스플리터(32) 및 기준면(33)으로 이루어진 시스템이 마이켈슨 간섭모듈(30)이며, 여기에 블록킹 플레이트(34)가 포함됨으로써, 상기 블록킹 플레이트(34)의 선택적인 백색광 차단에 따라 2가지 모드로 동작하게 된다.
아울러 상기 제 2빔스플리터(32)에 의해 분리되어 기준면(33)과 측정부(80)에 각각 입사되었던 백색광은 특히 측정부(80)에 조사되면서 파장의 변화를 일으키게 된다.
이러한 변화는 형상정보와, 두께 정보를 갖음으로 인해 발생되는 것으로, 이러한 각 정보를 상기 블록킹 플레이트(34)의 동작여하에 따른 각 모드에 따라 분리하여 측정할 수 있다.
이와 같이 조사되었던 백색광은 다시 반사되어 상기 제 2빔스플리터(32)를 투과한 뒤, 제 2볼록렌즈(31)를 투과하면서 진행폭이 다시 정렬된다. 그리고 상기 제 1빔스플리터(20)를 투과하여 상기 제 1빔스플리터(20)를 사이에 두고 제 2볼록렌즈(31)와 대면하는 AOTF(40)에 입사된다.
상기 AOTF(40)는 앞에서 언급되었듯이 특정 대역의 단파장만을 선택적으로 주사하게 되는데, 본 발명에 사용되고 있는 AOTF(40)는 비공선 타입(Non-collinear Type)이고, 필터링 범위가 약 400nm ∼ 650nm 정도이며, 분해능이 약 1nm ∼ 5.1nm 정도이다.
이러한 상기 AOTF(40)는 음향광학적 특성을 지닌 백색광 즉, 두께정보 또는 형상정보를 담고 있는 대역의 백색광(또는 단파광)만을 그렇지 않은 대역의 백색광과 분리하여 얻을 수 있도록 필터링한다.
이러한 AOTF(40)는 음향광학적 흡수체와, 구동소자 및 백색광이 조사되는 음향광학적 결정면으로 이루어져 있는데, 상기 결정면은 크리스탈 결정으로 이루어져 있어 백색광이 조사될 경우 상기 구동소자에 의해 발생되는 음향학적 웨이브에 의해 굴절률 변화가 일어난다.
이 때 상기 결정면의 표면에는 움직이는 3차원의 회절격자가 형성되어 있어 조사되는 백색광이 부딪히면서 회절현상이 일어난다.
그러면 병렬 분리되어 파장별 스펙트럼 이미지 즉, 분광 이미지를 얻을 수 있는데, 이 때 상기 AOTF(40)를 통해 분리된 백색광은 +1차와 -1차로 구분하였을 때 이 중 -1차를 선택하고, +1차는 설치된 차단부재(60)에 부딪혀 흡수됨으로써, 소멸된다.
상기 CCD센서(70)는 픽셀수가 약 752 x 582개 정도이고, 하나의 픽셀 크기가 약 11.1㎛ x 11.2㎛ 정도인 사양을 갖고 있다.
이와 같이 선택된 백색광의 진행방향에는 제 3볼록렌즈(50)가 설치되어 있다. 상기 제 3볼록렌즈(50)를 투과한 백색광은 CCD센서(70)에 초점이 맞추어져 집중 조사됨으로써, 결상된다.
그리고 CCD센서(70)에 결상된 백색광은 분광 이미지로서 얻을 수 있으며, 이를 스캔하여 각 정보의 추출이 가능하다. 그리고 각 추출된 정보에서 얻어진 최대점 정보를 이용하여 측정부(80)에서의 미세박막층(83)의 표면에 대한 형상정보를 최종 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 두께 측정모드로 동작하는 마이켈슨 간섭모듈의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따라 형상 측정모드로 동작하는 마이켈슨 간섭모듈의 구성도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마이켈슨 간섭모듈(30)은 내장된 블록킹 플레이트(34)의 선택적인 동작에 따른 측정부(80)에 대한 백색광 입사의 차단여부에 따라 2가지의 측정 모드로 동작되면서 측정부(80)의 두께에 관한 정보와, 측정부(80)의 표면에 도포된 일정패턴의 형상에 관한 정보를 독립적으로 획득할 수 있다.
상기 블록킹 플레이트(34)에 의해 백색광이 차단된 채 측정이 이루어질 경우가 블록킹 ON 모드이며, 그 반대경우가 블로킹 OFF 모드이다.
상기 미세 박막층(83)의 두께에 관한 정보 획득은, 기준면(33)에 입사되는 백색광의 진행을 블록킹 플레이트(34)가 차단하는 ON 모드로 마이켈슨 간섭모듈(30)이 동작하면서 이루어진다.
이를 위해 마이켈슨 간섭모듈(30)에는 블록킹 플레이트(34)가 내장된다. 상기 블록킹 플레이트(34)는 기준면(33)으로 입사되는 백색광의 진행방향에 대해 수직하게 위치하는 동시에 기준면(33)에 대해서는 소정거리를 두고 평행한 공선의 위치를 갖는다.
마이켈슨 간섭모듈(30)이 ON 모드로서 동작하는 것은 상기 블록킹 플레이트(34)가 길이방향을 따라 이동하면서 기준면(33)으로 입사되는 백색광을 차단하는 것이다. 이에 앞서 상기 마이켈슨 간섭모듈(30) 내로 제 2볼록렌즈(31)를 통해 입사한 백색광은 제 2빔스플리터(32)를 통해 일부는 투과되고, 다른 일부는 반사된다.
상기 제 2빔스플리터(32)의 반사각에 대응하여 상기 블록킹 플레이트(34) 및 기준면(33)이 순차적으로 위치하고, 그 위치가 고정된 기준면(33)에 비해 블록킹 플레이트(34)는 이동이 가능하다.
상기 블록킹 플레이트(34)가 백색광을 차단하면, 상기 제 2빔스플리터(32)를 투과한 백색광만이 마이켈슨 간섭모듈(30)의 외부에 위치하며 투과한 백색광의 진행방향에 위치하는 측정부(80)에 조사된다.
상기 측정부(80)는 웨이퍼(81) 상에 일정패턴의 금속층(82)이 형성되고, 상기 금속층(82)의 상부에는 미세박막층(83)이 도포되어 이루어진다. ON 모드에서 상기 측정부(80)에 조사된 백색광은 반사되어 제 1빔스플리터(20)를 투과한 뒤, AOTF(40)에서 파장별 주사가 이루어진다.
그리고 CCD센서(70)에 조사됨으로써, 분광 이미지로서 나타나며, 이를 통해 두께 정보를 획득할 수 있다.
한편 상기 블로킹 플레이트(34)가 제 2빔스플리터(32)에 의해 반사된 백색광을 차단하지 않으면 즉, 블록킹 OFF 모드로 동작하게 되면, 기준면(33)에 상기 백색광이 조사된다. 상기 기준면(33)은 일종의 반사경으로 조사된 백색광을 그대로 반사한다.
또한 제 2빔스플리터(32)를 투과한 백색광은 측정부(80)에 조사되고, 다시 반사되는데, 측정부(80)에서 반사된 백색광은 상기 기준면(33)에서 반사된 백색광과 더불어 각각 제 2빔스플리터(32)에 의한 투과 및 반사를 통해 AOTF(40)에 도달되어 파장별 주사가 이루어진다.
그리고, 각 파장별로 필터링된 단파장의 광은 CCD센서(70)에 결상되고, 분광 이미지로서 나타난다.
이 때 상기 각 백색광의 파장별 상호 간섭성에 의해 측정부(80) 표면 즉, 금속층(82)의 표면 정보를 추출할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 두께 정보와 형상정보를 나타내는 개념도이고, 도 5는 본 발명에 따라 측정된 파장별 광량 측정 결과를 도시한 그래프도이며, 도 6은 본 발명에 따른 투명 박막 패턴에 대한 측정 결과를 도시한 분포도이다.
도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 도 4에서 점선으로 표시된 가상 기준면(90)(Reference Mirror Plane)에 대해 미세 박막층(83)의 상위면까지가 2차원적 표면 형상정보 h(x,y)이고, 상기 미세 박막층(83)의 하부면에서부터 금속층(82)의 상부에 위치하는 웨이퍼(81) 상부까지가 두께정보 d(x,y)이다.
이렇게 정의된 두께정보 d와 및 형상정보 h는 각 최대점 정보를 추출함으로써, 미세박막층(83)의 3차원 입체 형상정보를 획득할 수 있다.
본 발명에서는 블록킹 플레이트(34)의 백색광 차단여부에 따라 ON모드와 OFF모드로 분리하여 측정을 실시하는데, 이와 같이 분리해서 측정하여 얻어진 형상정보 h(x,y)와, 두께정보 d(x,y)를 조합하여 입체 형상정보를 추출할 수 있다.
도 4에서는 측정부(80)가 중앙에 위치하고 양측에 두께정보 및 형상정보의 측정과정이 도시되었고, 하부에는 이를 조합한 입체적 형상정보 측정과정이 도시되어 있다.
이를 위해 박막층(83)의 위상 변화량 Ψ을 구해야 하는데, 박막층(83)에 대한 위상 변화량은 상기 두께정보 d 및 형상정보 h의 획득을 위해 필요하며, 전체 위상변화에 끼치는 영향이 매우 크기 때문에, 하기와 같은 수학식들에 의해 위상 보상이 우선 이루어져야 한다.
먼저 기준면(33)과 측정부(80)에서 반사되는 백색광의 간섭세기 I를 [수학식 1]을 통해 계산한다.
여기서 Er과 Et는 각각 기준면(33)과 측정부(80)에서 반사되어 나오는 광의 파면함수를 나타낸다. 그리고 k는 전파상수를 나타내며 단위는 도 5에서 도시된 바와 같이, rad/㎛를 사용한다.
하기의 [수학식 2]는 미세박막층(83)에 의한 다중 반사광(Multi Reflected Beam)의 총반사계수(Total Reflection Coefficient)인 R을 나타낸다. 이것은 복소수로 나타나며 이 복소수를 통해 구해지는 각도가 미세박막층(83)에 의한 위상변화를 나타낸다.
여기서 A는 실수부를 나타내고, B는 허수부를 나타낸다.
따라서 위상 변화량 Ψ는 하기의 [수학식 3]에 의하여 계산된다.
이러한 위상변화량은 각 모드별로 얻어지는 백색광의 광량측정결과를 도 5의 그래프로 나타낼 수 있다. x축에 해당하는 것이 전파상수 k(rad/㎛)이고, y축에 해당하는 것이 [수학식 1]에서 언급된 백색광의 간섭세기이다.
그리고 점선으로 도시된 것이 ON 모드 즉 두께 측정모드에서의 백색광의 파장별 광량측정결과이고, 실선으로 도시된 것이 OFF 모드 즉 형상 측정모드에서의 백색광의 파장별 광량측정결과이다.
특히 OFF 모드에서 측정된 전파상수 k에 따른 광간섭 결과를 보면 이웃하는 최대점들이 2π이상을 초과하지 않는다.
본 발명에서는 박막층(83)의 위상 변화량 Ψ에 의한 위상주기성으로 총 위상함수의 수치가 주기성을 갖는다는 것을 도출함으로써, 박막층(83)의 위상 변화량 Ψ의 한 주기에 해당하는 ON 모드에서 측정된 이웃하는 두 최대점에서, 해당하는 총 위상함수의 위상차를 단순히 최대점들의 전파상수 k 값들로부터 산출할 수 있다.
이를 통해 형상정보 h(x,y)를 상당히 근사적으로 구할 수 있게 된다.
한편, 상기 두께정보를 나타내는 d와 형상정보를 나타내는 h는 하기와 같은 [수학식 4] 및 [수학식 5]로 각각 계산될 수 있는데, 앞에서 언급되었듯이 최대점의 k(2π/λ)를 기준으로 계산된다.
이는 각 측정모드에서 측정된 두께정보와 형상정보에는 각 최대점에 대한 정보가 포함되어 있음으로 가능하다. 앞에서 언급된 두께정보 d는 하기와 같은 [수학식 4]에 의하여 최종적으로 계산된다.
상기 [수학식 4]에서 k1 ON과 k2 ON는 ON 모드에서 얻어진 이웃하는 두 최대점이며, 이를 얻음으로써, 두께정보 d가 산출된다.
그리고 형상정보 h는 하기의 [수학식 5]로 계산된다.
여기서 상기 N은 k1 ON과 k2 ON사이에 있는 OFF 모드에서 측정된 최대점의 개수를 나타내며, δ1과 δ2는 하기 [수학식 6]으로 나타내는 위상보상항으로 나타난다.
여기서 k1 OFF와 k2 OFF및 k3 OFF와 k4 OFF는 OFF 모드에서 측정된 최대점의 개수이다.
계산된 두께정보 d 및 형상정보 h에 기초하여 측정결과가 도 6에서는 분포도로서 도시되어 있는데, 최종적으로 획득된 3차원 형상정보를 시각적으로 알 수 있다. 즉, 측정부(80)에 대한 전반적인 3차원 형상에서 상대적으로 가장 중요한 인자인 두께 정보 d의 추출이 가능해졌다는 것을 알 수 있다.
x축방향과 y축방향으로는 2차원적인 형상의 인지가 가능하고, z축방향으로는 두께의 인지가 가능하데, 특히 높이에 따라 변화하는 각 금속층(82)의 형상을 보다 확연히 알 수 있다.
이와 같이 상기와 같은 측정 및 그 계산 알고리즘으로 두께정보 및 형상정보는 추출될 수 있으며, 블록킹 플레이트(34)의 백색광 차단여부에 따른 2가지 측정모드에 따라 각 정보의 추출과정이 독립적으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 진행되는 측정 알고리즘은 본 발명에 따른 측정장치(100)의 구성에 의해 뒷받침된다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치(100)에서, 앞에서 제시된 제 1빔스플리터(20) 및 CCD센서(70) 등과 같은 구성요소의 사양은 일실시예로서 언급된 것일 뿐 그외의 다른 다양한 사양 중 택일하여 사용할 수 있다.
또한 백색광이라고 표현된 것은 특정 파장에 근접한 광의 일종이며, 시각적으로 표시되는 색감을 원용하여 명기된 단적 표현일 뿐이다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치에 의하면, 미세박막층을 포함하는 측정부에 대해 두께정보와 형상정보를 블로킹 플레이트의 백색광 차단여부에 따라 측정모드를 달리하여 독립적으로 추출할 수 있기 때문에, 보다 고속으로 3차원 형상정보를 획득할 수 있는 특징이 있다.
그리고 음향광학변조필터의 사용으로 구동되는 부위없이 실시간 측정이 가능하여 특히 반도체 제조 공정에 있어서의 투명 박막의 두께 및 형상에 대한 비파괴 측정에 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (7)

  1. 단색광을 출사하는 광원(10);
    상기 광원(10)으로부터 조사되는 단색광이 반사 및 투과되어 각각 기준면(33)과 측정부(80)로 분리 조사되도록 하기 위한 제 2빔스플리터(32)와,
    상기 제 2빔스플리터(32)의 반사각에 대응하는 위치로 상기 제 2빔스플리터(32) 및 기준면(33)의 사이에 설치되어 상기 기준면(33)에 대한 단색광의 조사를 선택적으로 차단하는 블록킹 플레이트(34)를 포함하여 이루어지는 마이켈슨 간섭모듈(30);
    상기 단색광의 차단여부에 따라 상기 기준면(33)으로부터 선택적으로 반사되는 단색광 및 상기 측정부(80)로부터 반사되는 단색광의 진행방향에 설치되어 표면에 조사되는 단색광 중 일정 파장대역의 단색광을 선별하는 음향광학변조필터(40);
    상기 광원(10), 제 2빔스플리터(32) 및 음향광학변조필터(40) 사이의 단색광 반사 및 투과가 순차적으로 이루어질 수 있도록 상기 광원(10)으로부터의 단색광 출사방향 및 상기 제 2빔스플리터(32)로부터의 단색광 출사방향에 대해 대응하여 설치되는 무편광 큐브 형태의 제 1빔스플리터(20); 및
    상기 음향광학변조필터(40)에 대해 순차적으로 설치되어 선별된 단색광이 조사되어 분광이미지로 결상되는 CCD센서(70);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정부(80)는 웨이퍼(81) 상부에 불규칙적으로 형성되는 금속층(82)과, 상기 금속층(82)의 상부에 불규칙적으로 도포되어 형성되는 미세박막층(83)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단색광 출사방향으로 일측이 상기 광원(10)에 대응 연결되고, 타측은 상기 제 1빔스플리터(20)의 반사각에 대응 고정되는 싱글모드 광파이버(11)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 싱글모드 광파이버(11)로부터 출사되는 단색광의 진행방향에 따른 광폭이 상기 제 1빔스플리터(20)에 대한 조사 이전에 투과되어 정렬될 수 있도록 상기 싱글모드 광파이버(11) 및 상기 제 1빔스플리터(20) 사이에 제 1볼록렌즈(13)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2빔스플리터(32)에 대해 상기 단색광의 초점이 맞추어질 수 있도록 상기 마이켈슨 간섭모듈(30)에는 상기 제 1빔스플리터(20) 및 제 2빔스플리터(32)의 사이에 설치되는 제 2볼록렌즈(31)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 CCD센서(70)에 대해 선별된 단색광의 초점이 맞추어질 수 있도록 상기 CCD센서(70) 및 음향광학변조필터(40)의 사이에는 제 3볼록렌즈(50)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기준면(33)은 단색광의 조사방향에 대응 설치되는 평면 반사경인 것을 특징으로 하는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상 측정장치.
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