KR20050044165A - 비접촉 단차 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체표면의 단차 측정방법에 관한 것으로서, 특히 미소 단차량의 비접촉 계측을 통한 단차 측정 방법에 관한 것이다.

본 발명의 상기 목적은 빛을 발생하여 시료에 빛을 직접 조사하는 둘 이상의 발광부와 상기 각각의 발광부에서 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 검출하는 둘 이상의 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적은 발광부에서 빛을 시료에 직접 조사하는 단계, 상기 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 수광부에서 감지하는 단계, 상기 수광부에서 감지된 빛의 위상 차이를 구하는 단계 및 상기 위상 차이를 이용하여 시료의 단차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법에 의해서도 달성된다.

따라서, 본 발명의 비접촉 단차 측정 장치 및 방법은 광학적인 빛을 이용하여 반사광의 위상차를 이용하여 시료에 물리적인 데미지를 가하지 않은 상태에서 시료의 단차를 정확히 측정함으로써 시료에 물리적인 데미지를 가하지 않은 상태에서 단차를 측정할 수 있고, 막질의 재료에 상관없이 단차를 측정할 수 있다. 또한, 광원을 적절히 선택하여 수Å 부터 수백㎛까지 광범위한 단차를 측정할 수 있으며, 좁은 영역에서의 단차도 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

비접촉 단차 측정 장치 및 방법{Method and apparatus for non-contact measurement of topology}

본 발명은 물체표면의 단차 측정방법에 관한 것으로서, 특히 미소(微小) 단차량의 비접촉계측을 통한 단차측정방법에 관한 것으로서, 예를 들면, 반도체 디바이스 제조시의 기판상에 형성된 패턴부의 단차측정 등에 사용된다.

종래의 미소 단차 비접촉계측의 한 방법에 대하여, Applied optics, 제 20권(1980년), 610~618면에서 논하고 있다. 여기에서 논하고 있는 방법에서는 다른 주파수로 발진하고 있는 레이저광의 비이트특성(맥놀이특성)을 이용한다. 제만 효과(Zeeman effect)를 이용하면 헬륨-네온(He-Ne) 레이저에 약간 파장이 다른 레이저광을 동시에 발진시킬 수 있다. 그리고, 이 파장이 다른 레이저광은 편광면이 서로 직교하고 있다.

이와 같은 레이저광은 광학시스템에 의해서 물체표면에 집광한다. 광학시스템에서 요소 소자로서 사용하는 월라스톤 프리즘은 편광면이 서로 직교하는 입사광을 각각 다른 방향으로 굴절시킨다. 이 굴절작용 때문에, 대물렌즈에 의한 시료표면으로의 레이저광의 집광위치는 두 개소가 되며, 레이저광의 편광면에 의해서 그 집광위치가 분리된다. 시료표면에서 반사된 광은 다시 집광용의 대물렌즈를 투과하여, 월라스톤 프리즘의 작용에 의해서 분리되어 있던 광로가 다시 일치한다. 월라스톤 프리즘으로의 입사광에는 주파수가 다른 레이저광이 포함되어 있기 때문에 편광소자에 의해서, 어떤 편광면 성분의 광을 인출하면, 그 편광면 성분의 레이저광은 레이저광의 주파수 차이와 같은 주파수의 맥놀이를 발생한다.

월라스톤 프리즘에 의해서 광로를 분리하고, 다시 월라스톤 프리즘에 의해서 광로를 일치시킬 때까지의 사이, 서로 직교하는 편광면 성분의 광은 각각의 광로를 나아간다. 이 두 개의 광로의 길이가 같을 때에는, 반사광에 의한 맥놀이의 위상은 월라스톤 프리즘에 입사하는 레이저광의 맥놀이와 같다. 그러나, 광로분리후, 다시 광로가 일치할 때까지의 광로길이가 다를 경우에는, 맥놀이의 위상에 변화가 생긴다. 이 맥놀이의 위상 변화의 원인인 광로길이의 차이는 시료표면의 요철(凹凸)에 의해서 발생하므로, 이 위상 변화를 측정하여 그 값으로부터 시료표면의 요철을 산출한다.

미합중국 특허 제 5,900,937호(Wang)에는 전자빔(E-beam)을 이용하여 표면의 위상 차이를 측정하는 방법이 기재되어 있다. 하나의 전자(Electron) 소스에서 여기된 전자들을 빔 스프리터(Beam Splitter)를 통해 두 개의 전자빔으로 나누어 표면에 조사한 후 반사되는 전자빔을 간섭시켜 하나의 전자빔으로 만든 후 이를 이용하여 단차를 구한다. 그러나 상기 방식은 전자빔을 사용함으로써 전자빔 생성을 위한 별도의 장치가 필요하여 장치가 거대하고 고비용이 들어간다는 문제점이 있다. 또한, 미합중국 특허 제 5,784,163호(Lu, et al.)에는 측정하고자 하는 표면의 위상 차이에 의해 반사된 빛을 하나의 빛으로 간섭시킨 후 간섭된 반사광을 X-축(vector)과 Y-축으로 편광시킨 후 각각의 편광된 광을 디텍트하여 편광된 광의 강도(Intensity)를 측정하고, 각각의 측정된 편광의 강도로부터 비교 강도 지수( Differential Intensity Parameter)를 구한 후 알고자 하는 단차를 계산하는 방식이 기재되어 있다. 하지만 상기 방식은 여러가지 편광장치를 구비하고 있으므로 장치가 거대하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광학적인 빛을 이용하여 반사광의 위상차를 이용하여 시료에 물리적인 데미지를 가하지 않은 상태에서 시료의 단차를 정확히 측정할 수 있는 단차 측정 장치 및 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 빛을 발생하여 시료에 빛을 직접 조사하는 둘 이상의 발광부와 상기 각각의 발광부에서 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 검출하는 둘 이상의 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적은 발광부에서 빛을 시료에 직접 조사하는 단계, 상기 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 수광부에서 감지하는 단계, 상기 수광부에서 감지된 빛의 위상 차이를 구하는 단계 및 상기 위상 차이를 이용하여 시료의 단차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법에 의해서도 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단차 측정 방법을 나타낸 개략도이다.

발광부1(201)과 발광부2(301)에서 동일한 파장과 진폭을 가지는 빛을 시료 표면에 대하여 소정 각도를 주어 주사한다. 상기 소정 각도는 시료 표면을 기준으로 1 내지 89°이다.

모든 물질은 입사되는 빛의 일부는 흡수하고 일부는 반사한다. 시료 표면에 의해 반사된 빛은 각각 수광부1(202)과 수광부2(302)에서 검출된다. 만약 시료 표면 사이에 단차(103)가 존재하면 시료 표면의 상부(102)에 의해 반사된 빛과 시료 표면의 하부(101)에 의해 반사된 빛 사이에는 위상차가 발생한다. 상기 위상차는 기판상의 단차(103)와 일정한 비례관계를 가지므로 이러한 빛의 위상차를 이용하여 기판상의 단차를 쉽게 구할 수 있다.

도 2는 빛이 수광부에 도달했을 경우 두 빛 사이의 위상차를 나타낸 그래프이다.

수광부1(202)과 수광부2(203)에서 검출된 두 빛 사이의 위상차를 φ, 빛의 입사각을 θ, 사용된 빛의 파장을 λ라고 가정할 경우 기판의 단차(높이차이) α는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 주의해야 할 점은 사용되는 광원의 파장이 단차의 두 배보다는 작아야 한다. 사용하는 광원의 파장이 단차의 두 배보다 더 크면 단차가 2π+α가되어 실제 단차가 α인 경우와 동일하게 되기 때문에 단차가 실제보다 매우 낮게 측정되기 때문이다.

따라서 단차를 측정하기 전에 미리 개략적인 두께 범위를 입력하여 그 두께에 맞는 광원을 선택한다.

두 개의 서로 다른 발광부에서 동일한 파장과 진폭을 가지는 빛을 재료의 표면에 입사하고, 상기 재료의 표면에서 반사된 빛을 서로 다른 두 개의 수광부에서 수광하여 수광된 빛의 위상차를 구한 후 원하는 단차를 계산해 낸다. 기존의 편광기법에 의하여 단차를 계산하는 방법은 반사되는 빛을 서로 간섭시켜 단차를 계산하는 방법인데 본 발명에 의한 단차를 계산하는 방법은 각기 다른 두 개의 소스에서 발생한 빛들을 각각 반사시켜 검출하여 단차를 구할 수 있어 단차가 있는 곳에서 즉시 단차를 구할 수 있다.

상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

따라서, 본 발명의 비접촉 단차 측정 장치 및 방법은 광학적인 빛을 이용하여 반사광의 위상차를 이용하여 시료에 물리적인 데미지를 가하지 않은 상태에서 시료의 단차를 정확히 측정함으로써 시료에 물리적인 데미지를 가하지 않은 상태에서 단차를 측정할 수 있고, 막질의 재료에 상관없이 단차를 측정할 수 있다. 또한, 광원을 적절히 선택하여 수Å 부터 수백㎛까지 광범위한 단차를 측정할 수 있으며, 좁은 영역에서의 단차도 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 비접촉 단차 측정 방법.

도 2는 빛이 수광부에 도달했을 경우 두 빛 사이의 위상차를 나타낸 그래프.

Claims (5)

1. 비접촉으로 단차를 측정하기 위한 장치에 있어서,

   빛을 발생하여 시료에 빛을 직접 조사하는 둘 이상의 발광부와 상기 각각의 발광부에서 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 검출하는 둘 이상의 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 장치.
2. 비접촉으로 단차를 측정하기 위한 방법에 있어서,

   발광부에서 빛을 시료에 직접 조사하는 단계;

   상기 시료에 조사된 빛 중 반사된 빛을 수광부에서 감지하는 단계;

   상기 수광부에서 감지된 빛의 위상 차이를 구하는 단계; 및

   상기 위상 차이를 이용하여 시료의 단차를 측정하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 빛을 시료에 조사하는 단계는 시료 표면을 기준으로 1 내지 89°의 각도로 조사하는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 각각의 발광부에서 조사하는 빛은 동일한 파장과 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 발광부 및 수광부는 둘 이상으로 이루어짐을 특징으로 하는 비접촉 단차 측정 방법.