KR20090014459A - 미세패턴 박막두께 측정장치 - Google Patents

Abstract

기판에 형성된 미세패턴의 박막두께를 측정하기 위하여 패턴상의 특정위치에 광을 조사하고 박막의 광학적 경계면들로부터 반사된 광 간섭정보를 이용하여 기판에 형성된 미세패턴의 박막두께를 측정하는 박막두께 측정장치에 관한 것이다.

기판상의 미세패턴과 같은 특정위치의 박막두께를 측정하는 장치에 있어서, 시료상의 측정위치를 인지하기 위하여 위치표시용 광원을 측정용 광검출구멍이 형성된 반사표시판에 조사하고 반사표시판으로부터 반사된 광이 시료의 측정하고자 하는 특정위치 부근에 조사되게 하여 측정영역을 표시하고, 표시된 특정위치의 간섭정보만을 결상광학계의 확대결상면에 정렬된 반사표시판상의 광검출구멍으로 수용하여 선택적으로 분석 및 신호처리 함으로서 미세패턴과 같은 측정부분의 위치확인 및 박막두께를 정밀하게 측정한다.

박막두께측정, 미세패턴, 표시광원, 반사표시판, 광검출구멍, 결상광학계. 확대결상면.

Description

미세패턴 박막두께 측정장치 {Thin film thickness measuring apparatus and method}

본 발명은 반도체 및 디스플레이 제조공정에서 기판에 형성된 미세패턴의 박막두께를 정밀위치에서 측정하기 위하여, 시료의 측정위치를 인지할 수 있는 표시장치를 도입하여 측정하고자 하는 특정위치를 간편히 인식하여, 동위치의 박막두께를 정밀하게 측정할 수 있는 박막두께 측정장치를 제안하고자 한다.

반도체 및 LCD, PDP와 같은 디스플레이 제조공정에서 기판에 형성된 증착박막의 두께를 측정하는 것은 제조공정을 관찰하고 감시함으로서 제품의 품질을 향상시키고 공정상의 불량을 조기에 발견할 수 있게 하여 공정경비 절감 및 수율향상에 중요한 역할을 한다.

최근 반도체, 평판 디스플레이 등의 산업전반에 걸쳐 공정 및 제조기술 등이 정밀해지고 있으며, 제조공정 중 형성되는 패턴도 더욱 복잡하고 세밀해지고 있다. 이에 따라 복잡하고 세밀해진 미세패턴상의 검사 및 측정기술의 중요성도 더욱 요구되고 있다.

미세패턴 박막층의 두께 및 굴절률을 측정하는 장치는 반사광도계의 원 리(Reflectometry)를 널리 이용하고 있다.

박막두께의 광 간섭 원리를 이용하는 반사광도계는 비접촉, 비파괴성 측정장치로서 다중박막을 측정할 수 있고, 측정하고자 하는 시료의 전처리 나 재처리 등이 필요없이 직접측정이 가능하다.

종래의 도 1과 같은 반사광도계를 이용한 박막두께 측정장치의 경우, 광원(101)으로 부터 발광된 광은 광분할기(102)와 대물렌즈(103)를 통하여 기판(104)에 형성된 박막시료에 입사된다. 시료는 기판과 기판에 형성된 박막패턴으로 구성되어 있다.

시료(104)에 입사된 입사광은 공기와 박막표면과의 제1 경계면(104a)에서, 일부는 박막을 투과하여 박막과 기판과의 제 2경계면(104b)에서 반사된다, 제 1경계면(104a)과 제 2경계면(104b)에서 반사된 광들은 매질에 의하여 상호간에 미세한 광학적 경로차를 갖게 되는데 이 서로간의 광학적 경로차에 의해서 간섭현상이 일어난다. 이러한 간섭정보를 가진 반사광은 대물렌즈(103)와 경사반사판(105)의 광검출구멍을 거쳐 분광기에 입사한다.

시료(104)의 경계면(104a,104b)에서 반사된 광들 중에서 경사반사판(105)의 광 검출구멍을 통과한 간섭반사광은 분광기에 입사되어 파장별 스펙트럼을 이루게 되며, 이들 스펙트럼의 반사율을 정보처리기로서 분석하여 시료에 형성된 박막의 두께를 산출하는데 이용하고, 경사반사판(105)에서 반사된 나머지 광은 관찰용 접안렌즈 혹은 관찰카메라(106)로 입사하여 시료의 측정위치나 초점확인등을 관찰하는데 이용한다. 접안렌즈 혹은 관찰카메라(106)를 통하여 시료를 보면 경사반사 판(105)의 광검출구멍이 측정시료상에 검은 점으로 나타나게 되며 이를 통하여 시료의 측정위치를 알수 있다. 그러나 경사반사판을 이용한 표시방법은 경사반사판의 광검출구멍 가공에 있어서 기계적 가공한계를 가지며 분광기와 결상광학계와의 정렬에 있어 어려움이 따른다.

본 발명은 박막두께 측정장치에 있어서, 시료에 형성된 미세패턴의 박막두께를 정밀위치에서 측정하기 위하여, 시료의 측정위치를 인지할 수 있는 표시장치를 도입하여 측정하고자 하는 특정위치를 간편히 인식하여, 동위치의 박막두께를 정밀하게 측정할 수 있는 박막두께 측정장치를 제안하고자 한다.

측정광원으로부터 발광된 광을 광학장치를 이용하여 박막시료에 입사시키고 박막시료의 경계면으로부터 반사된 간섭정보를 가진 반사광을 광학장치를 이용하여 분광기에 유도 한 후, 분광기에 의한 반사광의 스펙트럼을 분석하여 박막두께를 산출하는 박막두께 측정장치에 있어서, 시료상의 측정위치를 인지하기 위하여 광검출구멍을 포함한 반사표시판을 분광기 수광부에 정렬하여 위치시키고, 반사표시판에 표시광원을 조사한 후 반사표시판의 반사광을 광학장치를 통하여 시료의 측정하고자 하는 특정위치에 표시하고, 표시된 특정위치의 광간섭정보를 반사표시판의 광검출구멍을 통하여 분광기로 수광하여, 측정하고자 하는 특정위치를 간편히 인식하고 동위치의 박막두께를 정밀하게 측정한다.

본 발명은 반사표시판에 표시광원을 조사하여 반사표시판의 광검출구멍이 시료위에 표시되도록 반사표시판을 확대결상면에 위치시키고, 측정광원에서 시료로 입사된 광은 결상광학계의 대물렌즈와 결상렌즈에 의해 미세패턴이 확대결상면에 확대되어 나타나고, 광검출구멍을 통한 분광기의 수광부가 미세패턴상에 정렬함으로서 분광기는 미세패턴의 간섭정보를 포함한 반사광만을 수용한다.

시료위에 나타난 광검출구멍으로 표시된 곳을 시료의 측정하고자 하는 위치에 정렬함으로서 미세패턴과 같은 특정한 측정위치를 인지할 수 있고, 동시에 측정위치에서의 박막두께를 용이하고, 정밀하게 측정 가능하게 한다.

본 발명은 시료에 형성된 미세패턴의 박막두께를 측정함에 있어, 시료의 측정위치를 인지할 수 있는 표시장치를 적용하여 시료상의 측정하고자 하는 특정위치의 박막두께를 정밀하게 측정하는 광간섭법을 이용한 박막두께 측정장치 및 방법이다.

본 발명의 구성을 도2에 도시하였다. 본 발명은 크게 광원, 결상광학계, 반사표시부, 분광기, 정보처리기, 관찰카메라 등으로 구성된다.

박막두께를 측정하기 위한 광원(201)은 자외선, 가시광선, 적외선영역의 파장범위로 구성될 수 있다.

결상광학계는 측정광원(201)을 대물렌즈(203)로 유도하는 제 1광분할기(202), 시료(204)에 광을 집속시키는 대물렌즈(203), 시료상을 결상광학계의 확대결상면(209a, 209b)에 결상시키는 결상렌즈(205), 시료로부터 반사된 광을 시료관찰을 위한 관찰카메라와 시료 반사광의 스펙트럼 분석을 위한 분광기로 분할 유도하는 제 2 광분할기(206)로 구성된다.

반사표시부는 반사표시판(208)과 반사표시판을 시료에 투영시키기 위한 표시 광원(207)으로 구성된다.

광원(201)으로부터 발광된 광은 제 1광분할기(202)와 대물렌즈(203)를 통하여 기판에 형성된 박막시료(204)에 입사한다.

박막시료에 입사된 광은 공기와 박막의 제 1경계면(204a)과 박막과 기판의 제 2경계면(204b)으로부터 반사되며, 각 경계면으로부터 반사된 광은 광경로차에 따른 광간섭정보를 가지고 결상렌즈(205)와 제 2광분할기(206)를 거쳐 분광기로 전해진다.

박막의 간섭정보를 가진 반사광은 분광기에 의해 스펙트럼을 이루며 정보처리기는 스펙트럼 신호를 분석하여 박막두께를 산출한다.

미세패턴의 박막두께를 측정하는 방법을 설명하면, 광원(201)으로부터 발광된 광이 시료위에서 초점이 맞도록 시료(204)를 위치시킨다.

관찰카메라는 대물렌즈(203)와 결상렌즈(205)에 의한 확대결상면(209a)에 놓여 있으며, 카메라를 통하여 확대결상된 시료상을 관찰한다. 그리고 분광기의 수광부앞에 반사표시판(208)을 정열하여 위치시킨다.

반사표시판(208)은 분광기의 수광부로 박막시료의 간섭정보가 입사될수 있도록 반사판(208a)에 광검출구멍(208b)이 가공되어 있으며 박막의 미세패턴이 선명하게 상을 이루는 확대결상면(209b)에 놓인다.

표시광원(207)으로부터 반사표시판(208)에 광을 조사시 반사표시판(208)으로부터 반사된 광은 제 2광분할기(206)를 거쳐 결상렌즈(205)와 대물렌즈(203)를 통과하여 시료의 패턴상에 반사표시판(208)의 이미지를 결상하게 된다.

도 3은 시료의 패턴상에 반사표시판의 이미지가 투영하여 결상될 경우를 예로서 나타낸 도면이다. 시료의 미세패턴(301)에는 표시광원을 반사시켜 표시광원색을 나타내는 부분(302)과 광검출구멍에 의하여 표시광원을 반사시키지 못하는 부분으로 명함이 구별된 이미지를 표시하게 된다.

시료상에 결상된 반사표시판의 이미지는 결상광학계의 대물렌즈와 결상렌즈에 의한 확대배율에 반비례하여 표시된다. 예로서 반사표시판의 광검출구멍의 크기가 200um이고 대물렌즈와 결상렌즈에 의한 확대배율이 10배라고 하면 시료에 표시된 반사표시판의 측정구멍은 20um의 크기를 가진다.

시료에 표시된 반사표시판은 시료표면에서 반사하여 대물렌즈(203)와 결상렌즈(205)를 거쳐 확대결상면(209a)에 놓인 관찰카메라에 결상하여 육안으로 확인되는데, 이때 관찰카메라로 확인되는 영상은 시료의 패턴상이 결상광학계에 의해 선명하게 확대된 영상이며, 동시에 시료의 패턴상에 투영된 반사표시판의 이미지가 결상광학계에 의해 확대된 영상을 나타낸다.

관찰카메라에 결상된 영상은 도 4와 같이 표시광원과 반사표시판의 반사에 의한 표시원(402)과, 반사표시판의 광검출구멍에 의해 나타나는 표시원(402)으로 둘러싸인 명함이 구별되는 측정점(403)으로 표시된다.

광검출구멍은 분광기의 수광부와 정열되어 있기 때문에 관찰카메라에 나타나는 측정점(403)이 시료의 측정하고자 하는 측정위치로 표현된다.

즉, 시료상에 나타난 표시원(402)으로 둘러싸인 명암이 구별되는 측정점(403)을 측정위치로 인지하고, 표시광원을 끈 후, 분광기로 수용되는 측정위치로 부터 반사된 간섭정보를 분석하여 선택적으로 미세패턴등의 특정위치의 두께를 측정 할 수 있다.

본 발명에 부가적으로 도 5와 같이 광섬유를 반사표시판의 광검출구멍으로 이용하는 것도 가능하다.

광섬유 제조에 있어 광섬유(501b)를 광검출구멍으로 이용하고 광섬유 틀(501a)을 반사경으로 사용하도록 경면가공함으로서 반사표시판으로 이용할 수 있다.

이러한 구성의 경우 분광기의 수광부와 광섬유형 반사표시판(501)의 광검출용 광섬유(501b)간의 정밀한 정열이나 조절이 필요 없으며 분광기의 공간적 위치에도 제약을 받지 않는 장점이 있다.

도 1은 종래의 박막두께 측정장치를 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명의 미세패턴 박막두께 측정장치 구성도.

도 3은 표시광원과 반사표시판에 의한 결상이미지가 시료위에 측정위치를 표시한 도면.

도 4는 확대결상면에서 시료의 미세패턴상과, 반사표시판의 측정위치 표시상이 확대된상을 이루는 것을 나타낸 도면.

도 5는 표시광원과 광섬유형 광검출구멍를 이용하여 시료의 측정위치 표시장치로 사용하는 경우를 나타낸 도면.

Claims (4)

1. 측정광원으로부터 발광된 광을 광학장치를 이용하여 박막시료에 입사시키고 박막시료의 경계면으로부터 반사된 간섭정보를 가진 반사광을 광학장치를 이용하여 분광기에 유도 한 후, 분광기에 의한 반사광의 스펙트럼을 분석하여 박막두께를 산출하는 박막두께 측정장치에 있어서,

   시료상의 측정위치를 인지하기 위하여 광검출구멍을 포함한 반사표시판을 분광기 수광부에 정렬하여 위치시키고,

   반사표시판에 표시광원을 조사한 후 반사표시판의 반사광을 광학장치를 통하여 시료의 측정하고자 하는 특정위치에 표시하고,

   표시된 특정위치의 광간섭정보를 반사표시판의 광검출구멍을 통하여 분광기로 수광하여 특정위치의 박막두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 박막두께 측정장치.
2. 제 1항에 있어서 측정위치를 표시하기 위한 광검출구멍을 포함한 반사표시판은 시료의 미세패턴과 같은 특정위치가 확대되어 결상되는 확대결상면에 놓이는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1항에 있어서 표시광원은 백색광 혹은 특정 파장영역의 색을 가진 광을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1항에 있어서 광검출구멍을 포함한 반사표시판은 광검출구멍을 광섬유로 구성하고, 광섬유 틀을 반사경으로 사용하도록 경면 및 연마가공하여 반사표시판으로 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.

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