KR20090084245A

KR20090084245A - 두께 측정방법

Info

Publication number: KR20090084245A
Application number: KR1020080010300A
Authority: KR
Inventors: 박희재; 황영민; 안우정
Original assignee: 에스엔유 프리시젼 주식회사
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-05
Also published as: JP2011506996A; TW200933121A; US20100277745A1; US8279447B2; CN102027315A; CN102027315B; JP5286614B2; TWI361267B; KR100988454B1; WO2009096633A1

Abstract

본 발명은 두께 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 두께 측정방법은 간섭계를 이용하여 기저층 상에 적층된 대상층의 두께를 측정하기 위한 두께 측정방법에 있어서, 상기 대상층과 실질적으로 동일한 재질로 마련되며, 서로 다른 두께를 가진 샘플층들로부터 상기 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 획득하는 단계; 공기층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 기저층에 입사되는 광축 방향에 대한 제1간섭신호를 구하는 단계; 상기 대상층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제2간섭신호를 구하는 단계; 상기 광축 방향에 대하여 실질적으로 동일한 높이에서, 상기 제1간섭신호의 위상과 상기 제2간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계; 및 상기 위상차를 상기 상관식에 대입하여 상기 대상층의 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

두께 측정방법 {Method for measuring thickness}

본 발명은 두께 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투명한 박막층과 기저층의 경계면에 대한 간섭광의 위상 변화를 측정하여 마이크로 이하 단위의 두께를 가지는 투명한 박막층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 두께 측정방법에 관한 것이다.

반도체 공정 및 FPD 공정에서 품질을 결정하는 여러 요인 가운데 박막층의 두께의 제어가 차지하는 비중이 크기 때문에 이를 공정 중에서 직접 모니터링하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. '박막층'이란 기저층 즉, 기판의 표면에 형성시킨 매우 미세한 두께를 가지는 층으로서 일반적으로 두께가 수십 Å ~ 수 ㎛의 범위를 말한다. 이들 박막층을 특정한 용도로 응용하기 위해서는 박막층의 두께, 조성, 조도 및 기타 물리적, 광학적인 특성을 알 필요가 있다. 특히 최근에는 반도체 소자의 집적도를 높이기 위해 기판 위에 초박막층을 다층으로 형성하는 것이 일반적인 추세이다. 이러한 고집적 반도체 소자를 개발하기 위해서는 특성에 커다란 영향을 주는 인자인 박막층의 두께를 포함한 막의 물성을 정확하게 제어해야 한다.

반도체 공정 및 그 밖의 응용공정 등에서 사용하는 박막층의 두께를 측정하 는 데에는 여러 가지 방식이 있지만 탐침(stylus)을 이용한 기계적인 방법, 광학적 방법 등이 가장 일반적이다. 광학적 방법 중 백색광 간섭계(white light interferometer)를 사용하여 박막층의 두께를 결정할 수 있다.

도 1은 종래의 두께 측정방법의 일례를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 기저층(10) 상에 두께 측정의 대상층(20)인 투명한 박막층이 적층되며, 대상층(20) 상측에는 공기층(30)이 존재한다. 제1면(21)은 공기층(30)과 대상층(20)의 경계면을 포함하고, 제2면(11)은 대상층(20)과 기저층(10)의 경계면을 포함한다. 대상층(20)은 선형의 두께를 가지면 경사져 있다.

일반적인 백색광 간섭계를 이용하여 상대적으로 대상층(20)의 두께가 두꺼운 제1면(21)의 일 위치(22)를 향해 간섭광을 조사하면, 제1면의 위치(22)로부터 생기는 간섭신호(41) 및 제2면의 위치(12)로부터 생기는 간섭신호(42)를 얻을 수 있다. 제1면의 간섭신호(41)와 제2면의 간섭신호(42)는 공간적으로 충분히 떨어져 분리 가능하므로, 양 간섭신호(41,42)의 최고값의 차이를 이용하여 그 위치(22)에서의 대상층(20)의 두께를 구할 수 있다.

그러나, 상대적으로 대상층(20)의 두께가 얇은 위치(23)는 위와 같은 방법을 통해 대상층(20)의 두께를 구하는 것이 불가능하다. 즉, 상대적으로 대상층(20)의 두께가 얇은 제1면의 다른 위치(23)를 향해 간섭광을 조사하면, 제1면의 위치(23)로부터 생기는 간섭신호 및 제2면의 위치(13)로부터 생기는 간섭신호가 중첩되면서 하나의 간섭신호(43)가 형성된다. 이와 같이 두께가 얇은 위치에서 발생할 수 있는 중첩된 간섭신호(43)에서는 대상층(20)의 두께를 알아낼 수 있는 양 최고값을 추출할 수 없으므로, 얇은 두께를 가진 투명한 대상층(20)에 대해서는 간섭신호를 이용할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미리 마련된 샘플을 이용하여 투명한 박막층의 두께에 대하여 투명한 박막층과 기저층의 경계면에서 위상차의 상관식을 구하고, 이 상관식을 이용하여 마이크로 이하 단위의 두께를 가지는 투명한 박막층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 두께 측정방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 두께 측정방법은, 간섭계를 이용하여 기저층 상에 적층된 대상층의 두께를 측정하기 위한 두께 측정방법에 있어서, 상기 대상층과 실질적으로 동일한 재질로 마련되며, 서로 다른 두께를 가진 샘플층들로부터 상기 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 획득하는 단계; 공기층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 기저층에 입사되는 광축 방향에 대한 제1간섭신호를 구하는 단계; 상기 대상층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제2간섭신호를 구하는 단계; 상기 광축 방향에 대하여 실질적으로 동일한 높이에서, 상기 제1간섭신호의 위상과 상기 제2간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계; 및 상기 위상차를 상기 상관식에 대입하여 상기 대상층의 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1간섭신호의 위상과 상기 제2간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계는, 상기 제1간섭신호 에서 기준이 되는 제1신호값을 설정하고, 상기 광축 방향에 대하여 상기 제1신호값이 얻어지는 높이를 제1높이로 설정하며, 상기 제1신호값의 위상을 제1위상으로 설정하는 단계; 상기 제1높이와 실질적으로 동일한 높이에서 얻어지는 제2간섭신호의 신호값을 제2신호값으로 설정하고, 상기 제2신호값의 위상을 제2위상으로 설정하는 단계; 상기 제1위상과 상기 제2위상 간의 위상차를 구하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 제1간섭신호 및 상기 제2간섭신호는 광강도이고, 상기 제1신호값은 상기 제1간섭신호의 최고값이다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 상관식을 획득하는 단계는, 일 두께를 가지는 샘플층을 마련하는 단계; 상기 공기층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제3간섭신호를 구하는 단계; 상기 샘플층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제4간섭신호를 구하는 단계; 상기 광축 방향에 대하여 실질적으로 동일한 높이에서, 상기 제3간섭신호의 위상과 상기 제4간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계; 다른 두께를 가지는 샘플층을 마련하고, 그 샘플층에 대하여 제3간섭신호를 구하는 단계, 상기 제4간섭신호를 구하는 단계 및 상기 위상차를 구하는 단계를 반복하는 단계; 및 복수의 두께 정보와 복수의 위상차 정보를 이용하여 곡선 맞춤(fitting)하고, 상기 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 결정하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 위상차를 구하는 단계는, 상기 제3간섭신호에서 기준이 되는 제3신호값을 설정하고, 상기 광축 방향에 대하여 상기 제3신호값이 얻어지는 높이를 제3높이로 설정하며, 상기 제3신호값의 위상을 제3위상으로 설정하는 단계; 상기 제3높이와 실질적으로 동일한 높이에서 얻어지는 제4간섭신호의 신호값을 제4신호값으로 설정하고, 상기 제4신호값의 위상을 제4위상으로 설정하는 단계; 상기 제3위상과 상기 제4위상 간의 위상차를 구하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 제3간섭신호 및 상기 제4간섭신호는 광강도이고, 상기 제3신호값은 상기 제3간섭신호의 최고값이다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 상관식은 선형부 또는 비선형부를 포함한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 대상층의 두께가 연속적으로 변하는 방향을 따라 상기 공기층과 상기 기저층의 경계면 및 상기 대상층과 상기 기저층의 경계면의 복수의 위치에서, 상기 제1간섭신호를 구하는 단계, 상기 제2간섭신호를 구하는 단계 및 상기 위상차를 구하는 단계를 반복하는 단계; 상기 복수의 위치에 대하여 상기 위상차의 그래프를 산출하는 단계; 및 상기 그래프의 불연속점의 위상차에 2π의 배수를 가감해서 위상복원(phase unwrapping)하고, 위상복원된 위상차를 구하는 단계;를 더 포함하며, 상기 대상층의 두께를 결정하는 단계는, 상기 위상복원된 위상차를 상기 상관식에 대입하여 상기 대상층의 두께를 결정한다.

본 발명에 따른 두께 측정방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 위상복원된 위 상차를 구하는 단계는, 상기 공기층과 상기 기저층의 경계면에서의 위상차를 기준으로 한다.

본 발명에 따르면, 공기층과 기저층의 경계면에서의 간섭신호의 위상과 투명한 박막층과 기저층의 경계면에서의 간섭신호의 위상 간의 위상차를 이용하여 박막층의 두께를 측정함으로써, 마이크로 이하 단위의 두께를 가지는 투명한 박막층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 두께 측정방법이 제공된다.

또한, 측정하고자 하는 투명한 박막층과 동일한 재질로 이루어지며, 서로 다른 두께를 가지는 샘플층들을 이용하여 두께와 위상차 사이의 상관식을 구하게 되면 측정하고자 하는 투명한 박막층과 기저층의 경계면에서의 위상과 공기층과 기저층의 경계면에서의 위상 간의 위상차를 구하는 것만으로도 박막층의 두께를 측정하는 것이 가능하므로, 두께 측정에 소요되는 절차 및 시간을 절감할 수 있는 두께 측정방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 두께 측정방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 두께 측정방법을 구현하기 위한 간섭계의 일례를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 간섭계(100)는 투명한 박막층의 두께를 측정하는데 일반적으로 사용되는 미라우 간섭계의 구성을 채용한다. 상기 간섭계(100)는 백색 광원(101)을 구비하며, 백색광원(101)으로는 할로겐 램프 등을 포함한 다양한 소스의 램프가 사용될 수 있다. 백색광원(101)으로부터 입사된 광을 스펙트럼 특성을 바꾸지 않고 단지 휘도만을 줄이기 위하여 회색 필터(ND filter, Neutral Density filter)(102)가 마련된다. 상기 간섭계(100)는 회색 필터(102)를 통과한 광을 집중시키기 위한 집광렌즈(103)를 구비한다. 집광렌즈(103)를 통과한 광은 그 광을 평행광을 만들어 주기 위한 콜리메이터(104)(collimator)를 통과한다.

콜리메이터(104)를 통과한 광은 광분할기(111)에 의해 반사광(53)과 투과광(59)으로 분할되고, 반사광(53)은 대물렌즈(131) 측으로 입사된다. 여기서, 광분할기(111)는 반사율과 투과율이 50:50인 것을 이용한다. 대물렌즈(131)로부터 입사되는 광은 광분할기(132)에 의해 다시 반사광(57)과 투과광(55)으로 분할된다. 상기 투과광(55)은 측정광으로서 투명한 박막층인 대상층(20) 및 기저층(10) 측으로 조사되고, 상기 반사광(57)은 기준광으로서 기준미러(133)에 조사된다. 상기 광분할기(132)는 기준미러(133)로부터 반사된 기준광(57)과 대상층(20)과 기저층(10)의 경계면에 의해 반사된 측정광(55)를 모아 간섭광을 만들기 위한 것이다. 또한, 상기 기준미러(133)는 광분할기(132)로부터 입사되는 기준광(57)을 반사시켜 다시 광분할기(132)로 입사시키기 위한 것이다.

상기 간섭계(100)는 광분할기(111)로부터 입사되는 간섭광(59)을 결상시키기 위한 결상렌즈(121)와, 간섭광(59)으로부터 간섭신호를 검출하기 위한 검출기(122)를 구비한다. 일반적으로 검출기(122)로는 측정하고자 하는 영역에 적합한 화수 개수를 가지는 CCD(charge coupled device) 카메라가 이용된다.

또한, 상기 간섭계(100)는 측정점을 기저층(10)과 교차하는 방향 즉, 광축 방향으로 미소 간격 이동하면서 간섭신호를 획득하기 위한 구동부(140)를 포함한다.이용하였다. 대물렌즈(131)를 수용하는 경통(130)은 구동부(140)에 장착되어서, 구동부(140)의 작동으로 인해 대물렌즈(131)의 광축 방향으로의 이동이 가능해진다. 여기서, 기저층(10)에 입사되는 수직한 광축 방향(A)을 도 2의 z축으로 정의한다. 이와 같이, 대물렌즈(131)를 z축 방향을 따라 측정점 상하로 수십 nm 간격으로 이동하면서 검출기(122)를 통해 강한 간섭신호가 검출되는 위치를 찾게 된다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 간섭계(100)를 이용하여 본 발명에 따른 두께 측정방법의 실시예에 대하여, 도 3 내지 도 10을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정방법의 순서도이고, 도 4 및 도 5는 대상층과 실질적으로 동일한 재질로 마련되며, 서로 다른 두께를 가지는 샘플층들 및 기저층에 간섭광을 조사하여 획득한 간섭신호를 도시한 도면이고, 도 6은 샘플층들의 두께에 대하여 위상차의 상관식을 그래프로 나타내는 도면이고, 도 7은 도 3의 두께 측정방법이 적용되는 투명한 박막층을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 도 3의 두께 측정방법의 제1간섭신호를 구하는 단계 및 제2간섭신호를 구하는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 대상층의 두께가 연속적으로 변하는 방향을 따라 대상층과 기저층의 경계면에서 복수의 위치에 대한 위상차를 그래프로 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 그래프의 불연속점의 위상차를 위상복원 하여, 위상복원된 위상차를 그래프로 나타내는 도면이다.

상기 간섭계(100)를 이용하여 기저층(10) 상에 적층된 대상층(20)의 두께를 측정하기 위하여, 우선 서로 다른 두께(d1,d2)를 가진 복수의 샘플층(20a,20b)들로부터 샘플층(20a,20b)들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 획득한다(S110). 여기서, 샘플층(20a,20b)은 향후 측정할 투명한 박막층인 대상층(20)과 동일한 재질로 구성된다.

상기 상관식(150)을 획득하기 위하여, 우선 일 두께(d1)를 가지는 샘플층(20a)을 마련한다(S111). 상기 샘플층(20a)의 두께 정보는 이미 알려져 있는 정보로서 따로 두께 측정기를 이용하여 측정할 필요는 없으나, 검증된 타 두께 측정기로 측정하여 두께 정보를 얻을 수도 있다.

이후, 도 4에 도시된 바와 같이, 공기층(30)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(13)의 일 위치에서, 기저층(10)에 입사되는 수직한 광축 방향(A) 즉, z축 방향에 대하여 제3간섭신호(51)를 구한다(S112). 본 실시예에서 제3간섭신호(51)는 공기층(30)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(13)을 향해 조사된 간섭광의 광강도의 변화 신호이다. 또한, 샘플층(20a)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(11)의 일 위치에서, z축 방향에 대하여 제4간섭신호(61)를 구한다(S113). 제3간섭신호(51)와 마찬가지로, 본 실시예에서 제4간섭신호(61)는 샘플층(20a)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(11)을 향해 조사된 간섭광의 광강도의 변화 신호이다.

이후, z축 방향을 따라 실질적으로 동일한 높이에서 제3간섭신호(51)의 위상과 제4간섭신호(61)의 위상 간의 위상차를 구한다(S114). 제3간섭신호(51)를 구한 후, 제3간섭신호(51)에서 기준이 되는 광강도인 제3신호값(53)을 설정하는데, 바람직하게는 제3간섭신호(51)인 광강도의 최고값을 제3신호값(53)으로 설정한다. 그리고, z축 방향에 대하여 제3신호값(53)이 얻어지는 높이를 제3높이로 설정하고, 제3신호값(53)의 위상을 제3위상으로 설정한다(S117). 또한, 제4간섭신호(61)를 구한 후, z축 방향에 대하여 제3높이와 실질적으로 동일한 높이에 대응하는 제4간섭신호(61)의 값을 제4신호값(63)으로 설정한다. 그리고, 제4신호값(63)이 얻어지는 위상을 제4위상으로 설정한다(S118). 이와 같이 설정된 제3위상과 제4위상 간의 차이를 제3간섭신호(51)의 위상과 제4간섭신호(61)의 위상 간의 위상차로 설정한다(S119).

이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 다른 두께(d2)를 가지는 샘플층(20b)을 마련하고, 그 샘플층(20b)에 대하여 제3간섭신호(51)를 구하는 단계(S112), 제4간섭신호(71)를 구하는 단계(S113) 및 제3간섭신호(51)의 위상과 제4간섭신호(71)의 위상 간의 위상차를 구하는 단계(S114)를 반복한다(S115). 서로 다른 두께(d1,d2)를 가지는 복수 개의 샘플층(20a,20b)에 대하여 반복하게 되면, 복수의 두께 정보와 복수의 위상차 정보를 획득할 수 있다. 후술할 상관식을 보다 정확하게 결정하기 위해서 샘플층의 수량은 많을수록 좋다.

이와 같이 얻어진 복수의 두께 정보와 복수의 위상차 정보를 이용하여 곡선 맞춤(fitting)하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식(150)을 결정한다(S116). 상관식(150)은 선형부 또는 비선형부를 포함하고, 그 상관식은,

y = (a×x+b) + g(x)

로 표현될 수 있다. 여기서, x는 제3간섭신호(51)의 위상과 제4간섭신호(61,71)의 위상 간의 위상차이고, y는 샘플층(20a,20b)의 두께이다. 선형부와 비선형부의 상수값을 결정하는 최적화 알고리즘으로는, 비선형 최소 자승법(nonlinear least square method)을 이용할 수 있고, Levenberg-Marquardt의 비선형 최소 자승법을 이용할 수도 있다.

상기 상관식(150)을 획득한 이후, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 실제 두께를 측정하고자 하는 대상층(20)을 포함하는 측정물에 대하여 두께를 측정하는 과정을 수행한다. 측정물은 대상층(20)이 기저층(10) 상에 적층되고 대상층(20) 위에 공기층(30)이 있는 부위와, 대상층(20) 없이 공기층(30)과 기저층(10)이 직접 맞닿는 부위와, 양 부위 사이에서 대상층(20)의 두께가 0에서 일정 두께(d11)까지 연속적으로 변하는 경사부(25)를 포함한다. 여기서, 대상층(20)은 공기층(30)-대상층(20)의 경계면에서의 간섭신호 최고값과 대상층(20)-기저층(10)의 경계면에서의 간섭신호 최고값이 중첩될 만큼 얇은 두께를 가지며, 실질적으로는 1 ㎛ 이하인 투명한 박막층이다.

대상층(20)의 두께(d11)를 측정하기 위하여, 우선 공기층(30)과 기저층(10)의 경계면(13)의 일 위치에서, 기저층(10)에 수직한 광축 방향(A) 즉, z축 방향에 대하여 제1간섭신호(161)를 구한다(S120). 본 실시예에서 제1간섭신호(161)는 공기층(30)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(13)을 향해 조사된 간섭광의 광강도의 변 화 신호이다. 또한, 대상층(20)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(11)의 일 위치에서, z축 방향에 대하여 제2간섭신호(171)를 구한다(S130). 제1간섭신호(161)와 마찬가지로, 본 실시예에서 제2간섭신호(171)는 대상층(20)과 기저층(10)이 맞닿는 경계면(11)을 향해 조사된 간섭광의 광강도의 변화 신호이다.

이후, z축 방향을 따라 실질적으로 동일한 높이에서 제1간섭신호(161)의 위상과 제2간섭신호(171)의 위상 간의 위상차를 구한다(S140). 제1간섭신호(161)를 구한 후, 제1간섭신호(161)에서 기준이 되는 광강도인 제1신호값(163)을 설정하는데, 바람직하게는 제1간섭신호(161)인 광강도의 최고값을 제1신호값(163)으로 설정한다. 그리고, z축 방향에 대하여 제1신호값(163)이 얻어지는 높이를 제1높이로 설정하고, 제1신호값(163)의 위상을 제1위상으로 설정한다(S141). 또한, 제2간섭신호(171)를 구한 후, z축 방향에 대하여 제1높이와 실질적으로 동일한 높이에 대응하는 제2간섭신호(171)의 값을 제2신호값(173)으로 설정한다. 그리고, 제2신호값(173)이 얻어지는 위상을 제2위상으로 설정한다(S142). 이와 같이 설정된 제1위상과 제2위상 간의 차이를 제1간섭신호(161)의 위상과 제2간섭신호(171)의 위상 간의 위상차로 설정한다(S143).

제1간섭신호(161)의 위상과 제2간섭신호(171)의 위상 간의 위상차를 상관식(150)에 바로 대입하기 전에 그 위상차를 위상복원(phase unwrapping)한 후 위상복원된 위상차를 상관식(150)에 대입하는 것이 바람직하다. 대상층(20)의 두께가 연속적으로 변하는 방향 즉, 도 7에 도시된 "B" 방향을 따라 공기층(30)과 기저층(10)의 경계면(13) 및 대상층(20)과 기저층(10)의 경계면(11)의 복수의 위치에 서, 제1간섭신호(161)를 구하는 단계(S120), 제2간섭신호(171)를 구하는 단계(S130) 및 제1간섭신호(161)의 위상과 제2간섭신호(171)의 위상 간의 위상차를 구하는 단계(S140)를 반복하게 되면(S151), 복수의 위상차 정보를 구할 수 있다.

상기 복수의 위상차 정보를 이용하여 "B" 방향에 대한 위상차의 그래프를 산출하면 도 9에 도시된 그래프(181)를 얻을 수 있다(S152). 여기서, 공기층(30)과 기저층(10)의 경계면(13)에서의 위상을 기준값으로 하고 그 값을 0으로 설정한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제1신호값(163)의 위상과 제2신호값(173)의 위상 간의 위상차는 -π ~ +π 범위 내에서 값이 결정되므로, -π 위상차 부근 또는 +π 위상차 부근에서 불연속점을 갖게 된다. 이러한 불연속점에서의 위상차는 실제 위상차를 반영하는 것이 아니고, -π ~ +π 범위 내에서 위상차가 결정되는 것에 기인하여 불연속점이 발생한다. 대상층(20)의 두께가 연속적으로 변하는 방향("B" 방향)을 따라 위상차의 변화를 구하게 되면, 비록 그래프(181) 상에서는 하위 불연속점(182)과 상위 불연속점(183)이 일치하지 않지만, 대상층(20)의 경사부(25) 형상에 근거하여 하위 불연속점(181)과 상위 불연속점(183)이 일치하는 점임을 추론할 수 있다.

따라서, 그래프(181)의 하위 불연속점(182)의 위상차에 2π를 더해서 상위 불연속점(183)과 일치시키는 위상복원(phase unwrapping)을 수행하고, 도 10에 도시된 바와 같이 위상복원된 위상차를 구한다(S153). 여기서, 위상복원시 공기층(30)과 기저층(10)의 경계면(13)에서의 위상차를 기준으로 한다. 즉, 공기층(30)과 기저층(10)의 경계면(13)에서의 위상차를 포함하는 그래프 부위를 그대로 둔 채, 대상층(20)과 기저층(10)의 경계면(11)에서의 위상차를 포함하는 그래프 부위의 각각의 위상차에 2π를 더해서 위상복원한다. 이와 같은 위상복원을 통해서 측정한 모든 위치에서 실제 위상차를 반영하는 그래프(185)를 구할 수 있게 된다. 그래프의 형상에 따라서 불연속점에 4π 또는 6π 와 같이 2π의 배수값을 더해서 위상복원 과정을 수행할 수도 있다.

이후, 위상차를 상관식(150)에 대입하여, 대상층(20)의 두께(d11)를 결정한다(S160). 바람직하게는 위상복원된 위상차를 상관식(150)에 대입한다(S161).

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 두께 측정방법은, 간섭신호에서 서로 다른 최대값을 추출하여 박막층의 두께를 측정하는 것이 아니라, 공기층과 기저층의 경계면에서의 간섭신호의 위상과 투명한 박막층과 기저층의 경계면에서의 간섭신호의 위상 간의 위상차를 이용하여 박막층의 두께를 측정함으로써, 마이크로 이하 단위의 두께를 가지는 투명한 박막층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 미리 마련된 복수 개의 샘플을 이용하여 투명한 박막층의 두께와 투명한 박막층-기저층의 경계면에서 위상차 사이의 상관식을 일단 구하게 되면 샘플과 동일한 재질로 된 박막층의 위상차를 구하는 것만으로도 박막층의 두께를 측정하는 것이 가능하므로, 두께 측정에 소요되는 절차 및 시간을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 종래의 두께 측정방법의 일례를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 두께 측정방법을 구현하기 위한 간섭계의 일례를 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정방법의 순서도이고,

도 4 및 도 5는 대상층과 실질적으로 동일한 재질로 마련되며, 서로 다른 두께를 가지는 샘플층들 및 기저층에 간섭광을 조사하여 획득한 간섭신호를 도시한 도면이고,

도 6은 샘플층들의 두께에 대하여 위상차의 상관식을 그래프로 나타내는 도면이고,

도 7은 도 3의 두께 측정방법이 적용되는 투명한 박막층을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 8은 도 3의 두께 측정방법의 제1간섭신호를 구하는 단계 및 제2간섭신호를 구하는 단계를 설명하기 위한 도면이고,

도 9는 대상층의 두께가 연속적으로 변하는 방향을 따라 대상층과 기저층의 경계면에서 복수의 위치에 대한 위상차를 그래프로 나타내는 도면이고,

도 10은 도 9의 그래프의 불연속점의 위상차를 위상복원하여, 위상복원된 위상차를 그래프로 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기저층 20 : 대상층

30 : 공기층 100 : 간섭계

150 : 상관식 161 : 제1간섭신호

163 : 제1신호값 171 : 제2간섭신호

173 : 제2신호값

S110 : 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 획득하는 단계

S120 : 광축 방향에 대한 제1간섭신호를 구하는 단계

S130 : 광축 방향에 대한 제2간섭신호를 구하는 단계

S140 : 제1간섭신호의 위상과 제2간섭신호의 위상간의 위상차를 구하는 단계

S160 : 대상층의 두께를 결정하는 단계

Claims

간섭계를 이용하여 기저층 상에 적층된 대상층의 두께를 측정하기 위한 두께 측정방법에 있어서,

상기 대상층과 실질적으로 동일한 재질로 마련되며, 서로 다른 두께를 가진 샘플층들로부터 상기 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 획득하는 단계;

공기층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 기저층에 입사되는 광축 방향에 대한 제1간섭신호를 구하는 단계;

상기 대상층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제2간섭신호를 구하는 단계;

상기 광축 방향에 대하여 실질적으로 동일한 높이에서, 상기 제1간섭신호의 위상과 상기 제2간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계; 및

상기 위상차를 상기 상관식에 대입하여 상기 대상층의 두께를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 제1간섭신호의 위상과 상기 제2간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계는,

상기 제1간섭신호에서 기준이 되는 제1신호값을 설정하고, 상기 광축 방향에 대하여 상기 제1신호값이 얻어지는 높이를 제1높이로 설정하며, 상기 제1신호값의 위상을 제1위상으로 설정하는 단계;

상기 제1높이와 실질적으로 동일한 높이에서 얻어지는 제2간섭신호의 신호값을 제2신호값으로 설정하고, 상기 제2신호값의 위상을 제2위상으로 설정하는 단계;

상기 제1위상과 상기 제2위상 간의 위상차를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제2항에 있어서,

상기 제1간섭신호 및 상기 제2간섭신호는 광강도이고,

상기 제1신호값은 상기 제1간섭신호의 최고값인 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 상관식을 획득하는 단계는,

일 두께를 가지는 샘플층을 마련하는 단계;

상기 공기층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제3간섭신호를 구하는 단계;

상기 샘플층과 상기 기저층의 경계면에서, 상기 광축 방향에 대한 제4간섭신호를 구하는 단계;

상기 광축 방향에 대하여 실질적으로 동일한 높이에서, 상기 제3간섭신호의 위상과 상기 제4간섭신호의 위상 간의 위상차를 구하는 단계;

다른 두께를 가지는 샘플층을 마련하고, 그 샘플층에 대하여 제3간섭신호를 구하는 단계, 상기 제4간섭신호를 구하는 단계 및 상기 위상차를 구하는 단계를 반복하는 단계; 및

복수의 두께 정보와 복수의 위상차 정보를 이용하여 곡선 맞춤(fitting)하고, 상기 샘플층들의 두께에 대한 위상차의 상관식을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제4항에 있어서,

상기 위상차를 구하는 단계는,

상기 제3간섭신호에서 기준이 되는 제3신호값을 설정하고, 상기 광축 방향에 대하여 상기 제3신호값이 얻어지는 높이를 제3높이로 설정하며, 상기 제3신호값의 위상을 제3위상으로 설정하는 단계;

상기 제3높이와 실질적으로 동일한 높이에서 얻어지는 제4간섭신호의 신호값을 제4신호값으로 설정하고, 상기 제4신호값의 위상을 제4위상으로 설정하는 단계;

상기 제3위상과 상기 제4위상 간의 위상차를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제5항에 있어서,

상기 제3간섭신호 및 상기 제4간섭신호는 광강도이고,

상기 제3신호값은 상기 제3간섭신호의 최고값인 것을 특징으로 하는 두께 측 정방법.
제4항에 있어서,

상기 상관식은 선형부 또는 비선형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제1항에 있어서,

상기 대상층의 두께가 연속적으로 변하는 방향을 따라 상기 공기층과 상기 기저층의 경계면 및 상기 대상층과 상기 기저층의 경계면의 복수의 위치에서, 상기 제1간섭신호를 구하는 단계, 상기 제2간섭신호를 구하는 단계 및 상기 위상차를 구하는 단계를 반복하는 단계;

상기 복수의 위치에 대하여 상기 위상차의 그래프를 산출하는 단계; 및

상기 그래프의 불연속점의 위상차에 2π의 배수를 가감해서 위상복원(phase unwrapping)하고, 위상복원된 위상차를 구하는 단계;를 더 포함하며,

상기 대상층의 두께를 결정하는 단계는, 상기 위상복원된 위상차를 상기 상관식에 대입하여 상기 대상층의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.
제8항에 있어서,

상기 위상복원된 위상차를 구하는 단계는,

상기 공기층과 상기 기저층의 경계면에서의 위상차를 기준으로 하는 것을 특징으로 하는 두께 측정방법.