KR20130106178A - 광학적 방법을 이용한 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

광학적 방법을 이용한 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법 Download PDF

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KR20130106178A
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Abstract

본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치는 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하는 광원, 측정 시료를 투과하여 도달하는 광을 반사시키는 기준 반사면, 및 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 일정한 거리로 이격되도록 하는 복수의 지지대를 구비하는 기준 반사판, 상기 광원으로부터 전달받은 광을 상기 측정 시료의 제1 면으로 출광하고, 상기 출광된 광 중 일부가 상기 제1 면에서 반사되는 제1 반사광, 상기 제1 면을 투과한 광 중 일부가 상기 제1 면의 반대쪽에 위치한 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사되는 제2 반사광, 및 상기 제2 면을 투과한 광 중 일부가 상기 기준 반사면에서 반사되는 제3 반사광을 수광하는 광 전달부, 상기 광 전달부로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 상기 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 분광기, 및 상기 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 신호처리부를 포함한다.

Description

광학적 방법을 이용한 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법{APPARATUS FOR MEASUREING THICKNESS AND SHAPE BY USING OPTICAL METHOD AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 광학적 방법을 이용한 두께 및 형상 측정 장치 및 그 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 스펙트럼을 분석하여 웨이퍼 및 유리 평판 등의 두께 및 형상을 측정하기 위한 광학적 방법을 이용한 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
반도체의 고집적화 및 생산성 향상으로 인해서 반도체 생산에 사용되는 웨이퍼를 다루는 기술도 발전하고 있다. 웨이퍼의 두께와 형상에 대한 관리는 반도체의 품질에 직접적인 영향이 있기 때문에 그 기준이 엄격해지고 있다. 그에 따라 웨이퍼 전면적에 대한 두께와 형상을 빠른 시간 내에 측정할 수 있는 기술이 요구된다.
일반적으로 웨이퍼의 두께를 측정하는 방법은 두 가지가 있다. 먼저 캐패시턴스 프로브(Capacitance Probe)를 이용한 정전 용량 방식은 웨이퍼 바닥에 접지가 요구되고, 웨이퍼의 두께와 형상을 측정하기 위해서 2개의 프로브가 웨이퍼의 상부면과 하부면에 각각 사용된다. 따라서 웨이퍼의 두께와 형상을 측정하는 장치의 제품 단가가 높으며, 프로브의 위치에 대한 보정이 필요하고, 웨이퍼의 전면적의 두께와 형상을 측정하기 위해서 많은 시간이 소요된다. 웨이퍼의 두께를 측정하는 다른 하나의 방법은 광학적 방식인 인터페로그램(Inteferogram)이다. 인터페로그램은 웨이퍼와 기준 반사면으로 광 간섭계를 구성하고 광의 간섭 패턴을 영상으로 찍어 웨이퍼 표면의 형상을 빠르고 직관적으로 볼 수 있다. 그러나 웨이퍼의 크기가 다양하기 때문에, 다양한 크기의 웨이퍼의 표면을 한번에 영상으로 찍기 위해서는 측정 장치의 부피가 커야하고, 기준 반사면의 절대 위치도 웨이퍼의 크기에 따라 변화되어야 한다. 그리고 인터페로그램의 측정 정확도는 외부 진동 또는 온도 변화에 민감한 문제가 있다.
본 발명의 목적은 측정 시료의 손상이나 오염 없이 빠른 시간 내에 웨이퍼 전면적의 두께와 형상을 측정하는 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 외부 진동 및 온도 변화에 대하여 안정적이고, 측정 정확도가 높은 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 두께 및 형상뿐만 아니라 별도의 보정 없이 측정 시료의 평탄도를 측정하는 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치는 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하는 광원, 측정 시료를 투과하여 도달하는 광을 반사시키는 기준 반사면, 및 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 일정한 거리로 이격되도록 하는 복수의 지지대를 구비하는 기준 반사판, 상기 광원으로부터 전달받은 광을 상기 측정 시료의 제1 면으로 출광하고, 상기 출광된 광 중 일부가 상기 제1 면에서 반사되는 제1 반사광, 상기 제1 면을 투과한 광 중 일부가 상기 제1 면의 반대쪽에 위치한 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사되는 제2 반사광, 및 상기 제2 면을 투과한 광 중 일부가 상기 기준 반사면에서 반사되는 제3 반사광을 수광하는 광 전달부, 상기 광 전달부로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 상기 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 분광기, 및 상기 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 신호처리부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치는 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하는 광원, 도달하는 광의 일부를 반사시키는 기준 반사면을 구비하고, 상기 기준 반사면은 측정 시료와 마주보는 기준 반사판, 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 일정한 거리로 이격되도록 상기 기준 반사판을 거치하는 거치대, 상기 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기준 반사면의 반대쪽에 위치한 상기 기준 반사판의 일면으로 출광하고, 상기 기준 반사판의 일면을 투과한 광 중 일부가 상기 기준 반사면에서 반사되는 제1 반사광, 상기 기준 반사면을 투과한 광 중 일부가 상기 측정 시료의 제1 면에서 반사되는 제2 반사광, 및 상기 제1 면을 투과한 광 중 일부가 상기 제1 면의 반대쪽에 위치한 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사되는 제3 반사광을 수광하는 광 전달부, 상기 광 전달부로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 상기 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 분광기, 및 상기 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 신호처리부를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 면과 평행하고, 상기 제1 면의 면적보다 크거나 같은 X-Y평면의 X축 또는 Y축 방향으로 상기 광 전달부를 이동시키는 운송 장치를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원은 SLD(Super Luminescent Diode), EDF(Erbium Doped Fiber)를 이용한 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광원, 또는 LED(Light Emitting Diode) 중 어느 하나의 광원일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 측정 시료는 유리 평판, 실리콘 웨이퍼 또는 사파이어 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 측정 시료가 실리콘 웨이퍼인 경우, 상기 광원은 중심 파장이 적외선 영역인 광을 생성할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기준 반사판은 유리 평판일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기준 반사면은 상기 광원에서 생성되는 광의 중심 파장의 십분의 일 이하인 평탄도를 가질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 분광기는 파장별로 상기 간섭 광의 진행 경로를 분리하는 회절격자(Grating), 및 파장별로 진행경로가 분리된 상기 간섭 광의 광 출력을 검출하는 광 검출기 어레이(Detector Array)를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광 전달부는 상기 출광되는 광 또는 상기 수광되는 광의 발산을 방지하는 집광부, 및 일측의 한 포트는 상기 광원에 연결되고, 타측의 한 포트는 상기 집광부에 연결되어 상기 광원으로부터 전달되는 광을 상기 집광부로 전달하고, 일측의 타 포트는 상기 분광기에 연결되어 상기 집광부로부터 전달되는 상기 간섭 광을 상기 분광기에 전달하는 광 결합기를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 집광부는 초점을 구비하는 집광(Focusing) 렌즈 또는 평행 광을 만드는 시준(Collimation) 렌즈를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 운송 장치는 상기 광 전달부를 50mm/s 이상의 속도로 이동시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 상기 상대 거리들을 측정할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 이격되는 상기 일정한 거리는, 상기 측정 시료의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 신호처리부는 상기 기준 반사면에 대한 상기 제1 면 또는 제2 면의 상기 상대 거리를 이용하여 상기 제1 면의 평탄도(Flatness) 또는 상기 제2 면의 평탄도를 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 방법은 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 측정 시료의 제1 면 및 제2 면, 및 상기 측정 시료와 일정한 거리로 이격되는 기준 반사면에 출광하는 제1 단계, 상기 측정 시료의 제1 면에서 반사된 제1 반사광, 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사된 제2 반사광, 및 상기 기준 반사면에서 반사된 제3 반사광을 수광하는 제2 단계, 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 제3 단계, 상기 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 제4 단계, 및 상기 제1 단계 내지 상기 제4 단계를 상기 측정 시료의 전체 면적에 반복적으로 수행하여 상기 측정 시료의 두께 및 형상을 파악하는 제5 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 이격되는 상기 일정한 거리는 상기 측정 시료의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치 및 측정 방법은 측정 시료의 손상이나 오염 없이 빠른 시간 내에 웨이퍼 전면적의 두께와 형상을 측정할 수 있다.
또한, 외부 진동 및 온도 변화에 대하여 안정적이고, 측정 정확도가 높다.
또한, 두께 및 형상뿐만 아니라 별도의 보정 없이 측정 시료의 평탄도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3a는 도 1의 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 기준 반사판의 기준 반사면을 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 기준 반사판을 측면에서 바라본 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 광원의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5는 반사광이 2개인 경우, 분광기에서 측정되는 간섭 광의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 반사광이 3개인 경우, 분광기에서 측정되는 간섭 광의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 두께 및 형상 장치에 포함되는 신호처리부가 도 6의 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
본 명세서에서 ‘및/또는’이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, ‘연결되는/결합되는’이란 표현은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 ‘포함한다’ 또는 ‘포함하는’으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및 소자의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 두께 및 형상 측정 장치는 광원(10), 광 전달부(20), 기준 반사판(60), 분광기(70), 및 신호처리부(80)를 포함한다. 또한, 필요에 따라 운송 장치(90)를 더 포함할 수 있다.
광원(10)은 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하고, 생성된 광을 광 전달부(20)로 전달한다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 광원(10)은 SLD(Super Luminescent Diode), EDF(Erbium Doped Fiber)를 이용한 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광원, 또는 LED(Light Emitting Diode) 중 어느 하나의 광원일 수 있다. 측정 시료(50)는 유리평판, 실리콘 웨이퍼 또는 사파이어 웨이퍼 중 어느 하나일 수 있다. 특히 반도체에 가장 많이 사용되는 실리콘 웨이퍼의 가시광(Visible) 투과율은 낮지만, 적외선(IR) 광 투과율 및 반사율이 높기 때문에, 측정 시료(50)가 실리콘 웨이퍼인 경우 광원(10)은 중심 파장이 적외선 영역인 광을 생성하는 것이 바람직하다.
도 1에서 광의 출광, 반사, 투과 경로는 측정 시료에 수직 입사가 통상적이나, 이해를 돕기 위해서 각도가 기울어진 그림으로 표현하였다.
광 전달부(20)는 광원(10)에서 생성된 광을 전달받고, 전달받은 광을 측정 시료(50)의 제1 면(51)으로 출광한다. 출광된 광(11)의 일부는 측정 시료(50)의 제1 면(51)에서 반사(12)되고, 나머지 광(13)은 제1 면을 투과하여 진행한다. 그리고 제1 면을 투과하여 진행하는 광(13)의 일부는 제1 면(51)의 반대쪽에 위치한 제2 면(52)에서 반사(14)되고, 나머지 광(15)은 제2 면(52)을 투과하여 진행한다. 그리고 제2 면(52)을 투과하여 진행하는 광(15)의 일부는 기준 반사면(62)에서 반사(16)된다. 광 전달부(20)는 출광된 광 중 측정 시료(50)의 제1 면(51)에서 반사되는 제1 반사광(12), 측정 시료(50)의 제2 면(52)에서 반사되는 제2 반사광(14), 및 기준 반사면(62)에서 반사되는 제3 반사광(16)을 수광한다. 수광되는 제1, 제2, 및 제3 반사광(12, 14, 16)은 서로 간섭하고, 광 전달부(20)는 간섭으로 생성되는 간섭 광을 분광기(70)로 전달한다.
본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 광 전달부(20)는 광 결합기(30) 및 집광부(40)를 포함할 수 있다. 광 결합기(30)는 일측과 타측에 각각 2개의 포트를 가지는 2*2 광 결합기, 또는 일측에 2개의 포트를 가지고 타측에 1개의 포트를 가지는 2*1 광 결합기일 수 있다. 광 결합기(30)의 일측의 한 포트는 광원(10)에 연결되고, 타측의 한 포트는 집광부(40)에 연결되고, 일측의 타 포트는 분광기(70)에 연결된다. 2*2 광 결합기의 경우 사용되지 않는 타측의 타 포트는 포트 끝단에서 광의 반사가 발생하지 않도록 끝단 처리(Termination)를 할 수 있다. 광 결합기(30)는 일측의 한 포트를 통해서 광원(10)으로부터 전달되는 광을 타측의 한 포트에 연결된 집광부(40)에 전달한다. 그리고 타측의 한 포트를 통해서 집광부(40)로부터 전달되는 간섭 광을 일측의 타 포트에 연결된 분광기(70)에 전달한다.
집광부(40)는 출광되는 광 또는 수광되는 광의 발산을 방지한다. 도 1의 집광부(40)는 광 결합기(30)를 통해서 전달되는 광의 발산을 방지하여 측정 시료(50)의 제1 면(51)으로 출광하고, 제1, 제2, 및 제3 반사광(12, 14, 16)의 발산을 방지하여 수광한다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정장치에 포함되는 집광부(40)는 초점을 구비하는 집광(Focusing) 렌즈 또는 평행 광을 만드는 시준(Collimation) 렌즈를 포함할 수 있다. 집광 렌즈는광의 초점을 만들어 반사된 제1, 제2, 및 제3 반사광(12, 14, 16)을 효율적으로 모을 수 있고, 시준 렌즈는 초점이 없는 평행한 광을 만들어 광의 진행 거리에 따라 광이 퍼지는 영향을 줄일 수 있다.
기준 반사판(60)은 측정 시료(50)의 제2 면(52)을 투과하여 도달하는 광(15)을 반사시키는 기준 반사면(62), 및 기준 반사면(62)과 측정 시료(50)를 일정한 거리로 이격되도록 하는 복수의 지지대(61)를 포함한다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치의 기준 반사판(60)에 포함되는 기준 반사면(62)의 평탄도는 광원(10)에서 생성되는 광의 중심 파장의 십분의 일 이하일 수 있다. 복수의 지지대(61)는 측정 시료(50)가 기준 반사면(62)과 일정한 거리로 이격되도록 측정 시료(50)의 제2 면(52)을 지지한다. 그리고 기준 반사면(62)과 측정 시료(50)가 이격되는 일정한 거리는 측정 시료(50)의 광학적 두께와 중첩되지 않아야 측정 시료(50)의 두께 및 형상을 정확하게 측정할 수 있다.
분광기(70)는 광 전달부(20)로부터 제1, 제2, 및 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 전달받은 간섭 광이 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 생성한다. 그리고 분광기(70)는 생성된 광 스펙트럼을 신호처리부(80)에 전달한다. 분광기(70)에서 생성된 간섭 광의 광 스펙트럼을 통해서 파장에 따른 출력의 세기 변화를 측정할 수 있고, 여기에는 측정 시료(50)의 제1 면(51), 제2 면(52), 및 기준 반사면(62) 사이의 상대 거리에 관한 정보가 내포되어 있다. 즉, 파장에 따른 간섭 광의 광 출력 변화의 주기성을 분석하면 측정 시료(50)의 두께 및 형상에 대해서 측정할 수 있다.
신호처리부(80)는 분광기(70)에서 전달되는 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 측정 시료(50)의 제1 면(51), 제2 면(52), 및 기준 반사면(62) 사이의 상대 거리들을 측정한다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 신호처리부(80)는 광 스펙트럼의 주기성을 분석하기 위해서 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)할 수 있다. 또한, 신호처리부(80)는 기준 반사면(62)에 대한 측정 시료(50)의 제1 면(51) 또는 제2 면(52)의 상대 거리를 이용하여 측정 시료(50)의 제1 면(51)의 평탄도(Flatness) 또는 제2 면(52)의 평탄도를 측정할 수 있다.
운송 장치(90)는 측정 시료(50)의 전면적에 대한 두께 및 형상을 측정하기 위해서 광 전달부(20)의 위치를 이동시킨다. 운송 장치(90)는 측정 시료(50)의 제1 면(51)과 평행하고, 제1 면(51)의 면적보다 크거나 같은 X-Y평면의 X축 또는 Y축 방향으로 광 전달부(20)를 이동시킬 수 있다. 앞서 설명된 두께 및 형상을 측정하는 일련의 과정은 2ms 이내에 수행된다. 따라서 운송 장치(90)가 광 전달부(20)를 이동시키는 속도가 100mm/s인 경우, 운송 장치(90)에서 발생되는 진동에 영향 없이 두께 및 형상을 측정할 수 있는 최소 위치 간격은 0.2mm가 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 두께 및 형상 측정 장치는 두께 및 형상 측정 장치는 광원(100), 광 전달부(200), 기준 반사판(600), 분광기(700), 신호처리부(80), 및 거치대(550)를 포함한다. 또한, 필요에 따라 운송 장치(900)를 더 포함할 수 있다.
도 2의 두께 및 형상 측정 장치는 기준 반사판(600)이 측정 시료(500)의 상부에 이격되어 설치된다는 점이 도 1의 두께 및 형상 측정 장치와 다르다. 두 실시 예에서 기준 반사판과 측정 시료의 위치만 다를 뿐이고, 그 외의 구성이나 동작은 동일하므로 도 1의 두께 및 형상 측정 장치와 동일한 부분의 자세한 설명은 생략한다.
도 2의 기준 반사판(600)은 거치대(550)에 거치되어 측정 시료(500)와 일정한 거리로 이격된다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 도 2의 기준 반사판(600)의 기준 반사면(620)과 측정 시료(500)가 이격되는 일정한 거리는 측정 시료(500)의 광학적 두께와 중첩되지 않아야 측정 시료(500)의 두께 및 형상을 정확하게 측정할 수 있다.
도 2의 광 전달부(200)는 광원(100)으로부터 전달받은 광을 기준 반사면(620)의 반대쪽에 위치한 기준 반사판(600)의 일면으로 출광한다. 기준 반사판(600)의 일면을 투과한 광(110)의 일부는 기준 반사면에서 반사(120)되고, 나머지 광(130)은 기준 반사면(620)을 투과하여 진행한다. 그리고 기준 반사면(620)을 투과하여 진행하는 광(130)의 일부는 측정 시료(500)의 제1 면(510)에서 반사(140)되고, 나머지 광(150)은 제1 면(510)을 투과하여 진행한다. 그리고 제1 면(510)을 투과하여 진행하는 광(150)의 일부는 측정 시료(500)의 제2 면(520)에서 반사(160)된다. 광 전달부(200)는 출광된 광 중 기준 반사면(620)에서 반사되는 제1 반사광(120), 측정 시료(500)의 제1 면(510)에서 반사되는 제2 반사광(140), 및 측정 시료(500)의 제2 면(520)에서 반사되는 제3 반사광(160)을 수광한다. 수광되는 제1, 제2, 및 제3 반사광(120, 140, 160)은 서로 간섭하고, 광 전달부(200)는 간섭으로 생성되는 간섭 광을 분광기(700)로 전달한다.
특히, 도 2의 두께 및 형상 측정 장치는 측정 시료(500)가 자체 하중에 의하여 처짐이 심한 경우에 적용할 수 있다. 도 2와 같이 측정 시료(500)를 거치대(550) 상부에 두고, 기준 반사판(600)을 측정 시료(500)의 상부에 이격되도록 거치대 위에 거치시킨다. 이러한 경우 측정 시료(500)의 자체 하중에 의한 처짐을 방지할 수 있고, 도 1과 달리 기준 반사판(600)에 측정 시료(500)를 지지하기 위한 복수의 지지대가 요구되지 않으므로 측정 시료(500)의 두께 및 형상 측정의 정확도를 높일 수 있다. 도 2와 같이 기준 반사판(600)을 측정 시료의 상부에 설치하는 경우, 기준 반사판(600)을 유리 평판으로 제작하면 집광부(400)에서 출광된 광이 보다 효과적으로 기준 반사판(600)을 투과하여 측정 시료(500)까지 진행할 수 있다. 측정 시료(500)가 투명하지 않은 경우, 측정 시료(500) 일면의 형상은 측정 가능한 장점도 있다.
도 3a는 도 1의 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 기준 반사판의 기준 반사면을 나타내는 도면이고, 도 3b는 도 3a의 기준 반사판을 측면에서 바라본 도면이다. 도 3a 및 3b를 참조하면, 기준 반사판(60)은 기준 반사면(62) 및 복수의 지지대(61)를 포함한다.
기준 반사면(62)는 앞서 도 1에서 설명한 바와 같이, 측정 시료(50)의 제2 면(52)을 투과하여 도달하는 광(15)을 반사시키고, 복수의 지지대(61)는 기준 반사면(62)과 측정 시료(50)를 일정한 거리로 이격되도록 한다. 기준 반사면(62)의 평탄도는 광원(10)에서 생성되는 광의 중심 파장의 십분의 일 이하일 수 있다. 도 3b의 기준 반사판(60)의 두께는 외부 교란에 의한 변형이나 파손을 방지하기 위해 1인치 이상으로 제작될 수 있다. 또한, 복수의 지지대(61)의 광학적 높이(H)는 측정 시료(50)의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 선정되어야 한다. 지지대(61)의 광학적 높이(H)는 결국 기준 반사면(62)과 측정 시료(50)가 이격되는 일정한 거리와 같기 때문이다. 이격되는 일정한 거리가 측정 시료(50)의 광학적 두께와 중첩되는 경우, 간섭 광의 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환하여 분석하더라도 간섭 광의 주기가 서로 겹쳐지기 때문에, 측정 시료(50)의 두께 및 형상을 정확하게 측정하기 어렵기 때문이다.
도 4는 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에 포함되는 광원의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 광원에서 생성되는 광은 간섭 현상이 없는 상태이고, 광의 중심 파장은 1.53um이며 파장 선폭은 90nm이상이다.
도 5는 반사광이 2개인 경우, 분광기에서 측정되는 간섭 광의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 광 스펙트럼에 주기적인 신호 성분이 발생된 것을 알 수 있다. 이때의 광 스펙트럼을 g(λ)라고 하면, 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 s(λ)는 간섭 현상이 없는 상태의 광 스펙트럼이고, φ(λ)는 두 반사광의 광 경로차에 의해 발생되는 위상차이다. V는 두 광이 간섭하여 생성되는 간섭 광의 파장에 따른 주기적인 간섭 무늬의 진폭을 나타내는 가간섭성(Visibility)이다. d는 두 반사광의 거리 간격을 나타내고, λ는 광원의 파장을 나타내며 n(λ)는 측정 시료의 굴절률을 나타낸다. 수학식 1에서 코사인 앞의 부호는 광이 두 반사면에 반사될 때 야기되는 위상 변화에 따라 결정된다. 두 반사광의 크기가 동일할 때 간섭 무늬는 최대 진폭이 되며 이때 V는 1이지만 일반적인 경우 V는 1보다 작은 값이 된다. 결국 광 스펙트럼에 나타난 주기를 분석한 후 수학식 1을 통하여 d를 구할 수 있다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치는 반사광이 3개인 경우에 이러한 개념을 확장한 경우에 해당한다.
도 6은 반사광이 3개인 경우, 분광기에서 측정되는 간섭 광의 광 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 3개의 반사면에서 반사된 3개의 반사광이 간섭하는 경우, 3개의 반사면들 사이의 거리 간격에 해당하는 주기성이 나타남을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 두께 및 형상 장치에 포함되는 신호처리부가 도 6의 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환한 결과를 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 3개의 피크 L1, L2, 및 L3를 확인할 수 있다. 피크의 개수는 반사광이 서로 간섭하는 경우의 수에 해당하고 반사광이 3개인 경우 상호 간섭하게 되는 경우의 수는 3이 된다. 반사면들 사이에서 다중 반사가 발생할 수 있다. 그러나 통상적인 측정 시료의 반사율은 수 %에서 수십 %이고, 반사 횟수에 따라 반사되는 광의 진폭은 급격히 작아지기 때문에 광 스펙트럼을 분석하는데 있어서 큰 문제가 되지 않는다. 도 7의 L1, L2, 및 L3 주변의 작은 크기의 피크가 다중 반사에 의해서 나타나는 피크이고, 그 크기는 L1, L2, 및 L3 보다 매우 작다.
도 7의 광 스펙트럼은 도 1에서 설명된 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치의 결과이다. 측정 시료(50)와 기준 반사판(60)의 이격 간격은 지지대(61)의 높이인 1mm이고, 측정 시료(50)는 두께가 약 500um인 유리판이다. 도 7의 3개의 피크(L1, L2, L3) 중 L1은 측정 시료(50)의 두께를 나타내는 광학적 거리이고, L2는 측정시료(50)의 제2 면(52)과 기준 반사면(62) 사이의 광학적 거리를 나타내고, L3는 측정 시료(50)의 제1 면(51)과 기준 반사면(62) 사이의 광학적 거리(L1+L2)를 나타낸다.
본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에서 측정되는 상대 거리는 광학적 거리(Optical Distance)를 나타내고, 이는 기하학적 거리에 매질의 굴절률을 곱한 값이다. 따라서 측정 시료의 기하학적 두께를 얻기 위해서는 측정된 광학적 두께를 측정 시료(50)의 굴절률(n)을 이용해서 환산해야 한다. 따라서 측정 시료(50)의 기하학적 두께(T1)는 L1/n이 되고, 측정 시료(50)의 제2 면(52)과 기준 반사면(62) 사이의 기하학적 거리(T2)는 공기의 굴절률이 1이므로 L2가 되고, 측정 시료(50)의 제1 면(51)과 기준 반사면(62) 사이의 기하학적 거리(T3)는 T1+T2가 된다.
도 7과 같이 간섭 신호를 정확하게 구별하여 분석하기 위해서 앞서 설명한 바와 같이 측정 시료(50)의 광학적 두께(L1)와 측정 시료(50)의 제2 면(52)과 기준 반사면(62) 사이의 광학적 거리(L2)가 동일하지 않아야 한다. 만일 두 광학적 거리(L1, L2)가 동일한 경우, 광 스펙트럼에서 간섭 광의 주기가 서로 겹쳐지게 되고, 이를 구분하기가 어렵기 때문이다.
측정 시료(50)의 형상을 측정하는 경우, 측정 시료(50)의 두께 및 기준 반사면(62)과 측정 시료(50)의 상대 거리가 필요하다. 즉, T1 및 T2를 이용하여 측정 시료(50)의 형상을 측정할 수 있다. 예를 들어 웨이퍼의 굴곡(Warpage)이나 휨(bow)은 웨이퍼의 중앙선(T1/2+T2)을 이용하여 계산할 수 있다. 또한, 측정 시료(50) 표면의 평탄도(Flatness)는 평탄한 절대 기준면에 대한 측정 시료(50)의 표면까지의 거리의 상대적 변화이다. 본 발명에 따른 두께 및 형상 측정 장치에서는 절대 기준면을 기준 반사면(62)으로 볼 수 있다. 따라서 별도의 보정 없이 측정 장치로부터 측정된 T1+T2와 T2로부터 측정 시료(50)의 제1 면(51)과 제2 면(52)의 평탄도를 바로 측정할 수 있다. 또한, 도 2의 두께 및 형상 측정 장치에서 측정 시료(500)를 위치시키는 거치대(550) 상부에 흡착판이 있는 경우, 측정 시료(500)의 제2 면(520)이 거치대(550)에 밀착된다. 이 경우 거치대(550)로부터 기준 반사면(620)까지의 거리는 미리 알 수 있으므로 측정 시료(500)의 두께를 더욱 간단히 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 두께 및 형상 측정 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
먼저, 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 측정 시료의 제1 면 및 제2 면, 및 측정 시료와 일정한 거리로 이격되는 기준 반사면에 출광한다(제1 단계).
그 후, 측정 시료의 제1 면에서 반사된 제1 반사광, 측정 시료의 제2 면에서 반사된 제2 반사광, 및 기준 반사면에서 반사된 제3 반사광을 수광한다(제2 단계).
그 후, 제1, 제2, 및 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정한다(제3 단계).
그 후, 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환하여 제1 면, 제2 면, 및 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정한다(제4 단계).
그 후, 제1 단계 내지 제4 단계를 측정 시료의 전체 면적에 반복적으로 수행하여 상기 측정 시료의 두께 및 형상을 파악한다(제5 단계).
두께 및 형상 측정 방법에서 기준 반사면과 측정 시료가 이격되는 일정한 거리는 측정 시료의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 하도록 해야 두께 및 형상을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 구체적인 실시 예를 통해 설명되고 있으나, 본 발명은 그 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있음은 잘 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.

Claims (17)

  1. 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하는 광원;
    측정 시료를 투과하여 도달하는 광을 반사시키는 기준 반사면, 및 상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 일정한 거리로 이격되도록 하는 복수의 지지대를 구비하는 기준 반사판;
    상기 광원으로부터 전달받은 광을 상기 측정 시료의 제1 면으로 출광하고, 상기 출광된 광 중 일부가 상기 제1 면에서 반사되는 제1 반사광, 상기 제1 면을 투과한 광 중 일부가 상기 제1 면의 반대쪽에 위치한 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사되는 제2 반사광, 및 상기 제2 면을 투과한 광 중 일부가 상기 기준 반사면에서 반사되는 제3 반사광을 수광하는 광 전달부;
    상기 광 전달부로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 상기 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및
    상기 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 신호처리부를 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  2. 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 생성하는 광원;
    도달하는 광의 일부를 반사시키는 기준 반사면을 구비하고, 상기 기준 반사면은 측정 시료와 마주보는 기준 반사판;
    상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 일정한 거리로 이격되도록 상기 기준 반사판을 거치하는 거치대;
    상기 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기준 반사면의 반대쪽에 위치한 상기 기준 반사판의 일면으로 출광하고, 상기 기준 반사판의 일면을 투과한 광 중 일부가 상기 기준 반사면에서 반사되는 제1 반사광, 상기 기준 반사면을 투과한 광 중 일부가 상기 측정 시료의 제1 면에서 반사되는 제2 반사광, 및 상기 제1 면을 투과한 광 중 일부가 상기 제1 면의 반대쪽에 위치한 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사되는 제3 반사광을 수광하는 광 전달부;
    상기 광 전달부로부터 상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광을 전달받고, 상기 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및
    상기 광 스펙트럼의 주기성을 분석하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 신호처리부를 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 면과 평행하고, 상기 제1 면의 면적보다 크거나 같은 X-Y평면의 X축 또는 Y축 방향으로 상기 광 전달부를 이동시키는 운송 장치를 더 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 SLD(Super Luminescent Diode), EDF(Erbium Doped Fiber)를 이용한 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광원, 또는 LED(Light Emitting Diode) 중 어느 하나의 광원인 두께 및 형상 측정 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 시료는 유리 평판, 실리콘 웨이퍼 또는 사파이어 웨이퍼 중 어느 하나인 두께 및 형상 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측정 시료가 실리콘 웨이퍼인 경우, 상기 광원은 중심 파장이 적외선 영역인 광을 생성하는 두께 및 형상 측정 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 반사판은 유리 평판인 두께 및 형상 측정 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 반사면은 상기 광원에서 생성되는 광의 중심 파장의 십분의 일 이하인 평탄도를 가지는 두께 및 형상 측정 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분광기는,
    파장별로 상기 간섭 광의 진행 경로를 분리하는 회절격자(Grating); 및
    파장별로 진행경로가 분리된 상기 간섭 광의 광 출력을 검출하는 광 검출기 어레이(Detector Array)를 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 전달부는,
    상기 출광되는 광 또는 상기 수광되는 광의 발산을 방지하는 집광부; 및
    일측의 한 포트는 상기 광원에 연결되고, 타측의 한 포트는 상기 집광부에 연결되어 상기 광원으로부터 전달되는 광을 상기 집광부로 전달하고, 일측의 타 포트는 상기 분광기에 연결되어 상기 집광부로부터 전달되는 상기 간섭 광을 상기 분광기에 전달하는 광 결합기를 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 집광부는 초점을 구비하는 집광(Focusing) 렌즈 또는 평행 광을 만드는 시준(Collimation) 렌즈를 포함하는 두께 및 형상 측정 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 운송 장치는 상기 광 전달부를 50mm/s 이상의 속도로 이동시키는 두께 및 형상 측정 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 상기 상대 거리들을 측정하는 두께 및 형상 측정 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 이격되는 상기 일정한 거리는, 상기 측정 시료의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 하는 두께 및 형상 측정 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 기준 반사면에 대한 상기 제1 면 또는 제2 면의 상기 상대 거리를 이용하여 상기 제1 면의 평탄도(Flatness) 또는 상기 제2 면의 평탄도를 측정하는 두께 및 형상 측정 장치.
  16. 파장 선폭이 30nm 이상인 광을 측정 시료의 제1 면 및 제2 면, 및 상기 측정 시료와 일정한 거리로 이격되는 기준 반사면에 출광하는 제1 단계;
    상기 측정 시료의 제1 면에서 반사된 제1 반사광, 상기 측정 시료의 제2 면에서 반사된 제2 반사광, 및 상기 기준 반사면에서 반사된 제3 반사광을 수광하는 제2 단계;
    상기 제1, 상기 제2, 및 상기 제3 반사광이 간섭되어 생성되는 간섭 광의 광 출력을 파장에 따라 검출하여 광 스펙트럼을 측정하는 제3 단계;
    상기 광 스펙트럼을 고속 푸리에 변환하여 상기 제1 면, 상기 제2 면, 및 상기 기준 반사면 사이의 상대 거리들을 측정하는 제4 단계; 및
    상기 제1 단계 내지 상기 제4 단계를 상기 측정 시료의 전체 면적에 반복적으로 수행하여 상기 측정 시료의 두께 및 형상을 파악하는 제5 단계를 포함하는 두께 및 형상 측정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기준 반사면과 상기 측정 시료가 이격되는 상기 일정한 거리는 상기 측정 시료의 광학적 두께와 중첩되지 않도록 하는 두께 및 형상 측정 방법.
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