WO2017039170A1 - 물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하는 장치 및 방법 Download PDF

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WO2017039170A1
WO2017039170A1 PCT/KR2016/008839 KR2016008839W WO2017039170A1 WO 2017039170 A1 WO2017039170 A1 WO 2017039170A1 KR 2016008839 W KR2016008839 W KR 2016008839W WO 2017039170 A1 WO2017039170 A1 WO 2017039170A1
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WO
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light
change
height
reflected
reflected light
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PCT/KR2016/008839
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Inventor
이동준
현동원
김병오
Original Assignee
(주)이오테크닉스
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Definitions

  • the present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method, and more particularly, to a device and a method capable of measuring the thickness or height change of the object or the shape of the object.
  • a shack-hartmann sensor is a device that measures the distortion or aberration of the light wavefront reflected in a specific area in the field of astronomical telescopes and optometry, and uses the measured distortion or aberration of the light wavefront. It is generally used to measure the shape of the surface in a specific area.
  • Shark-Hartmann sensors have limitations that cannot measure the overall thickness or height change of an object. For example, when trying to measure thickness differences between wafers of different thicknesses loaded on a reference plane, such as the surface of a stage, the Shark-Heartmann sensor cannot measure the thickness difference or there is a big limitation in measuring it. There may be. This means that the probe light irradiated to the object must be large enough to cover both the wafers and the reference plane, and the difference in height between the reference plane and the measurement plane is the measurement limit of the Shark-Hartman sensor as the reference plane becomes the reflection plane of the detection light. (For example, about 30 times the wavelength of the detection light).
  • an apparatus and a method capable of measuring the height, thickness, or height change of an object or measuring the shape of the object.
  • a light focusing unit focusing the detection light and irradiating the target object
  • An optical sensing unit configured to detect a change in reflected light from the reflective surface of the target object, the light sensing unit including a shack-hartmann sensor;
  • a calculating unit calculating a change in height of the reflecting surface by using the change of the reflected light detected by the light sensing unit.
  • the Shark-Hartman sensor can detect a change in the light wavefron of the reflected light.
  • the measuring device is provided between the light source and the light focusing unit, and may further include a beam splitter for transmitting one of the detection light and the reflected light and reflecting the other.
  • the measuring device may be provided to be able to move up and down relatively to the target object.
  • the calculating unit may calculate a change in height of the reflecting surface by using Zernike polynomials expressing a change of the reflected light detected by the light sensing unit as a formula.
  • the height change of the reflective surface may correspond to the change in the defocus term coefficient value of the Zernike polynomial.
  • the object may be loaded on the stage.
  • the stage may include a reflective surface reflected by the measurement beam.
  • a light source for emitting a detection light for emitting a detection light
  • a light focusing unit for focusing the detection light.
  • a measuring device including a light sensing unit including a Shark-Hartman sensor for detecting a change in reflected light and a calculation unit for calculating the change in height
  • a beam splitter may be provided between the light source and the light focusing unit to transmit one of the detection light and the reflected light and reflect the other.
  • the calculating unit may calculate the height change of the reflecting surface by using a Zernike polynomial that expresses the change of the reflected light detected by the light sensing unit as a formula.
  • the height change of the reflecting surface may correspond to the change of the defocus term coefficient value of the Zernike polynomial. .
  • the calibration data may include a change in the defocus term coefficient value of the Zernike polynomial according to the vertical movement of the reference point.
  • the inputting of the calibration data to the operation unit may include loading a reference object on the stage; Setting the reference point of the measuring device on the reference object; Measuring a change in the coefficient value of the defocus term according to the vertical movement of the reference point; And storing the calibration data in the operation unit.
  • the measuring of the defocus term coefficient value according to the vertical movement of the reference point may include: detecting the change of the optical wavefront of the reflected light according to the vertical movement of the reference point; And calculating, by the calculation unit, the defocus term coefficient value change by using the optical wavefront change of the reflected light detected by the light sensing unit.
  • the step of inputting the calibration data to the calculation unit comprises: setting the reference point of the measurement device on the stage; Measuring a defocus term coefficient value according to vertical movement of the reference point; And storing the calibration data in the operation unit.
  • the measuring of the defocus term coefficient value according to the vertical movement of the reference point may include: detecting the change of the optical wavefront of the reflected light according to the vertical movement of the reference point; And calculating, by the calculation unit, the defocus term coefficient value change by using the optical wavefront change of the reflected light detected by the light sensing unit.
  • the light focusing unit focuses the detection light to irradiate the object
  • the light detection unit including the Shark-Hartman sensor detects the change in the light wave surface of the reflected light reflected from the object
  • the calculation unit is a light detection unit
  • the change in the reflection surface height of the target object can be measured by calculating the coefficient value of the defocus term using the change in the optical wavefront of the reflected light detected by the. Accordingly, it is possible to effectively and accurately measure the change in the thickness or height of a target object such as, for example, a wafer or a plate-like object.
  • the shape of the target object according to the scan line or the scan area may also be measured.
  • the thickness or height change measured by the photodetector including the Shark-Hartman sensor is irrelevant to the degree of inclination of the photodetector, it is possible to easily align the photodetector during the setup of the measuring apparatus.
  • FIG. 1 schematically shows a measuring device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A to 2C are diagrams for explaining a principle of measuring a thickness or height change of an object using the measuring apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 exemplarily shows a defocus term coefficient value calculated from the change in reflected light detected according to the height of the reflecting surface in FIGS. 2A to 2C.
  • Fig. 4 is a flow chart illustrating a measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • 5a and 5b show a specific embodiment of the measuring method shown in FIG.
  • 6A and 6B show another embodiment of the measuring method shown in FIG. 4.
  • FIG. 1 schematically shows a measuring device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the measuring device 100 shown in FIG. 1 may measure a thickness or height change of an object or measure a shape of an object.
  • the measuring device 100 may be provided on an upper portion of the target object 55 mounted on the stage 50.
  • the measuring apparatus 100 may include a light source 110, a light focusing unit 130, a light sensing unit 10, and a calculation unit 150.
  • a beam splitter 120 may be further provided between the light source 110 and the light focusing unit 130.
  • the light source 110 emits a probe light L1 that irradiates the object 55 to measure the height of the object 55.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 may pass through the beam splitter 120.
  • the beam splitter 120 may transmit one of the detection light L1 and the reflected light L2 to be described later, and reflect the other light. 1 illustrates a case in which the beam splitter 120 transmits the detection light L1 and reflects the reflected light L2.
  • the present embodiment is not limited thereto, and the beam splitter 120 may be configured to halve the detection light L1 and transmit the reflected light L2.
  • the detection light L1 passing through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130 and then irradiated onto the target object 55 loaded on the stage 50.
  • the detection light L1 focused by the light focusing unit 130 and irradiated to the target object 55 is reflected from the reflecting surface of the target object 55.
  • the reflected light L2 reflected from the target object 55 may be reflected by the beam splitter 120 via the light converging unit 130 and then detected by the light sensing unit 140.
  • the light sensing unit 140 may include a shack-hartmann sensor capable of detecting a change in a light wavefron of the reflected light L2.
  • the Chart-Heartman sensor can detect a change in the light wavefront of the reflected light L2 with respect to the detection light L1 by measuring the distortion or aberration of the light wavefront of the reflected light L2.
  • the calculating unit 150 may measure the change in the height of the reflecting surface of the target object 55 using the change in the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140.
  • the light sensing unit 140 detects a change in the light wave surface of the reflected light L2
  • the light sensing unit 140 transmits an electric signal corresponding to the change in the light wave surface to the calculation unit 150.
  • the calculation unit 150 configures the optical wavefront change of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 as Zernike polynomials, which is a mathematical model, thereby raising the height of the reflective surface of the target object 55. The change can be measured.
  • the Zernike polynomial may consist of a number of terms, where each term constituting the Zernike polynomial represents optical aberrations and is orthogonal to each other.
  • the coefficient value of the defocus term may determine a change in thickness or height of the target object 55. Detailed description thereof will be described later.
  • the measuring device 100 may be provided to be able to move up and down relatively to the target object 55.
  • the measuring apparatus 100 may move up and down along the z direction, or the stage 50 on which the target object 55 is loaded may move up and down along the z direction.
  • both the measuring apparatus 100 and the stage 50 may all move along a z direction.
  • FIG. 2A to 2C are diagrams for explaining a principle of measuring a thickness or height change of an object using the measuring apparatus shown in FIG. 1.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 is focused by the light focusing unit 130, is incident on the reflection surface S, and then reflected from the reflection surface S.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 and transmitted through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130 and then incident on the reflective surface S.
  • the detection light L1 may be focused on the reflection surface S to form a condensing point.
  • the detection light L1 may be reflected on the reflective surface S, and the reflected light L2 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S.
  • the reflection surface S without the change in the light wave surface of the reflected light L2 can be set as a reference surface serving as a reference for height measurement.
  • the height of the reference plane may be set to, for example, "0".
  • the coefficient value of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 may be “0”.
  • the height of the reflective surface S may be set to "0" which is the same as the height of the reference surface.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 is focused by the light focusing unit 130 and incident on the reflecting surface S, and then reflected.
  • the reflective surface S is provided at a position higher than the reference surface, and in this case, the height of the reflective surface S may have a value of "positive".
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 and transmitted through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130 and then incident on the reflecting surface S.
  • the detection light L1 via the light focusing unit 130 may be defocused on the reflective surface S.
  • the detection light L1 may be reflected by the reflective surface S, and the reflected light L2 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120.
  • the reflected light L2 reflected by the beam splitter 120 may be incident on the light sensing unit 140 while diverging.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2 emitted from the reflecting surface S. As illustrated in FIG. 2B, the reflected light L2 reflected from the reflective surface S at a position higher than the reference plane may be changed into the convex shape of the light wave surface W and incident on the light sensing unit 140. . As such, when the light wavefront of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 is changed into a convex form, the coefficient of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 is a positive value. Can have
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 is focused by the light focusing unit 130 and incident on the reflecting surface S, and then reflected.
  • the reflection surface S is provided at a position lower than the reference plane, and in this case, the height of the reflection surface S may have a negative value.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 and transmitted through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130 and then incident on the reflective surface S.
  • the reflective surface S is provided at a position lower than the reference surface, the detection light L1 passing through the light focusing unit 130 may be defocused on the reflective surface S.
  • the detection light L1 may be reflected by the reflective surface S, and the reflected light L2 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120.
  • the reflected light L2 reflected by the beam splitter 120 may be incident on the light sensing unit 140 while converging.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S. As illustrated in FIG. 2C, the reflected light L2 reflected from the reflective surface S at a position lower than the reference plane is changed into a concave shape of the light wave surface W and is incident on the light sensing unit 140. As such, when the light wavefront of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 changes to a concave shape, the coefficient of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 is a negative value. Can have
  • FIG. 3 exemplarily shows a defocus term coefficient value calculated from the change of the reflected light L2 detected according to the height of the reflecting surface S in FIGS. 2A to 2C.
  • the coefficient value of the defocus term As the height of the reflecting surface S decreases, the coefficient value of the defocus term also becomes smaller.
  • the change in the coefficient value of the defocus term according to the height change of the reflection surface S as described above may be stored as calibration data in the calculation unit 150 of the measurement apparatus 100 as described below.
  • the present embodiment is not limited to this, and the reflective surface S whose coefficient value of the defocus term is a "positive” or “negative” value may be set as the reference plane.
  • the coefficient value of the defocus term may change according to the change of the height of the reflective surface S with respect to the reference plane, and the calibration data is measured by measuring the height change of the reflective surface using the calculated change in the coefficient value of the defocus term. You can make it.
  • Fig. 4 is a flow chart illustrating a measuring method according to another exemplary embodiment of the present invention. 4 illustrates a method of measuring a thickness or height change of an object using the measuring apparatus 100 shown in FIG. 1.
  • a reference point of the measuring device is set (401).
  • the reference point may be set on a reference plane having a height of "0" as described above.
  • This reference point may be set on the reflective surface of the reference object or on the reflective surface of the stage, as described below.
  • the coefficient value of the defocus term according to the vertical movement of the reference point is measured (402).
  • the vertical movement of the reference point may be performed by moving the reflective surface up and down from the reference plane as shown in FIGS. 2A to 2C, and the optical wavefront change of the reflected light L2 occurs according to the vertical movement of the reference point.
  • the optical wavefront change of the reflective surface L2 may be detected by the light sensing unit 140, and then the coefficient value of the defocus term of the Zernike polynomial stored in the calculating unit 150 may be measured using the light wavefront.
  • calibration data indicating a change in the coefficient value of the defocus term according to the vertical movement of the reference point measured as described above is stored in the calculation unit 150.
  • the target object 55 to be measured is loaded on the stage 50.
  • the measuring apparatus 100 moves to the above-described reference point position, and then emits the detection light L1 from the light source 110 to irradiate the target object 55.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 may pass through the beam splitter 120, and then may be focused by the light concentrator 130 and irradiated onto the target object 55.
  • the light sensing unit 140 detects a change in the light wave surface of the reflected light L2 coming from the reflecting surface of the target object 55.
  • the detection light L1 passing through the light converging unit 130 is reflected by the reflection surface of the target object 55, and the reflected light L2 reflected by the reflection light L2 is incident on the light sensing unit 140.
  • the reflected light L2 from the reflective surface of the target object 55 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120 after passing through the light converging unit 130.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2.
  • the change in the reflection surface height of the target object 55 is measured using the change in the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140.
  • the optical wavefront change of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 is input to the calculation unit 150, and the calculation unit 150 uses the Zernike polynomial using the optical wavefront change of the reflected light L2.
  • the change in the reflection surface height of the target object 55 with respect to the reference point may be measured.
  • the thickness of the target object 55 may also be measured by using the height change of the reflection surface thus measured.
  • 5a and 5b show a specific embodiment of the measuring method shown in FIG.
  • a reference object 51 is loaded onto the stage 50.
  • the reference object 51 may have a known thickness t1.
  • the reference point P of the measuring apparatus 100 is set.
  • the reference point P of the measuring device 100 may be set on the reflective surface S1 of the reference object 51.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 of the measuring device 100 and transmitted through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130, and then the reflecting surface of the reference object 51. Incident on (S1).
  • the detection light L1 may be reflected by the reflection surface S1, and the reflection light L2 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S1 of the reference object 51.
  • the optical wavefront W of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S1 of the reference object 51 and incident on the light sensing unit 140 becomes a planar wavefront.
  • the case where there is no light wave surface change of L2) is shown.
  • the reflective surface S1 of the reference object 51 having no change in the optical wavefront of the reflected light L2 may correspond to the reference surface that is a reference for height measurement.
  • the height of the reference plane may be determined as "0".
  • the coefficient value of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 may be “0”.
  • the vertical movement of the reference point P may be performed by moving the reflective surface S1 of the reference object 51 up and down from the reference plane as shown in FIGS. 2B and 2C.
  • the vertical movement of the reference point P may be performed by moving at least one of the stage 50 and the measuring apparatus 100 up and down.
  • the optical wavefront change of the reflected light L2 of the reference object 51 occurs as the reference point P moves up and down, and the optical wavefront change of the reflective surface S1 is detected by the light sensing unit 140. Using this, the coefficient value of the defocus term of the Zernike polynomial stored in the operation unit 150 may be measured.
  • the reference The optical wavefront W of the reflected light L2 reflected from the reflective surface S1 of the object 51 may be changed into a convex shape and detected by the light sensing unit 140.
  • the Zernike polynomial expresses the change of the light wavefront of the reflected light L2 stored in the calculation unit 150 by a formula.
  • the coefficient of the focus term may have a value of "positive".
  • the height of the reference point P has a value of “negative ( ⁇ )”, in this case the reference
  • the optical wavefront of the reflected light L2 reflected from the reflective surface S1 of the object 51 may be changed into a concave shape and detected by the light sensing unit 140.
  • the coefficient of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 is “negative ( ⁇ )”. It can have a value of ”.
  • the present invention is not limited thereto, however, when there is a change in the light wavefront of the reflected light L2, that is, when the coefficient value of the defocus term has a value of "positive” or "negative", the reflecting surface S1. It can also be set as the reference plane on which the height is measured.
  • the change in the coefficient value of the defocus term according to the vertical movement of the reference point P is calculated, and the calibration data thus calculated is stored in the operation unit 150.
  • the reference object 51 may be unloaded on the stage 50.
  • the target object 55 to be measured is loaded on the stage 50.
  • the measuring apparatus 100 moves to the position of the reference point P described above, and then emits the detection light L1 from the light source 110 to irradiate the target object 55.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 may pass through the beam splitter 120, and then may be focused by the light concentrator 130 and irradiated onto the target object 55.
  • the light sensing unit 140 detects a change in the light wave surface of the reflected light L2 coming from the reflecting surface S2 of the target object 55.
  • the detection light L1 passing through the light converging unit 130 is reflected by the reflection surface S2 of the target object 55, and the reflection light L2 is incident on the light sensing unit 140.
  • the reflected light L2 from the reflective surface S2 of the target object 55 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120 after passing through the light converging unit 130. have.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2.
  • the change in the height of the reflective surface S2 of the target object 55 is measured using the change in the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140.
  • the optical wavefront change of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 is input to the calculation unit 150, and the calculation unit 150 uses the Zernike polynomial using the optical wavefront change of the reflected light L2.
  • the height change ⁇ h of the reflection surface S2 of the target object 55 may be measured by comparing the count value of the defocus term thus calculated with the calibration data stored in the calculator 150.
  • the thickness t1 of the reference object 51 is added to the height change ⁇ h of the reflection surface S2 of the target object 55 thus measured, the thickness t2 of the target object 55 may be measured. have.
  • FIG. 6A and 6B show another embodiment of the measuring method shown in FIG. 4.
  • a reference point P of the measuring apparatus 100 is set.
  • the reference point P of the measuring device 100 may be set on the reflective surface S1 of the stage 50.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 and transmitted through the beam splitter 120 is focused by the light focusing unit 130 and then incident on the reflecting surface S1 of the stage 50.
  • the detection light L1 may be reflected by the reflection surface S1, and the reflection light L2 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S1 of the stage 50.
  • the light wavefront W of the reflected light L2 reflected from the reflecting surface S1 of the stage 50 and incident on the light sensing unit 140 becomes a plane wavefront, thereby reflecting reflected light L2.
  • the reflective surface S1 of the stage 50 having no change in the optical wavefront of the reflected light L2 may correspond to a reference plane that is a reference for height measurement.
  • the height of the reference plane may be determined as "0".
  • the coefficient value of the defocus term in the Zernike polynomial stored in the calculation unit 150 may be “0”.
  • the vertical movement of the reference point P may be performed by moving the reflective surface S1 of the stage 50 up and down from the reference plane as shown in FIGS. 2B and 2C.
  • the vertical movement of the reference point P may be performed by moving at least one of the stage 50 and the measuring apparatus 100 up and down.
  • the present invention is not limited thereto, however, when there is a change in the light wavefront of the reflected light L2, that is, when the coefficient value of the defocus term has a value of "positive” or "negative", the reflecting surface S1. It can also be set as the reference plane on which the height is measured.
  • the target object 55 to be measured is loaded on the stage 50.
  • the measuring apparatus 100 moves to the position of the reference point P described above, and then emits the detection light L1 from the light source 110 to irradiate the target object 55.
  • the detection light L1 emitted from the light source 110 may pass through the beam splitter 120, and then may be focused by the light concentrator 130 and irradiated onto the target object 55.
  • the light sensing unit 140 detects a change in the light wave surface of the reflected light L2 coming from the reflecting surface S2 of the target object 55.
  • the detection light L1 passing through the light converging unit 130 is reflected by the reflection surface S2 of the target object 55, and the reflection light L2 is incident on the light sensing unit 140.
  • the reflected light L2 from the reflective surface S2 of the target object 55 may be incident on the light sensing unit 140 after being reflected by the beam splitter 120 after passing through the light converging unit 130.
  • the light sensing unit 140 including the Shark-Hartman sensor may detect a change in the light wave surface of the reflected light L2.
  • the change in the height of the reflective surface S2 of the target object 55 is measured using the change in the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140.
  • the optical wavefront change of the reflected light L2 detected by the light sensing unit 140 is input to the calculation unit 150, and the calculation unit 150 uses the optical wavefront change of the reflected light to defocus the Zernike polynomial. Calculate the coefficient value of the term.
  • the height change ⁇ h of the reflection surface S2 of the target object 55 may be measured.
  • the height change ⁇ h of the reflective surface S2 of the target object 55 may correspond to the thickness t of the target object.
  • the light focusing unit 130 focuses the detection light L1 and irradiates the target object 55, and the light detecting unit 140 including the Shark-Hartman sensor is reflected from the target object 55.
  • the change of the light wavefront of the reflected light L2 is detected, and the calculation unit 150 calculates the coefficient value of the defocus term using the change of the light wavefront of the reflected light detected by the light detector 140 and thus half of the target object 55.
  • the slope height change can be measured. Accordingly, it is possible to effectively and accurately measure the thickness or height change of the target object 55 such as, for example, a wafer or a plate-like object.
  • the photodetector 140 is set up when the measuring apparatus 100 is set up. It can be easily aligned optically.

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Abstract

대상 물체의 상부에 마련되어 상기 대상 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 장치 및 방법이 개시된다. 개시된다. 개시된 측정장치는, 탐지광을 방출하는 광원; 상기 탐지광을 집속하여 상기 대상 물체에 조사하는 광집속부; 상기 대상 물체의 반사면으로부터 나오는 반사광의 변화를 검출하는 것으로, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부; 및 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 연산부;를 포함한다.

Description

물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하는 장치 및 방법
본 발명은 측정 장치 및 측정 방법에 관한 것으로, 상세하게는 물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하거나 물체의 형상을 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
샤크-하트만(shack-hartmann) 센서는 천체 망원경이나 검안기 등의 분야에서 특정 영역에서 반사되는 광파면(light wavefront)의 왜곡 또는 수차를 측정하는 장치로서, 이렇게 측정된 광파면의 왜곡 또는 수차를 이용하여 특정 영역에서 면의 형상을 측정하는데 일반적으로 이용되고 있다.
하지만, 샤크-하트만 센서는 물체의 전체적인 두께나 또는 높이 변화는 측정할 수 없는 한계가 있다. 예를 들어, 스테이지의 표면과 같은 기준면 위에 적재된 서로 다른 두께를 가지는 웨이퍼들 사이에 두께 차이를 측정하고자 할 때, 샤크-하트만 센서로는 그 두께 차이를 측정할 수 없거나 또는 측정하는데 커다란 제약이 있을 수 있다. 이는 물체에 조사되는 탐지광(probe light)의 크기가 웨이퍼들과 기준면을 모두 포함할 정도고 커야 하고, 기준면이 탐지광의 반사면이 되면서 기준면과 측정면의 높이 차이가 샤크-하트만 센서의 측정 한계(예를 들면, 탐지광 파장의 약 30배 정도)를 넘지 않아야 하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 물체의 높이나 두께 또는 높이 변화를 측정하거나 물체의 형상을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
대상 물체의 상부에 마련되어 상기 대상 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 장치에 있어서,
탐지광(probe light)을 방출하는 광원;
상기 탐지광을 집속하여 상기 대상 물체에 조사하는 광집속부;
상기 대상 물체의 반사면으로부터 나오는 반사광의 변화를 검출하는 것으로, 샤크-하트만(shack-hartmann) 센서를 포함하는 광센싱부; 및
상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 연산부;를 포함하는 측정장치가 제공된다.
여기서, 상기 샤크-하트만 센서는 상기 반사광의 광파면(light wavefron) 변화를 검출할 수 있다.
상기 측정장치는 상기 광원과 상기 광집속부 사이에 마련되는 것으로, 상기 탐지광 및 상기 반사광 중 어느 하나는 투과시키고, 다른 하나는 반사시키는 빔 분리기(beam splitter)를 더 포함할 수 있다. 상기 측정장치는 상기 대상 물체에 대해 상대적으로 상하 이동이 가능하도록 마련될 수 있다.
상기 연산부는 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 수식으로 표현한 제르니케 다항식(Zernike polynomials)을 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산할 수 있다. 여기서, 상기 반사면의 높이 변화는 상기 제르니케 다항식의 디포커스(defocus)항 계수값 변화에 대응될 수 있다.
상기 대상 물체는 스테이지에 적재될 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지는 상기 측정빔이 반사하는 반사면을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
탐지광을 방출하는 광원, 상기 탐지광을 집속하는 광집속부. 반사광의 변화를검출하는 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부 및 높이 변화를 계산하는 연산부를 포함하는 측정장치를 이용하여 대상 물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하는 방법에 있어서,
상기 측정장치의 기준점을 설정한 다음, 상기 기준점의 상하 이동에 따른 캘리브레이션 데이터(calibration data)를 상기 연산부에 입력하는 단계;
스테이지에 상기 대상 물체를 로딩(loading)하는 단계;
상기 광원으로부터 방출된 상기 탐지광을 상기 광집속부를 통해 상기 대상 물체에 조사하는 단계;
상기 대상 물체의 반사면으로부터 나오는 상기 반사광의 변화를 상기 광센싱부가 검출하는 단계; 및
상기 연산부가 상기 광검출부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 단계;를 포함하는 측정방법이 제공된다.
상기 광원과 상기 광집속부 사이에는 상기 탐지광 및 상기 반사광 중 어느 하나는 투과시키고, 다른 하나는 반사시키는 빔 분리기가 마련될 수 있다.
상기 연산부는 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 수식으로 표현한 제르니케 다항식을 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산할 수 있다. 여기서, 상기 반사면의 높이 변화는 상기 제르니케 다항식의 디포커스항 계수값 변화에 대응될 수 있다. .
상기 캘리브레이션 데이터는 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 제르니케 다항식의 디포커스항 계수값 변화를 포함할 수 있다.
상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 입력하는 단계는, 상기 스테이지에 기준 물체를 로딩하는 단계; 상기 기준 물체 상에 상기 측정 장치의 상기 기준점을 설정하는 단계; 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계; 및 상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 저장하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계는, 상기 광센싱부가 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 반사광의 광파면 변화를 검출하는 단계; 및 상기 연산부가 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 광파면 변화를 이용하여 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 입력하는 단계는, 상기 스테이지상에 상기 측정 장치의 상기 기준점을 설정하는 단계; 상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계; 및 상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 저장하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계는, 상기 광센싱부가 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 반사광의 광파면 변화를 검출하는 단계; 및 상기 연산부가 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 광파면 변화를 이용하여 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 광집속부가 탐지광을 집속하여 대상 물체에 조사하고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광검출부가 대상 물체로부터 반사되는 반사광의 광파면 변화를 검출하며, 연산부가 광검출부에 의해 검출된 반사광의 광파면 변화를 이용하여 디포커스항의 계수값을 계산함으로써 대상 물체의 반사면 높이 변화를 측정할 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 웨이퍼나 또는 판상 물체 등과 같은 대상 물체의 두께 또는 높이 변화를 효과적으로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 광원으로부터 출사되는 탐지광은 대상 물체에 스캔하게 되면 스캔 라인이나 스캔 면적에 따른 대상 물체의 형상도 측정할 수 있다. 그리고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광검출부에 의해 측정되는 두께 또는 높이 변화는 광검출부가 기울어진 정도와는 무관하므로 측정장치의 셋업 시 광검출부을 광학적으로 용이하게 정렬할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 측정장치를 이용하여 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 도 2a 내지 도 2c에서 반사면의 높이에 따라 검출된 반사광의 변화로부터 계산된 디포커스항 계수값을 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 측정방법을 설명하는 흐름도(flow chart)이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 측정방법의 구체적인 구현예를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 측정방법의 다른 구현예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에 도시된 측정장치(100)는 물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하거나 물체의 형상을 측정할 수 있다.
도 1을 참조하면, 측정장치(100)는 스테이지(50)에 적재된 대상 물체(55)의 상부에 마련될 수 있다. 본 실시예에 따른 측정장치(100)는 광원(110), 광집속부(130), 광센싱부(10) 및 연산부(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원(110)과 광집속부(130) 사이에는 빔 분리기(beam splitter,120)가 더 마련될 수 있다.
광원(110)은 대상 물체(55)의 높이를 측정하기 위해 대상 물체(55)에 조사하는 탐지광(probe light, L1)을 방출한다. 이렇게 광원(110)으로부터 방출되는 탐지광(L1)은 빔 분리기(120)를 투과할 수 있다. 여기서, 빔 분리기(120)는 탐지광(L1)과 후술하는 반사광(L2) 중 어느 하나의 광은 투과시키고, 다른 하나의 광은 반사시킬 수 있다. 도 1에는 빔 분리기(120)가 탐지광(L1)은 투과시키고 반사광(L2)은 반사시키는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고, 빔 분리기(120)가 탐지광(L1)은 반시시키고 반사광(L2)은 투과시키도록 구성될 수도 있다. 이러한 빔 분리기(120)를 경유한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 스테이지(50)에 적재된 대상 물체(55)에 조사된다.
광집속부(130)에 의해 집속되어 대상 물체(55)에 조사된 탐지광(L1)은 대상 물체(55)의 반사면으로부터 반사된다. 이렇게 대상 물체(55)로부터 반사된 반사광(L2)은 광집속부(130)를 경유하여 빔 분리기(120)에서 반사된 다음, 광센싱부(140)에 의해 검출될 수 있다. 본 실시예에서 광센싱부(140)는 반사광(L2)의 광파면(light wavefron) 변화를 검출할 수 있는 샤크-하트만(shack-hartmann) 센서를 포함할 수 있다. 샤트-하트만 센서는 반사광(L2)의 광파면의 왜곡 또는 수차를 측정함으로써 탐지광(L1)에 대한 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다.
연산부(150)는 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 변화를 이용하여 대상 물체(55)의 반사면 높이변화를 측정할 수 있다. 구체적으로, 광센싱부(140)가 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출하게 되면, 이 광파면 변화에 해당하는 전기 신호를 연산부(150)에 보내게 된다. 그리고, 연산부(150)는 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면 변화를 수학적 모델인 제르니케 다항식(Zernike polynomials)으로 구성함으로써 대상 물체(55)의 반사면에 대한 높이 변화를 측정할 수 있다. 제르니케 다항식은 다수의 항으로 구성될 수 있으며, 여기서 제르니케 다항식을 구성하는 각 항들은 광학적 수차들(aberration)을 의미하는 것으로, 서로 독립적(orthogonal)이다. 이러한 제르니케 다항식을 구성하는 항들 중에서 디포커스(defocus)항의 계수값이 대상 물체(55)의 두께나 높이 변화를 결정할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
측정장치(100)는 대상 물체(55)에 대해 상대적으로 상하 이동이 가능하도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 측정 장치(100)가 z 방향을 따라 상하 이동하거나 또는 대상 물체(55)가 적재된 스테이지(50)가 z 방향을 따라 상하 이동할 수 있다. 또한, 측정장치(100) 및 스테이지(50) 모두가 모두 z 방향을 따라 이동할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 도시된 측정장치를 이용하여 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a에는 광원(110)으로부터 방출된 탐지광(L1)이 광집속부(130)에 의해 집속되어 반사면(S)에 입사된 후 반사면(S)으로부터 반사되는 모습이 도시되어 있다. 도 2a를 참조하면, 광원(110)으로부터 방출되어 빔 분리기(120)를 투과한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 반사면(S)에 입사된다. 여기서, 탐지광(L1)은 반사면(S) 상에 포커싱되어 집광점을 형성할 수 있다. 이어서, 탐지광(L1)은 반사면(S)에서 반사되고, 반사광(L2)은 빔 분리기(120)에서 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다.
샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다. 도 2a에서, 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면(W)은 탐지광(L1)과 마찬가지로 모두 평면파면(plane wavefront)이 되므로, 반사광(L2)의 광파면 변화는 없게 된다. 이와 같이, 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 반사면(S)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면(reference surface)으로 설정할 수 있다. 여기서, 기준면의 높이는 예를 들면 “0”으로 정해질 수 있다.
이와 같이, 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화가 없게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수값은 “0”이 될 수 있다. 이 경우, 반사면(S)의 높이는 기준면의 높이와 동일한 “0”으로 정해질 수 있다.
도 2b에는 광원(110)으로부터 방출된 탐지광(L1)이 광집속부(130)에 의해 집속되어 반사면(S)에 입사된 후 반사되는 모습이 도시되어 있다. 도 2b에서는 반사면(S)이 기준면 보다 높은 위치에 마련되어 있으며, 이 경우 반사면(S)의 높이는 “양(+)”의 값을 가질 수 있다. 2b를 참조하면, 광원(110)으로부터 방출되어 빔 분리기(120)를 투과한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 반사면(S)에 입사된다. 여기서, 반사면(S)은 기준면 보다 높은 위치에 마련되어 있으므로, 광집속부(130)를 경유한 탐지광(L1)은 반사면(S) 상에 디포커싱될 수 있다. 그리고, 이러한 탐지광(L1)은 반사면(S)에서 반사되고, 반사광(L2)은 빔 분리기(120)에서 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 이 경우, 빔 분리기(120)에서 반사되어 나가는 반사광(L2)은 발산하면서 광센싱부(140)에 입사될 수 있다.
샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 반사면(S)으로부터 나오는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 기준면보다 높은 위치에 있는 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)은 그 광파면(W)이 볼록한 형태로 변화되어 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 이와 같이, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면이 볼록한 형태로 변화하게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수는 “양(+)”의 값을 가질 수 있다.
도 2c에는 광원(110)으로부터 방출된 탐지광(L1)이 광집속부(130)에 의해 집속되어 반사면(S)에 입사된 후 반사되는 모습이 도시되어 있다. 도 2c에서는 반사면(S)이 기준면 보다 낮은 위치에 마련되어 있으며, 이 경우 반사면(S)의 높이는 “음(-)”의 값을 가질 수 있다. 도 2c를 참조하면, 광원(110)으로부터 방출되어 빔 분리기(120)를 투과한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 반사면(S)에 입사된다. 여기서, 반사면(S)은 기준면 보다 낮은 위치에 마련되어 있으므로, 광집속부(130)를 경유한 탐지광(L1)은 반사면(S) 상에 디포커싱될 수 있다. 그리고, 이러한 탐지광(L1)은 반사면(S)에서 반사되고, 반사광(L2)은 빔 분리기(120)에서 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 이 경우, 빔 분리기(120)에서 반사되어 나가는 반사광(L2)은 수렴하면서 광센싱부(140)에 입사될 수 있다.
샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 기준면 보다 낮은 위치에 있는 반사면(S)으로부터 반사된 반사광(L2)은 그 광파면(W)이 오목한 형태로 변화되어 광센싱부(140)에 입사하게 된다. 이와 같이, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면이 오목한 형태로 변화하게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수는 “음(-)”의 값을 가질 수 있다.
도 3은 도 2a 내지 도 2c에서 반사면(S)의 높이에 따라 검출된 반사광(L2)의 변화로부터 계산된 디포커스항 계수값을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 반사면(S)의 높이가 기준면의 높이와 동일한 “0”인 경우, 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수는 “0”이 됨을 알 수 있다. 그리고, 반사면(S)의 높이가 기준면 보다 높은 “양(+)”의 값을 가지는 경우에는 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수는 “양(+)”의 값을 가짐을 알 수 있다. 이 경우, 반사면(S)의 높이가 높아질수록 디포커스항의 계수값도 점점 커지게 된다. 한편, 반사면(S)의 높이가 기준면 보다 낮은 “음(-)”의 값을 가지는 경우에는 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수는 “음(-)”의 값을 가짐을 알 수 있다. 이 경우, 반사면(S)의 높이가 낮아질수록 디포커스항의 계수값도 점점 작아지게 된다. 이상과 같은 반사면(S)의 높이 변화에 따른 디포커스항의 계수값 변화는 후술하는 바와 같이 측정장치(100)의 연산부(150)에 캘리브레이션 데이터(calibration data)로서 저장될 수 있다.
한편, 이상에서는 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 경우, 즉 디포커스항의 계수값이 “0”이 되는 반사면(S)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면으로 설정한 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고 디포커스항의 계수값이 “양(+)” 또는 “음(-)”의 값이 되는 반사면(S)을 기준면으로 설정할 수도 있다. 이 경우에도 기준면에 대한 반사면(S)의 높이 변화에 따라 디포커스항의 계수값은 변화될 수 있으며, 이렇게 계산된 디포커스항의 계수값 변화를 이용하여 반사면의 높이 변화를 측정함으로써 캘리브레이션 데이터를 만들수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 측정방법을 설명하는 흐름도(flow chart)이다. 도 4에는 도 1에 도시된 측정장치(100)를 이용하여 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 방법이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 먼저 측정장치의 기준점을 설정한다(401). 여기서, 기준점은 전술한 바와 같이 높이가 “0”인 기준면 상에 설정될 수 있다. 이러한 기준점은 후술하는 바와 같이, 기준 물체의 반사면 상에 설정되거나 또는 스테이지의 반사면 상에 설정될 수 있다.
이어서, 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값을 측정한다(402). 여기서, 기준점의 상하 이동은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 반사면을 기준면에서 상하로 이동함으로써 이루어질 수 있으며, 이러한 기준점의 상하 이동에 따라 반사광(L2)의 광파면 변화가 발생하게 되고, 이러한 반사면(L2)의 광파면 변화를 광센싱부(140)에서 검출한 다음, 이를 이용하여 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 측정할 수 있다. 그리고, 이렇게 측정된 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값 변화를 나타내는 캘리브레이션 데이터를 연산부(150)에 저장한다(403).
다음으로, 스테이지(50) 상에 측정하고자 하는 대상 물체(55)를 로딩한다. 측정장치(100)는 전술한 기준점 위치로 이동한 다음, 광원(110)으로부터 탐지광(L1)을 출사하여 대상 물체(55)에 조사한다. 여기서, 광원(110)으로부터 출사된 탐지광(L1)은 빔 분리기(120)를 투과한 다음, 광집속부(130)에 의해 집속되어 대상 물체(55)에 조사될 수 있다.
이어서, 광센싱부(140)가 대상 물체(55)의 반사면으로부터 나오는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출한다. 구체적으로, 광집속부(130)를 경유한 탐지광(L1)은 대상 물체(55)의 반사면에서 반사되고, 이렇게 반사되어 나오는 반사광(L2)은 광센싱부(140)에 입사된다. 여기서, 대상 물체(55)의 반사면에서 나오는 반사광(L2)은 광집속부(130)를 경유한 다음 빔 분리기(120)에 의해 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 그리고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)가 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다.
다음으로, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 변화를 이용하여 대상 물체(55)의 반사면 높이 변화를 측정한다. 구체적으로, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면 변화는 연산부(150)에 입력되고, 연산부(150)에서는 이러한 반사광(L2)의 광파면 변화를 이용하여 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 계산한다. 그리고, 계산된 디포커스항의 계수값을 연산부(150)에 저장된 캘리브레이션 데이터와 비교함으로써 기준점에 대한 대상 물체(55)의 반사면 높이 변화를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 반사면의 높이 변화를 이용하여 대상 물체(55)의 두께도 측정할 수 있게 된다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 측정방법의 구체적인 구현예를 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 스테이지(50) 상에 기준 물체(reference object, 51)를 로딩한다. 여기서, 기준 물체(51)는 이미 알고 있는 두께(t1)를 가질 수 있다. 이어서, 측정장치(100)의 기준점(P)을 설정한다. 측정장치(100)의 기준점(P)은 기준 물체(51)의 반사면(S1) 상에 설정될 수 있다. 다음으로, 측정장치(100)의 광원(110)으로부터 방출되어 빔 분리기(120)를 투과한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 기준 물체(51)의 반사면(S1)에 입사된다. 그리고, 탐지광(L1)은 반사면(S1)에서 반사되고, 반사광(L2)은 빔 분리기(120)에서 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다.
샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 기준 물체(51)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다. 도 5a에는 도 2a에 도시된 바와 같이 기준 물체(51)의 반사면(S1)으로부터 반사되어 광센싱부(140)에 입사된 반사광(L2)의 광파면(W)이 평면파면이 됨으로써 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이, 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 기준 물체(51)의 반사면(S1)은 높이 측정의 기준이 되는 기준면에 해당될 수 있다. 여기서, 기준면의 높이는 “0”으로 정해질 수 있다.
이와 같이, 기준 물체(51)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화가 없게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수값은 “0”이 될 수 있다.
다음으로, 기준점(P)의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값을 측정한다. 여기서, 기준점(P)의 상하 이동은 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 기준 물체(51)의 반사면(S1)을 기준면에서 상하로 이동함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 기준점(P)의 상하 이동은 스테이지(50)와 측정장치(100) 중 적어도 하나가 상하 이동함으로써 이루어질 수 있다.
기준점(P)의 상하 이동에 따라 기준 물체(51)의 반사광(L2)의 광파면 변화가 발생하게 되고, 이러한 반사면(S1)의 광파면 변화를 광센싱부(140)에서 검출한 다음, 이를 이용하여 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 측정할 수 있다.
구체적으로, 기준 물체(51)의 반사면(S1)이 도 2b에 도시된 바와 같이 기준면에서 위쪽으로 이동하게 되면 기준점(P)의 높이는 “양(+)”의 값을 가지게 되고, 이 경우 기준 물체(51)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면(W)은 볼록한 형태로 변화되어 광센싱부(140)에 검출될 수 있다. 이와 같이, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면이 볼록한 형태로 변화하게 되면 연산부(150)에 저장된 반사광(L2)의 광파면 변화를 수식으로 표현한 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수는 “양(+)”의 값을 가질 수 있다.
다음으로, 기준 물체(51)의 반사면(S1)이 도 2c에 도시된 바와 같이 기준면에서 아래쪽으로 이동하게 되면 기준점(P)의 높이는 “음(-)”의 값을 가지게 되고, 이 경우 기준 물체(51)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면은 오목한 형태로 변화되어 광센싱부(140)에 검출될 수 있다. 이와 같이, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면(W)이 오목한 형태로 변화하게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수는 “음(-)”의 값을 가질 수 있다. 한편, 이상에서는 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 경우, 즉 디포커스항의 계수값이 “0”인 경우에서의 반사면(S1)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면으로 설정한 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 반사광(L2)의 광파면 변화가 있는 경우, 즉 디포커스항의 계수값이 “양(+)” 또는 “음(-)”의 값을 가지는 경우에서의 반사면(S1)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면으로 설정할 수도 있다.
이상과 같이, 기준점(P)의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값 변화를 계산하고 이렇게 계산된 캘리브레이션 데이터를 연산부(150)에 저장한다. 그리고, 기준 물체(51)는 스테이지(50) 상에서 언로딩(unloading)될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 스테이지(50) 상에 측정하고자 하는 대상 물체(55)를 로딩한다. 측정장치(100)는 전술한 기준점(P)의 위치로 이동한 다음, 광원(110)으로부터 탐지광(L1)을 출사하여 대상 물체(55)에 조사한다. 여기서, 광원(110)으로부터 출사된 탐지광(L1)은 빔 분리기(120)를 투과한 다음, 광집속부(130)에 의해 집속되어 대상 물체(55)에 조사될 수 있다.
광센싱부(140)는 대상 물체(55)의 반사면(S2)으로부터 나오는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출한다. 구체적으로, 광집속부(130)를 경유한 탐지광(L1)은 대상 물체(55)의 반사면(S2)에서 반사되고, 반사광(L2)은 광센싱부(140)에 입사된다. 여기서, 대상 물체(55)의 반사면(S2)에서 나오는 반사광(L2)은 광집속부(130)를 경유한 다음 빔 분리기(120)에 의해 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다.
광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 변화를 이용하여 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화를 측정한다. 구체적으로, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면 변화는 연산부(150)에 입력되고, 연산부(150)에서는 이러한 반사광(L2)의 광파면 변화를 이용하여 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 계산한다. 그리고, 이렇게 계산된 디포커스항의 계수값을 연산부(150)에 저장된 캘리브레이션 데이터와 비교함으로써 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화(Δh)를 측정할 수 있다. 그리고, 이렇게 측정된 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화(Δh)에 기준 물체(51)의 두께(t1)를 더하게 되면 대상 물체(55)의 두께(t2)를 측정할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 측정방법의 다른 구현예를 도시한 것이다. 도 6a를 참조하면, 측정장치(100)의 기준점(P)을 설정한다. 여기서, 측정장치(100)의 기준점(P)은 스테이지(50)의 반사면(S1) 상에 설정될 수 있다. 다음으로, 광원(110)으로부터 방출되어 빔 분리기(120)를 투과한 탐지광(L1)은 광집속부(130)에 의해 집속된 다음, 스테이지(50)의 반사면(S1)에 입사된다. 그리고, 탐지광(L1)은 반사면(S1)에서 반사되고, 반사광(L2)은 빔 분리기(120)에서 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다.
샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)는 스테이지(50)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다. 도 6a에는 도 2a에 도시된 바와 같이 스테이지(50)의 반사면(S1)으로부터 반사되어 광센싱부(140)에 입사된 반사광(L2)의 광파면(W)이 평면파면이 됨으로써 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이, 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 스테이지(50)의 반사면(S1)은 높이 측정의 기준이 되는 기준면에 해당될 수 있다. 여기서, 기준면의 높이는 “0”으로 정해질 수 있다. 이와 같이, 스테이지(50)의 반사면(S1)으로부터 반사된 반사광(L2)의 광파면 변화가 없게 되면 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식에서 디포커스항의 계수값은 “0”이 될 수 있다.
다음으로, 기준점(P)의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값을 측정한다. 여기서, 기준점(P)의 상하 이동은 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 스테이지(50)의 반사면(S1)을 기준면에서 상하로 이동함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 기준점(P)의 상하 이동은 스테이지(50)와 측정장치(100) 중 적어도 하나가 상하 이동함으로써 이루어질 수 있다.
기준점(P)의 상하 이동에 따라 스테이지(50)의 반사면(S1)에서 반사되는 반사광(L2)의 광파면 변화가 발생하게 되고, 이러한 반사광(L2)의 광파면 변화를 광센싱부(140)에서 검출한 다음, 이를 이용하여 연산부(150)에 저장된 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 측정할 수 있다. 여기서, 기준점(P)의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값 측정은 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 이와 같이, 기준점(P)의 상하 이동에 따른 디포커스항의 계수값 변화를 계산하고 이렇게 캘리브레이션 데이터를 연산부에 저장한다.
한편, 이상에서는 반사광(L2)의 광파면 변화가 없는 경우, 즉 디포커스항의 계수값이 “0”인 경우에서의 반사면(S1)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면으로 설정한 경우가 설명되었다. 그러나, 이에 한정되지 않고 반사광(L2)의 광파면 변화가 있는 경우, 즉 디포커스항의 계수값이 “양(+)” 또는 “음(-)”의 값을 가지는 경우에서의 반사면(S1)을 높이 측정의 기준이 되는 기준면으로 설정할 수도 있다.
도 6b를 참조하면, 스테이지(50) 상에 측정하고자 하는 대상 물체(55)를 로딩한다. 측정장치(100)는 전술한 기준점(P)의 위치로 이동한 다음, 광원(110)으로부터 탐지광(L1)을 출사하여 대상 물체(55)에 조사한다. 여기서, 광원(110)으로부터 출사된 탐지광(L1)은 빔 분리기(120)를 투과한 다음, 광집속부(130)에 의해 집속되어 대상 물체(55)에 조사될 수 있다.
광센싱부(140)는 대상 물체(55)의 반사면(S2)으로부터 나오는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출한다. 구체적으로, 광집속부(130)를 경유한 탐지광(L1)은 대상 물체(55)의 반사면(S2)에서 반사되고, 반사광(L2)은 광센싱부(140)에 입사된다. 여기서, 대상 물체(55)의 반사면(S2)에서 나오는 반사광(L2)은 광집속부(130)를 경유한 다음 빔 분리기(120)에 의해 반사된 후 광센싱부(140)에 입사될 수 있다. 그리고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부(140)가 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출할 수 있다.
광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 변화를 이용하여 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화를 측정한다. 구체적으로, 광센싱부(140)에 의해 검출된 반사광(L2)의 광파면 변화는 연산부(150)에 입력되고, 연산부(150)에서는 이러한 반사광의 광파면 변화를 이용하여 제르니케 다항식의 디포커스항의 계수값을 계산한다. 그리고, 계산된 디포커스항의 계수값을 연산부(150)에 저장된 캘리브레이션 데이터와 비교함으로써 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화(Δh)를 측정할 수 있다. 여기서, 대상 물체(55)의 반사면(S2) 높이 변화(Δh)는 대상 물체의 두께(t)에 해당될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 광집속부(130)가 탐지광(L1)을 집속하여 대상 물체(55)에 조사하고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광검출부(140)가 대상 물체(55)로부터 반사되는 반사광(L2)의 광파면 변화를 검출하며, 연산부(150)가 광검출부(140)에 의해 검출된 반사광의 광파면 변화를 이용하여 디포커스항의 계수값을 계산함으로써 대상 물체(55)의 반사면 높이 변화를 측정할 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 웨이퍼나 또는 판상 물체 등과 같은 대상 물체(55)의 두께 또는 높이 변화를 효과적으로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 광원(110)으로부터 출사되는 탐지광(L1)을 대상 물체(55)에 스캔하게 되면 스캔 라인이나 스캔 면적에 따른 대상 물체(55)의 형상도 측정할 수 있다. 그리고, 샤크-하트만 센서를 포함하는 광검출부(140)에 의해 측정되는 두께 또는 높이 변화는 광검출부(140)가 기울어진 정도와는 무관하므로 측정장치(100)의 셋업 시 광검출부(140)을 광학적으로 용이하게 정렬할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 대상 물체의 상부에 마련되어 상기 대상 물체의 두께나 높이 변화를 측정하는 장치에 있어서,
    탐지광(probe light)을 방출하는 광원;
    상기 탐지광을 집속하여 상기 대상 물체에 조사하는 광집속부;
    상기 대상 물체의 반사면으로부터 나오는 반사광의 변화를 검출하는 것으로, 샤크-하트만(shack-hartmann) 센서를 포함하는 광센싱부; 및
    상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 연산부;를 포함하는 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤크-하트만 센서는 상기 반사광의 광파면(light wavefron) 변화를 검출하는 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광집속부 사이에 마련되는 것으로, 상기 탐지광 및 상기 반사광 중 어느 하나는 투과시키고, 다른 하나는 반사시키는 빔 분리기(beam splitter)를 더 포함하는 측정장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정장치는 상기 대상 물체에 대해 상대적으로 상하 이동이 가능하도록 마련되는 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 수식으로 표현한 제르니케 다항식(Zernike polynomials)을 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사면의 높이 변화는 상기 제르니케 다항식의 디포커스(defocus)항 계수값 변화에 대응하는 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상 물체는 스테이지에 적재되는 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 측정빔이 반사하는 반사면을 포함하는 높이 측정 장치.
  9. 탐지광을 방출하는 광원, 상기 탐지광을 집속하는 광집속부. 반사광의 변화를검출하는 샤크-하트만 센서를 포함하는 광센싱부 및 높이 변화를 계산하는 연산부를 포함하는 측정장치를 이용하여 대상 물체의 두께 또는 높이 변화를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 측정장치의 기준점을 설정한 다음, 상기 기준점의 상하 이동에 따른 캘리브레이션 데이터(calibration data)를 상기 연산부에 입력하는 단계;
    스테이지에 상기 대상 물체를 로딩(loading)하는 단계;
    상기 광원으로부터 방출된 상기 탐지광을 상기 광집속부를 통해 상기 대상 물체에 조사하는 단계;
    상기 대상 물체의 반사면으로부터 나오는 상기 반사광의 변화를 상기 광센싱부가 검출하는 단계; 및
    상기 연산부가 상기 광검출부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 단계;를 포함하는 측정방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광집속부 사이에는 상기 탐지광 및 상기 반사광 중 어느 하나는 투과시키고, 다른 하나는 반사시키는 빔 분리기가 마련되는 측정방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 변화를 수식으로 표현한 제르니케 다항식을 이용하여 상기 반사면의 높이 변화를 계산하는 측정방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반사면의 높이 변화는 상기 제르니케 다항식의 디포커스항 계수값 변화에 대응하는 측정방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 데이터는 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 제르니케 다항식의 디포커스항 계수값 변화를 포함하는 측정방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 입력하는 단계는,
    상기 스테이지에 기준 물체를 로딩하는 단계;
    상기 기준 물체 상에 상기 측정 장치의 상기 기준점을 설정하는 단계;
    상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 저장하는 단계;를 포함하는 측정방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계는,
    상기 광센싱부가 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 반사광의 광파면 변화를 검출하는 단계; 및
    상기 연산부가 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 광파면 변화를 이용하여 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계;를 포함하는 측정방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 입력하는 단계는,
    상기 스테이지상에 상기 측정 장치의 상기 기준점을 설정하는 단계;
    상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 캘리브레이션 데이터를 상기 연산부에 저장하는 단계;를 포함하는 측정방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기준점의 상하 이동에 따른 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계는,
    상기 광센싱부가 상기 기준점의 상하 이동에 따른 상기 반사광의 광파면 변화를 검출하는 단계; 및
    상기 연산부가 상기 광센싱부에 의해 검출된 상기 반사광의 광파면 변화를 이용하여 상기 디포커스항 계수값 변화를 측정하는 단계;를 포함하는 측정방법.
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