KR102072358B1

KR102072358B1 - 면감지 타원 계측기

Info

Publication number: KR102072358B1
Application number: KR1020130111516A
Authority: KR
Inventors: 고강웅; 전형조; 송길우
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2020-02-03
Also published as: US20150077750A1; US9267879B2; KR20150031827A

Abstract

측정 대상 물체의 물리적 특성을 측정하는데 있어서, 그 측정 값은 측정방위각에 따라 달라질 수 있는 바, 방위각의 변화에 따른 측정 영역의 손실을 방지하고 데이터의 처리 속도를 향상 시키기 위한 면측정 타원 계측기에 관한 발명이다. 　　
본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 기판에 광을 조사하는 광원, 상기 광원에서 조사된 광을 편광시키고 편광된 광을 분해하는 편광 유닛, 상기 편광분석기를 통과한 편광의 광량을 측정하는 검출기 및 상기 기판이 방위각 방향으로 회전함에 따라 상기 검출기가 상기 방위각 만큼 회전하도록 상기 검출기를 회전시키는 구동부를 포함한다.
또한, 기판의 회전 방위각을 연산하여, 상기 검출기가 상기 방위각 만큼 회전하도록 상기 구동부의 회전 구동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
　

Description

면감지 타원 계측기 { Ellipsometer for detecting surface }

넓은 면적의 광원에서 조사된 광이 면에서 투과 또는 반사되는 광의 편광 특성을 검출하여 기판의 물리적 특성을 모니터하기 위한 장치 및 그 제어방법에 관한 발명이다.

일반적으로 물리, 화학, 재료 분야의 연구에 이어서, 물질의 광학적 특성을 측정하고, 박막의 두께를 측정하는 것은 매우 중요한 요소이다. 특히, 반도체 산업체에서는 다양한 나노 박막 제조공정들이 사용되고 있는데 제조된 나노 박막들에 대한 물성을 평가하기 위해서 비파괴적이며 비접촉식인 실시간 측정기술인 타원계측기를 공정용 계측장비로 널리 사용하고 있다.

타원계측은 광원, 광검출기, 컴퓨터 등의 발전과 함께 그 성능이 많이 개선되고 또한 박막과 표면을 이용한 공정이 늘면서 응용분야가 크게 증가하고 있다.

타원계측은 반사형과 투과형으로 나눌 수 있는데, 이 중에서 입사각을 가지고 시편의 표면에서 반사되는 광의 편광상태를 분석하는 반사형 타원계측기술이 널리 사용되고 있다.

반사형 타원계측기술은 경사방향에서 평행광을 입사시키며, 이 경우 입사각을 정확히 제어할 수 있기 때문에 측정 정확도가 우수하나, 조리개(iris)를 이용하여 입사빔의 크기를 줄이면 회절(diffraction) 현상이 증대되어 시편에 조사된 빔의 크기를 mm 이하로 줄이기 어려운 단점이 있다.

반도체 산업에서는 반도체 소자 생산을 위한 다양한 박막 제조공정들을 측정을 통하여 평가하기 위해 수십μm*수십μm 면적으로 제한된 측정 영역을 웨이퍼에 특별히 마련하여 사용하고 있으며, 측정 영역의 물리적 특성을 측정하기 위해 측정 영역에 마련된 시편의 표면에 초점을 맺는 기술이 사용되고 있다.

그런데 반도체 소자 제조기술의 지속적 발전에 따라 향후 반도체 소자 제작 기술에서 웨이퍼에서 패턴된 시편의 크기가 지속적으로 줄어들 것으로 예상됨에 따라 상기 제한된 측정 영역의 면적도 비례하여 줄여야만 하나, 많은 연구 및 노력에도 불구하고 초점 광학계의 수차 및 한계 등의 장벽으로 인하여 더 이상 그 크기를 줄이기 어려운 문제점이 있다.

이에, 최근 넓은 면적의 광원을 이용하여 면에서 투과 또는 반사되는 광의 편광 특성을 이용하여 측정 영역의 물리적 특성을 측정하는 면측정 타원계측기에 대한 연구가 이루어지고 있다. 　

기판이 방위각 방향으로 회전하는 경우, 검출기도 방위각 만큼 회전하여 기판의 물리적 특징을 계측할 수 있도록 하는 면측정 타원계측기를 제공하고자 한다.

기판의 활성 영역 및 비활성 영역을 구분하여 비활성 영역을 마스킹하여 이에 대한 데이터는 수집하지 않도록 제어 가능한 면측정 타원계측기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 기판에 광을 조사하는 광원, 광원에서 조사된 광을 편광시키고 편광된 광을 분해하는 편광 유닛, 편광분석기를 통과한 편광의 광량을 측정하는 검출기, 및 기판이 방위각 방향으로 회전함에 따라 검출기가 방위각 만큼 회전하도록 검출기를 회전시키는 구동부를 포함한다.

또한, 기판의 회전 방위각을 연산하여, 검출기가 방위각 만큼 회전하도록 구동부의 회전 구동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 편광 유닛은, 광원에서 조사된 빛을 편광 시켜 기판으로 출력하는 편광발생기 및 기판에서 반사된 편광의 진동 방향의 변화를 분석하기 위해 마련되어 기판에서 반사된 편광을 좌표 성분으로 분해하는　편광분석기를 포함할 수 있다.

또한, 검출기는 2차원 면감지센서를 포함하고, 2차원 면감지 센서의 종류는CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)를 포함할 수 있다.

또한, 광원과 편광발생기 사이에 마련되어 광원에서 조사되는 빛의 파장 범위를 선택하는 모노크로미터를 더 포함할 수 있다.

또한, 편광발생기와 편광분석기 사이에 회전 가능하게 마련되어 입사된 빛의 편광 상태를 조절하는 보상부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 면감지 타원계측기는 기판에 광을 조사하는 광원, 광원에서 조사된 광을 편광시키고 편광된 광을 분해하는 편광 유닛, 감지부를 통해 편광분석기를 통과한 편광의 광량을 측정하는 검출기, 기판에 형성된 패턴에 대한 정보가 미리 저장된 메모리부 및 메모리부에 미리 저장된 정보를 근거로 감지부에서 감지 가능한 화소 또는 감지부의 활성되는 감지 영역을 확정하는 제어부를 포함한다.

또한, 검출기는 2차원 면감지센서를 포함하고, 2차원 면감지 센서는CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)를 포함할 수 있다.

또한, 메모리부에 미리 저장된 정보는 기판에 형성된 패턴의 화소 정보인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부는 메모리부에 미리 저장된 패턴에 대한 화소 정보에 기초하여 감지부에서 감지 가능한 화소를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 메모리부에 미리 저장된 정보는 기판 에 형성된 패턴 정보인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부는 패턴 정보에 따라 감지부의 활성 영역 및 비활성 영역을 확정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

기판상에 마련된 측정하고자 하는 영역이 원형이 아닌 경우 기판의 방위각 회전에 따라 검출기에 투영되는 측정하고자 하는 영역의 기하학적 형상의 변화를 광학적 형상으로 보상할 수 없는 바, 검출기도 동일한 방위각 만큼 회전할 수 있도록 제어하여 그 유효 측정 면적이 유지될 수 있도록 한다. 　

또한, 전체 영역에 대해 측정이 요구되는 영역만 측정 하고 나머지 영역은 마스킹하여 이에 대한 데이터를 저장하지 않음으로써 실제 측정 데이터의 양을 줄여 측정 시간을 단축할 수 있도록 한다.

검출기를 회전시키거나 비활성 영역을 마스킹 할 경우 처리해야 할 데이터의 양을 최소로 할 수 있는 바, 데이터 전송시간 단축이 가능하고 데이터 전송 시간 단축을 통해 전체 측정 및 계측 시간을 단축시킬 수 있다. 　

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 회전이 가능한 면측정 타원계측기 구조의 한 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기가 계측하고자 하는 기판의 표면에 형성된 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광발생기의 구조를 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 광이 편광발생기를 통과한 경우 파동의 진동 방향을 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 편광발생기에서 편광된 광이 기판에서 반사될 때 파동의 진동 방향의 변화를 도시한 도면이고, 도 4의 (c)는 파동의 진동 방향이 변화된 편광이 편광분석기를 통해 분리된 경우 분리된 파동의 진동 방향을 도시한 그래프이다. 　
도 5는 기판에 형성된 패턴의 균일도를 판단하는 원리를 도시한 도면으로, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)는 각각 미리 저장된 파형과 측정된 파형이 유사하고 상이한 예를 도시한 것이다.
도 6은 광의 입사 방향에 따라 검출기에서 검출되는 편광의 출력값을 도시한 도면이다.
도 7의 (a)는 입사되는 광의 법선에 대한 각도인 입사각(Angle of Incidence)을 도시한 도면이고, 도 7의 (b)는 수평 방향에 대한 기준선으로부터의 각도인 방위각(Angle of Azimuth)을 도시한 도면이다.
도 8은 광원에서 조사되는 광의 방위각이 변화함에 따라 검출기에서 측정되는 유효면적이 달라지는 원리를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 영역의 마스킹이 가능한 면측정 타원계측기 구조의 한 예를 도시한 도면이다.
도 10은 실제 측정에 의한 방법으로 마스킹 영역을 결정하는 원리를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어부의 제어 과정을 나타낸 순서도이다.

이하에서는　첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 면측정 타원계측기에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

타원계측기는 투과 또는 반사되는 광의 편광 현상을 이용하여 물체의 물리적인 특성을 측정하는 장치이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 광원과, 광원에서 조사된 광을 편광 시키고 편광된 광을 분해하는 편광 유닛과, 편광분석기를 통과한 편광의 광량을 측정하는 검출기와, 검출기를 회전시키는 구동부를 포함하고, 기판의 회전 방위각을 연산하여 검출기가 방위각 만큼 회전하도록 구동부의 회전 구동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 편광 유닛은 광원에서 조사된 빛을 편광 시켜 기판으로 출력하는 편광발생기 및 기판에서 반사된 편광의 진동 방향의 변화를 분석하기 위해 마련되어 기판에서 반사된 편광을 좌표 성분으로 분해하는 편광분석기를 포함할 수 있다.

본 발명은 면측정 타원계측기에 관한 발명인 바, 면측정 타원계측기는 초첨형 타원계측기와는 달리 작은 스팟(spot) 영역의 투과 또는 반사광을 이용하지 않고 넓은 면적의 광원을 이용한다. 즉, 면에서 투과 또는 반사되는 광의 편광 특성을 면 센서(area sensor)를 이용하여 검출(detection)하고 이를 이용하여 패턴의 균일도와 같은 측정 영역의 물리적 특성을 측정한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출기의 회전이 가능한 면측정 타원계측기의 한 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 광원(110)과, 편광발생기(120)와, 편광분석기(130)와, 검출기(140), 구동부(150), 제어부(미도시)를 포함한다.

광원(110)과 편광발생기(120) 사이에 모노크로미터(160)를 더 포함할 수 있으며, 편광발생기(120)와 기판(190) 사이에 보상부(170)를 더 포함할 수 있다.

스테이지(180)는 기판(190)이 고정되는 곳으로 필요에 따라 스테이지(180)를 조절하여 기판(190)을 이동시킬 수 있다.

기판(190)은 웨이퍼를 포함하며 기판(190) 위에는 도 2에 도시된 바와 같은 규칙적인 패턴(P)이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 물리적 특성을 측정하기 위한 것으로 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 균일도를 계측하기 위해 사용될 수 있는 바, 도 2에 도시된 패턴(P)을 예로 들어 패턴(P)의 균일도를 계측하는 경우에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 면측정 타원계측기에 포함된 구성의 기능을 설명하고 면측정 타원계측기의 작동 원리에 대해 설명할 것이다. 　　　　　

광원(110)은 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 균일도를 측정하기 위해 기판(190)으로 광을 조사하기 위해 마련되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 타원계측기의 광원(110)에서는 백색광이 조사된다.

모노크로미터(160)는 광원(110)과 편광발생기(120) 사이에 마련될 수 있다. 모노크로미터(160)는 백색광에서 원하는 파장대의 단색광을 추출하기 위한 장치로 본 발명의 일 실시예에 따른 모노크로미터(160)에서는3500-8000Å 영역대의 파장을 갖는 가시광선을 추출할 수 있다.

편광발생기(120)는 기판(190)의 상부 및 광원(110)에서 출력된 광의 진행경로상에 배치된다. 광원(110)에서 출력된 광이 편광발생기(120)의 입사면에 수직으로 입사되면 특정 진동방향을 갖는 편광이 발생된다.

편광발생기(120)는 도 1 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 편광필름(121)의 양면에 광학유리 또는 수정(122)을 접착시켜 제조한 편광판을 포함할 수 있으며, 편광발생기(120)의 전방에는 일반 광학유리로 이루어진 보호커버(미도시)가 추가로 장착될 수 있다.

보호커버(미도시)는 편광발생기(120)에서 발생된 편광이 수직으로 통과할 수 있도록 편광의 진행방향과 수직이 되도록 장착한다.

보상부(170)는 편광발생기(120)와 기판(190) 사이 및 광원(110)에서 출력된 광의 진행경로상에 마련될 수 있다.

보상부(170)는 기판(190)에 입사되는 광의 편광 상태를 임의로 조절하기 위한 장치로, 본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 편광 상태에 따라 진행파의 위상을 바꾸기 위해 보상부(170)를 더 포함할 수 있다.

보상부(170)를 투과한 편광은 편광의 진동 방향에 따라 특정 위상차 값을 갖는 바, 보상부(170)를 조절하여 계측의 정확도를 향상시킬 수 있다.

편광된 광은 편광발생기(120) 및 보상부(170)를 통과한 후 그대로 직진하여 기판(190)에 도달하고, 기판(190)에 도달하면 광은 기판(190)에 형성된 패턴(P)에 의해 반사되며, 반사된 편광은 직진하여 편광분석기(130)에 도달된다.

이 때, 기판(190)에 입사되는 편광의 진동 방향은 기판(190)에 형성된 패턴(P)에 따라 그 진동방향이 변화한다.

도 1을 참조하면, 입사광의 광축에 나란하게 진동하는 편광은 기판(190)에 형성된 패턴(P)에 따라 반사광의 광축과 θ만큼의 각도를 가지도록 진동방향이 변화할 수 있으며 θ의 크기는 패턴(P)의 형상, 입사각 등에 따라 변화할 수 있다. 　

편광분석기(130)는 기판(190)의 상부, 보다 자세하게는 기판(190)에서 반사된 편광의 진행 경로상에 배치된다. 편광분석기(130)는 기판(190)에서 반사되는 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개 내지 세 개의 편광으로 분리하여. 변화된 진동방향 θ를 분석한다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 편광분석기(130)의 분석 과정에 대해 구체적으로 설명한다.

편광발생기(120)에서 발생한 편광의 파동의 진동 방향이 X축 방향인 경우를 가정하면, X축 방향으로 진동하는 파동은 기판(190)에서 반사되어 그 진동 방향이 변화하게 된다. 진동 방향이 변화된 편광은 편광분석기(130)에 수직으로 입사하게 되고, 편광분석기(130)는 파동의 성분을 X축 성분 및 Y축 성분의 파동 또는 X축 성분, Y축 성분, 및 Z축 성분으로 분리한다. 　　

이를 보다 상세하게 설명하기 위해 도 4를 참조하여 설명하도록 한다. 도 4는 광이 편광발생기(120)를 통과한 경우 파동의 진동 방향, 기판(190)에 형성된 패턴(P)에 의해 반사될 때 반사된 파동의 진동방향, 및 방향이 변화된 편광의 파동이 편광분석기(130)를 통해 분리된 경우 파동의 진동 방향을 도시한 그래프이다. 　

도 4를 참조하면, 편광발생기(120)를 통과한 광은 그래프 (a)와 같이 X축 방향으로 편광되어 진동하며, X축 방향으로 편광된 광이 기판(190)상에 형성된 패턴(P)에 입사된 후 반사되면 광의 편광 방향이 그래프 (b)와 같이 변화한다.

그래프 (b)는 기판(190)상에 형성된 패턴(P)의 형상을 비롯한 물리적 성질에 따라 각각 다른 형태를 나타낼 수 있다. 그래프 (b)에 도시된 반사된 편광을 편광분석기(130)를 통해 분석하면 그래프 (c)와 같이 X축 방향과 Y축 방향의 성분으로 분리될 수 있다.

검출기(140)는 편광발생기(120)의 후면에 마련에 마련된다. 검출기(140)는 편광분석기(130)에서 분석된 편광의 광량을 측정하기 위한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 검출기(140)는 편광분석광을 수광하여, 수광량에 대응하는 전하를 생성하고, 그 전하를 수광 출력으로서 인출한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 검출기(140)에는 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)와 같은 2차원 면감지 센서(area image sensor)가 사용될 수 있다.

CMOS는 상보성 금속 산화물 반도체 구조를 가진 저소비 전력형의 촬상 소자이고, CCD는 CCD 전송 전극에 의하여 반도체 표면에 만들어진 전위의 우물을 사용하여 신호 전하를 차례로 전송하는 소자이다.

2차원 면감지 센서는 이들을 레지스터로 사용하고, 레지스터에 광신호를 전하신호로 변환하는 감광화소를 마련한 것이다. 2차원 면감지 센서는 단위소자(pixel)로 구성되며, 단위소자에서 획득된 정보는 제어부로 전달되어 디지털 신호로 저장되게 된다.

구동부(150)는 검출기(140)의 후면에 마련된다. 구동기는 검출기(140)의 광축은 유지한 채 광축을 중심으로 검출기(140)를 회전시킨다. 구동부(150)의 설치 목적 및 구동 원리는 이하 제어부에 대한 설명에서 상세하게 설명하도록 한다.

제어부는 검출기(140)에 의해 검출된 전압 또는 전류의 파형을 분석함으로써 패턴(P)의 광학적 물성을 추출한다.

이하, 제어부의 원리를 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 반도체 소자 생산을 위한 다양한 박막 제조공정을 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼 상의 수십μm*수십μm 면적으로 제한된 측정 영역에 박막이 균일하게 증착 되었는지 여부 등을 측정하기 위해 사용될 수 있다.

박막이 균일하게 증착 되었는지 여부를 측정하기 위해 본 발명의 일 실시에 의한 제어부에는 박막이 균일하게 증착된 경우 입사광에 따라 검출기(140)에서 검출되어야 하는 전압 및 전류의 파형이 미리 저장되어 있다. 이에, 면측정 타원계측기로 기판(190)의 표면을 계측하여 검출기(140)를 통해 각 패턴(P)에 따른 전압 및 전류의 파형이 검출되면, 제어부는 이를 미리 저장된 전압 및 전류의 파형과 비교하여 박막의 균일도를 판단한다.

제어부는, 3500-8000Å 영역의 범위에서 미리 저장된 파형과 측정된 파형을 비교하여 측정된 파형이 미리 설정된 기준 이내이면 스테이지(180)상에 시편이 균일하게 마련된 것으로 판단하고, 측정된 파형이 미리 설정된 기준을 벗어나면 스테이지(180)상에 시편이 균일하지 않은 것으로 판단한다.

도 5는 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 균일도를 판단하는 원리를 도시한 도면이다. 도 5의 그래프에서, 입사되는 편광의 파장은 가로축에 도시되고, 검출기(140)에서 측정되는 값인 델타값은 세로축에 도시된다.

도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 미리 저장된 파형과 측정된 파형이 유사하며 이러한 결과값이 도출되면 기판(190)상에 패턴(P)이 균일한 것으로 추정된다. 도 5의 (b)는 미리 저장된 파형과 측정된 파형이 상이하고 이러한 결과값이 도출되면 기판(190)상에 패턴(P)이 균일하지 않은 것으로 추정된다.

이와 같이, 면측정 타원계측기는 점이 아닌 면 단위로 계측 하여 미리 저장된 파형과 측정된 파형을 비교하는 방법으로 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 균일도를 측정한다.

이 때, 기판(190)의 표면에 형성된 패턴(P)의 형상 및 균일도 등에 따라 광원(110)에서 조사되는 광이 패턴(P)에 입사한 후 반사될 때 반사광의 파장의 진동 방향이 달라지는 바, 스테이지(180)상에 마련된 패턴(P)의 작은 변화를 측정하기 위해서는 파형의 변화가 큰 방향으로 광을 입사시켜 변화 폭이 큰 파형간에 그 유사성을 비교하여야 한다.

보다 상세하게 설명하면, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 광을 A 방향으로 입사시킨 경우와 광을 B 방향으로 입사시킨 경우를 비교해 보면, A 방향으로 광이 입사될 경우 같은 측정 영역을 측정한 경우라도 검출기(140)에서 검출되는 수광량이 달라지고 이에 따라 제어부에서 분석되는 파형이 달라진다. 즉, 도 6의 (b).(c)에 도시된 바와 같이 A 방향으로 입사시킨 경우 출력값이 더 크므로 A 방향으로 입사시켜 패턴(P)을 모니터하는 것이 보다 바람직하다.

결과적으로, 보다 정밀한 패턴(P)을 모니터 하기 위해서는 제어부에서 연산되는 파형의 변화가 큰 방향으로 광을 입사시켜야 한다. 이를 위해 광원(110)에서 조사되는 광의 입사각과 방위각을 조절하여 최적의 조건을 찾는 과정이 필요하다.

이하, 입사각과 방위각의 개념을 첨부된 도면을 통해 설명하고 방위각의 변화에 대응하기 위해 마련된 구동부(150)의 작동 원리에 대해 상세하게 설명한다.

도 7의 (a)는 입사되는 광의 법선에 대한 각도인 입사각(Angle of Incidence, 이하 I)을 도시한 도면이고, 도 7의 (b)는 수평 방향에 대한 기준선으로부터의 각도인 방위각(Angle of Azimuth, 이하 A)을 도시한 도면이다.

측정하고자 하는 대상 물체의 형상이 원형이 아닌 특정 형상인 경우, 입사각(I) 변화에 따라 검출기(140)에 투영되는 대상 면적의 기하학적 형상 변화는 광학적 방법에 의해 보상할 수 있지만, 방위각(A) 변화에 따라 달라지는 기하학적 형상 변화는 광학적 방법으로 보상할 수 없다. 따라서 방위각(A)이 변화함에 따라 그 측정하고자 하는 영역(이하 측정 영역이라 한다)의 유효 측정 영역이 달라지게 된다. 　

도 8은 광원(110)에서 조사되는 광의 방위각(A)이 변화함에 따라 검출기(140)에 투영되는 유효 측정 영역(ES)이 달라지는 원리를 도시한 도면이다. 도 8의 (a)는 검출기(140)에 대한 측정 영역(S)의 방위각(A) 회전이 0도일 때 검출기(140)에 투영된 기판(190)의 유효 측정 영역(ES)을 도시한 도면이고, 도 8의 (b)는 검출기(140)에 대해 측정영역이 방위각(A) 방향으로 회전한 경우 검출기(140)에 투영된 기판(190)의 유효 측정 영역(ES’)을 도시한 도면이다.

설명의 편의상, 도 8은 측정하고자 하는 영역의 형태와 검출기(140)의 검출 영역의 형태가 각각 정사각형인 경우를 예로 들어 도시하였다.

도 8의 (a)를 참조하면, 일반적인 면감지 타원계측기에서 검출기(140)와 측정 영역간의 방위각(A)이 0도인 경우, 측정 영역과 검출기(140)에 투영된 측정 영역인 유효 측정 영역(ES)은 동일하다.

도 8의 (b)를 참조하면, 광원(110)에서 조사되는 광의 방위각(A)이 회전하면, 검출기(140)에 투영되는 측정 영역(S)이 회전하고, 측정하고자 하는 영역의 일부분만 검출기(140)에 투영된다.

결국, 도 8 (b)의 경우 유효 측정 영역(ES’) 외의 측정 영역(S)에 대한 파형을 얻기 위해 별도의 측정을 수행하여야 하며 이로 인해 측정 시간이 길어지게 된다. 　

　이에 본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 측정 영역(S)의 방위각(A)이 회전하더라도 측정 면적 및 측정 속도의 손실 없이 대상 물체의 물리적 특성을 측정하기 위한 수단으로 구동부(150)가 마련된다.

즉, 제어부는 광원(110)에서 조사되는 광의 방위각(A) 또는 기판(190)의 방위각(A)이 회전할 때 방위각(A) 변화를 연산하고, 이에 따라 구동부(150)를 제어하여 검출기(140)를 광이 회전한 방위각(A) 만큼 회전시키도록 한다. 구동부(150)는 제어부의 제어에 따라 검출기(140)의 광축은 유지한 채 광축을 중심으로 검출기(140)를 회전시킨다. 결과적으로 광 또는 기판(190)의 방위각(A)이 회전하더라도 측정 면적 및 측정 속도의 손실 없이 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 물리적 특성을 측정할 수 있다. 　

다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 면측정 타원계측기에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 광원과, 광원에서 조사된 빛을 편광시키고 편광된 광을 분해하는 편광 유닛과, 감지부를 통해 편광분석기를 통과한 편광의 광량을 측정하는 검출기와, 기판에 형성된 패턴에 대한 정보가 미리 저장된 메모리부와, 메모리부에 미리 저장된 정보를 근거로 감지부에서 감지 가능한 화소 또는 감지부의 활성되는 감지 영역을 확정하는 제어부를 포함한다.

또한, 편광 유닛은 광원에서 조사된 빛을 편광시켜 기판으로 출력하는 편광발생기 및 기판에서 반사된 편광의 진동 방향의 변화를 분석하기 위해 마련되어 기판에서 반사된 편광을 좌표 성분으로 분해하는 편광분석기를 포함한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 영역(S)의 마스킹이 가능한 면측정 타원계측기 구조를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 광원(110)과, 편광발생기(120)와, 편광분석기(130)와, 검출기(210), 메모리부(미도시), 제어부(미도시)를 포함한다. 광원(110)과 편광발생기(120) 사이에 모노크로미터(160)를 더 포함할 수 있으며, 편광발생기(120)와 기판(190) 사이에 보상부(170)를 더 포함할 수 있다.

스테이지(180)는 기판(190)이 고정되는 곳으로 필요에 따라 스테이지(180)를 조절하여 기판(190)을 이동시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 마스킹 기술을 적용한 것으로, 이는 기판(190)에 형성된 패턴(P)의 물리적 특성을 보다 신속하고 정확하게 측정하기 위한 것이다. 이하 설명의 편의상 도 2에 도시된 바와 같은 패턴(P)의 균일도를 계측하는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.

광원(110), 모노크로미터(160), 편광발생기(120), 보상부(170), 편광분석기(130)는 도1에 도시한 면측정 타원계측기와 그 기능이 동일하며, 검출기(210), 메모리부, 제어부에 그 특징이 있는 바 이하 이에 대해 상세하게 설명한다.

검출기(210)는 광의 광량을 측정하기 위한 장치로 보다 상세하게 설명하면, 분광기에서 분광된 광을 수광하여, 수광량에 대응하는 전하를 생성하고, 그 전하를 수광 출력으로서 인출하는 장치이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 검출기(210)로는 마스킹 기술의 적용이 가능한 　CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)와 같은 2차원 면감지 센서(area image sensor)가 사용될 수 있다.

이에 대한 설명은 상기한 바와 같으며, 이하 설명의 편의상 마스킹 기술이 적용된 CCD 센서를 예로 들어 마스킹 기능에 대해 설명하도록 한다.

마스킹 기술은 측정하지 않을 부분을 마스킹하여 데이터를 저장하지 않는 기술로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 검출기(210)는 마스킹된 영역의 데이터를 취득하지 않음으로써 실제 측정하는 데이터의 양을 줄여 데이터 전송시간을 단축시킨다.

마스킹 영역을 결정하는 방법에는 계산에 의한 방법과 실제 측정에 의한 방법이 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 CCD는 단일의 방법이 적용 되거나 두가지 방법이 모두 적용될 수 있다.

계산에 의한 방법은 대상체의 측정 영역(S)에 대한 정보가 미리 주어진 경우 적용 가능한 방법이다. 즉, 반도체 공정에서 웨이퍼상에 형성된 패턴(P)의 균일도를 측정하고자 할 경우, 패턴(P)이 형성된 활성 영역과 패턴(P)이 형성되지 않은 비활성 영역에 대한 정보가 메모리부에 미리 저장된 경우 적용 가능하다.

이 경우, 제어부는 메모리에 미리 저장된 활성 영역과 비활성 영역에 대한 데이터를 기초로 CCD에 마련된 여러 단위 소자 중 데이터를 감지할 단위 소자와 데이터를 감지하지 않을 단위 소자를 미리 결정하여, 데이터를 감지할 단위 소자만이 데이터를 감지 할 수 있도록 제어한다. 보다 상세하게, 스테이지(180)의 동작을 연산 및 제어하여 특정 단위 소자만이 데이터를 감지할 수 있도록 한다.

실제 측정에 의한 방법은 특정한 측정 대상에 대해 도출되어야 하는 값에 대한 레퍼런스가 주어진 경우 적용 가능하다.

보다 상세하게, 실제 측정에 의해 패턴(P)이 형성된 활성 영역과 패턴(P)이 형성되지 않은 비활성 영역에 대한 마스킹 맵 데이터를 형성하고 활성 영역과 비활성 영역의 화소에 대한 레퍼런스를 마련하여 메모리부에 미리 저장 시켜, 이를 활용하여 마스킹 영역을 결정해 패턴(P)의 균일도를 측정한다.

도 10은 실제 측정에 의한 방법으로 마스킹 영역을 결정하는 원리를 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 메모리 부에는 웨이퍼(W) 상에 마련된 패턴(P)의 활성 영역과 비활성 영역에 대한 형성 정보 및 패턴(P)이 마련된 활성 영역에 대한 출력 정보와 패턴(P)이 마련되지 않은 비활성 영역에 대한 출력 정보가 각각 컬러 A, B로 미리 저장된다.

웨이퍼(W)상에 마련된 패턴(P)의 균일성을 측정하기 위해, 제어부는 CCD의 단위 소자가 컬러 A만을 감지할 수 있도록 제어하며 결과적으로 비활성 영역에 대한 데이터는 마스킹되게 된다.

제어부는 검출기(210)에 의해 검출된 전압 또는 전류의 파형을 분석함으로써 패턴(P)의 광학적 물성을 추출한다. 즉, 제어부는 메모리부에 미리 저장된 데이터를 기반으로 하여CCD의 단위 소자를 제어하여 검출기(210)에서 컬러 A에 대한 정보만을 획득하도록 하고, 획득한 정보를 미리 저장된 활성 영역과 비활성 영역의 형성 정보와 비교 분석하여 패턴(P)의 균일성을 계측한다.

결과적으로, 마스킹 기능이 적용되어 마스킹된 영역에 대한 데이터는 저장하지 않으므로 실제 측정 데이터의 양이 줄어들어 데이터 전송시간을 단축시킬 수 있다.

제어부에서 전압 또는 전류의 파형을 분석하는 원리는 상기한 바와 동일하며 이하 중복되는 설명은 생략한다.

다음으로 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면측정 타원계측기에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 면측정 타원계측기는 도 1에 도시한 면측정 타원계측기와 도 9에 도시한 타원계측기가 혼합된 형태로, 광원(110)과, 편광발생기(120)와, 편광분석기(130)와, 검출기(210)와, 구동부(150)와, 메모리부, 제어부를 포함하고, 모노크로미터(160)와 보상부(170)를 더 포함할 수 있다.

광원(110)과, 편광발생기(120)와, 편광분석기(130)와, 검출기(210)와, 구동부(150)와, 메모리부는 상기한 바와 그 원리가 동일하며 다만 제어부의 제어에 따라 도 1에서 도시한 면측정 타원계측기의 특성 및 도 8에 도시한 면측정 타원계측기의 특성을 모두 가질 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제어부의 제어 과정을 나타낸 순서도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 면측정 타원 계측기로 측정 영역(S)을 측정하고자 하는 경우, 먼저 측정 영역(S)의 크기 정보에 대한 데이터를 수집한다(310). 측정 영역(S)의 크기 정보에 대한 데이터는 사용자의 입력에 의해 미리 저장된 데이터인 것을 포함할 수 있다.

제어부는, 측정 영역(S)의 크기 정보에 대한 데이터가 수집되면, 측정 영역(S)과 검출기(미도시)의 검출 영역 간에 방위각(A) 회전 여부를 판단한다(320).

방위각(A) 회전이 영도가 아닌 경우, 즉 측정 영역(S)에 대해 검출기가 이루는 각이 특정 방위각(A) θ 만큼 회전한 경우, 제어부는 검출기의 회전에 따른 기판(190)의 측정 영역(S)을 연산한다(330).

방위각(A) 회전이 영도인 경우, 검출기의 회전 없이 다음 연산 과정을 진행한다.

방위각(A) 회전에 대한 연산 후, 제어부는 측정 영역(S)과 검출기의 시야각(FOV; Field of view) 영역을 비교하여 측정 영역(S)이 검출기의 시야각 보다 크면 분할 측정 영역(S) 및 그 횟수를 계산하고, 측정 영역(S)이 검출기의 시야각 보다 크지 않으면 다음 제어 과정을 수행한다(340, 350).

측정 영역(S)에 대한 연산 후, 제어부는 마스킹 영역의 결정 방법에 따라 측정 영역(S)의 측정 방식을 결정한다(360).

마스킹 영역을 결정하는 방법에는 계산에 의한 방법과 실제 측정에 의한 방법이 있음은 전술한 바와 같다.

따라서, 제어부는 계산에 의한 방식에 의한 마스킹 맵 데이터가 미리 저장된 경우 계산에 의한 방식에 따라 측정 영역(S)을 측정하고, 실제 측정에 의한 방식에 의한 마스킹 맵 데이터가 미리 저장된 경우 실제 측정에 의한 방식에 따라 측정 영역(S)을 측정한다.

두 가지 방식에 의한 마스킹 맵 데이터가 미리 저장된 경우 두가지 방식을 선택적으로 적용하여 측정 영역(S)을 측정할 수 있다. 이 경우, 제어부는 사용자의 측정 방식의 설정에 따라 측정 방식을 결정하거나, 미리 설정된 순서에 따라 측정 방식을 결정할 수 있다.

측정 방식이 결정되면, 검출기는 미리 설정된 적어도 하나의 분할 측정 영역(S)의 측정 위치로 이동한다(370).

　검출기의 이동에 따라, 측정 영역(S)에 대한 마스킹 맵 데이터가 검출기에 전송되며, 검출기는 전송된 마스킹 맵 데이터를 기초로 활성 영역에 대한 데이터를 수집한다(380, 390).

보다 상세하게, 계산에 의한 측정 방식인 경우, 제어부는 메모리에 미리 저장된 활성 영역과 비활성 영역에 대한 데이터를 기초로 CCD에 마련된 여러 단위 소자 중 데이터를 감지할 단위 소자와 데이터를 감지하지 않을 단위 소자를 미리 결정하여, 데이터를 감지할 단위 소자만이 데이터를 감지 할 수 있도록 제어한다.

실제 측정에 의한 방법의 경우, 제어부는 메모리에 미리 저장된 활성 영역과 비활성 영역에 대한 마스킹 맵을 레퍼런스로 하여 CCD에 마련된 소자들이 감지할 데이터를 설정하여 활성 영역에 대한 데이터를 수집하도록 제어한다.

이러한 방식으로 모든 분할 측정 영역(S)에 대한 데이터가 수집되면, 제어부는 미리 저장된 측정 영역(S)에 대한 레퍼런스와 측정 영역(S)에 대한 데이터를 비교하여 측정 영역(S)에 패턴(P)이 균일하게 형성되었는지 여부를 판단할 수 있다(400, 410).

패턴(P)의 균일도 판단 원리는 전술한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

120 : 편광발생기
130 : 편광분석기
140, 210 : 검출기
150 : 구동부
190 : 기판
P : 패턴
S : 측정 영역
ES, ES' : 유효 측정 영역　

Claims

기판의 측정 영역으로 제1 광을 조사하되, 상기 제1 광은 편광된 광이고,
상기 측정 영역과 검출기의 검출 영역 사이의 방위각 만큼, 상기 검출기를 회전시킬지 여부를 판단하되, 상기 방위각은 수평 방향에 대한 기준선으로부터 상기 기판이 회전한 각이고,
상기 검출기는 상기 검출기로 입사되는 제2 광의 광축을 기준으로 상기 방위각 크기만큼 회전하되, 상기 조사된 제1 광은 비회전하며, 상기 제2 광은 상기 기판으로부터 반사된 광이고,
상기 제2 광은 편광분석기를 통과하고,
상기 검출기에 의해서, 상기 편광분석기를 통과한 광량을 측정하는 것을 포함하는,
기판의 물리적 특성을 모니터하기 위한 면측정 타원계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 검출기가 회전하는 것은, 상기 광축은 유지하고, 상기 광축을 회전축으로하여 상기 검출기가 회전하는 면측정 타원계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 광을 조사하기 전에, 상기 측정 영역의 크기 정보를 수집하는 것을 더 포함하는 면측정 타원계측 방법.
제3항에 있어서,
상기 측정 영역의 크기 정보를 수집한 후, 상기 측정 영역과 상기 검출기의 시야각 영역을 비교하는 것을 더 포함하는 면측정 타원계측 방법.
제4항에 있어서,
상기 측정 영역과 상기 시야각 영역을 비교한 후, 상기 측정 영역 중 비측정 영역인 마스킹 영역을 결정하는 것을 더 포함하는 면측정 타원계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 광을 조사한 후, 상기 제1 광의 위상을 변화시키는 것을 더 포함하는 면측정 타원계측 방법.
제1항에 있어서,
상기 검출기는 2차원 면감지 센서를 포함하고,
상기 2차원 면감지 센서의 종류는 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)를 포함하는 면측정 타원계측 방법.
활성 영역과 비활성 영역이 정의된 기판을 준비하되, 상기 활성 영역은 패턴이 형성되고, 상기 비활성 영역은 패턴이 형성되지 않고,
상기 기판으로 제1 광을 조사하되, 상기 제1 광은 편광된 광이고,
상기 활성 영역에서 반사된 제2 광을 검출하고,
상기 제2 광을 이용하여 상기 활성 영역과 검출기의 검출 영역 사이의 방위각 만큼 상기 검출기를 회전시킬지 여부를 판단하되, 상기 방위각은 수평 방향에 대한 기준선으로부터 상기 기판이 회전한 각이고,
상기 검출기는 상기 검출기로 입사되는 상기 제2 광의 광축을 기준으로 상기 방위각 크기만큼 회전하되, 상기 조사된 제1 광은 비회전하는 것을 포함하고,
상기 제2 광은 편광분석기를 통과하고,
상기 검출기에 의해서, 상기 편광분석기를 통과한 광량을 측정하는 것을 포함하는,
기판의 물리적 특성을 모니터하기 위한 면측정 타원계측 방법.
제8항에 있어서,
상기 활성 영역에 대한 정보와 상기 비활성 영역에 대한 정보를 저장하는 것을 더 포함하는 면측정 타원계측 방법.
제9항에 있어서,
상기 활성 영역에 대한 출력 정보를 제1 컬러로 저장하고, 상기 비활성 영역에 대한 출력 정보를 상기 제1 컬러와 다른 제2 컬러로 저장하는 면측정 타원계측 방법.
제10항에 있어서,
상기 검출기는 상기 제1 컬러를 감지하여 상기 제2 광을 검출하는 면측정 타원계측 방법.
제8항에 있어서,
상기 검출기는 2차원 면감지 센서를 포함하고, 상기 2차원 면감지 센서의 종류는 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charged coupled device)를 포함하는 면측정 타원계측 방법.
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