원형 편광을 이용한 고속 이미징 엘립소미트리 개발

Abstract

최근 반도체 및 디스플레이의 주요 소자는 대부분 박막의 형태로 제작되고 있다. 이 경우 박막이나 표면에 생기는 결함이나 변화는 소자의 특성에 영향을 미친다. 따라서 재현성을 가지도록 박막의 특성을 제어하는 일이 매우 중요한 사항이 되고 있다. 이러한 박막이나 표면의 특성을 제어하기 위해서 제작 시에 발생하는 결함이나 변화를 빠르게 측정하고 이를 효과적으로 분석할 수 있는 분석법이 필요하다. 다양한 분석법 중 ellipsometry는 박막 시편에 대한 두께 해상도가 수 Å단위로 정밀하기 때문에 박막 구조 측정이나 광특성 조사에 매우 유용하다. 공간적 분포로써 시편을 측정할 수 있는 광학 현미경과 두께 및 광특성을 측정하는데 우수한 ellipsometer를 결합함으로써 두 장비의 장점을 지닌 현미경을 도입한 imaging ellipsometer (IE)의 기술을 이용할 수 있다. 기본적인 IE의 구성으로는 null ellipsometry의 형태가 주로 사용되는데, 이는 빛의 최소 밝기의 부분을 찾아가야 하기 때문에 측정 속도가 느릴 수 밖에 없는 단점이 있다. 본 연구에서는 마이크론 단위의 공간 해상도를 가진 현미경을 이용하며 측정속도가 개서되어 실시간으로 측정이 가능한 circular polarization imaging ellipsometer (CPIE)를 개발하고 접목시킴으로써 생물학 분야, 반도체 소자 검사 분야, 디스플레이 산업 분야 등에 활용하고자 한다. 본 연구에서 개발한 CPIE에 대해 평가를 하기 위해서 c-Si wafer를 기준 시편으로 하여 사입사에 따른 초점심도의 차이로 발생되는 ellipsometry적인 요소의 이미지화에 대한 오차를 평가하였으며, 40 ㎛의 line-and-space 패턴을 가진 시편을 이용하여 공간 해상도 및 두께 분포에 대해서 평가하였다. Thin film transistor (TFT)나 organic light-emitting diode (OLED)에서 주로 사용되는 excimer laser annealing (ELA)을 이용한 amorphous silicon (a-Si)의 결정화에 대한 측정을 통해 디스플레이 및 반도체 산업에 있어서의 응용 가능성에 대해서 살펴보았다.| Imaging ellipsometry is useful when one wants to investigate a microscopic distribution of optical or structural properties on surface. Data acquisition speed of imaging ellipsometer depends on its operation mode. Null mode is popular, because a single image of off-null signal provides microscopic areal information. If one wants more quantitative analysis on image, any conventional single-wavelength operation mode can be adopted in conjunction with imaging optics and two-dimensional array detectors. In both cases, however, modulation process is required. In this work, we show an imaging ellipsometer which consists of a circular polarizer and a circular analyzer. This system collects an image of cosΔsin2Ψ, which can be analyzed if one wants. Both polarizer and analyzer are fixed during operation and no azimuthal calibration is required, because both elements are circular type. The image of cosΔsin2Ψ is deduced from the difference of two intensity images collected by switching the handiness of one of the elements. Here, one can employ a single imaging detector or two imaging detectors to collect two intensity images. In best case, the image of cosΔsin2Ψ can be collected in ㎳, which can be useful to observe temporal behavior of surface. In this work, we show the details of the system.; Imaging ellipsometry is useful when one wants to investigate a microscopic distribution of optical or structural properties on surface. Data acquisition speed of imaging ellipsometer depends on its operation mode. Null mode is popular, because a single image of off-null signal provides microscopic areal information. If one wants more quantitative analysis on image, any conventional single-wavelength operation mode can be adopted in conjunction with imaging optics and two-dimensional array detectors. In both cases, however, modulation process is required. In this work, we show an imaging ellipsometer which consists of a circular polarizer and a circular analyzer. This system collects an image of cosΔsin2Ψ, which can be analyzed if one wants. Both polarizer and analyzer are fixed during operation and no azimuthal calibration is required, because both elements are circular type. The image of cosΔsin2Ψ is deduced from the difference of two intensity images collected by switching the handiness of one of the elements. Here, one can employ a single imaging detector or two imaging detectors to collect two intensity images. In best case, the image of cosΔsin2Ψ can be collected in ㎳, which can be useful to observe temporal behavior of surface. In this work, we show the details of the system.