Micro-spot Ellipsometry 개발

Abstract

Ellipsometry는 약 130년 전부터 사용되어 온 오래된 기술이지만, 최근에 각종 분야에서 더욱 얇아진 박막과 다양해진 재료들을 사용함에 따라 그 응용이 더 활성화 되고 있다. 이 기술은 시편에서 반사되는 빛의 편광 상태를 분석하여 물질의 광특성 (n, k)이나 박막의 두께를 추출한다. 반도체, 디스플레이 등의 공정 분야에서 사용되는 박막은 두께가 매우 얇고 미세 패턴 형태로 제작되고 있다. 실제 공정에서 제작되는 패턴의 크기는 수 nm~수 μm이다. 일반적인 ellipsometry는 빔의 크기가 수 mm 정도 되기 때문에 이러한 미세 패턴 박막의 두께 및 광특성을 직접 측정하는 것은 불가능하다. 하지만 시편의 여유공간에 적정크기의 test pad를 만들거나 수십 μm 폭을 가진 scribe line 등에 증착된 박막을 이용하되 ellipsometry의 빔 크기를 그에 맞게 줄이면 간접적이나마 박막의 두께 및 광특성을 측정할 수 있다. 그렇지만 이런 여분의 공간마저도 수율 향상을 위해 점차 줄여나가고 있는 실정이다. 따라서 본 연구를 통하여 이러한 미세 영역을 측정할 수 있는 micro-spot 분광 ellipsometry와 고속 imaging ellipsometry (IE)를 개발하고 여러 분야의 산업에 응용하고자 한다. 미세 영역을 측정하기 위해서는 ellipsometry의 공간 해상도가 중요하다. 분광 ellipsometry는 빔 spot 크기에 따라 공간 해상도가 결정되는데, 여러가지 광학적인 제한 요소들로 인하여 spot 크기를 축소시키는데 한계가 있다. 그에 반해 IE의 공간 해상도는 pixel의 크기와 광학계의 배율에 의해 결정되기 때문에 수 μm까지 측정이 가능하다. 하지만 전체 pixel 수가 수십 만 개 이상이기 때문에 측정 속도가 느리며, 단파장으로 운영되기 때문에 분광 ellipsometry에 비해서는 추출할 수 있는 정보가 제한적이다. 본 연구를 통해서 위와 같은 문제점들을 점검하고 그 해결방안을 제시하고자 한다. 분광 ellipsometry의 경우 spot의 크기를 축소시키기 위해 focusing 렌즈와 reflective objective를 이용하여 연구를 진행하였다. Focusing 렌즈를 이용한 분광 ellipsometry는 색수차로 인하여 빔 spot 크기를 줄이는데 제한적 요소로 작용했으며, 최적화시켰을 때 약 250-850 nm 영역에서 약 80 μm (장축) 크기의 빔 spot을 구현할 수 있었다. 한편, reflective objective를 이용한 분광 ellipsometry에서는 색수차가 없어 30 μm 이하의 빔 spot 크기를 구현할 수 있었다. 하지만, 이 경우는 다수의 거울로 구성되어 있기 때문에 거울 반사에 따르는 편광 오차가 발생하여, 이를 진단하고 보정시키는 방법의 개발이 필요하였다. IE의 경우 측정 속도를 향상시키기 위해 원형 편광을 이용한 IE를 개발하였는데, 이 방식을 이용할 경우 측정 시 입사면 calibration이 불필요할 뿐 아니라 측정 속도를 수 초 이내로 감소시킬 수 있었다. 아울러 기준 시편과 측정 시편의 비교를 통하여 차이 정보를 추출할 수 있는 비교형 IE를 개발하였는데, 이 방법을 사용하면 두 시편의 광특성이 같을 경우 자동 nulling이 되므로 광특성의 차이가 나는 부분만 이미지로 나타나기 때문에 defect 검출 등에 유용하게 사용될 것으로 여겨진다. 특히 이 방식은 측정을 위해 움직여야 할 광학 부품이 없기 때문에 초고속 이미지 추출이 가능하다. 본 연구를 통해서 개발한 micro-spot 분광 ellipsometry와 다양한 IE를 실제 산업 분야에서 효과적으로 적용하기 위해 여러가지 응용 사례를 제시하였다. 또한 기초적인 지식만을 갖춘 사용자들도 편리하고 유용하게 사용할 수 있도록 개발을 진행하였으며, 실제 공정에 적용시켜 수율 향상이나 공정제어에 응용 가능하도록 실용적인 측면도 연구 개발 과정에 고려하였다.