원편광계를 이용한 비교형 Ellipsometry 개발

Abstract

반도체나 디스플레이 산업에서는 주로 박막 공정을 이용하여 디바이스를 제작하는데, 이때 사용하는 박막의 두께는 보통 수 내지 수십 ㎚ 정도이다. 따라서, 디바이스의 특성 유지를 위해서는 박막공정에 있어 1 ㎚ 이하의 두께 제어와 함께 박막이나 표면에 발생하는 결함을 제어해야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 우선 올바른 측정기술이 필요하다. 여러가지 미세 측정기술 중에서 ellipsometry는 0.1 ㎚ 정도의 두께 해상력을 가지며 표면상태의 변화를 민감하게 측정할 수 있는 기술이다. 또한 공기 중에서 사용 가능하며 비파괴로 측정할 수 있다는 장점이 있다. Ellipsometry는 반사 또는 투과로 인하여 발생하는 편광상태 (polarization status)의 변화를 분석하여 시편이 지닌 광특성이나 미세구조를 해석하는 기술이다. Ellipsometry에는 작동원리나 기능에 따라 null ellipsometry, phase modulation ellipsometry, single wavelength ellipsometry, real time ellipsometry, 분광 ellipsometry 등 다양한 종류가 있는데 그 중 imaging ellipsometry (IE)는 마이크론 단위의 공간 해상도를 가진 현미경을 도입하여 미세표면에 있어 균질도 분포, 광특성 균질도 확인 등의 측정에 유효하게 사용이 된다. 본 논문에서는 IE중에서도 비교형 IE에 관한 연구를 수행하였다. 일반적인 IE의 경우 1개의 시편을 측정하여 ellipsometry 값의 이미지를 측정하는 것에 비해 비교형 IE는 두개의 시편을 사용하는게 특징이다. 비교형 IE에서는 두개의 시편 (기준, 측정)을 동시에 측정한다. 두 시편이 같을 경우, 기준시편에서 발생한 빛의 편광상태의 변화가 다시 측정시편에서 반사되면서 상쇄될 수 있도록 광학계를 구성하였다. 따라서 두 시편이 다를 경우, 상쇄 정도에 따른 밝기 분포를 가진 상을 측정할 수 있으므로 불량 시편이나 표면 오염등을 검출하는데 매우 유용하다. 또한 원편광 비교형 IE에서는 modulation 과정이 없어 측정속도가 매우 빠르다는 장점이 있다. 본 논문에서는 원편광계를 이용한 비교형 IE에 관한 연구를 수행하여 시스템의 광학계 구성과 그 특징을 기술하였다. 원편광 광학계와 polarization rotator를 이용하면 두 시편의 입사면을 통일하고 또한 입사면에 따른 방위각의 영향을 받지않기 때문에 광부품들의 정렬이 간편한 장점이 있다. 또한 원편광 비교형 ellipsometry에서 간단히 정리가 되는 normalization기법을 통해 광부품에서 기인하는 defect를 제거할 수 있다.; Thin-film processes are used in semiconductor device and display manufacturing industries. In many cases, the thickness can be as thin as few 􀻂. In order to maintain device characteristics, we need to control the thickness of film down to 0.1 􀻂 and control even small defects on film or surface. For this, we need to use proper metrology techniques. One of them is ellipsometry and it has 0.1 􀻂 thickness resolution and it’s sensitive to the variation of surface. Also it can be used in various environments in a nondestructive way. Ellipsometry is a technique that characterizes the microstructure or optical property of samples by analyzing the changes in polarization states upon reflection from samples. There are various of ellipsometries such as null ellipsomtery, phase modulation ellipsometry, single wavelength ellipsometry, real time ellipsometry and spectroscopic ellipsometry. They have different operation principle and function. Among them, imaging ellsipometry (IE) is equipped with microscope and camera IE has spatial resolution in microns. It can be used to measure thickness uniformity of thin film or optical homogeneity of surface. In this work, we study a comparision IE. Conventional IE measures one sample to get ellsipometrics image. Meanwhile a comparison IE measures two samples for comparison. In the comparision IE, when the two samples (referene sample and test sample) have same optical characteristics, the change in polarization state upon reflection from the reference sample will be completely compensated by those by the test sample. This becomes a null state. On the other hand, if the two surfaces are different, a net change of polarization state remains from the two reflections, which leads to an off-null state. Therefore, it is useful to detect the point-to-point difference between the two samples. Moreover, it doesn’t require modulation step and thus, measurement speed is very fast. In this work, optical system’s configuration of system and characteristics of circular polarization comparision IE are described. In this system, alignment of the optical components is very easy because two samples share a common incidence plane. Also there are no alignment process for the azimuth angles of polarization rotator and circular polarization system. Moreover, artifacts from optical components such as vignetting can be removed by normalization technique. We applied this comparison IE to monior the annealing process of Indium oxide (InOx) thin film and found that real-time measurements are possible to visualize the temperature dependent crystallization.