미세 패턴의 박막 두께와 광학 상수 측정을 위한 마이크로 분광 타원계 개발

Abstract

In Display and semiconductor industry, the importance of micro-nano pattern metrology is highlighted as the production process becomes highly integrated. Nowadays, the measurement demands not only requires the thickness of thin-film but also the optical constants. Recently, Ellipsometry is the best and the most commonly used instrument to measure the thickness and the optical constants of the thin-film samples. However, Ellipsometry still carries a limitation

if Ellipsometry uses multiple high-resolution lenses for the spot size due to its oblique incident beam, a risk of collision between the sample and the instrument rises. To overcome this limitation, a research of a micro-ellipsometry which uses vertical incident beams has been conducted. In this case, it may minimize the measuring spot size by using vertical incidence, however, the measurement resolution is still large due to single wavelength light source. To improve existing limitations, this research develops a micro-spectroscopic ellipsometry by using a multi-wavelength light source. This method combines a vertical incident light and conoscopy method to decrease the spot-size up to 60um. At the same time, the multi-wavelength light source in a range of 400~800nm increases the measurement resolution by sensitively detecting the change of signals according to the change in material properties of the thin-film. This research introduces a method to analyze the ellipsometry parameters by modeling the measured signals, and multiple variables are implemented to the equation to correctly model signals as the measured ones. A fitting algorithm which enables to precisely calculate the thickness and the optical constants at the same time is developed. Tests are conducted on the SiO2 on Si, SiNx on Glass, and a-si on Glass samples with a thickness range of 500Å ~ 1.1um, and the results has been verified by comparing with the results of a conventional ellipsometry. The thickness measurements have 1.59% accuracy and 2.1Å 3σ repeatability, and the optical constant measurements have 1.31% accuracy and 0.0026 3σ repeatability.

디스플레이 및 반도체 산업에서 공정이 갈수록 고 집적화됨에 따라 미세패턴의 박막 측정 수요가 발생하고 있다. 여기서는 박막의 두께 측정 뿐만 아니라 박막의 성능을 검증하기 위한 광학 상수의 측정 또한 요구 되고 있다. 산업에서 박막 측정에 사용되는 최고 성능 장비는 타원계이다. 하지만 빛을 비스듬하게 입사 시켜야 되기 때문에 고 배율 렌즈를 조합 할 경우, 충돌 위험성으로 인해 측정 영역을 줄이기 힘든 문제가 있다. 이를 해결 하기 위해 수직 입사 방식을 이용한 마이크로 타원계의 연구가 진행 되었다. 이는 측정 영역을 줄이는 데는 용이 했지만 지금까지는 단파장 광원만 사용이 가능했기 때문에 측정 분해능이 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제들을 개선 시키기 위해 다파장 광원을 사용할 수 있는 마이크로 분광 타원계를 구성하고 제작 했다. 빛의 수직 입사와 코노스코피 방식을 조합해 직경 60um의 미세 영역을 측정 할 수 있는 동시에, 400 ~ 800nm 영역의 다파장 데이터 사용으로 박막 특성 변화에 따른 신호 변화의 민감도를 향상 시켜서 측정의 분해능을 향상시켰다. 광학계의 측정 신호를 모델링하여 타원 파라미터를 분석 할 수 있는 방법을 제시 했으며 여러 요인을 분석하여 모델링 신호의 오차 보정을 실시 하였다. 그리고 두께와 광학상수를 동시에 정확히 산출 할 수 있는 피팅 알고리즘을 완성하였다. 산업 현장에서 실제 생산되는 500Å ~ 1.1um 두께 범위의 SiO2 on Si, SiNx on Glass, a-si on Glass 샘플에 대해 두께 및 광학 상수 측정 테스트를 했으며 기존의 고성능 분광 타원계와 비교하여 측정 성능을 검증했다. 두께의 경우 최대 정확도 1.59%, 3σ 반복도 2.1Å이 나왔고, 굴절률의 경우 최대 정확도 1.31%, 3σ 반복도 0.0026이 나왔다.