Region Classification and Thin-film Thickness Measurement Using Color Camera Imaging Mueller Matrix Ellipsometry

Abstract

타원계는 광학 측정 방식으로 반도체, 디스플레이 공정 검사에서 비접촉, 비파괴, 신속 측정이 가능한 장점이 있다. 분광 방식의 경우 높은 파장 해상력을 통해 높은 정밀도를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 단일 영역 측정 한계와 좁은 영역의 측정이 불가능하며 측정 영역 내의 모호성 문제가 있다. 2D CCD를 이용한 이미징 방식의 측정 방법은 공간 해상력을 픽셀 수준까지 높일 수 있어 많은 연구가 진행되었다. 기존의 단파장 이미징 방식은 파장 데이터의 부족으로 측정 모호성이 있으며, 다파장 이미징 방식의 경우 파장을 바꾸는 과정으로 인해 측정 시간이 길다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 컬러 카메라를 이용한 이미징 뮬러 행렬 타원계를 이용하여 문제를 해결한다. 추가적으로 이미징 방식의 경우 이미지 영역 전체 픽셀 분석의 경우 많은 시간이 걸려 불가능한 문제가 있다. 이 문제를 제안하는 클러스터링 방식을 사용하여 해결하고자 한다. 연구에 사용되는 컬러 카메라는 베이어 필터로 인해 여러 파장의 뮬러 행렬이 중첩된 결과가 측정되게 된다. 따라서 광대역 파장 필터에 적용할 수 있는 필터의 투과도를 고려한 새로운 뮬러 행렬 식을 제안한다. 제안한 방식을 이용하여 두께 측정을 진행하고, 검증된 하드웨어로 측정된 결과와 비교하여 검증하였다. 연구에 사용된 클러스터링 방법을 통해 이미지 영역을 비슷한 뮬러 행렬을 갖는 영역끼리 분류하였고, 분류한 영역의 평균 두께를 측정하였다. 각 클러스터 내의 표준편차를 확인하여 평균값이 클러스터를 대표할 수 있음을 확인하였다.

The ellipsometer, one of the optical measurement systems, are widely used because of the advantages of non-contact, nondestructive and rapid measurement. the spectroscopic method has the superiority of high precision because of high wavelength resolution, but the system can not measure narrow areas and has ambiguity in the measurement area and a limit for measuring only a single area. Imaging systems using 2D CCD are a technique to increase spatial resolution to pixel levels. Traditional monochromatic imaging methods have uncertainty in measurement because of the lack of wavelength data, and multi-wavelength imaging methods have long measurement time due to wavelength changes. In this study, A color camera imaging Mueller matrix ellipsometer is proposed to solve the problem. Further, imaging methods have a problem that takes a long time to analyze the entire pixel of an image, and a clustering method is proposed to solve the analysis time problem. The measured data with the color camera is the result of a superposition of different wavelengths due to the Bayer filter. Therefore, a new Mueller matrix equation is proposed considering the transmittance of the filter that can be applied to a broadband wavelength filter. Thickness measurements were implemented using the proposed method and verified by comparing with the measured results with validated hardware. Through the clustering method used in the study, the image was classified into regions having similar Mueller matrices, and the average thicknesses of each class were measured. By examining the standard deviation within each cluster, we have verified that the mean of the Mueller matrix of the class can represent the class