분광 신호의 고주파 변조 및 선별적 계측을 이용한 마이크로 스팟 동축 분광 스냅 샷 엘립소메트리

Abstract

본 논문에서는 엘립소메트리를 산업 현장에 적용하기 위해, 미세 패턴의 두께 측정이 가능한 동축 분광 스냅 샷 엘립소메트리를 제안하였다. 세부적으로는 디스플레이 및 반도체 산업에서 엘립소메트리를 이용한 두께 측정에 요구되는 편광 변조부 구동 없는 빠른 측정, 동축 광학계 구성을 통한 장비 운용의 편의성 증대, 작은 측정 영역(Spot size), 그리고 분광 신호 획득을 통한 두께 측정의 모호성 해결이라는 네 가지 수요를 충족하는 엘립소메트리를 개발하는 것을 연구 목표로 하였다. 연구 목표를 달성하기 위해 대물렌즈의 후초점면 특징을 이용해 동축 광학계 구성에서 경사 입반사 신호를 획득하는 방법을 제안하였고, 저배율 대물렌즈와 조리개로 구성된 조명부를 설계하여 작은 스폿 사이즈를 만들 수 있는 광학계 구조를 설계하였다. 또한, 다차 위상 지연자를 사용해 엘립소메트리 신호를 파장 공간상의 고주파 신호로 변조하고, 후초점면의 특정 영역에서 분광 신호를 계측하여 시료의 분광 편광 특성을 단일 샷(Snap-shot, one-shot)만으로 측정하는 방법을 고안하였다. 본 논문에는 엘립소메트리 설계 과정과 신호 모델링 방법을 상세히 기술하였으며, 엘립소메트리 설계를 최적화 하는 방법과 시제품 제작 과정에서 광학 부품의 정렬 방법, 측정 신호의 오차 보정 방법 등을 기술하였다. 제안한 엘립소메트리 기술의 측정 성능은 단층막과 다층막 두께 시료를 측정하고 그 결과를 Reference ellipsometer와 비교하여 검증하였다. 연구 결과, 다차 위상 지연자를 통해 편광 변조부의 구동 없이 단일 샷 측정만으로 엘립소메트리 측정이 가능했으며, 이를 통해 1초 이내의 빠른 측정 시간과, 0.06 nm 이하의 높은 두께 측정 반복도를 달성할 수 있었다. 또한 동축 광학계 구성과 대물렌즈의 후초점면 특징을 이용하여 컴펙트한 하드웨어 구성에서 장비 동작의 편의성을 높였으며, 고배율 대물렌즈를 적용하고 조명단을 최적화 하여 스폿 크기를 5.215 µm 수준으로 줄여 미세 패턴 측정이 가능 하도록 하였다. 또한, 분광 신호를 획득함으로써 두께 측정의 모호성을 해결하고 그 결과 3.87 nm 의 정확도와 0.9999 이상의 R2 선형성을 갖는 측정 장비를 개발할 수 있었다. 본 기술이 향후 고속, 고정밀, 고정확 측정이 필요한 다양한 산업 분야에 활용되기를 기대한다.

In this research, to apply ellipsometry to industrial sites, co-axial spectroscopic snap-shot ellipsometry that can measure the thickness of fine patterns is proposed. In detail, the requirements for thickness measurement using ellipsometry in the display and semiconductor industries; snap-shot measurement without driving the polarization modulator, increased convenience of operation through co-axial optical system configuration, small spot size, and acquisition of spectral signals are solved. To solve them, a method of acquiring an oblique incident signal in a co-axial optical system configuration using the features of the back focal plane of an objective lens, and an optical system capable of creating a small spot size by designing an illumination unit composed of a low magnification objective lens and aperture, were proposed. In addition, a method to measure the spectroscopic polarization characteristics within a single shot (Snap-shot, one-shot) was implemented by a multi-order retarder, which modulates the ellipsometry signal into a high-frequency signal in the spectral domain, and by measuring the spectral signal in a specific area of the back focal plane. In this paper, the ellipsometry design process and signal modeling method are described in detail, and the method of optimizing the ellipsometry design, the alignment method of optical components in the process of manufacturing a prototype, and the error correction method of the measurement signal are described. The measurement performance of the proposed ellipsometry was verified by measuring single layer and multi-layer thickness samples and comparing the results with a reference ellipsometer. As a result, it was possible to measure ellipsometry with only a single shot measurement without driving the polarization modulator through a multi-order phase retarder. Through this, a fast measurement time of less than 1 second and a high thickness measurement repeatability (3STD) of less than 0.06 nm was achieved. In addition, by using the co-axial optical system configuration and the features of the back focal plane, the convenience of operation has been improved in a compact hardware configuration, and the spot size has been reduced to 5.215 µm level by applying a high magnification objective lens and the optimized illumination design. In addition, by acquiring the spectral signal, the ambiguity of the thickness measurement was solved, and as a result, it was possible to measure the thickness of the layer with an accuracy of 3.87 nm and a R2 linearity of 0.9999. I expect this technology to be used in various industrial fields that require high-speed, high-precision, and high-accuracy ellipsometric measurements in the future.