박막의 실시간 타원계측을 위한 초점형 환상(環狀) 측정 방법에 대한 연구

Abstract

반도체와 평판 디스플레이 산업에서 일반적인 제조 공정은 실리콘 혹은 투명 유리 기판 위에 반도체 혹은 금속성 박막을 증착하고 식각하는 연속적인 과정들로 이루어져 있다. 이러한 박막들의 두께와 광학 상수 등을 측정하고 모니터링하는 것은 제품의 수율과 품질을 높이는데 밀접한 관련이 있다. 수많은 광학 측정 기법들 중에서, 특히 타원 계측기는 높은 정확도와 정밀도를 지니고 박막의 광학적인 특성들을 측정해 낼 수 있는 기기이다. 하지만, 최근 이러한 박막들의 적층되는 구조가 더욱 복잡해지고 선폭이 좁아짐에 따라 기존의 타원 계측기는 측정 영역보다 큰 측정광의 크기로 인해 그 한계에 직면해 있다. 따라서 본 논문에서는 큰 개구수를 가지는 대물 렌즈를 이용한 초점형 타원 계측법에 대해 논의하고자 한다. 대물 렌즈를 사용한 이유는 크게 2가지로 요약할 수 있는데, 첫 번째는 앞서 언급한 바와 같이 시료 표면에 측정광으로 입사하는 광의 크기를 줄이기 위한 것이며, 두 번째는 다중 입사각에 대한 타원 계측 상수를 획득하기 위한 것이다. 입사광이 대물 렌즈를 통과하고 난 뒤, 렌즈에 의한 입사면의 회전 효과로 인해 본 연구에서 제안한 초점형 타원 계측기에서는 기계적인 회전이 전혀 없어도 된다. 이것이 박막의 광학적 물성치를 실시간으로 측정할 수 있는 핵심 원리라고 할 수 있다. 타원 편광 상수 $\Psi$와 $\Delta$의 획득은 2차원 광 검출기에서 얻어진 대물 렌즈의 출사동 이미지에서 동일한 반경(동일 입사각)에 위치한 광량을 360$^\circ$만큼 획득하여 푸리에 연산을 통하여 얻을 수 있다. 또한 신호 획득 반경을 달리하여 얻어진 광량 정보를 위와 동일한 과정으로 서로 다른 입사각에 대한 타원 편광 상수를 얻을 수 있게 되는 것이다. 초점형 타원 계측기를 구성하고 난 뒤 실리콘 기판 위에 도포된 $SiO_2$ 박막 시료를 측정한 결과 이론값과 많은 차이를 보임을 알 수 있었다. 이러한 오차는 광학 소자의 복굴절 효과와 대물 렌즈에 의한 급격한 입사각 변화에 기인한 것으로 보인다. 전자는 대물 렌즈 내부에는 많은 렌즈들로 구성되어 있는데 이를 고정시키기 위한 외부 틀에 의해 렌즈 내부에 발생하는 복굴절 현상에 의한 것이며, 후자는 대물 렌즈를 투과하는 광의 p-파와 s-파의 서로 다른 투과 특성에 의한 것이다. 이러한 오차 요인들을 보상하게 위해 p-파와 s-파의 투과 계수비를 $\varepsilon$으로, 복굴절의 효과를 $\delta$라는 새로운 보정 계수들로 각각 정의하였다. 이러한 보정 계수값을 결정하기 위해 기준 시료로 $SiO_2$ 투명 박막의 서로 다른 두께 시료 2개를 선정하여 실험에서 얻어진 푸리에 계수와 보정된 이론식에서 계산된 푸리에 계수 사이의 최소 자승값을 계산하여 보정 계수값들을 선정하였다. 이렇게 구해진 보정 계수값들을 이용하여 다른 두께의 $SiO_2$ 투명 박막 시료와 $Si_3N_4$ 시료에 대한 두께 측정 결과를 통하여 앞서 제안한 초점형 타원 계측기의 측정 정확도를 검증하였다.