KR101457303B1 - 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3d 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 근적외선의 간섭무늬를 가시광선용 CCD카메라로 촬영하여, 웨이퍼의 3차원 정보를 한 번의 측정으로 획득할 수 있도록 함으로써, 웨이퍼의 기하학적 치수의 측정과 굴절률의 측정을 동시에 수행할 수 있도록 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치 및 방법에 관한 것으로,
상기 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 장치는, 근적외선을 방출하는 광원부;와, 상기 광원부에서 조사된 근적외선을 분할하여 기준거울과 웨이퍼를 투과한 후 측정거울에 의해 반사시킨 후 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭부;와, 상기 광간섭부에서 형성된 간섭무늬 신호를 촬영하는 카메라를 구비하여 간섭무늬 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하고, 상기 근적외선은 저 간섭성으로 상기 웨이퍼에 대하여 투과성을 가지며, 상기 카메라는 가시광선 감지소자를 구비한 카메라로 구성되어,
가시광선용 CCD카메라에 의해 간섭무늬를 촬상하도록 하는 것에 의해 웨이퍼 측정장치의 가격을 현저히 낮추며, 측정광을 비웨이퍼영역(A)과 웨이퍼영역(B)으로 분할하여 간섭무늬를 형성시키는 것에 의해 웨이퍼의 기하하적 수치 및 굴절률을 동시에 측정할 수 있도록 한다.
상기 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 장치는, 근적외선을 방출하는 광원부;와, 상기 광원부에서 조사된 근적외선을 분할하여 기준거울과 웨이퍼를 투과한 후 측정거울에 의해 반사시킨 후 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭부;와, 상기 광간섭부에서 형성된 간섭무늬 신호를 촬영하는 카메라를 구비하여 간섭무늬 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하고, 상기 근적외선은 저 간섭성으로 상기 웨이퍼에 대하여 투과성을 가지며, 상기 카메라는 가시광선 감지소자를 구비한 카메라로 구성되어,
가시광선용 CCD카메라에 의해 간섭무늬를 촬상하도록 하는 것에 의해 웨이퍼 측정장치의 가격을 현저히 낮추며, 측정광을 비웨이퍼영역(A)과 웨이퍼영역(B)으로 분할하여 간섭무늬를 형성시키는 것에 의해 웨이퍼의 기하하적 수치 및 굴절률을 동시에 측정할 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 형상, 두께, 굴절률을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종래의 접촉식 방법이나 점 측정 방식이 아닌, 근적외선의 간섭무늬를 가시광선용 CCD카메라로 촬영하여, 웨이퍼의 3차원 정보를 한 번의 측정으로 획득할 수 있도록 함으로써, 웨이퍼의 기하학적 치수의 측정과 굴절률의 측정을 동시에 수행할 수 있도록 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
임의의 웨이퍼 또는 평판을 측정하기 위한 광 계측의 중요한 역할은 정확한 표면과 두께 측정을 위한 3차원적인 기하학적인 형상을 얻는 것이다. 웨이퍼 또는 평판의 측정을 위한 광학 기술이 이용되는데, 이러한 광학 기술들을 적용하기 위해 사용되는 빛에 대한 대부분의 물질들의 굴절률이 이미 알려져 있고 균일하다는 가정에 의해 웨이퍼 등의 평판에 대한 광학적 측정 결과로부터 측정 대상물의 기하학적인 치수 및 굴절률을 추측하고 추출할 수 있다.
그러나 특정 광학 제품을 제조하기 위하여 새로운 물질을 사용하는 경우, 앞에서 언급한 광학적 측정 방법들은 알려지지 않은 광학 특성, 즉, 새로운 물질의 굴절률을 알지 못하기 때문에 기대하는 결과를 얻을 수 없다. 게다가, 굴절률은 공칭의 굴절률인 경우에도 동일한 제품을 생산하는 중에 제조과정에서 원하지 않게 포함되는 적은 양의 불순물에 의해 변할 수도 있다.
공초점 현미경과 간섭계에 기반한 다수의 연구들에서 기하학적인 치수와 굴절률을 분리해서 한 번에 측정하는 시도들이 보고되었다. I. K. Ilev는 [I. K. Ilev, R. W. Waynant, K. R. Byrnes, and J.J. Anders, "Dual-confocal fiber-optic method for absolute measurement of refractive index and thickness of optically transparent media." Opt. Lett. 27, 1693-1695(2002)"에서 유리판의 두께와 굴절률을 동시에 측정하기 위해 유리판의 양 측면에서 서로 반대 방향으로 위치하여 측정을 수행하는 이중 공초점 시스템을 보고했다.
동일한 목적을 위하여 이중의 기계적 스캐닝(주사)과 2중 구조를 적용한 저 간섭성 간섭계(law coherence interferometer)도 제안되었다. 최근에는 기계적 스캐닝을 수행함이 없이 유리기판과 실리콘 웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률의 측정의 정확성을 높이기 위해 펨토초 레이저가 사용되었다. 그러나 이러한 연구들은 측정이, 영역이 아닌 한 점에서 수행된다는 한계를 가진다.
한편, 분산형 간섭 무늬(spectral interferogram)의 푸리에 변환과 파장 스캐닝 기술이 적용된 위상 편이기술을 기반으로 하여, 유리기판과 실리콘 웨이퍼의 표면, 두께 및 굴절률을 측정하는 피조(Fizeau) 간섭계가 제안되었다. 비록 측정된 형상의 기하구조가 광학 구성요소의 표면에서의 다중 반사에 의해 제한될 수 있지만, 기하구조적인 표면 정보와 물질의 균일성 정보를 성공적으로 획득하였다.
실제로, 실리콘 웨이퍼 측정 기술은 앞서 언급한 유리 평판을 측정하는 기술들과 함께 발전한다. 실리콘 웨이퍼 측정 기술의 유리 평판 측정 기술과의 주요한 차이로는, 실리콘 웨이퍼의 측정 시에는 실리콘 웨이퍼의 광학적 투과성으로 인해 적외선 또는 근적외선이 사용되어 진다는 것이다. J. Jin과 S. Maeng은 단일 점에서 분산 간섭계에 기반한 실리콘 웨이퍼의 기하학적인 두께와 굴절률을 측정하기 위한 광원으로서 1550nm의 중심파장을 가지는 Er 펨토초 광섬유 레이저를 사용하였다. 또한, 피조형 적외선 간섭계가 실리콘 웨이퍼의 전체 두께 변화 프로파일의 측정을 위해 제안되었다.
일반적으로 물질의 특성상 실리콘은 전형적인 유리의 측정을 위해 사용하는 가시광선에 대하여 투명하지 않기 때문에, 웨이퍼의 전체 두께 변화 프로파일을 측정하기 위해서는 상술한 종래기술에서와 같이 펨토초 레이저, 또는 적외선이나 근적외선을 사용하게 된다.
따라서 종래기술의 경우 웨이퍼의 전체 두께 변화 프로파일 측정을 위해 펨토초 레이저나 적외선이나 근적외선을 사용하는 경우, 펨토초의 레이저 자체가 고가이며, 적외선이나 근적외선을 사용하는 경우에는 적외선 CCD 카메라를 사용하여야 하는데 이 또한 고가여서, 웨이퍼 측정 장치의 비용을 상승시키는 문제점을 가진다.
또한, 종래기술의 경우에는 웨이퍼의 측정 시, 광학적 두께와 굴절률은 측정하였으나, 기하학적 두께와 굴절률을 동시에 측정하지 못하는 문제점을 가진다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 근적외선과 일반적인 가시광선 CCD 카메라를 적용하여 웨이퍼 등의 근 적외선 투과성 박막체에 대한 기하학적 치수 및 굴절률을 측정할 수 있도록 하여, 웨이퍼 등의 박막체의 측정을 위한 측정 장치의 제작비용을 낮출 수 있도록 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 웨이퍼 등의 박막체의 기하학적 치수 및 굴절률을 동시에 측정할 수 있도록 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치는, 근적외선을 방출하는 광원부;와, 상기 광원부에서 조사된 근적외선을 분할하여 기준거울과 웨이퍼를 투과한 후 측정거울에 의해 반사시킨 후 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭부;와, 상기 광간섭부에서 형성된 간섭무늬 신호를 촬영하는 카메라를 구비하여 간섭무늬 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하고, 상기 근적외선은 저 간섭성으로 상기 웨이퍼에 대하여 투과성을 가지며, 상기 카메라는 가시광선 감지소자를 구비한 카메라인 것을 특징으로 한다.
상기 근적외선은 중심주파수가 950nm ~ 1110nm인 것을 특징으로 한다.
상기 웨이퍼에 조사되는 측정광의 광경로의 광영역은 상기 웨이퍼를 투과한 후 상기 측정거울에 의해 반사되는 웨이퍼영역광경로와 상기 웨이퍼를 투과하지 않고 상기 측정거울에 의해 반사되는 비웨이퍼영역광경로로 분할구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리부는 상기 웨이퍼영역광경로를 경유하는 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준광의 전면으로부터 상기 웨이퍼의 전면과 배면 및 측정거울 사이의 거리를 연산하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께를 검출하고,
상기 비웨이퍼영역광경로를 경유하는 상기 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준거울과 상기 측정거울 사이의 거리를 검출하여 상기 웨이퍼의 기하학적 두께를 검출하며, 검출된 상기 웨이퍼의 기하학적 두께와 상기 광학적 두께로부터 상기 웨이퍼의 군 굴절률을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기준거울은 상기 웨이퍼에 대한 측정 속도를 증가시키기 위한 서브 샘플 간섭신호를 생성하는 경우, 스캐닝 스텝의 크기가 650nm 이상인 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정방법은, 근적외선을 조사하는 광원부와, 빔스플리터와 기준거울과 측정거울로 구성되는 광간섭부와, 상기 광간섭부에 의해 형성되는 상기 근적외선의 간섭무늬를 촬영하여 웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률을 산출하는 신호처리부를 포함하는 웨이퍼 측정장치에 있어서, 상기 광원부에서 조사되는 근적외선을 기준광과 측정광으로 분할하는 광분할 과정;과, 상기 측정광이 상기 웨이퍼를 투과하는 웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭과정;과, 상기 광간섭과정에 의해 형성된 간섭무늬를 가시광선용 CCD 카메라로 촬영하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께와 굴절률을 측정하는 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 광간섭과정은, 상기 측정광이 상기 웨이퍼 주변의 비웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하는 과정을 더 포함할 수도 있다.
상기 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정은, 상기 웨이퍼영역광경로를 경유하는 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준광의 전면으로부터 상기 웨이퍼의 전면과 배면의 거리를 연산하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께를 검출하고, 상기 비웨이퍼영역광경로를 경유하는 상기 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준거울과 상기 측정거울 사이의 거리를 검출하여 상기 웨이퍼의 기하학적 두께를 검출하며, 검출된 상기 웨이퍼의 기하학적 두께와 상기 광학적 두께로부터 상기 웨이퍼의 군 굴절률을 검출하는 과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 본원 발명은 비도핑된 실리콘 웨이퍼에 한정되지 않고, 저 간섭성 광원인 근 적외선이 투과되는 다양한 박막체의 기하학적 치수 및 굴절률을 측정하기 위하여 적용될 수 있다.
본 발명은 가시광선이 투과되지 않으나 근적외선이 투과되는 도핑되지 않는 실리콘 웨이퍼 등과 같은 박막체의 기하학적 두께 및 굴절률을, 근적외선과 저가의 가시광선용 CCD 카메라를 이용하여 측정을 수행할 수 있도록 함으로써 박막체의 기하학적 치수 및 굴절률 측정을 위한 간섭계 및 카메라를 구비한 측정장치의 가격을 현저히 낮추는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 측정광을 웨이퍼영영과 비웨이퍼영역에서 반사되도록 한 후 비교하는 것에 의해, 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼 등의 박막체의 기하학적 치수와 굴절률을 동시에 측정할 수 있도록 하여, 종래기술의 경우 박막체의 측정 시 광학적 두께와 굴절률만을 측정할 수 있을 뿐 기하학적 두께를 측정하지 못하는 문제점을 해소함으로써, 박막체의 기하학적 두께의 측정을 현저히 용이하고 신속하게 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 마이켈슨 간섭계를 구비한 웨이퍼 측정장치의 개략적인 구성도,
도 2는 비웨이퍼영역(A)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴과, 비웨이퍼영역(B)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴을 이용하여 기준거울과 웨이퍼 전면, 배면 및 측정거울 사이의 거리 및 위치, 웨이퍼의 광학적두께를 기하학적으로 도시한 도면,
도 3은 웨이퍼영역(B)에서 측정된 웨이퍼의 전면 및 배면의 높이 분포 및 광학적 두께 분포를 나타내는 도면,
도 4는 기준광과 웨이퍼영역광경로의 측정광 및 비웨이퍼영역광경로의 측정광에 의해 형성된 간섭무늬 패턴을 나타내는 도면,
도 5는 간섭무늬에 의해 도출된 웨이퍼전면, 측정거울, 웨이퍼배면, 웨이퍼영역 광경로 상에서의 측정거울의 높이 맵(height map)을 나타내는 도면,
도 6은 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 7은 측정된 위상굴절률 곡선과 참조값 곡선의 비교 및 웨이퍼의 위상 굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 8은 기준광이 존재하는 경우와 기준광이 존재하지 않는 경우의 푸리에 변환 결과를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 비웨이퍼영역(A)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴과, 비웨이퍼영역(B)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴을 이용하여 기준거울과 웨이퍼 전면, 배면 및 측정거울 사이의 거리 및 위치, 웨이퍼의 광학적두께를 기하학적으로 도시한 도면,
도 3은 웨이퍼영역(B)에서 측정된 웨이퍼의 전면 및 배면의 높이 분포 및 광학적 두께 분포를 나타내는 도면,
도 4는 기준광과 웨이퍼영역광경로의 측정광 및 비웨이퍼영역광경로의 측정광에 의해 형성된 간섭무늬 패턴을 나타내는 도면,
도 5는 간섭무늬에 의해 도출된 웨이퍼전면, 측정거울, 웨이퍼배면, 웨이퍼영역 광경로 상에서의 측정거울의 높이 맵(height map)을 나타내는 도면,
도 6은 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 7은 측정된 위상굴절률 곡선과 참조값 곡선의 비교 및 웨이퍼의 위상 굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 8은 기준광이 존재하는 경우와 기준광이 존재하지 않는 경우의 푸리에 변환 결과를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 본원 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 마이켈슨 간섭계를 구비한 웨이퍼 측정장치의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 측정장치는, 저 간섭성 근적외선을 생성하여 광섬유(SMF)를 통해 조사하는 광원부(D)와, 광원부(D)의 조사된 빛을 기준광과 측정광으로 분할한 후 측정광을 측정대상 웨이퍼(W)에 조사하여 반사되도록 한 후 기준광과 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭부(I)와, 이미지렌즈(IL)와 가시광선용 CCD 카메라(CCD)를 구비하여 광간섭부(I)에 의해 생성된 광간섭무늬를 가시광선 영역에서 촬영한 후 신호처리를 수행하여 웨이퍼의 광학적두께, 기하학적두께, 군굴절률, 위상굴절률을 도출하고, 웨이퍼, 광간섭부(I) 내부의 반사체들의 높이맵을 생성하는 신호처리부(S)를 포함하여 구성된다.
상기 광간섭부(I)는 간섭무늬의 생성을 위해, 광원부(D)에서 조사된 저간섭성근적외선을 기준광과 측정광으로 분할하는 빔스플리터(BS)와, 기준광을 반사시키는 기준거울(MR)과 측정광을 반사시키는 측정거울(MM)로 구성되어, 상기 기준거울이 일정 스텝 간격으로 이동하며 스캐닝을 수행하는 것에 의해 기준광과 측정광의 광경로차가 간섭무늬에 대응하는 광경로차를 가지게 하여 간섭무늬를 형성한다.
상기 신호처리부(S)는 가시광선의 촬상을 위한 CCD 카메라(CCD)를 구비하여, 근적외선에 의해 형성되는 간섭무늬를 촬상하고, 신호변환기, 푸리에 변환기 등을 구비하여 촬상된 간섭무늬에 대한 신호처리를 수행함으로써, 높이맵, 웨이퍼의 광학적두께, 기하학적 두께, 군굴절률, 위상굴절률 등을 산출하도록 구성된다.
그리고 본 발명의 측정대상인 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼(W)는 측정거울(MM)의 전면에 고정된다.
상술한 구성을 가지는 웨이퍼 측정 장치는, 파장이 1㎛ 근처이며 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼(W)에서의 투과율이 0이 아니며, 전형적인 CCD 카메라 즉 가시광선용 CCD카메라에 의해 검출될 수 있는 근적외선을 사용하는 저 간섭성 스캐닝(주사) 간섭계(LCSI)를 기반으로 하는 실리콘 웨이퍼 측정 장치가 된다.
이는 실리콘 웨이퍼 측정장치의 비용 문제를 해결하기 위한 것으로, 실리콘 웨이퍼를 투과하면서도 일반 CCD 카메라에 의해 검출되는 파장 1㎛ 근처의 근적외선을 사용한 것이다. 비록 파장 범위가 일반적인 CCD 카메라에 사용되지 않으며, 감도 또한 가시광선에 비해 현저히 저하되나, 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼의 측정에 사용되기에는 충분하다. 도핑되지 않은 양면연마 실리콘 웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률 프로파일을 측정하는 상기 웨이퍼 측정장치의 광원부에서 조사되는 저 간섭성 간섭계의 근적외선 광원으로서는 중심파장이 950nm~1110nm의 중심파장이고 밴드폭이 50nm인 근적외선을 방출하는 고휘도 광다이오드(SLD: Super Luminescence Diode)가 적용될 수 있다.
그리고 광간섭부(I)의 광학적 구성은 마이켈슨 간섭계와 양면연마 실리콘 웨이퍼와 측정거울로 구성될 수 있다. 상술한 구성에 의해 기준거울(Mp)의 기계적인 스캐닝에 따라, 기준 경로와 측정경로가 같아지는 때마다 CCD 카메라가 저 간섭성 간섭신호를 촬영한다.
먼저, 상술한 구성을 가지는 웨이퍼 측정장치에서 1050nm의 근적외선을 이용한 웨이퍼의 광학적두께 및 굴절률의 측정을 설명한다.
도 2는 비웨이퍼영역(A)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴과, 비웨이퍼영역(B)에서 반사된 측정광과 기준광의 간섭패턴을 이용하여 기준거울과 웨이퍼 전면, 배면 및 측정거울 사이의 거리 및 위치, 웨이퍼의 광학적두께를 기하학적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 광간섭부(I) 내부의 측정부에서는 검출영역이 두 개로 분할되는데, 하나는 광학적 경로 상에서의 비웨이퍼영역(A)이고 다른 하나는 웨이퍼(W)를 투과하여 측정거울(MM)에서 반사되는 웨이퍼영역(B)이다.
기준거울(MR)이 기계적으로 이동되어 스캔됨에 따라, 측정거울(MM)의 위치(P1)가 비웨이퍼영역(A)에서 저간섭성 간섭계(LSCI)의 원리에 의해 결정된다. 동시에, 비웨이퍼영역(A)과 웨이퍼영역(B)에서의 각 단일 점에서의 저 간섭성 간섭신호를 나타내는 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 전면의 위치(P2)와 배면의 위치(P3) 및 웨이퍼영역에서의 측정거울(MM)의 위치(P4)가 웨이퍼영역(B)을 가로지르는 광경로 상의 측정거울(MM)의 위치와 함께 얻어질 수 있다. 여기서 N은 군굴절률이고, t는 양면연마 실리콘 웨이퍼의 기하학적 두께이다. 그리고 웨이퍼실리콘의 기하학적 치수와 굴절률 프로파일은 기준거울(MR)과 측정거울(MM)이 완전한 평면이라는 가정 하에 표 1의 웨이퍼 전체에 대한 측정값의 조합에 의해 결정될 수 있다.
| 프로파일 | 측정량의 조합 |
| L2(측정거울(MR)-웨이퍼 전면 사이의 거리 | P2 |
| Nt(웨이퍼의 광학적두께 | P3-P2 |
| t(웨이퍼의 기하학적 두께) | L1-L2-L3=P1-P2-(P4-P3) |
| N(군굴절률) | Nt/(L1-L2-L3)=(P3-P2)/[P1-P2-(P4-P3)] |
| 측정거울(MR)-웨이퍼의 배면 사이의 거리 | L2+t=P1-(P4-P3) |
LCSI에 의해 [표 1]의 측정 파라메타들이 결정되면, 위상 굴절률은 저 간섭성 간섭신호에 의해 얻어지는 비선형 스펙트럼 위상그룹 굴절률을 사용하는 그룹위상굴절과의 관계에 의해 결정될 수 있다. 도 2에서 웨이퍼영역(B) 내의 2차 저 간섭성 간섭신호가 양면연마 실리콘 웨이퍼의 확산에 의해 넓어지는 것에 의해, 신호의 푸리에 위상 내에 포함되는 비선형 스펙트럼 위상이 생성되며, 이 비선형 스펙트럼 위상의 선형회귀분석(curve fitting)에 의해 위상굴절률이 결정되며 이를 선행 연구에서 측정된 실리콘 웨이퍼의 위상굴절률과 비교할 수 있다.(M.Green. "Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300K including temperature coefficient." Solar Energy Materials and Solar Cells 92(11), 1305-1310(2008) 참조)
전체적인 측정 이전에 1㎛ 근처의 근적외선의 투과도와 표면 프로파일 측정 가능성을 475±25㎛ 두께를 가지는 양면연마 실리콘 웨이퍼를 이용하여 확인하였다. 화각은 8.3mm X 6.25mm이고 스캐닝 스텝 크기는 650nm이며, 이에 의해 측정 속도를 증가시키기 위한 서브샘플 간섭 신호가 생성되며, 이의 보정에 의해 스캐닝된 간섭무늬에 대한 신호가 얻어진다.
도 3은 웨이퍼영역(B)에서 측정된 웨이퍼의 전면 및 배면의 높이 분포 및 광학적 두께 분포를 나타내는 도면이다.
도 3에서 (a), (b) 그리고 (c)는 양면연마 실리콘 웨이퍼의 전면, 배면 및 광학적 두께 변화의 측정 결과를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼는 측정영역에서 조금씩 휘었고, 3개의 프로파일의 P-V 값은 각각 139.6nm, 181.7nm 및 159.1nm 였다. 측정결과를 확신하기 위하여, 전면, 배면 및 두께 변화 프로파일에 대응하는 10개의 연속적인 높이 맵과 평균 높이 맵 사이의 표준편차의 맵의 평균값으로부터 반복성이 계산되었다. 각각의 계산된 결과 값은 10.2nm, 16.4nm 및 11.4nm이다. 기준거울(MR) 이송을 위한 스테이지 위치에 기초하여 저 간섭성 간섭계(LCSI)에 의해 측정된 공칭 광학적두께는 1865.4㎛이다. 비교를 위하여 시중의 분광계를 사용하는 분산형 간섭계에 의해 측정된 광학적 두께는 1868.6㎛이다. 이들 사이의 차이는 대부분 스캐닝 과정에서 축적된 스캐닝 스테이지의 위치 에러의 결과이다.
다음으로 본 발명에 의한 기하학적 치수와 굴절률의 동시 측정과정을 설명한다.
도 4는 기준광과 웨이퍼영역광경로의 측정광 및 비웨이퍼영역광경로의 측정광에 의해 형성된 간섭무늬 패턴을 나타내는 도면이다.
본 발명의 평가를 위해, 475±25 ㎛의 공칭 두께를 가지며, 평판 은코팅된 측정거울(MM)의 전면에 위치되는 도핑되지 않은 양면 연마 실리콘 웨이퍼(W)의 샘플을 이용하여 실험을 수행하였다. 도 4는, 도 1에서 기준거울(MR)이 움직임에 따라 각각의 광학적 경로차(OPD)가 0에 근접할 때 생성된 저 간섭성 간섭계(LCSI)에 의한 샘플의 간섭무늬를 나타낸다. 도 4(a), (b), (c) 그리고 (d) 각각은 기준광과 실리콘 웨이퍼 전면, 측정거울(MM) 전면, 실리콘웨이퍼의 배면 그리고 실리콘 웨이퍼를 투과한 측정거울(MM)의 전면으로부터 반사되는 반사광 사이의 간섭무늬를 나타낸다. 도 4(c)와 (d) 1050nmm 파장의 빛이 가지는 실리콘 웨이퍼에 대한 낮은 투과성에 기인하여 상대적으로 간섭무늬가 선명하지 않게 나타났으나, 코렐로그램들(correlograms)은 성공적으로 얻어졌으며, 표면 프로파일이 재구축될 수 있었다.
결과적으로, 각 실리콘 웨이퍼의 각 표면 프로파일이 측정되었고, 실리콘 웨이퍼의 광학적 두께가 실리콘 웨이퍼의 양표면의 높이 맵을 이용하여 계산되었다. 또한, 전체의 측정결과의 조합이 실리콘 웨이퍼의 기하학적 두께와 군굴절률 프로파일을 제공하였다.
도 5는 간섭무늬에 의해 도출된 웨이퍼전면, 측정거울, 웨이퍼배면, 웨이퍼영역 광경로 상에서의 측정거울의 높이 맵(height map)을 나타내는 도면이고, 도 6은 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 전체 측정 결과를 요약하여 나타낸 것이다. 도 5(a)는 샘플 측정의 높이 맵들을 나타내는 것으로, 도 5(b), (c), (d) 및 (e)는 실리콘 웨이퍼 전면, 측정거울(MM), 실리콘 웨이퍼의 배면과 실리콘 웨이퍼를 통과한 측정거울의 상세한 높이 맵들을 나타낸다. 광학적 두께와 기하학적 두께 그리고 군굴절률 프로파일은 도 6(a), (b), (c) 각각에 보여 지는 전체 높이 맵들로부터 얻어졌다.
광학적 두께의 평균값의 기하학적 두께의 평균값 그리고 군굴절률은 1869.6㎛, 490.45㎛ 및 3.812였다. 이를 참조 값과 3.867과 비교하면 오차는 0.055이다. 10번의 연속적인 측정 후의 값들의 표준 편차는 4.36㎛, 2.48㎛, 0.019였다.
다음으로 양면 연마 실리콘 웨이퍼의 위상 굴절률 결정을 설명한다
도 2에 도시된 바와 같이, 기준광과 실리콘 웨이퍼의 배면으로부터의 반사광 사이의 저 간섭성 간섭 신호는 실리콘 웨이퍼에 의한 확산에 의해 넓어지며, 푸리에 도메인 내에서의 공간 주파수 (σ=2/λ)의 위상(Φ)은
[수학식 1]
Φ = - 2kn(λ)t = -2πtn(σ)σ 이다.
여기서, k는 파수이고, n(λ)는 실리콘 웨이퍼의 위상 굴절률이고, 위상굴절률은 [K. -N. Joo. "Sub-sampling low coherence scanning interferometry and its application: refractive index measurements of a Si wafer", Meas. Sci. Technol. Under review]에 의해 근적외선(NIR) 또는 적외선에서 [수학식 2]와 같이 σ의 선형 함수로 모델링될 수 있다.
[수학식 2]
n(σ) = n0 + n1(σ-σ0)
여기서, n0는 σ0에서의 위상 굴절률이다.
그리고 [수학식 1]에 [수학식 2]를 대입하는 것에 의해 [수학식 3]으로 된다.
[수학식 3]
Φ = -2πσn(σ)t = -2πt[(n0-n1σ0)σ + n1σ2]이고
푸리에 도메인 내에서의 Φ의 최소 제곱 회귀분석(The least square curve fitting)에 의해, n0와 n1을 얻을 수 있으며, 실리콘 웨이퍼의 위상 굴절률은 [수학식 2]에 의해 얻어 질수 있다. 그러나 n0는 주파수의 앨리어싱(aliasing) 현상(σ0 앨리어싱 시 변하는 현상)에 기인하는 잘못된 (n0-n1σ1) 값으로 인해 정확히 결정될 수 없다. 대신, 위상 굴절률과 군굴절률(N) 사이의 관계는 n1과 N을 연관시키는데 사용될 수 있으며, 이에 의해 n0가 결정된다.([K. -N. Joo. "Sub-sampling low coherence scanning interferometry and its application: refractive index measurements of a Si wafer", Appl. Opt.. Under review] 참조)
도 7은 측정된 위상굴절률 곡선과 참조값 곡선의 비교 및 웨이퍼의 위상 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 실리콘 웨이퍼의 특정 점에서의 파장들에 대응하는 위상 굴절률, 도 7(b)는 1050nm를 이용한 앞서 설명한 실험에서 사용된 실리콘 웨이퍼의 위상굴절률 프로파일을 나타낸다. 위상 굴절률들은 도 7(a)에서 보여 지는 바와 같이 기준 값들과 매우 가깝다. 그리고 전체 웨이퍼에 대한 평균값은 3.516 이었다. 기준 값 3.556과 비교하면 편차는 0.04이며, 편차의 가장 주된 이유는 스캐닝 스테이지의 위치 에러에 기인한다.
본원 발명의 웨이퍼 측정장치의 성능은 종래의 LCSI와 같이, 스캐닝 스테이지의 성능에 강하게 의존한다. 각 상에서의 스테이지 위치는 저 간섭성 간섭 신호의 간섭 피크와 위상 피크를 계산하는 데 중요한 파라미터이기 때문에, 고속 푸리에 변환 시의 오차를 감소시키기 위해 스캐닝 스텝이 정확하고 일정하여야 한다. 본원 발명의 실시예에서 스캐닝 스테이지(마이크로 스텝모터, 미 도시)는 개방형으로 제어되었고, 위치 값은 일반적인 값으로 선택되었다. 따라서 균일하지 않은 스캐닝 스텝의 크기와 기계적 진동이 실제의 측정값의 정확성을 감소시켰고, 광학적 두께와 기하학적 수치를 측정하기 위한 반복성이 수 마이크로미터의 차이를 발생시켰다.
반복성을 개선하기 위해서는, 스테이지의 제어에 폐회로 제어가 포함되어야 하고, 추가적인 거리 또는 변위센서가 LCSI의 정확한 위치를 제공할 수 있다. 또 다른 접근은 분산형 간섭계와 같이 스캐닝 스테이지 없이 절대적인 거리 측정 기술을 통합하는 것이다. 이렇게 조합된 시스템 내에서, 저간섭성 간섭계는 앞서 언급한 바와 같이 측정샘플의 전체 표면 프로파일을 측정하고, 분산형 간섭계(SRI)는 표면 사이의 공칭 거리를 결정한다. 결과적으로 앞서 언급한 두 가지 기술의 조합은 표면과 두께 프로파일을 동시에 측정할 수 있도록 한다. 실제로, SRI의 측정결과들은 측정시간을 감소하기 위하여 LCSI의 스캐닝 범위를 결정하기 위해 사용될 수도 있다.
도 8은 기준광이 존재하는 경우와 기준광이 존재하지 않는 경우의 푸리에 변환 결과를 나타내는 도면으로서, (a)는 기준광원이 없는 경우, (b)는 기준 광원이 있는 경우의 분산형 간섭무늬의 푸리에 변환 결과를 나타내는 도면이다.
즉, 도 8(a)와 (b)는 도1(a)의 기준광 없이 그리고 기준광을 구비하여, 샘플의 측정을 위해 시중의 일반적인 분산형 분광계를 사용하는 분산형 간섭계(SRI)에 의해 얻어진 분산형 간섭 무늬의 푸리에 변환을 나타낸다. 도 8(a)에서, 첫 번째 피크 위치는 실리콘 웨이퍼의 광학적 두께(Nt)를 나타내고, 두 개의 피크들 사이의 간격은 L3를 의미한다. P1, P3는 도 8(b)에서 두 개의 피크 위치에 의해 결정되었으며, (L1-L2)는 두 개의 위치 값으로부터 계산되었다. 실리콘을 투과한 반사광의 상대적으로 낮은 세기로 인해, P3과 P4의 피크들은 도 8(b) 내에서 명확하게 보이지 않는다. SRI의 결과에 따라, 실리콘 웨이퍼의 광학적 두께와 기하학적 두께는 1868.6㎛와 483.14㎛ 였다. 군굴절률은 3.8676 이고, 기준 값에 대한 편차는 0.0006이었다.
도 9는 본원 발명의 저 간섭성 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 9와 같이, 근적외선을 조사하는 광원부와, 빔스플리터(BS)와 기준거울과 측정거울로 구성되는 광간섭부(I)와, 이미지렌즈(IL)과 가시광선용 CCD 카메라(CCD)를 구비하여 상기 광간섭부(I)에 의해 형성되는 상기 근적외선의 간섭무늬를 촬영하여 웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률을 산출하는 신호처리부(S)를 포함하는 본원 발명의 웨이퍼 측정장치를 이용한 근적외선을 이용한 웨이퍼 측정 방법의 처리과정은, 광분할과정(S10), 광간섭과정(S20) 및 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정(S30)으로 이루어진다.
상기 관분할과정(S10)은 상기 광원부(D)에서 조사되는 근적외선을 빔스플리터(BS)에 의해 기준광과 측정광으로 분할한 후 기준거울(MR)과 측정거울(MM)로 조사하도록 한다.
상기 광간섭과정(S20)은 근적외선과 가시광선용 CCD 카메라를 이용하여 웨이퍼의 광학적두께와 군굴절률을 측정하는 과정과, 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 및 위상굴절률을 동시에 측정하는 과정들로 이루어진다.
먼저, 근적외선과 가시광선용 CCD 카메라를 이용하여 웨이퍼의 광학적두께와 군굴절률을 측정하는 과정은, 상기 측정광이 상기 웨이퍼를 투과하는 웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하는 것으로 이루어진다. 이에 의해 웨이퍼의 전면 및 배면과, 측정거울(MM)로부터 반상된 측정광이 기준광과 합성되어 서로 다른 광간섭무늬 패턴을 형성하게 이에 의해 도 3과 같이, 웨이퍼의 전면 및 배면의 표면 높이 분포 및 군굴절률 분포 프로파일을 얻는 것에 의해 광학적두께 및 군굴절률이 측정된다.
다음으로, 웨이퍼의 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 및 위상굴절률을 동시에 측정하는 과정은, 상기 측정광이 상기 웨이퍼를 투과하는 웨이퍼영역광경로와 상기 웨이퍼의 주변의 비웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하게 되어 웨이어퍼의 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 및 위상굴절률을 동시에 측정할 수 있도록 한다.
다음으로, 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정은 웨이퍼영역으로만 측정광이 조사된 경우에는 기준광과 웨이퍼영역(B)의 측정광의 간섭무늬로부터 웨이퍼의 광학적두께와 군굴절률을 산출한다.
그리고 측정광이 비 웨이퍼영역(A)과 웨이퍼영역(B)으로 분할되어 서로 다른 간섭무늬를 형성하는 경우에는 웨이어퍼의 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 및 위상굴절률을 동시에 산출한다.
이에 의해 웨이퍼를 경유하지 않은 간섭무늬에서 얻어진 기준거울(MR)과 측정거울(MM) 사이의 거리와, 웨이퍼를 경유한 측정광에 의해 형성된 간섭무늬에서 얻어진 기준거울(MR)과 웨이퍼 전면, 배면 및 측정거울(MM) 사이의 거리에 관계에 의해 웨이퍼의 기하학적 두께를 측정하고, 이로부터 군굴절률을 산출한 후 군절률로부터 위상굴절률을 산출하는 것에 의해 웨이어퍼의 광학적두께와 기하학적두께와 군굴절률 및 위상굴절률 프로파일을 동시에 측정할 수 있게 된다.
상술한 본원 발명은 한 번의 측정에 의해 도핑되지 않은 양면 연마 실리콘웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률을 측정할 수 있는 기술은 제공한다. 본원 발명은 도핑되지 않은 실리콘을 투과하며 일반적인 CCD에 의해 검출되는 1㎛ 근처 영역의 파장을 가지는 근적외선을 사용하는 LCSI에 기반한다. 본원 발명의 실시예의 설명에서와 같이, 실리콘 웨이퍼의 광학적 두께, 기하학적 치수, 군굴절률 및 위상 굴절률 프로파일들은 본원 발명의 장치 및 방법에 의해 성공적으로 획득되었으며, 편차는 0.055와 0.04였고, 이는 스캐닝 스테이지의 위치 에러에 기인하였으며, SRI와 기술들을 결합시키는 것이 측정의 정확성을 높이기 위해 논의되었다.
D: 광원부, SMF: 광케이블, CL: 시준렌즈, BL: 빔스플리터, MR: 기준거울
MM: 측정거울, IL: 이미징렌즈, W: 웨이퍼,
P1: 비웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 측정거울의 위치
L1: 비웨이퍼영역의 간섭무늬에 의한 기준거울(MR)과 측정거울(MM) 사이의 거리
P2: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼 전면의 위치
L2: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 기준거울(MR)과 웨이퍼(W) 전면 사이의 거리
P3: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼 배면의 위치
L3: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼(W)의 배면과 측정거울(MM) 사이의 거리
P4: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 측정거울(MM)의 위치
MM: 측정거울, IL: 이미징렌즈, W: 웨이퍼,
P1: 비웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 측정거울의 위치
L1: 비웨이퍼영역의 간섭무늬에 의한 기준거울(MR)과 측정거울(MM) 사이의 거리
P2: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼 전면의 위치
L2: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 기준거울(MR)과 웨이퍼(W) 전면 사이의 거리
P3: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼 배면의 위치
L3: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 웨이퍼(W)의 배면과 측정거울(MM) 사이의 거리
P4: 웨이퍼영역에서의 간섭무늬에 의한 측정거울(MM)의 위치
Claims (8)
- 근적외선을 방출하는 광원부;와, 상기 광원부에서 조사된 근적외선을 분할하여 기준거울과 웨이퍼를 투과한 후 측정거울에 의해 반사시킨 후 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭부;와, 상기 광간섭부에서 형성된 간섭무늬 신호를 촬영하는 카메라를 구비하여 간섭무늬 신호를 처리하는 신호처리부;를 포함하고,
상기 근적외선은 저 간섭성으로 상기 웨이퍼에 대하여 투과성을 가지며, 상기 카메라는 가시광선 감지소자를 구비한 카메라인 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 근적외선은 중심주파수가 950nm ~ 1110nm인 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 웨이퍼에 조사되는 측정광의 광경로의 광영역은 상기 웨이퍼를 투과한 후 반사되는 웨이퍼영역광경로와 상기 웨이퍼를 투과하지 않고 반사되는 비웨이퍼영역광경로로 분할되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 신호처리부는 상기 웨이퍼영역광경로를 경유하는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준광의 전면으로부터 상기 웨이퍼의 전면과 배면의 거리를 연산하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께를 검출하고,
상기 비웨이퍼영역광경로를 경유하는 상기 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준거울과 상기 측정거울 사이의 거리를 검출하여 상기 웨이퍼의 기하학적 두께를 검출하며, 검출된 상기 웨이퍼의 기하학적 두께와 상기 광학적 두께로부터 상기 웨이퍼의 군 굴절률을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기준거울은 상기 웨이퍼에 대한 측정 속도를 증가시키기 위한 서브 샘플링을 위한 스캐닝 스텝의 크기가 650nm 이상인 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 장치.
- 근적외선을 조사하는 광원부와, 빔스플리터와 기준거울과 측정거울로 구성되는 광간섭부와, 상기 광간섭부에 의해 형성되는 상기 근적외선의 간섭무늬를 촬영하여 웨이퍼의 기하학적 치수와 굴절률을 산출하는 신호처리부를 포함하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 방법에 있어서,
상기 광원부에서 조사되는 근적외선을 기준광과 측정광으로 분할하는 광분할 과정;과,
상기 측정광이 상기 웨이퍼를 투과하는 웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하는 광간섭과정;과,
상기 광간섭과정에 의해 형성된 간섭무늬를 가시광선용 CCD 카메라로 촬영하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께와 굴절률을 측정하는 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 광간섭과정은
상기 측정광이 상기 웨이퍼를 투과하는 웨이퍼영역광경로와 상기 웨이퍼의 주변의 비웨이퍼영역광경로로 조사되어 상기 측정거울로부터 반사되는 측정광과 상기 기준거울로부터 반사되는 기준광을 합성하여 간섭무늬를 형성하는 과정인 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 기하학적 수치 및 굴절률 산출과정은,
상기 웨이퍼영역광경로를 경유하는 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준광의 전면으로부터 상기 웨이퍼의 전면과 배면의 거리를 연산하여 상기 웨이퍼의 광학적 두께를 검출하고,
상기 비웨이퍼영역광경로를 경유하는 상기 측정광과 상기 기준광이 합성된 간섭무늬로부터 상기 기준거울과 상기 측정거울 사이의 거리를 검출하여 상기 웨이퍼의 기하학적 두께를 검출하며, 검출된 상기 웨이퍼의 기하학적 두께와 상기 광학적 두께로부터 상기 웨이퍼의 군 굴절률을 검출하는 과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 근적외선을 이용한 웨이퍼 형상, 두께, 굴절률 3D 측정 방법.
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| KR20160125795A (ko) * | 2015-04-22 | 2016-11-01 | 광운대학교 산학협력단 | 마이크로 렌즈의 굴절률 오차 검출방법 및 검출장치 |
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