KR101085014B1

KR101085014B1 - 광학식 표면 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101085014B1
Application number: KR1020090017175A
Authority: KR
Inventors: 이승엽; 김경업; 김재현; 조규만; 박영규
Original assignee: 연세대학교 산학협력단; 서강대학교산학협력단
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-11-21
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: US20100220337A1; JP2010204085A; US8289525B2; KR20100098152A

Abstract

본 발명은 광학식 표면 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 측정대상물의 표면에서 각 지점의 미세한 높이변화(단차)나 돌출, 요입, 표면손상, 표면거칠기 등의 표면 상태를 광학식으로 정확히 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기존 간섭계의 2π-모호성과 포커스 에러 시그널의 한계를 극복하기 위해 간섭계의 신호 및 PSD(Position Sensitive Detector)의 포커스 에러 시그널을 함께 이용함으로써, 측정대상물의 미세한 표면 상태를 보다 정확히 측정할 수 있는 광학식 표면 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

간섭계, PSD, 포토다이오드, 비점수차, 포커스 에러 시그널, FES

Description

광학식 표면 측정 장치 및 방법{OPTICAL SURFACE MEASURING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 광학식 표면 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측정대상물의 표면에서 각 지점의 미세한 높이변화(단차)나 돌출, 요입, 표면손상, 표면거칠기 등의 표면 상태를 광학식으로 정확히 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 광학부품이나 웨이퍼, 유리제품 등의 제조시 제작된 광학부품의 형상을 측정하기 위하여 간섭의 원리에 기초한 피조 간섭계, 점회절 간섭계 등이 사용되고 있다.

이러한 간섭계를 통한 광학식 측정 장치는 측정대상물 표면의 높이변화(단차)를 정밀하게 측정할 수 있지만, 일반적으로 간섭 현상으로 인하여 측정 가능한 높이는 아무런 보정없는 상태에서는 파장(λ)의 1/4까지만 측정 가능하다.

예를 들어, 632 nm 파장의 헬륨 네온 레이저의 경우는 대략적으로 150 nm 근 처에서 한계점이 발생하며, 150 nm 근처의 높이마다 첨부한 도 7에서 보는 바와 같이 반복되는 패턴이 나타남을 확인할 수 있는데, 이러한 현상을 2π-모호성이라고 한다.

이하, 반사형 간섭계에서 위상과 거리 관계 및 2π-모호성에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 8에 나타낸 임의의 측정대상 시편에서 기준면(단차 기준 = 0 nm)을 잡고 간섭계로 측정하면 간섭신호는 신호 빛과 참조 빛의 함수로 나타내지는데, 일반적으로 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, I_Sig, I_ref는 신호 빛과 참조 빛의 세기(intensity)(즉,

,

)를 나타내고, Φ는 시스템에 의해 주어지는 위상차로 상수값이며,

는 시편 면에서 반사되어 나오는 신호 빛과 참조 빛의 광 경로차를 나타낸다.

또한 광 경로차에 의해 주어지는 간섭신호의 위상차와 거리변화(혹은 단차) 사이에는 아래의 수학식 2와 같은 관계가 성립된다.

반사형 간섭계로 시편의 표면변화, 즉 단차를 측정할 경우에 공기의 굴절률은 1이고, 상대적 위상차는 표면으로 입사할 때와 나올 때 두 번의 광 경로 차이를 느끼게 되므로 2배의 광 경로차를 가지게 된다.

즉, 도 8에서 단차가 없는 지점은 단차가 있는 지점에 비해 기준면으로 들어갈 때와 반사되어 나올 때 각각 광 경로차가 발생하므로 실제 반사형 간섭계에서 측정되는 광 경로차는 실제 단차의 2배가 된다.

따라서, 반사형 간섭계의 경우 위상차에 따른 거리변화(혹은 단차)는 위상변화가 2배가 되어 아래의 수학식 3과 같다.

또한 첨부한 도 9는 간섭신호(간섭계 신호를 오실로스코프로 측정한 값)를 보여주는 도면으로서, 도 9의 (1)에 나타낸 바와 같이 간섭신호가 사인(sine)파 형태이므로 주기 2π마다 반복되는 것을 알 수 있는데, 결국 반사형 간섭계의 경우

의 최대값이 π가 되어 측정할 수 있는 최대 거리변화는 λ/4가 된다. 이러한 현상을 2π-모호성(모호성)이라 한다.

간섭계를 통해 측정된 도 9의 (1)과 같은 간섭신호를 위상-거리변화 식을 이용하여 계산하면 도 9의 (2)와 같은 거리변화로 나타낼 수 있다. 도 9의 (2)는 간섭계 신호를 계산을 통해 시간에 따라 거리변화로 바꾼 값을 나타낸다.

일반적으로 임의의 시편에서 측정하는 지점과 지점 간의 거리를 최소화하면 간접적으로 단차가 매우 작게 되므로, 이러한 방법을 통해 거리변화가 λ/4 이하인 경우로 간주하여 도 9의 (2)와 같은 거리변화를 프로그램을 이용해서 도 9의 (3)과 같이 언랩핑(unwrapping)할 수 있다.

이러한 과정을 위상 펴기(phase unwrapping)라고 한다. 그러나, 매우 작은 측정 간격을 유지하더라도 거리변화(혹은 단차)가 급격하게 λ/4 이상인 지점을 측정할 경우에는 위와 같은 과정을 거치더라도 λ/4 이하의 변화만을 감지하게 된다. 즉, 몇 번째 주기인지를 확인할 방법이 없게 되는 것이다.

현재 상기한 바의 2π-모호성을 극복하기 위한 다양한 연구 및 방법이 제시되었으며, 그 중에서 가장 큰 범위까지 측정 가능한 방법의 경우에 최대 측정범위가 10 ㎛에 달한다.

기존의 최대 10 ㎛까지 측정 가능한 종래의 방법을 첨부한 도 10을 참조로 간단히 설명하면 다음과 같다.

측정지점에서 광량을 측정하면 광량의 세기는 도 10의 좌측 도면과 같이 나타나는 바, 선형 구간을 일정하게 측정하면 반복되는 간섭신호에 일정한 기울기를 지닌 선이 지나가게 되고, 이때 같은 빛의 세기가 측정되는 곳의 숫자가 몇 번 반복된 후에 간섭 현상인지를 알 수 있게 해준다.

그러나, 이러한 기존의 방법은 초점 지점에서 측정이 불가능하기 때문에 실제로는 사용하기 불편하고, 최대의 측정 가능 범위도 10 ㎛ 정도까지 밖에 측정되지 않는 단점이 있다.

또한 포커스 에러 시그널(Focus Error Singal, FES 또는 FE 신호로 약칭할 수 있음)로 거리를 측정할 경우에는 첨부한 도 11의 좌측 도면과 같이 기울기가 낮은 경우에는 측정 가능한 구간이 커지게 되나, 반대로 같은 거리마다 나오는 신호의 세기가 상대적으로 미약해지는 단점이 있고, 이렇게 신호가 미약해 질 경우 SNR(Signal Noise Ratio)가 낮아지게 되어, 결국 분해능이 낮아지게 된다.

반면에, 도 11의 우측 도면에서와 같이 기울기가 높은 경우는 거리마다 나오는 신호의 세기가 상대적으로 강해지므로 분해능이 높아지게 되나, 측정 가능한 구간이 급격하게 줄어드는 단점이 있다.

결국, 포커스 에러 시그널을 이용한 거리 측정 장치를 제안할 경우에는 분해능이 높고 짧은 구간만 측정가능 한 장치나 또는 분해능이 낮고 긴 구간을 측정 가능한 장치만을 만들 수밖에 없다.

상기와 같이 포커스 에러 시그널로 거리를 측정하는 방법은 측정 가능 구간과 그에 따른 분해능이 반대인 단점이 있으며, 또한 간섭 현상을 이용한 방법은 서브 나노 수준까지 높은 분해능을 가지나 측정 가능한 거리가 렌즈 초점 지점에서는 일반적으로 사용되는 650 nm의 경우 레이저 파장의 1/4 정도인 160 nm 정도밖에 측정이 가능하지 않고, 또한 상술한 기존 방법 중 10 ㎛까지 측정 가능한 방법이 있지만 이 또한 초점 지점에서 측정이 불가능한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 본 발명은 기존 간섭계의 2π-모호성과 포커스 에러 시그널의 한계를 극복하고자, 간섭계의 신호 및 PSD(Position Sensitive Detector)의 포커스 에러 시그널을 함께 이용하여, 측정대상물의 미세한 표면 상태를 정확히 측정할 수 있는 광학식 표면 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 측정대상물 표면에 레이저광을 조사하고 상기 표면에서 반사된 레이저광을 입력받아 표면과의 거리에 따른 간섭신호를 출력하는 간섭계와; 상기 간섭계에서 조사된 레이저광을 투과시켜 측정대상물 표면의 측정지점에 초점을 형성하기 위한 오브젝트 렌즈와; 측정대상물의 위치 조정을 위한 전동스테이지와; 측정대상물 표면에서 반사된 레이저광을 분리하는 빔스플리터와; 상기 빔스플리터에서 분리된 레이저광을 집광시키는 콜리매터 렌즈와; 상기 콜리매터 렌즈에 의해 집광된 레이저광을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈와; 상기 비점수차 렌즈를 통과한 레이저광을 입력받아 측정대상물 표면과의 거리에 따른 FE(Focus Error) 신호를 출력하는 FE 신호출력부와; 상기 간섭계로부터 출력되는 간섭신호와 상기 FE 신호출력부에서 출력되는 FE 신호를 입력받아 이를 기초로 거리변화를 연산하고 그로부터 표면 단차를 포함하는 표면 상태 정보를 획득하는 제어부;를 포함하는 광학식 표면 측정 장치를 제공한다.

또한 본 발명은, (a) 간섭계로부터 전동스테이지에 고정된 측정대상물 표면 내 기준점으로 레이저광이 조사되는 단계와; (b) 오브젝트 렌즈를 통해 측정대상물 표면의 기준점에 레이저광의 초점이 형성된 상태에서 상기 전동스테이지에 고정된 측정대상물을 광축 방향으로 이동시키는 단계와; (c) 측정대상물의 이동 동안 상기 표면에서 반사된 레이저광이 빔스플리터를 거쳐 간섭계로 입력되고, 동시에 상기 빔스플리터에서 분리된 레이저광이 콜리매터 렌즈 및 비점수차 렌즈를 통과하여 FE 신호출력부로 입력되는 단계와; (d) 표면상태 획득을 위한 제어부가 상기 간섭계에서 표면과의 거리에 따른 간섭신호와 상기 FE 신호출력부에서 표면과의 거리에 따른 FE(Focus Error) 신호를 동시에 입력받아 두 신호로부터 참조데이터를 획득하여 저장하는 단계와; (e) 레이저광을 조사하되, 측정대상물을 광축 방향의 수직방향으로 이동시켜 표면 내에서의 측정지점을 이동하는 동시에 상기 제어부가 간섭계의 간섭신호와 FE 신호출력부의 FE 신호를 입력받아 상기 간섭신호 및 FE 신호, 상기 참조데이터를 기초로 거리변화를 연산하고 그로부터 표면 단차를 포함하는 표면 상태 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 광학식 표면 측정 방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 광학식 표면 측정 장치 및 방법에 의하면, 간섭계의 신호 및 PSD의 포커스 에러 시그널을 함께 이용하여, 기존 간섭계의 2π-모호성과 포커스 에러 시그널의 한계를 극복하고 측정대상물의 미세한 표면 상태를 보다 정확히 측정할 수 있는 효과가 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 정밀도가 떨어지는 포커스 에러 시그널을 간섭계 신호의 주기 판별에 이용하고, 판별된 주기를 이용하여 간섭계의 신호로부터 실제 표면 의 미세한 높이변화를 측정함으로써, 간섭계의 높은 분해능을 유지한 상태로 보다 정확한 측정값을 읽을 수 있게 된다.

또한 종래에는 초점에서 벗어난 한쪽 면의 선형구간만을 사용하므로 횡방향 분해능이 나빠지고, 모호성 극복거리가 짧으며, 표면을 측정하는 오브젝트 렌즈에 따라 극복하는 거리가 좌우된다. 즉, 오브젝트 렌즈를 고배율로 쓰면 횡방향 분해능은 향상되지만 모호성 극복거리가 짧아지고, 반대로 저배율을 쓰면 모호성 극복거리는 늘릴 수 있지만 횡방향 분해능은 줄어드는 것이다. 이에 반해, 본 발명에서는 FE 신호가 초점을 기준으로 음수와 양수가 구별되므로 기존 기술에 비해 상대적으로 큰 영역의 모호성을 극복할 수 있다(최소 30um 이상). 또한 FE 신호 발생과 장치의 횡방향 분해능과 직접적인 관계가 없으며, 초점 위치에서도 측정 가능하기 때문에 횡방향 분해능을 영향을 미치지 않고 측정 가능하다. 또한 핀홀 등을 사용하여 공초점을 맞춰야하는 과정이 없으므로 광학 정렬이 상대적을 용이하다. 종래에는 오브젝트 렌즈에 따라 공초점 위치 등이 달라지는 문제 등으로 장치 특성에 맞는 핀홀 크기 및 위치를 조절해야 하나, 본 발명에서는 간단히 FE 신호 발생 장치만 추가하면 바로 사용가능하므로 산업화에 용이하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 광학식 표면 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 기존 간섭계의 2π-모호성과 포커스 에러 시그널의 한계를 극복하고자, 간섭계의 신호 및 PSD(Position Sensitive Detector)의 포커스 에러 시그널(FES 또는 FE 신호로 약칭함)을 함께 이용하여, 측정대상물의 표면에서 각 지점의 미세한 높이변화(단차)나 돌출, 요입, 표면손상, 표면거칠기 등의 표면 상태를 정확히 측정할 수 있도록 한 것에 주안점이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 측정 장치의 구성은 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 측정 장치는, 측정대상물(1) 표면에 레이저광을 조사하고 상기 표면에서 반사된 레이저광을 입력받아 표면과의 거리에 따른 간섭신호를 출력하는 간섭계(13), 상기 간섭계(13)에서 조사된 레이저광을 투과시켜 측정대상물 표면의 측정지점에 초점을 형성하기 위한 오브젝트 렌즈(3), 측정대상물(1)의 위치 조정을 위한 전동스테이지(2), 측정대상물 표면에서 반사된 레이저광을 분리하는 빔스플리터(4), 상기 빔스플리터(4)에서 분리된 레이저광을 집광시키는 콜리매터 렌즈(5), 상기 콜리매터 렌즈(5)에 의해 집광된 레이저광을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(6), 상기 비점수차 렌즈(6)를 통과한 레이저광을 입력받아 측정대상물 표면과의 거리에 따른 포커스 에러 시그널을 출력하는 FE 신호출력부, 상기 간섭계(13)로부터 출력되는 간섭신호와 상기 FE 신호출력부에서 출력되는 포커스 에러 시그널을 입력받아 이를 기초로 표면과의 거리변화를 연산하고 그로부터 측정대상물 표면의 단차 등 표면 상태 정보를 획득하는 제어부(12), 및 상기 제어부(12)로부터 출력되는 표면 상태 정보를 표시하여 주는 디스 플레이(14)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 FE 신호출력부는 PSD를 포함한 구성이 될 수 있는데, 상기 PSD로는 4분할 포토다이오드(7), 4분할 가능한 포토다이오드 어레이 또는 CCD 어레이 등을 포함한 구성이 될 수 있다.

바람직한 실시예로서, 도 1에는 4분할 포토다이오드(7)를 채용한 FE 신호출력부가 도시되어 있으며, 4분할 포토다이오드(7)에서 검출, 출력되는 광량 신호가 연산자(8,9,10)를 거쳐 아날로그 신호인 FE 신호로 변환되고, 연산자(8,9,10)에서 출력되는 FE 신호가 A/D 컨버터(11)에서 디지털 신호로 변환된 뒤 제어부(12)로 입력되게 된다.

이러한 구성에서, 상기 간섭계(13)에서 나온 레이저광은 오브젝트 렌즈(3)를 통과하여 전동스테이지(2)에 고정되어 있는 측정대상물(1) 표면에 조사된다.

이어서, 상기 측정대상물(1)의 표면에서 반사된 레이저광은 빔스플리터(4)로 들어가 2개의 빛으로 분리되고, 분리된 빛의 한 쪽은 간섭계(13)로 다시 들어간 뒤 간섭신호로 출력되어 제어부(12)로 들어가게 된다.

또한 빛의 다른 한 쪽은 빔스플리터(4)에서 하방향에 있는 콜리매터 렌즈(5)를 지나 비점수차 렌즈(Astigmatic Lens)(6)에 들어가는데, 비점수차 렌즈(6)에 의해 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같이 비점수차가 발생하게 된다. 도 2는 비점수차 렌즈를 통과한 후 초점거리에 따른 빛살모양 변화를 나타낸 도면이다.

상기 콜리매터 렌즈(5)에 의해 집광된 뒤 비점수차 렌즈(6)를 통하여 들어간 빛은 최소착란원(Circle of Least Confusion)에서 동그랗게 맺어지며, 오브젝트 포 인트가 이동하여 Z축(광축 방향)으로 거리가 바뀔 시에 빛의 모양이 변경된다.

이어서, 비점수차 렌즈(6)를 통과한 레이저광이 4분할 포토다이오드(7)로 입력되면서 분할된 포토다이오드 영역별로 각각 광량이 검출되고, 각 포토다이오드 영역에 의해 검출된 광량 신호가 연산자(OP AMP)(8,9,10)를 통해 출력된다.

상기 연산자(8,9,10)를 통해 출력되는 신호가 포커스 에러 시그널, 즉 FE 신호가 되며, 이 FE 신호가 A/D 컨버터(11)에 의해 디지털 신호로 변환된 뒤 제어부(12)로 입력되게 된다.

첨부한 도 3은 비점수차 방법(Astigmatism Method)에 의해 측정된 거리에 따른 광량을 보여주는 도면으로서, 광축(Z축)을 기준으로 측정대상물 표면과의 거리변화(보다 명확히는 표면 내 레이저 조사되는 측정지점과의 거리변화)에 따른 광량변화를 보여주는 것이다.

FE 신호는 표면이 초점에서 벗어나면 바뀌는 신호이기 때문에 처음 비점수차 방법으로 초점 지점을 맞춘 곳을 기준으로 측정대상물(1)이 광축을 따라 움직일 경우 FE 신호의 모양은 바뀌어 나타난다.

예컨대, 오브젝트 포인트가 초점 기준점보다 멀게 될 경우 도 3의 (i)에서와 같이 상이 맺히면서 AB 면으로 길어지며, 오브젝트 포인트가 초점 기준점보다 가까울 경우 (iii)에서와 같이 상이 맺히면서 CD 면으로 길어진다.

이때, 4분할 포토다이오드(4D-PD)(7)에서 검출되어 출력되는 신호는 도 3에서와 같이 A, B, C, D의 총 4가지로 나오며, 이때 연산자(8,9,10)에 의해 신호 조합되어 FE 신호가 FES = (A+B)-(C+D)의 형태로 출력된다.

즉, 4분할 포토다이오드(7)에서 분할된 포토다이오드 영역별로 광량이 검출되어 출력되는 광량 신호가 연산자(8,9,10)를 거쳐 FE 신호로 출력되는데, 이때 FE 신호가 FES = (A+B)-(C+D)의 형태로 얻어지게 되는 것이다.

상기 4분할 포토다이오드 대신 PSD 4분할 가능한 포토다이오드 어레이 또는 CCD 어레이가 사용되는 경우, 4분할된 각 영역의 소자에서 출력되는 신호가 연산자에 의해 조합되어 FE 신호를 생성하게 된다.

따라서, 도 3의 (i)에서와 같이 초점 기준점보다 오브젝트 포인트가 점점 멀어질 경우 (A+B)에 많은 광량이 들어가고 (C+D)에 적은 광량이 들어가기 때문에 FE 신호(FES)는 점점 강한 (+) 신호로 나오게 될 것이다. 반면, (iii)에서와 같이 초점 기준점보다 오브젝트 포인트가 점점 가까워질 경우 (C+D)에 많은 광량이 들어가고 (A+B)에 적은 광량이 들어가기 때문에 FE 신호는 점점 (-) 신호로 크게 될 것이다.

상기와 같이 연산자(8,9,10)를 통해 조합된 FE 신호는 A/D 컨버터(11)에 의해 디지털 신호로 변환된 뒤 제어부(12)로 입력되며, 제어부(12)에서는 디지털 신호로 변환된 FE 신호와 간섭계(13)에서 입력되는 간섭신호를 이용하여 측정대상물 표면과의 거리변화를 연산하고 표면에서의 거리변화를 토대로 측정대상물 표면의 각 지점별 높이변화(단차)나 돌출, 요입, 표면손상, 표면거칠기 등의 미세한 표면 상태 정보를 획득하게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 장치를 이용하여 특정 표면의 상태를 측정하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이 얻어지는 FE 신호의 그래프는 첨부한 도 4에 나타낸 바와 같이 측정대상물의 종류(Si 웨이퍼, 미러, 메탈 등)에 따라 각기 다르게 나타난다. 도 4는 측정대상물(시편1, 시편2)(도 1의 도면부호 1임)을 광축, 즉 Z축 방향으로 점차 가까이 이동시켰을 때 연속적으로 얻어지는 FE 신호의 그래프를 나타낸 것으로, 시편의 종류에 따른 FE 신호의 변화를 보여주고 있다.

상기와 같이 FE 신호가 측정대상물에 따라 달라지기 때문에, 본 발명의 측정 과정에서는 측정대상물 표면에서 임의의 기준점 위치를 잡은 뒤 기준점 위치에서 측정대상물을 Z축 방향으로 이동시켜 참조데이터를 얻는 Z축 스캔 과정을 선행 실시하게 된다.

먼저, 전동스테이지(2)에 고정된 측정대상물(1)의 표면에서 참조데이터를 얻기 위한 기준점을 선정한 뒤, 간섭계(13)에서 측정대상물 표면의 기준점으로 레이저광을 조사하게 된다.

이렇게 레이저광이 조사되는 상태에서 오브젝트 렌즈(3)를 통해 측정대상물 표면의 기준점에 초점을 형성한 뒤, 전동스테이지(2)를 이용해 측정대상물(1)의 위치를 Z축 방향으로 이동시키며, 이때 간섭계(13)에서 출력되는 간섭신호와 FE 신호출력부에서 출력되는 FE 신호가 동시에 제어부(12)로 입력된다.

첨부한 도 5는 측정대상물 표면의 실제 측정 전에 참조데이터를 얻기 위해 Z축 스캔 과정에서 얻어지는 신호를 나타낸 도면으로서, 도 5의 (1)은 비점수차 렌즈(도 1에서 도면부호 6)와 PSD의 결합으로 이루어지는 비점수차 방법에 의해 생성된 FE 신호(S-Curve)를 나타낸 것이며, 이는 측정대상물 표면의 기준점에서 거리에 따른 신호가 된다.

FE 신호값은 거리에 따른 전압값으로 획득될 수 있는데, 측정 전에 Z축 스캔을 통해 FE 신호를 도 5의 (1)과 같이 얻어내야 한다.

도 5의 (2)는 간섭계에서 출력되는 간섭신호를 나타낸 것으로, 간섭신호는 제어부에서 계산을 통해 시간에 따른 거리변화로 변환되며, 이 변환된 신호를 FE 신호와 중첩시켰을 때 도 5의 (3)과 같이 나타난다.

도 5의 (3)은 거리 계산 후 얻은 신호와 FE 신호를 함께 언랩핑(unwrapping)한 결과를 보여주는데, 간섭신호로부터 거리 계산하여 얻어지는 신호는 도시된 바와 같이 일정 주기를 가지는 삼각파형의 신호가 된다.

제어부는 상기와 같이 얻어진 도 5의 데이터 및 두 신호의 값이 서로 일치되는 값(전압값이 됨)을 추출하여 참조데이터로 저장하며, 특히 삼각파형의 각 주기마다 얻어지는 상기의 일치되는 값은 후술하는 n 값 카운팅을 위한 임계값으로 사용되게 된다.

이와 같이 Z축 스캔 과정을 통해 참조데이터가 획득되고 나면 전동스테이지(2)를 이용해 측정대상물(1)을 Z축에 대해 수직이 되는 방향(광축의 수직방향)으로 이동시켜 측정대상물(1)의 표면 정보 획득을 위한 실제 측정이 실시되게 된다.

측정대상물(1)의 이동시에, 즉 표면에서 측정지점의 이동시에, 간섭계(13)에서 레이저광이 조사되는 동안 간섭계(13)의 간섭신호와 FE 신호출력부의 FE 신호가 제어부(12)에 동시 입력되는 과정이 동일 조건하에서 동일하게 이루어진다.

이때, FE 신호는 정밀함이 떨어지기 때문에 n 값을 카운팅하는 용도로만 사 용되는데, 측정대상물(1)의 이동시 레이저광이 조사되는 측정지점에서 얻어지는 FE 신호값을 Z축 스캔 과정에서 획득된 임계값과 비교하여 임계값 사이의 각 구간별로 미리 정해진 n 값을 산출하게 된다.

즉, 도 5의 (3)에서, 측정시 FE 신호값이 M1로 측정되었다면, 이 M1 값을 Z축 스캔시 얻은 참조데이터의 임계값과 비교하여 어느 상, 하 임계값 사이에 위치됨을 판별하는데, 예를 들어 M1 값이 C1과 C2 사이에 위치되면 n 값은 0이고, C2와 C3 사이에 위치되면 n 값은 1이며, C3와 C4 사이에 위치되면 n 값은 2가 된다.

이러한 방식으로 n 값이 구해지면, 제어부(12)는 상기 n 값과 측정시 간섭신호로부터 얻은 거리변화값을 이용하여 아래의 수학식 4로부터 실제 거리변화값(단차값)을 연산하게 되고, 또한 그로부터 표면 단차 등 표면 상태 정보를 획득하게 된다.

실제 거리변화값 = λ/4×n + 간섭신호의 거리변화값

여기서, λ는 레이저 파장을 나타낸다.

상기와 같이 구해진 표면 상태 정보는 디스플레이(14)를 통해 출력되며, 이에 측정자는 측정 결과를 확인할 수 있게 된다.

첨부한 도 6은 본 발명에서 간섭신호와 FE 신호를 이용하여 측정한 거리변화(단차) 신호를 예시한 도면으로, (1)은 측정대상물의 표면을 예시한 것이고, (2)는 일반적인 간섭계(13)로 측정한 거리변화 신호이며, (3)은 FE 신호를, (4)는 본 발명에 의거 간섭신호와 FE 신호를 이용한 거리변화 신호를 나타낸다.

도 6에서와 같이 임의의 측정대상물 표면에 일정 간격(1㎛)으로 단차가 있는 경우의 예를 들어 설명하며, 계산의 편의를 위해 파장(λ)이 600 nm(He-Ne 레이저의 경우 632 nm의 파장을 가짐)인 레이저를 이용하는 반사형 간섭계로 가정하기로 한다.

도 6을 참조하면, 레이저 파장이 600 nm이므로 150 nm마다 주기가 반복됨을 알 수 있다. 도 6의 (1)과 같이 단차가 250 nm로 순간적으로 변할 경우에는 간섭계의 신호만을 이용할 때 도 6의 (2)와 같이 250 nm의 단차도 150 nm의 단차가 사라진 100 nm로 측정된다.

반면, 본 발명에서는 도 6의 표면 패턴에서 단차가 100 nm인 경우에는 n = 0이므로 간섭계의 신호만으로 단차가 계산되어 100 nm로 측정되고, 4번째 측정지점(실제 단차 250 nm임)에서는 n = 1이므로 λ/4 = 600/4 = 150 nm에 간섭계의 신호로부터 계산된 100 nm를 더하여 250 nm가 정확히 측정될 수 있게 된다.

이와 같이 간섭계의 신호만을 이용할 경우 높이변화가 λ/4 이상이 되는 지점이 있을 경우 위상 언랩핑(phase unwrapping)시 모두 단차를 100 nm로 읽게 되나, 본 발명에서는 기준면에 대해 Z축 스캔을 통해 획득한 참조데이터를 이용하여 FE 신호로부터 n 값을 판별하고, 이 n 값과 간섭계의 신호를 토대로 정확한 단차를 계산할 수 있게 된다.

즉, n 값을 알아냄으로써 간섭계의 신호에서 몇 번째 주기인지를 판별하고 간섭계의 신호로부터 얻은 단차에 λ/4×n의 높이를 더해주어 최종의 결과값을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 본 발명에서는 모호성 없이 실제의 높이를 간섭계의 높은 분해능을 유지한 상태에서 읽을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학식 표면 측정 장치의 구성을 나타내는 개략도,

도 2는 비점수차 렌즈를 통과한 후 초점거리에 따른 빛살모양 변화를 나타낸 도면,

도 3은 4분할 포토 다이오드에 원리를 설명하는 개략도,

도 4는 시편의 종류에 따른 FE 신호의 변화를 보여주는 도면,

도 5는 본 발명의 Z축 스캔 과정에서 얻어지는 신호를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에서 간섭신호와 FE 신호를 이용하여 측정한 거리변화(단차) 신호를 예시한 도면,

도 7은 간섭현상의 2π-모호성을 설명하는 개략도,

도 8은 기준면으로부터 높이변화가 있는 시편 표면의 개략도,

도 9는 시편에 대해 측정한 간섭신호를 보여주는 도면,

도 10은 기존의 최대 10 ㎛까지 측정 가능한 방법을 설명하는 개략도,

도 11은 포커스 에러 시그널로 거리를 측정하는 방법을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 시편 2 : 전동스테이지

3 : 오브젝트 렌즈 4 : 빔스플리터

5 : 콜리매터 렌즈 6 : 비점수차 렌즈

7 : 4분할 포토 다이오드 8, 9, 10 : 신호 연산자

11 : A/D 컨버터 12 : 제어부

13 : 간섭계 14 : 디스플레이

Claims

측정대상물(1) 표면에 레이저광을 조사하고 상기 표면에서 반사된 레이저광을 입력받아 표면과의 거리에 따른 간섭신호를 출력하는 간섭계(13)와;

상기 간섭계(13)에서 조사된 레이저광을 투과시켜 측정대상물 표면의 측정지점에 초점을 형성하기 위한 오브젝트 렌즈(3)와;

측정대상물(1)의 위치 조정을 위한 전동스테이지(2)와;

측정대상물 표면에서 반사된 레이저광을 분리하는 빔스플리터(4)와;

상기 빔스플리터(4)에서 분리된 레이저광을 집광시키는 콜리매터 렌즈(5)와;

상기 콜리매터 렌즈(5)에 의해 집광된 레이저광을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(6)와;

상기 비점수차 렌즈(6)를 통과한 레이저광을 입력받아 측정대상물 표면과의 거리에 따른 FE(Focus Error) 신호를 출력하는 FE 신호출력부와;

상기 간섭계(13)로부터 출력되는 간섭신호와 상기 FE 신호출력부에서 출력되는 FE 신호를 입력받아 이를 기초로 거리변화를 연산하고 그로부터 표면 단차를 포함하는 표면 상태 정보를 획득하는 제어부(12);

를 포함하는 광학식 표면 측정 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 FE 신호출력부는,

상기 측정대상물 표면과의 거리에 따른 광량을 검출하는 PSD(Position Seinsitive Detector)와;

상기 PSD에서 검출된 광량 신호를 FE 신호로 변환시키는 연산자(8,9,10)와;

상기 연산자(8,9,10)를 통해 출력되는 아날로그 FE 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 A/D 컨버터(11);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 PSD는 광량 검출을 위한 4분할 포토다이오드(4D-PD)(7)를 포함하고, 상기 4분할 포토다이오드에서 분할된 포토다이오드 영역별로 출력되는 신호가 상기 연산자(8,9,10)에 의해 조합되어 FE 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 PSD는 4분할 가능한 포토다이오드 어레이 또는 CCD 어레이를 포함하고, 4분할된 각 영역의 소자로부터 출력되는 신호가 상기 연산자(8,9,10)에 의해 조합되어 FE 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제어부(12)로부터 출력되는 표면 상태 정보를 표시하여 주는 디스플레이(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 장치.
(a) 간섭계로부터 전동스테이지에 고정된 측정대상물 표면 내 기준점으로 레이저광이 조사되는 단계와;

(b) 오브젝트 렌즈를 통해 측정대상물 표면의 기준점에 레이저광의 초점이 형성된 상태에서 상기 전동스테이지에 고정된 측정대상물을 광축 방향으로 이동시키는 단계와;

(c) 측정대상물의 이동 동안 상기 표면에서 반사된 레이저광이 빔스플리터를 거쳐 간섭계로 입력되고, 동시에 상기 빔스플리터에서 분리된 레이저광이 콜리매터 렌즈 및 비점수차 렌즈를 통과하여 FE 신호출력부로 입력되는 단계와;

(d) 표면상태 획득을 위한 제어부가 상기 간섭계에서 표면과의 거리에 따른 간섭신호와 상기 FE 신호출력부에서 표면과의 거리에 따른 FE(Focus Error) 신호를 동시에 입력받아 두 신호로부터 참조데이터를 획득하여 저장하는 단계와;

(e) 레이저광을 조사하되, 측정대상물을 광축 방향의 수직방향으로 이동시켜 표면 내에서의 측정지점을 이동하는 동시에 상기 제어부가 간섭계의 간섭신호와 FE 신호출력부의 FE 신호를 입력받아 상기 간섭신호 및 FE 신호, 상기 참조데이터를 기초로 거리변화를 연산하고 그로부터 표면 단차를 포함하는 표면 상태 정보를 획득하는 단계;

를 포함하는 광학식 표면 측정 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 제어부는 상기 간섭계의 간섭신호로부터 얻어지는 일정 주기를 갖는 거리변화 신호를 상기 FE 신호와 중첩시켜 두 신호값이 일치하는 값들을 상기 참조데이터로 획득하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 두 신호값이 일치하는 값들은 상기 거리변화 신호의 각 주기마다 얻어지는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 제어부는 (d) 단계에서 상기 두 신호값이 일치하는 값들을 임계값으로 사용하여 FE 신호값을 임계값들과 비교한 후 특정 상, 하 임계값 사이에 위치됨을 판별하여, 임계값 사이의 각 구간별로 미리 정해진 n 값들 중 판별된 상, 하 임계값 사이 구간에 상응하는 n 값을 산출하고, 산출된 상기 n 값과 상기 간섭신호로부터 얻은 거리변화값을 이용하여 실제 거리변화값을 연산하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 n 값과 상기 간섭신호로부터 얻은 거리변화값을 이용하여 하기 식(1)로부터 실제 거리변화값을 연산하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 방법.

식(1) : 실제 거리변화값 = λ/4×n + 간섭신호의 거리변화값
청구항 6에 있어서,

측정자로 하여금 측정결과를 확인할 수 있도록 디스플레이에 의해 상기 제어부로부터 출력되는 표면 상태 정보가 표시되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 표면 측정 방법.