Thin films are widely used for various purposes and precise measurements of film thickness especially in a non-destructive way are crucial to ensure the intended functions of thin films for the in-line high-speed inspection of microelectronics devices mass-produced in the semiconductors and flat panel displays industries. Instruments based on either ellipsometry or reflectometry have long been available for film thickness metrology, but they are basically capable of measuring a single point at a time. The reason is that a large amount of data needs to be collected at multiple wavelength and/or multiple incident angles. Nowadays the measurement speed turns out to be important in meeting the industrial demand on large-volume inspection of microelectronic products. Besides, the measurement resolution in both the lateral and depth direction needs to be enhanced drastically as the product size under inspection continuously reduces with ever-increasing package density. A good example is the $SiO_2$ film deposited on a patterned wafer, the thickness profile of which needs to be precisely controlled by means of the chemical-mechanical-polishing process to fit within a required level of planarity.
This thesis is devoted to suggest new methods to measure the top surface profile as well as the thickness of thin-film layers which enables us to reconstruct 3D tomographical view of the target surface coated with thin-film layers. The described methods here are based on a spectrally resolved interferometric method being implemented through a dispersive scheme of white-light interferometer equipped with a diffraction grating and a 2-D photodetector array. And the main idea or key point of the proposed methods is to make it possible the decoupled measurements of the film thickness and top surface height at the same time by single-shot interferometric techniques and dual-shot interferometric techniques. Also two different algorisms are invented to provide excellent performances in comparison with existing relevant techniques. One is for the fast measurement speed by replacing the time-consuming, iterative square fitting by a fast, deterministic method of Fourier transform analysis, and the other is for being capable of gauging very thin film of less than 0.1㎛ thickness by monitoring not only the interferometric phase but also the reflectance of thin-film layers at the same time. Throughout this thesis, various methods of spectrally resolved white-light interferometry to measure 3-D topographical profile measurements of thin-film layers have been proposed and tested.
박막은 다양한 목적을 위해 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있고, 이러한 박막의 정밀한 두께 및 형상 측정은 빠르게 성장하고 있는 반도체 및 디스플레이 산업에서의 미세 광전자 부품을 비 파괴적인 방법으로 측정할 때 매우 중요하게 된다. 본 논문에서는 박막의 두께 및 형상을 측정함에 있어 기존에 제시된 여러 측정방법보다 보다 빠르고 정확하고, 더 얇은 두께까지 측정이 가능한 새로운 방식의 간섭계를 제안하였다. 제안한 방법의 기본 원리는 분산 백색광 간섭법에 근거하고 있으며 실시간 측정을 위해 영상 분광기를 이용하여 측정 영역 중 한 줄에 대한 실시간 분광 간섭신호를 얻고, 이를 해석함으로써 박막의 두께 및 형상을 측정하였다. 본 논문의 핵심 아이디어는 그 동안 2차원 비선형 최적화문제로 간주되어왔던 박막두께형상추출 알고리즘을 다양한 방법으로 접근을 하여 1차원 비선형 최적화문제나 아니면 더 쉬운 선형문제로 바꾸어 해를 구함으로써 효과적인 두께형상측정방법을 제시하고 더 나아가서는 현재까지 측정이 어려웠던 100 nm이하의 박막두께형상까지도 측정하는 것이다. 이를 위해 본 논문에서는 dual-shot interferometric techniques과 single-shot interferometric techniques을 제안하고 이에 대한 연구를 수행하였다. 그리고, 측정 속도를 높이기 위한 방법으로 푸리에 변환법에 근거한 초고속 박막두께형상측정법을 개발하였고, 100 nm이하의 얇은 박막의 두께 형상을 측정하기 위해 반사광측정법에 근거한 초 박막두께형상측정법도 성공적으로 개발하였다.
본 논문에서 제시한 박막두께형상측정법은 외부진동과 환경에 매우 강인하고 실시간 측정이 가능하여 향후 반도체 및 디스플레이 산업 등에서 요구하고 있는 박막에 대한 두께형상측정이 가능하여 향후 차세대 측정기술로 각광을 받으리라 생각된다.
