초록 ▼

3. 개발결과 요약

최종목표
o 측정 파장 범위 : 190 nm ~ 1,000 nm
o 스팟 사이즈 : 30 ㎛ @가시광영역 (단축 기준)
o 가변 입사각 범위 및 정밀도 : 45도 ~ 90도 ± 0.02도
o 측정 속도 : ≤ 3초 (SiO2 on c-Si 시료 )
o 두께 측정 정밀도 및 반복도 : ≤ 0.2 nm ± 0.02 nm (CRM 평가)

개발내용 및 결과
- 마이크로 스팟 광학계 개발
o 광학계의 설계는 광학 설계와 제작을 전문으로 하는 참여 기관에서 시행

3. 개발결과 요약

최종목표
o 측정 파장 범위 : 190 nm ~ 1,000 nm
o 스팟 사이즈 : 30 ㎛ @가시광영역 (단축 기준)
o 가변 입사각 범위 및 정밀도 : 45도 ~ 90도 ± 0.02도
o 측정 속도 : ≤ 3초 (SiO2 on c-Si 시료 )
o 두께 측정 정밀도 및 반복도 : ≤ 0.2 nm ± 0.02 nm (CRM 평가)

개발내용 및 결과
- 마이크로 스팟 광학계 개발
o 광학계의 설계는 광학 설계와 제작을 전문으로 하는 참여 기관에서 시행 하였으며, 이를 이용하여 주관 기관에서 분광 타원계를 개발함. 4반사경을 이용한 반사형 광학계와 투과형 렌즈를 이용하는 굴절형 광학계를 개발하였으며, 각각 2.53 ㎛, 8.4 ㎛의 스팟 크기를 갖고 있음.
o 설계된 광학계를 제작하고 평가하는 방법은 일반적인 광학 기구 가공 방법에 따라 진행 하게 되며, 평가의 경우 스팟 사이즈를 Knife Edge 방법과 패턴 시료를 이용하는 방법, 이미지 방법으로 평가함.

- 편광발생장치 및 편광측정장치
o 측정기기를 구성하는 광학계의 구동 방식에 따라 여러 종류의 타원계가 존재하지만 DUV의 경우 광학계를 이루는 광학소자들의 편광특성이 빛의 파장에 따라 달라 질 수 있음. DUV(Deep Ultra Violet) 영역 즉, 193 nm 파장을 포함하는 영역에서는 RP(Rotating Polarizer) 혹은 RA(Rotating Analyzer)방식 같이 편광자(Polarizer)를 회전 시키는 단순한 타원계방식이 빛의 파장에 따른 편광 특성변화에 덜 민감하기 때문에 DUV영역을 사용하는 타원계로서 개발과 표준화가 용이함.

- 광원
o 타원계에서 사용하는 광원은 연속적인 파장을 발생할 수 있는 것이어야 함. 가시광 영역의 광원으로 주로 사용하는 것은 할로겐 계열의 램프임. 할로겐 램프는 대개 370 nm ~ 1000 nm 대역의 가시광과 근적외선의 광원으로 사용할 수 있음. 200 nm 까지의 광원으로 사용되는 것은 듀트리움(Deuterium; D2) 램프나 크세논(Xenon) 램프임. 이를 이용하여 마이크로 스팟을 갖는 광대역 분광 타원계를 개발함.

기술개발 배경
o 현재 반도체 라인에 적용되는 SE 기술은 미국의 K사, N사 등 외국계 기업들이 점유하고 있는 실정임. 국내 SE (분광 타원계; Spectroscopic Ellipsometer)를 연구하는 기업의 경우 소기업의 형태로 교육기관, 연구소, 기업 등에 단독 장비 형태의 SE를 공급하고 있지만 반도체 라인 혹은 디스플레이 라인 등에 공급하지는 못하고 있음.
o 선진국에 비해 국내의 SE 기술은 약 80% 정도의 기술력을 갖고 있으며, 약 4~5년 정도 뒤져 있는 것으로 평가되고 있음. 국내에서 SE 기술을 적용한 반도체 라인용 광계측 장비는 한 대당 약 20억 원 정도의 가격을 갖고 있으며, 수백 대 규모로 설치되어 운용되고 있음. 하지만 현재 반도체 라인용 광 계측 장비로 국내 기업이 진입하기에는 진입 장벽이 매우 높음.

핵심개발 기술의 의의
o 일반적으로 상업화 되어 판매되는 분광 타원계의 경우 240 nm ~ 950 nm정도의 파장 대역을 갖고 있으며 이는 분광 타원계 혹은 분광 반사율 장비등과 같은 광 계측 장비에서 사용되는 Si 광 검출기와 광학 소자로 사용되는 렌즈, 편광자, 광섬유 등의 소재가 갖는 한계에 의해 결정됨. 특히 광섬유의 경우 길이가 길기 때문에 광흡수 현상이 누적되어 파장을 단축시키는 원인을 제공함.
o 최근 반도체 박막의 고집적화로 박막 두께가 얇아짐에 따라 얇은 박막 분석이 중요해지고 있음. 얇은 박막 분석을 위해서는 측정 파장 대역의 확장이 필수 요소임. 본 기술개발에서는 DUV(Deep UV)쪽에 특화된 광섬유를 사용하여 190 nm 까지 파장 대역을 확대함.
o 타원계에서 스팟 사이즈를 수십 ㎛크기로 줄이는 것은 일반적인 광학 계측기-반사율, 투과율-들에서 스팟 사이즈를 줄이는 것과는 성격이 크게 다름. 일반 광학 계측기의 경우 광량만을 측정하기 때문에 스팟 사이즈를 줄이는 것이 비교적 복잡하지 않은 기하 광학(Geometric Optics)으로 해결 될 수 있지만 타원계의 경우 편광을 측정하기 때문에 단순히 스팟 사이즈를 줄이는 것뿐만 아니라 편광 상태의 변형도 감안 하여야 함.
o 본 기술개발에서 개발한 30 ㎛ 스팟 사이즈를 갖고 있으며, 가변 입사각 장치, 고속, 고 정밀 측정이 가능한 분광 타원계는 선진 SE 제작 외국계 기업에서 단독 장비 및 반도체 검사용으로 판매하는 장비 수준으로 본 기술개발을 통해 선진국과의 격차를 줄이고 선진국 수준의 기술을 확보 할 수 있을 것으로 판단됨.
o 또한 4반사경을 이용한 반사형 광학계 분광 타원계는 세계 초고 수준인 8.4 ㎛의 스팟 사이즈를 갖고 있는 것으로 판단되며, 파장 대역, 측정 속도 등의 조건에서는 현재 반도체 라인 공정용 장비의 수준에는 미치지 못하지만 추가적인 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 SE 장비를 개발할 수 있는 중요 요소 기술을 개발 하였다 할 수 있음.

적용 분야
o 산업 현장에서의 생산 공정 중 혹은 제조 공정의 연구 중에 있어서 시료의 비파괴를 통한 측정이 가능한 광학적인 측정 방식을 요구하고 있음. 광학적인 방법으로 박막의 두께, 박막의 균일도, 조밀도 및 복소 굴절률 등 여러 박막의 광학 물성을 측정하는데 주로 분광 타원계(Spectroscopic Ellipsometer; SE)를 사용하고 있음.

o 삼성, 하이닉스 등과 같은 반도체 생산 라인에서 사용되는 타원계의 스팟 사이즈는 약 30 ㎛ 내외 정도임. 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 스팟 사이즈 30 ㎛ 내외를 만족 시킬 수 있는 타원계 관련 생산 업체는 KLA-Tencor와 Nanometrics 등 몇몇 외국 회사뿐임. 국내 타원계 생산 업체의 경우 스팟 사이즈 약 1mm 정도로 이에 따라 수십 ㎛크기의 스팟 사이즈 타원계 시장의 경우 KLA-Tencor, Nanometrics와 같은 메이저 규모의 라인 장비 회사 들이 선점하고 있는 상태임.

(출처 : 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 14
• 목차 ... 19
• 제 1 장 서론 ... 21
• 제 1 절 분광 타원계(Spectroscopic Ellipsometer) ... 21
• 1. 광대역 마이크로 스팟 분광 타원계 기술개발 ... 22
• 2. 파급 효과 ... 24
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 26
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 26
• 1. 최종 목표 ... 26
• 2. 평가 방법 ... 26
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
• 1. 마이크로 스팟 ... 28
• 2. 파장 대역 ... 40
• 3. 측정 속도 ... 44
• 4. 측정 정밀도, 측정 반복도 ... 56
• 5. 가변입사각, 가변입사각 정밀도 ... 59
• 6. 편광 발생장치, 편광 검출장치의 조립 및 평가 방법 개발 ... 65
• 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 66
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 67
• 제 3 장 결과 ... 68
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 68
• - 연구개발 추진 일정 ... 68
• - 연구개발 추진 실적 및 성과 ... 69
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 71
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 72
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 74
• 제 4 장 사업화 계획 ... 75
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 75
• 1. 국내 기술의 수준 및 시장 동향 ... 77
• 2. 국외 기술의 수준 및 시장 동향 ... 77
• 3. 국내·외 시장 규모 현황 ... 78
• 제 2 절 사업화 계획 및 전략 ... 78
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 81
• 끝페이지 ... 83