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백색광 주사 간섭계(WSI)의 구조와 측정 원리
2022.02Hit. 775

최근 수 μm에서 서브미크론 수준의 미세 구조의 검교정에서 3차원 이미지의 필요가 발생함에 따라 정밀 측정이 가능한 간섭 측정법을 이용한 백색광 주사 간섭계(WSI)에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 일례로 반도체 공정이 미세화됨에 따라 패키징 공정도 작아지면서 표면 구조, bump, hole 등의 미세한 단차 및 두께가 양불 판정의 주요 기준이 되었습니다. 광학적으로 간섭 측정법은 전자기파에 속하는 빛의 간섭성을 이용한 것으로 다양한 측정법이 있습니다.
일반적으로 간섭 정보로부터 3차원 이미지를 추출하기 위해서는 기존의 2차원 이미지보다 더 많은 정보를 취득하고 이를 후처리하기 위한 계산 과정이 필요합니다. WSI는 이러한 방법들 중의 하나로 1990년대에 소개되었으나 카메라 기술 및 컴퓨팅 파워의 발달과 함께 양산 라인에 적용할 수 있게 되었습니다. 양산 라인에 적용되는 WSI는 성능을 높이기 위해서 다양한 최적화 기술이 적용되어 있지만 본 글에서는 WSI를 사용하고자 하는 고객의 이해를 돕기 위해 WSI의 기본 원리를 소개합니다.

간섭 광학계

빛의 간섭을 일으키기 위해서는 동일한 광원(light-source)에서 나온 빛을 분할했다가 다시 합치기 위한 간섭광학계가 필요합니다. 이러한 간섭계에는 여러가지가 있으나 WSI에서는 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 미라우(Mirau) 간섭계, 리닉(Linnik) 간섭계가 주로 사용됩니다. 가장 단순한 형태인 마이켈슨 간섭계의 개념도는 다음과 같습니다.

[그림 1]


왼쪽의 광원에서 나온 빛은 중심에 있는 beam spliiter(BS)에 의해서 일부는 투과하고 일부는 반사되어 거울로 가는 빛과 샘플로 가는 빛으로 분할됩니다. 거울로 가는 빛은 거울에서 반사되어 다시 BS로 돌아와서 일부는 반사되어 카메라로 갑니다. 여기서 투과되는 빛은 무시합니다. 샘플을 만나고 돌아오는 빛도 BS로 돌아와서 일부는 투과해서 카메라로 갑니다. 이때 카메라로 오는 두 빛의 경로의 길이(optical path length)가 비슷하면 빛의 파동이 보강 간섭을 일으키거나 상쇄 간섭을 일으키게 되고 거울의 위치를 앞뒤로 움직이거나 샘플의 위치를 위아래로 움직임으로써 보강 간섭과 상쇄 간섭이 번갈아 일어나 밝고 어두움이 반복되는 간섭 패턴(interference pattern)이 나타나게 됩니다.
이에 대한 자세한 설명은 뒤에 광 경로 차(optical path length difference)에서 다시 설명하겠습니다.
그리고 종종 거울로 가는 빛 또는 경로를 reference arm이라고 하고 샘플로 가는 빛 또는 경로를 sample arm 또는 measurement arm이라고 하기도 합니다. 일반적으로 마이켈슨 간섭계를 이용한 WSI에서는 sample arm이 동축 조명과 현미경 광학계(또는 텔레센트릭 광학계)로 구성됩니다.


이러한 마이켈슨 간섭계는 구성이 단순한 장점이 있지만 sample arm과 reference arm 사이의 광학계 차이 때문에 발생하는 색 분산(chromatic dispersion)및 수차(aberration) 때문에 저배율(1배~5배) 광학계에 적합합니다. 10배에서 100배 이하에서는 미라우(Mirau)간섭계가 50배에서 100배 이상에서는 리닉(Linnik)간섭계가 주로 사용됩니다. 리닉 간섭계는 기본적인 구성은 마이켈슨 간섭계와 같지만 sample arm에서 사용하는 tube lens 및 objective lens 또는 텔레센트릭 렌즈 등을 reference arm에서도 완전히 동일하게 사용합니다. 이렇게 함으로써 sample arm에서 발생하는 색 분산과 수차를 reference arm에서 보상할 수 있습니다.

마지막으로 미라우 간섭계의 개념도는 그림 2와 같습니다.


[그림 2]


미라우 대물렌즈의 내부는 그림 2(a)와 같이 일반적인 대물렌즈, 거울, 그리고 beam splitter가 결합되어 있습니다. Sample arm의 경우 그림 2(b)와 같이 빛이 beam splitter를 투과해서 샘플을 경유해서 돌아옵니다. Reference arm의 경우 그림 2(c)와 같이 beam splitter에서 반사되어 대물렌즈 바로 아래에 있는 작은 거울에 빛이 집속됩니다. 이 거울에서 반사된 빛은 다시 퍼져서 beam splitter에서 반사되서 sample arm과 합쳐지게 됩니다. 그림 2(d)는 sample arm과 reference arm를 중첩한 결과입니다.

미라우 대물렌즈의 경우 beam splitter와 거울 사이의 간격이 고정되어 있기 때문에 미라우 대물렌즈를 위아래로 움직임으로써 광 경로 차를 만들 수 있습니다. 또한 미라우 간섭계는 reference beam과 sample beam의 분할 및 결합이 미라우 대물렌즈 안에서 이뤄지기 때문에 미라우 대물렌즈를 사용하는 것으로 간섭계를 쉽게 구성할 수 있으며 마이켈슨 간섭계에 비해 색 분산 및 수차 발생이 작습니다.



광 경로 차와 백색 광원

간섭 현상을 이해하기 위해서 그림 1의 마이켈슨 간섭계에서 파장이 500 nm인 단색광 레이저 광원이 beam splitter에 의해서 분할되고 난 후 카메라 앞의 z=0인 위치에서 만나는 경우를 우선 고려하겠습니다. 그림 3(a, c, e)는 그림 1의 카메라 옆에 있는 좌표에서 z=0을 지나는 빛의 파동을 나타냅니다. 그림 3(a)는 sample beam(E_smp: 파란색 실선)과 reference beam(E_ref주황색 점선)의 광 경로 길이가 동일한 경우 z값에 따른 전자기파를 나타냅니다.

그래프에서 전자기파는 양의 값과 음의 값이 번갈아 나타나지만 실제 카메라 픽셀에서 측정되는 빛의 세기(I_c)는 항상 양수이며 이 값은 전자기파의 진폭(amplitude)의 제곱(그림 3(b, d, f)의 파란색 실선, |E|^2)에 관계되어 있습니다. 또한 카메라 센서의 노출 시간은 전자기파가 한번 진동하는 주기에 비해서 매우 길기 때문에 그림 3(b, d, f)의 진동하는 값을 평균낸 점선 값에 비례해서 측정됩니다. 따라서 그림 3(a)와 같은 경우 두 전자기파가 중첩될 때는 보강 간섭이 발생해서 |E_smp+E_ref |^2가 0과 4 사이에서 진동하게 되고 카메라가 측정하는 값은 평균값인 2가 됩니다.

[그림 3]


그림 3c는 sample beam이 1/4 주기(길이로는 125 nm)만큼 먼저 z=0에 도달한 경우를 보여줍니다. 이 경우 중첩된 빛이 카메라에서 측정되는 값은 1(그림 3(d))이 됩니다. 그림 3(e)의 경우 sample beam이 1/2주기(250 nm) 만큼 먼저 도달하기 때문에 완전 상쇄 간섭이 일어나서 카메라에서 측정되는 값은 0(그림 3(f))이 됩니다.이와 같이 sample beam의 길이와 reference beam의 길이 차이에 따라 카메라 픽셀에서 얻어지는 빛의 밝기가 변화하게 됩니다.

위 그림에서 길이에 차이가 없을 때 가장 밝았고 1/2 파장만큼 차이가 있을 때 가장 어두웠기 때문에 아래 그림 4(a)와 같이 sample beam의 길이와 reference beam의 길이 차를 나타내는 optical pathlength difference (OPD)에 따른 밝기 변화가 파장의 길이와 같음을 알 수 있습니다. (그림 4(a)의 주황색 3점은 각각 그림 3(b, d, f)의 점선의 높이를 나타냅니다.) 하지만 이러한 단색광의 경우 매 주기마다 밝기 변화가 반복되기 때문에 한 파장만큼 OPD변화가 있을 경우 같은 밝기를 갖게 되는 모호성이 존재합니다.


그림 4(b)는 일반적인 red, green, blue LED의 스펙트럼을 보여줍니다.스펙트럼 내에서 연속된 여러 파장의 빛은 각각 OPD에 대한 간섭 패턴을 갖고 있으며 밝기는 항상 OPD가 0일 때 가장 밝은 cosine함수의 형태로 OPD가 0인 지점에서 보강 중첩하게 됩니다. 따라서 스펙트럼 내 연속된 파장의 모든 간섭패턴을 중첩시켰을 때 굳이 어려운 적분을 하지 않아도 그림 4(c)와 같음을 짐작할 수 있습니다. 그림 4(c)의 경우 스펙트럼의 peak이 500 nm인 백색광이며 따라서 파란색 실선의 peak 사이의 간격은 대략 500 nm입니다. 이러한 peak들은 가우시안 형태의 envelope을 갖고 있으며 envelope의 양 끝단은 빛의 세기(I_c)가 0이 아닌 중간 밝기를 가지는 것을 알 수 있습니다.

[그림 4]


이제 백색광을 사용함으로써 가우시안 envelope을 갖는 간섭 패턴으로부터 sample의 단차 정보를 획득할 수 있습니다. 마이켈슨 간섭계의 경우 OPD를 만들기 위해 sample의 높이를 바꾸거나 거울을 앞뒤로 움직일 수 있습니다. 일반적으로 거울을 앞뒤로 움직이지만 그림 5에서는 이해의 편의를 돕기위해 그림의 Z_scan 방향(+방향)으로 sample을 움직임니다. 이때 sample arm에서 빛은 sample에서 반사되어 돌아오기 때문에 1만큼 sample이 위로 이동하면 OPD는 2만큼 줄어듭니다. 따라서 Z_scan에 대한 간섭 패턴의 주기는 파장의 절반이 되고 envelope의 폭도 절반으로 줄어듭니다.

그림 5에서 기준면에 대한 간섭 패턴은 파란색 실선이고 샘플을 위로 이동함에 따라 기준면에서의 간섭패턴은 사라지고 surface2에 해당하는 카메라 픽셀에서 간섭 패턴(녹색 실선)이 나타나고 2 μm만큼 이동 (Z_scan=2 μm)했을 때 envelope이 최대값을 갖습니다.

[그림 5]


따라서 sample의 단차 정보를 얻기 위해서는 간섭 패턴으로부터 envelope의 peak을 계산할 수 있어야 합니다. 그러나 그림에서 보듯이 sample이 금속인 경우 반사되는 빛의 위상이 변화할 수 있기 때문에 간섭 패턴의 최대값이 envelope의 peak이 아닐 수 있습니다. 따라서 위상이 변화한 간섭 패턴으로부터 정확한 envelope의 peak을 찾기 위한 여러가지 방법들이 제안되었습니다. 하지만 여기서는 이에 대해서는 다루지 않겠습니다.

지금까지 WSI에 대한 기본 원리를 다루었습니다. WSI는 현재 양산에 적용가능한 3D 센서중에서 가장 정밀도가 높고 동축 조명 방식이라는 장점을 갖고 있습니다. 또한 현미경 대물 렌즈 대신에 텔레센트릭 렌즈를 적용하여 대면적에서 3차원 정보를 빠르게 획득할 수 있는 제품도 판매되고 있습니다. 검교정이 필요한 샘플의 크기가 점차 미세화되고 있기 때문에 WSI의 수요 역시 점차 증가할 것으로 예상됩니다.


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회사는 이용자 혹은 법정대리인의 요청에 의해 삭제/ 취급 정지된 개인정보를 “3. 개인정보의 보유 및 이용기간”에 명시된 바에 따라 취급하고 그 외의 용도로 열람 또는 이용할 수 없도록 취급하고 있습니다. 이용자의 개인정보를 최신의 상태로 정확하게 입력하여 주시기 바랍니다. 이용자가 입력한 부정확한 정보로 인해 발생하는 사고의 책임은 이용자 자신에게 있으며 타인 정보의 도용 등 허위정보를 입력할 경우 서비스 이용이 제한될 수 있습니다.
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6. 개인정보 파기절차, 기한, 방법

이용자 및 법정대리인은 언제든지 등록된 이용자의 개인정보를 열람, 정정, 삭제, 취급 정지하는 등의 권리를 행사할 수 있습니다. 이를 원할 시 개인정보보호책임자에게 e-mail로 연락해주시면 지체 없이 조치하겠습니다. 이용자의 개인정보 오류에 대한 정정을 요청하신 경우에는 정정 완료 전까지 당해 개인정보를 이용 또는 제3자에게 제공하지 않겠습니다. 다만, 회사는 다음의 경우 개인정보의 전부 또는 일부에 대하여 열람 또는 정정을 거절할 수 있습니다.

  • 가. 파기절차
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  • 나. 파기기한
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  • 다. 파기방법
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7. 개인정보 자동수집 장치의 설치•운영 및 그 거부에 관한 사항

회사는 이용자의 정보를 수시로 저장하고 찾아내는 쿠키(cookie) 등을 운용합니다. 쿠키란 회사의 홈페이지를 운영하는 데 이용되는 서버(http)가 이용자의 브라우저에 보내는 아주 작은 소량의 정보이며 이용자들의 컴퓨터 하드디스크에 저장되기도 합니다.

  • 가. 쿠키 등 사용목적
    • 이용자 접속 유형, 방문 시간, 접속 빈도, 이용형태 등을 분석하여 이용자에게 최적화된 정보제공을 위해 사용됩니다.
    • 각종 마케팅 서비스, 통계분석 등에 활용
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    • 쿠키 관련 설정 변경을 원하신다면, 웹 브라우저 상단의 도구 > 인터넷 옵션 > 개인 정보란을 확인해주십시오.

8. 개인정보 관리책임자

회사는 개인정보 취급에 관한 업무를 총괄해서 책임지고, 개인정보 취급과 관련한 정보주체의 불만처리 및 피해구제 등을 위하여 아래와 같이 개인정보 관리책임자를 지정하고 있습니다.

  • 개인정보 보호책임자
    • 성명 : 김종환 대표
    • 전화 : 02-424-8832
    • 팩스 : 02-6455-8832
    • 이메일 : alliovis@iovis.co.kr

※ 문의 주신 내용은 개인정보 관리담당부서로 연결되며, 회사는 이용자들의 민원 사항에 대해 신속히 응대하겠습니다.

9. 개인정보 안전성 확보 조치

회사는 개인정보보호법에 따라 개인정보를 취급함에 있어 개인정보가 분실, 도난, 누출 변조 또는 훼손되지 않도록 아래와 같은 안전성 확보 조치를 하고 있습니다.

  • 가. 정기적인 자체 감사 실시
    • 개인정보 취급 관련 안정성 확보를 위해 정기적으로 자체 감사를 실시하고 있습니다.
  • 나. 개인정보 취급 직원의 최소화 및 교육
    • 개인정보를 취급하는 직원을 지정하고 담당자에 한정시켜 최소화 하여 개인정보를 관리하는 대책을 시행하고 있습니다.
  • 다. 내부관리계획의 수립 및 시행
    • 개인정보의 안전한 처리를 위하여 내부관리계획을 수립하고 시행하고 있습니다.
  • 라. 해킹 등에 대비한 기술적 대책
    • 회사는 해킹이나 컴퓨터 바이러스 등에 의한 개인정보 유출 및 훼손을 막기 위하여 보안프로그램을 설치하고 주기적인 갱신·점검을 하며 외부로부터 접근이 통제된 구역에 시스템을 설치하고 기술적/물리적으로 감시 및 차단하고 있습니다.
  • 마. 접속기록의 보관 및 위변조 방지
    • 개인정보처리시스템에 접속한 기록을 최소 6개월 이상 보관, 관리하고 있으며, 접속 기록이 위변조 및 도난, 분실되지 않도록 보안기능 사용하고 있습니다.
  • 바. 개인정보에 대한 접근 제한
    • 개인정보를 처리하는 데이터베이스시스템에 대한 접근권한의 부여, 변경, 말소를 통하여 개인정보에 대한 접근통제를 위하여 필요한 조치를 하고 있으며 침입차단시스템을 이용하여 외부로부터의 무단 접근을 통제하고 있습니다.
  • 사. 문서보안을 위한 잠금장치 사용
    • 개인정보가 포함된 서류, 보조저장매체 등을 잠금장치가 있는 안전한 장소에 보관하고 있습니다.
  • 아. 비인가자에 대한 출입 통제
    • 개인정보를 보관하고 있는 물리적 보관 장소를 별도로 두고 이에 대해 출입통제 절차를 수립, 운영하고 있습니다.

10. 적용 개시일 및 변경 공지

이 개인정보처리방침은 2020년 9월 1일부터 적용되며, 법령 및 방침에 따른 변경 내용 발생 시 변경 사항의 시행 7일 전에 홈페이지 공지사항을 통해 공지할 것입니다.

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