마이크로 엘립소메트리 성능 향상을 위한 구조광 광원 설계 = Structured Light Source Design for Accurate Micro-ellipsometry Measurement

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 반도체 제조 공정 기술의 고도화 및 소자 미세화에 따라 요구되는 고정밀 및 고정확 광학 계측 하드웨어를 개발하는 것을 목적으로 한다. 특히 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micro-mirror device, DMD)칩을 광원단에 활용한 마이크로-엘립소메트리(micro-ellipsometry) 구조에서 측정 정확도와 정밀도를 저해하는 주요 요인으로 작용하는 DMD 칩의 초점 조정에 관해 주목하였다.

이를 해결하기 위해 본 연구에서는 DMD 칩의 미세한 위치 및 초점 조절이 가능하도록 마이크로 단위 분해능을 갖는 정밀 스테이지를 도입한 구조광 광원 모듈을 설계 및 구현하였다. 제안된 광원 모듈은 DMD 칩의 초점을 정밀하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 기존 상용 빔 프로젝터에서 불필요한 요소들을 제거함으로써 하드웨어 구조를 단순화하였다. 이를 통해 유지 및 보수의 용이성을 확보함과 동시에 구조광 이미지 왜곡 가능성을 최소화하였다.

제안된 시스템의 성능은 $Si$ 기판 위에 $SiO_2$ 박막이 증착된 시편을 대상으로 평가하였다. 기존 상용 빔 프로젝터 기반 DMD 광원과 본 연구에서 개발한 광원 모듈을 비교한 결과 박막 두께 측정 기준으로 정확도와 정밀도 모두 60\% 이상 향상되었다.

본 연구의 결과는 DMD 칩의 마이크로 스케일 초점 제어가 구조광 기반 광학 계측에서 측정 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있음을 명확히 보여준다. 또한 제안된 하드웨어 구성은 빠른 이미지 전환과 높은 공간 분해능이 요구되는 반도체 공정 계측뿐만 아니라 정밀 초점 제어가 필요한 다양한 광학 이미징, 분광 및 메트롤로지 응용 분야로의 확장 가능성을 갖는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the continuous advancement of semiconductor manufacturing technologies and the progressive miniaturization of device dimensions, the demand for highly accurate and precise optical metrology hardware has become increasingly critical. In particular, micro-ellipsometry configurations employing a digital micromirror device (DMD) as a structured-light source have attracted considerable attention due to their capability for high-speed and high-resolution measurements. However the measurement accuracy and precision of such systems are often limited by insufficient focal alignment of the DMD chip when conventional commercial beam projectors are used.

In this study, we present a structured-light source module for micro-ellipsometry that enables precise focal control of a DMD chip through the integration of a micro-scale precision positioning stage. The proposed hardware configuration allows fine adjustment of the DMD focal position while eliminating unnecessary optical and mechanical components commonly found in commercial projector-based systems. As a result, the system architecture is simplified, image distortion is minimized, and maintenance and alignment efficiency are significantly improved.

The performance of the proposed system was experimentally evaluated using samples consisting of $SiO_2$ thin films deposited on $Si$ substrates. A direct comparison between a conventional commercial beam projector and the developed DMD light-source module was conducted under same measurement conditions. The experimental results demonstrate that both measurement accuracy and precision in thin-film thickness determination were improved by more than 60\% when using the proposed hardware.

These results clearly indicate that micro-scale focal control of a DMD chip is a critical factor in enhancing measurement reliability in structured-light–based micro-ellipsometry. The proposed approach provides a practical and effective hardware-level solution for high-precision semiconductor metrology and is expected to be readily extendable to other optical measurement and imaging applications that require fast pattern switching and precise focal alignment.

목차 (Table of Contents)

• 초록 i
• 그림 목차 iv
• 표 목차 vi
• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 배경 이론 5
• 2.1 DMD 5
• 2.2 전자기파와 빛 7
• 2.3 빛의 반사, 굴절, 흡수 9
• 2.4 편광과 수학적 표현 11
• 2.5 박막에서의 빛 14
• 2.6 이론 반사계수 16
• 2.6.1 로아드 방법 16
• 2.6.2 전달행렬 방법 17
• 2.6.3 산란행렬 방법 20
• 제 3 장 설계 방법 22
• 3.1 하드웨어 설계 22
• 3.2 DMD칩 모듈 설계 24
• 3.3 후초점면과 초점면 조정 29
• 제 4 장 실험 결과 34
• 제 5장 결론 40
• ABSTRACT 46