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KR101036455B1 - 하프 미러를 이용한 타원계측기 - Google Patents

하프 미러를 이용한 타원계측기 Download PDF

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KR101036455B1
KR101036455B1 KR1020090053593A KR20090053593A KR101036455B1 KR 101036455 B1 KR101036455 B1 KR 101036455B1 KR 1020090053593 A KR1020090053593 A KR 1020090053593A KR 20090053593 A KR20090053593 A KR 20090053593A KR 101036455 B1 KR101036455 B1 KR 101036455B1
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half mirror
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조현모
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 하프 미러(half mirror)를 이용한 타원계측기(Ellipsometer using Half Mirror)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 수직 입사형 초점 타원계측기에서 처럼 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 사각 프리즘형 또는 유리평판형 등의 광분할기를 사용하는 대신에 하프미러로 대물렌즈의 반쪽으로 빛을 전부 반사시키고 대물렌즈 초점의 반쪽으로부터 반사된 빛이 광분할기를 통과하지 않고 바로 광검출기로 검출되도록 함으로써 광분할기에 의한 광간섭 현상이 제거되고 광량은 최대 4배 정도 증가됨으로써 나노 박막 또는 나노 패턴 등의 시편들의 물성을 보다 정확하고 정밀하게 측정 및 분석할 수 있도록 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 하프 미러를 이용한 타원계측기는 평행광을 방출하는 광원장치(210); 상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 선편광자(220); 상기 선편광자(220)를 투과한 빛을 반사하는 하프 미러(230); 상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240); 상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛에서 특정 방향의 선편광 상태의 빛만 투과하는 검광자(260); 상기 검광자(260)를 투과한 빛의 세기를 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 검출하는 광검출기(270); 상기 광검출기(270)에 의해 검출된 전기적 신호를 각각의 입사각들에 대해서 180°의 다중 입사면 경로를 따라 상기 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정 하여 연산처리하는 연산처리장치(280)를 포함하여 이루어진다.
타원계측기, 하프 미러, 대물렌즈, 초점, 반쪽, 광간섭, 방지

Description

하프 미러를 이용한 타원계측기{Ellipsometer using Half Mirror}
본 발명은 하프 미러(half mirror)를 이용한 타원계측기(ellipsometer)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 수직 입사형 초점 타원계측기에서 처럼 빛의 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 사각 프리즘형 또는 유리평판형 등의 광분할기를 사용하는 대신에 고반사율 하프미러로 대물렌즈의 반쪽으로 빛을 반사시키고 대물렌즈 초점의 반쪽으로부터 반사된 빛이 광분할기를 통과하지 않고 바로 광검출기로 검출되도록 함으로써 광분할기에 의한 광간섭 현상이 방지되고 광량은 최대 4배 정도 증대됨으로써 나노 박막 또는 나노 패턴 등의 시편들에 대한 물성을 보다 정확하고 정밀하게 측정 및 분석할 수 있도록 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기에 관한 것이다.
본 발명은 타원계측기(ellipsometer)에 관한 것으로 시편의 표면에 특정 편광상태를 지니고 입사한 빛이 반사된 후에 가지게 되는 편광상태의 변화를 측정하고 그 측정값을 분석함으로써 시편의 물성을 찾아내는 측정기술이다. 특히, 반도체 산업체에서는 다양한 나노 박막 제조공정들이 사용되고 있는데 제조된 나노 박막들에 대한 물성을 평가하기 위해서 비파괴적이며 비접촉식인 실시간 측정기술인 타원 계측기를 공정용 계측장비로 널리 사용하고 있다.
반도체 산업체뿐만 아니라 대학을 비롯한 연구기관들에서 다양한 종류의 타원계측기들을 사용되고 있는데 탐침으로 사용되는 광선을 시편에 어떻게 조사하는가에 따라 그 종류를 분류하면 경사 방향에서 평행광을 시편에 입사하는 경우(미국특허 제 3,985,447호), 경사 방향에서 광학계를 사용하여 시편에 초점을 맺는 경우(미국특허 제 5,166,752호 및 제 5,608,526호) 그리고 수직 방향에서 광학계를 사용하여 시편에 초점을 맺는 경우(미국특허 제 5,042,951호 및 제 6,898,537호)로 구분할 수 있다.
경사 방향에서 평행광을 입사하는 경우에는 모든 광선들이 동일한 입사각을 갖고 시편에 조사되므로 입사각을 보다 정확히 제어할 수 있기 때문에 측정 정확도가 우수한 반면에 조리개(iris)를 이용하여 입사빔의 크기를 줄이면 회절(diffraction)현상이 증대되기 때문에 시편에 조사된 빔의 크기를 mm 이하로 줄이는 것이 어려운 단점이 있다.
반도체 소자제조 산업체에서는 타원계측기를 사용하여 다양한 박막 제조공정들에 대한 측정 및 평가를 위해서 수십 μm x 수십 μm의 면적으로 제한된 측정영역을 웨이퍼에 특별히 만들어 사용하고 있다. 이렇게 마이크로 수준으로 제한된 측정영역 내부에서 타원계측기를 사용하여 박막의 두께를 측정하기 위해서는 경사 방향에서 입사된 평행광을 렌즈(미국특허 제 3,985,447호) 또는 반사형 거울(미국특허 제 5,608,526호)로 구성된 광학계를 사용하여 시편 표면에 초점을 맺는 기술이 사용되고 있다. 그런데 이 경우에는 다수의 입사각을 갖는 광선이 동시에 시편에 입사되기 때문에 경사 방향에서 평행광을 사용하는 경우 보다는 그 측정 정확도를 확보 및 유지하기가 어려운 단점이 있다.
최근 반도체 소자 제조기술의 지속적인 발전에 따라서 향후 반도체 소자 제작 기술에서 웨이퍼에서의 패턴된 선폭의 크기가 지속적으로 줄어들 것으로 예상됨에 따라서 상기의 제한된 측정지역의 면적도 비례하여 줄여야만 한다. 그러나 상기의 경사 방향 초점 타원계측기의 경우에는 시편에 조사되는 광빔의 면적을 최대한 줄이려는 많은 연구 및 노력에도 불구하고 초점 광학계의 수차 및 구조적 한계 등의 장벽으로 인하여 더 이상 그 크기를 줄이기는 매우 어려운 실정이다.
수직 입사 초점 타원계측기의 경우에는 수직 방향에서 입사된 평행광을 대물렌즈를 사용하여 시편의 표면 위에 최대 μm 이하 크기의 초점을 맺게 할 수 있으므로 보다 작은 면적을 갖는 미세 패턴 영역 내부에서도 측정이 가능한 장점을 갖고 있다.
도 1에서는 기존에 널리 사용되고 있는 수직에서 입사하는 초점 타원계측기(미국특허 제 5,042,951호)의 기본적 구조를 도시하였다. 상기 초점 타원계측기는 광원(110)으로부터 방출된 평행광(120)을 선편광 상태로 만드는 편광자(130)와, 편광자(130)를 통과한 빛의 일부를 분할하는 광분할기(140)와, 광분할기(140)로부터 분할된 일부의 빛을 굴절시켜 시편(160)에 집중시켜 조사시키는 대물렌즈(150)와, 시편(160)으로부터 반사된 후 대물렌즈(150) 및 광분할기(140)를 통과한 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태만을 걸러내는 검광자(170)와, 검광자(170)를 통과한 빛의 세기를 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 검출하는 단위소자를 갖는 광검출 기(180)를 구비하고 있다.
상기 초점 타원계측기에서 일반적으로 광분할기에 입사된 빛의 반 정도만 반사되어 대물렌즈로 조사되며 시편으로부터 반사되고 대물렌즈를 통과하여 다시 광분할기에 입사된 빛의 경우에도 반 정도만이 광분할기를 통과하여 광검출기에 검출되게 되므로 광량의 손실이 매우 크기 때문에 출력이 큰 광원을 사용해야만 한다. 또한, 광분할기에서의 다중반사로 인해서 일부 원하지 않은 빛들이 광검출기로 입사됨으로써 광간섭을 일으킬 수 있게 되어 정확한 측정에 장애가 되는 단점도 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 타원계측기에서 하프미러로 대물렌즈의 반쪽으로 빛을 반사하거나 대물렌즈 초점의 반쪽으로부터 반사된 빛을 검출되도록 하여 대물렌즈 초점의 반쪽에 해당되는 시편의 물성을 분석하도록 함으로써 광분할기에 의한 광간섭이 방지되어 보다 정확한 물성을 분석할 수 있게 되고 광량은 최대 4배 정도 증대되어 측정에서 신호/잡음 비율이 크게 증대되도록 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기(Ellipsometer using Half Mirror)를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 하프 미러를 이용한 타원계측기는 평행광을 방출하는 광원장치(210); 상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 편광자(220); 상기 편광자(220)를 통과한 빛을 전부 반사하는 고반사율 하프 미러(230); 상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240); 상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태만을 투과시키는 검광자(260); 상기 검광자(260)를 투과한 빛의 세기를 전기적 신호로 검출하는 광검출기(270); 를 포함하여 이루어지며, 상기 편광자(220)를 투과한 빛이 상기 하프 미러(230)에 의해 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 반사되도록 하고, 상기 대물렌즈(240) 초점의 반쪽에 해당되는 크기로 시편(250)에 조사되어 상기 시편(250)으로 부터 반사된 빛이 상기 대물렌즈(240)의 나머지 반쪽으로 전달되어 상기 광검출기(270)로 검출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 다른 형태의 하프 미러를 이용한 타원계측기는 상기 편광자(220)과 상기 검광자(260) 대신에 하나의 선편광자를 상기 하프 미러(230)와 상기 대물렌즈(240) 사이에 설치하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 광검출기(270)에 의해 검출된 빛의 세기를 각각의 입사각들에 대해서 180°의 다중 입사면 경로를 따라 상기 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정하여 연산을 처리하는 연산처리장치(280)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 하프 미러(230)는 광원으로 사용되는 파장 영역에서 반사율이 높도록 박막코팅이 된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 하프 미러(230)가 상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽으로 반사되도록 상기 하프 미러(230)를 이송시키는 하프 미러 이송수단이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광검출기(270)는 다수의 단위소자(pixel)로 구성된 2차원 영상측정 장치를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 광원장치(210)에서 광원은 텅스텐-할로겐 램프, Xe 램프로부터 선택되는 어느 하나의 백색광원 또는 레이저의 단색광원을 사용하는 것을 특징으로 하며 평행광을 만들기 위하여 렌즈, 거울, 렌즈와 거울의 조합으로부터 선택되는 어느 하나로 구성된 광학계로 구비된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 편광자(220)와 상기 검광자(260)은 프리즘형 선평 편광자, 평판형 편광자로부터 선택되는 어느 하나의 선형 편광자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 대물렌즈(240)는 렌즈, 거울, 렌즈와 거울의 조합으로부터 선택되는 어느 하나로 구성된 광학계로 구비된 것으로 평행광을 상기 시편(250) 상에 초점이 맺도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하프 미러를 이용한 타원계측기는 종래의 초점 타원계측기에 비해 광분할기에 의한 광간섭이 방지되어 보다 정확한 물성 측정이 가능하며, 광량 감소를 최대 4배 이하로 최소화하여 신호/잡음 비율이 증대됨으로서 측정 정밀도가 향상되거나 보다 출력이 작은 광원을 사용할 수 있는 장점이 있다.
종래의 초점 타원계측기에 비해 하프 미러를 채택함으로써 간편한 구조를 갖게 되었으며 단일 입사면에 대한 측정을 다중 입사면과 다중 입사각에 대한 측정으로 확대함에 따라서 측정 정밀도가 향상될 것으로 기대된다. 따라서 본 발명의 측정장치를 사용한다면 시편의 물성, 즉 나노 박막의 경우에는 보다 세밀한 박막의 두께 및 굴절률 등에 대한 정보들을 정확하고 정밀하게 측정할 수 있을 것이다.
또, 단일 입사면에서 편광특성을 취하는 종래의 초점 타원계측기에 비해 측정시 광부품에 대한 모터 구동이 없는 정적인 상태에서 0° 에서 최대 입사각에 이르는 다중 입사각들에 대해서 180°의 다중 입사면들에 대한 편광성분을 각각 취함으로써 시편의 광특성을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 타원계측기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2, 도 3, 도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 하프 미러를 이용한 타원계측기의 구조를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 박막의 두께 및 굴절률 등과 같은 시편의 광학적 물성 측정을 위한 본 발명에 의한 하프 미러를 이용한 타원계측기는 평행광을 방출하는 광원장치(210); 상기 광원장치(210)으로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 편광자(220); 상기 편광자(220)를 통과한 빛을 전부 반사하는 고반사율 하프 미러(230); 상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240); 상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태만 투과하는 검광자(260); 상기 검광자(260)를 투과한 빛의 세기를 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 변환하는 광검출기(270); 상기 광검출기(270)에 의해 검출된 전기적 신호를 각각의 입사각들에 대해서 180°의 다중 입사면 경로를 따라 상기 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정하여 연산을 처리하는 연산처리장치(280)를 포함하여 이루어진다.
상기 광원장치(210)은 종래에 일반적으로 사용하는 텅스텐-할로겐 램프, Xe 방전램프 등의 백색광원과 레이저 등의 단색광원이 광원으로 사용될 수 있으며 이들 광원으로부터 발생한 빛을 평행광으로 바꾸게 하는 거울, 렌즈, 렌즈와 거울의 조합으로부터 선택되는 어느 하나로 구성된 광학계를 설치하여 이루어진다.
상기 광원(210)이 백색광원인 경우 백색광원을 사용할 때는 상기 광원(210)의 후단 또는 상기 광검출기(270) 전단에 특정 파장 범위의 빛을 통과시키는 대역 필터부(도 4 참조)가 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 대역필터부는 도 4에서와 같이 상기 대역필터(211)는 방사상으로 배치되며 상기 대역 필터(211)를 선택적으로는 통과될 수 있도록 회전이 가능한 필터 휠(212)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 필터 휠(212)은 모터(213)에 의해 회전되게 된다. 상기 모터(213)는 스테핑모터로 되는 것이 바람직하다.
상기 편광자(220)는 선편광자로 구성되며 상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 역할을 한다.
상기 편광자(220)를 통과한 선편광은 고반사율 하프 미러(230)로 전달되게 된다.
상기 하프 미러(230)는 상기 편광자(220)를 통과한 빛을 모두 반사하는 역할을 한다. 상기 하프 미러(230)로 전달된 빛은 반사되어 하프 미러(230)의 하부에 위치한 큰 개구수(numerical aperture)를 가지는 대물렌즈(240)로 전달된다.
이때, 상기 하프 미러(230)에 의해 반사된 빛이 상기 대물렌즈(240)로 전달되게 될 때 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 전달되게 되며 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 전달된 빛은 상기 대물렌즈(240)의 초점의 절반에 해당되는 크기로 상기 시편(250)의 표면에 수직으로 조사된다.
상기 하프 미러(230)는 사용되는 광원의 파장영역에서 반사율이 높도록 박막 코팅된 미러인 것이 바람직하다.
아울러, 상기 하프 미러(230)는 상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽으로 반사되도록 상기 하프 미러(230)를 상기 대물렌즈(240) 상에서 이송시키는 하프 미러 이송수단(미도시됨)이 더 구비된 것이 바람직하다. 이렇게 되면 상기 하프 미러(230)를 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 반사되도록 하여 대물렌즈(240)의 초점 절반에 해당하는 시편의 물성을 측정하고 상기 하프 미러 이송수단에 의해 하프 미러(230)를 상기 대물렌즈(240)의 나머지 반쪽으로 반사되도록 하여 대물렌즈(240)의 초점의 나머지 절반에 해당하는 시편의 물성을 측정함으로써 대물렌즈(240)의 초점 전체에 해당하는 시편의 물성을 측정할 수 있게 된다.
상기 대물렌즈(240)는 상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛을 상기 시편(250)의 표면에 수직으로 초점이 맞게 조사하는 역할을 한다. 아울러, 상기 대물렌즈(240)는 렌즈, 거울, 렌즈와 거울의 조합으로부터 선택되는 어느 하나로 구성된 광학계를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 시편(250)의 하부에는 시료 받침대(미도시됨)가 더 구비되며, 상기 시료 받침대는 전후좌우, 상하 및 회전 가능하도록 하는 이송장치(미도시됨)에 의해 이송되는 것이 바람직하다.
상기 하프 미러 이송수단에 의해 하프 미러(230)를 이송시켜 대물렌즈(240)의 초점 전체에 해당하는 시편의 광학적 물성을 측정한 후에는 대물렌즈(240)의 초점을 옮기기 위해 시료 받침대를 이송시키는 이송장치에 의해 시편을 이송시켜 시편 전체의 물성을 측정할 수 있게 된다.
상기 검광자(260)는 상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛에서 특정한 방향의 선편광상태의 빛 만 투과시켜 광검출기(270)로 입사시킨다. 여기서 광검출기(270)는 여러 개의 단위소자(pixel)를 갖고 있으며 2차원 광세기 분포를 측정할 수 있는 전하결합소자(CCD) 등이 이에 해당된다.
상기 광검출기(270)의 각 단위소자에서 획득된 정보는 상기 연산처리장치(280)로 전달되어 디지털 신호로 저장되게 된다.
또한, 상기 광검출기(270)의 측정성능을 향상시키기 위하여 릴레이 렌즈를 구비한 광학계(미도시됨)가 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 광검출기(270)에 의해 검출된 빛의 세기에 대한 전기적 신호를 각각의 입사각들에 대해서 180o의 다중 입사면 경로를 따라 상기 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정하여 연산처리하는 역할을 하는 연산처리장치(280)가 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 광검출기(270)에 의해 검출된 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로부터 상기 연산처리장치(280)인 컴퓨터를 통하여 파형을 분석함으로써 상기 시편(250)의 물성 또는 박막시편의 경우에는 박막의 두께 및 광학상수 등을 추출하게 된다.
도 2 및 도 3은 수평입사형 하프 미러를 이용한 타원계측기를 도시한 것이며, 도 2는 대물렌즈(240)의 초점의 절반(오른쪽 절반)에 해당하는 시편(250)에서의 물성을 측정하는 경우를 나타낸 도면이고, 도 3은 대물렌즈(240)의 초점의 절 반(왼쪽 절반)에 해당하는 시편(250)에서의 물성을 측정하는 경우를 나타낸 도면이다. 두께가 균일한 박막 시편과 같이 특수한 경우에는 이러한 두가지 측정방법의 결과가 동일하게 된다.
도 5 및 도 6은 수직입사형 하프 미러를 이용한 타원계측기를 도시한 것이며, 도 5는 대물렌즈(240)의 초점의 절반(오른쪽 절반)에 해당하는 시편(250)에서의 물성을 측정하는 경우를 나타낸 도면이고, 도 6은 대물렌즈(240)의 초점의 절반(왼쪽 절반)에 해당하는 시편(250)에서의 물성을 측정하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 의한 다른 형태의 하프 미러를 이용한 타원계측기로서 상기 편광자(220)과 상기 검광자(260) 대신에 하나의 선편광자(290)를 상기 하프 미러(230)와 상기 대물렌즈(240) 사이에 설치하는 것을 특징으로 한다.
상기 선형편광자(290)와 상기 대물렌즈(240)의 사이에 보상기가 구비될 수 있다. 상기 보상기는 상기 대물렌즈(240) 전단에 편광을 보상하기 위한 것으로, 상기 시편(250)에 입사되는 빛의 편광 상태를 임의로 조절하는 역할을 한다.
상기 보상기는 선형 편광된 빛이 상기 보상기의 면에 수직으로 입사할 때에 편광의 방향이 상기 보상기의 광축과 평행할 때와 수직일 때의 투과된 빛의 위상차 값을 갖는 특징이 있다.
아울러, 상기 보상기 대신에 상기 대물렌즈(240) 전단에 편광을 전기로 빛의 위상차를 제어할 수 있는 전기적 편광 변조장치(electrical polarization modulator)가 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 하프 미러를 이용한 타원계측기는 다음과 같은 방법으로 박막의 두께 및 굴절률 등과 같은 시편의 광학적 물성 측정하게 된다.
상기 광원(210)으로부터 발생된 평행광이 상기 편광자(220)에 의해 선편광으로 변환되며 변환된 편광은 상기 하프 미러(230)로 전달되어 반사된다. 상기 하프 미러(230)에 의해 반사된 선편광은 상기 하프 미러(230)의 하부에 위치한 상기 대물렌즈(240)로 전달되게 된다. 이때, 상기 하프 미러(230)에 의해 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 전달되게 되며 상기 대물렌즈(240)의 반쪽으로 전달된 편광은 상기 대물렌즈(240)의 초점의 절반에 해당되는 크기로 상기 시편(250)의 표면에 수직으로 조사된다. 상기 대물렌즈(240)의 초점의 절반에 해당되는 크기로 상기 시편(250)의 표면에 수직으로 조사된 빛은 반사되어 상기 대물렌즈(240)의 나머지 반쪽으로 전달되며, 전달된 빛은 상기 대물렌즈(240)의 나머지 반쪽을 통과하여 검광자(260)에 의해 특정한 방향의 선편광 상태만을 걸러내어 빛의 세기에 대한 전기적 신호를 상기 광검출기(270)의 단위소자로 검출되게 된다. 상기 광검출기(270)에 의해 검출된 전기적 신호를 상기 연산처리장치(280)에 의해 각각의 입사각들에 대해서 180o의 다중 입사면 경로를 따라 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정하여 연산이 처리된다.
본 발명에서는 고반사율의 하프 미러를 채택함으로써 광원의 세기를 4배 이하로 줄여서도 광검출기(270)에 의해 용이하게 검출할 수 있게 되며 종래의 광분할 기에 의해서 발생하는 반중반사로 인한 광간섭이 배제된 상태에서 검출하게 되므로 보다 세밀한 나노 박막 및 나노 패턴 시편들에 대해서도 정확하고 정밀하게 물성을 측정하는 것이 가능하게 된다.
아래에서는 본 발명의 하프 미러를 이용한 타원계측기의 기본원리를 구현하기 위한 본 발명의 장치적 원리에 대해 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
상기 대물렌즈(240)의 중심(420C)으로 입사된 빛의 입사각
Figure 112009036455196-pat00001
는 0 이며, 반지름
Figure 112009036455196-pat00002
이 일정한 원주 상으로 입사된 빛의 경우에는 모두 동일한 입사각(
Figure 112009036455196-pat00003
)을 갖게 되고 방위각
Figure 112009036455196-pat00004
의 값에 따라서 입사면이 회전하게 된다.
하프 미러(230)에 의해 반사된 특정 편광상태의 편광이 대물렌즈(240)의 420A로 입사한 경우에는 상기 대물렌즈(240)에 의해 입사각이
Figure 112009036455196-pat00005
인 상태로 상기 시편(250)의 표면 430 지점으로 굴절되고, 반사각
Figure 112009036455196-pat00006
로 반사되어 대물렌즈(240)의 중심(420C)을 기준으로 대칭이 되는 위치(420B)에 도달하고, 상기 광검출기(270)에 의해 획득된 2차원 광 세기신호에서 방위각
Figure 112009036455196-pat00007
가 0인 x축 상의 410B 지점에 도달하여 상기 광검출기(270)의 단위소자에 의해 해당 빛의 세기가 전압 또는 전류와 같은 전기신호로 검출되게 된다.
상기 대물렌즈(240)로 입사한 평행 광선은 대물렌즈(240)의 개구수에 의해 굴절되어 상기 시편(250)의 표면으로 입사되게 되는데, 여기서 상기 시편(250)의 표면으로 입사되는 광선의 최대 입사각(
Figure 112009036455196-pat00008
)은 대물렌즈(240)의 개구수(NA)에 의해 다음과 같이 결정된다.
Figure 112009036455196-pat00009
상기 광검출기(270)로 검출된 빛의 세기에 대한 전기 신호를 그 중심에서 반지름
Figure 112009036455196-pat00010
이 일정한 원주 상에서 발생하는 180°다중 입사면 경로를 따라 상기 편광검출기(270)의 각각의 단위소자[예를 들어, 광검출기가 전하결합소자(CCD)인 경우 단위소자는 픽셀(pixel)이 된다]에 해당되는 값으로 보정하여 연산처리된 도표로 나타내어진다. 간단한 계산과정을 거치면 상기 광검출기(270)에 의해 검출되는 빛의 세기 신호는 일반적으로 다음 식으로 표현된다.
Figure 112009036455196-pat00011
여기서
Figure 112009036455196-pat00012
는 반지름
Figure 112009036455196-pat00013
이 일정한 원주 상에서 측정된 빛 세기의 평균값이며,
Figure 112009036455196-pat00014
,
Figure 112009036455196-pat00015
,
Figure 112009036455196-pat00016
및
Figure 112009036455196-pat00017
는 퓨리에 계수들이다.
따라서 빛의 세기에 대해 측정된 2차원 데이터에서 대물렌즈(240)의 중심축(420C)을 중심으로 하여 구성되는 여러개의 반 동심원들 중에서 하나의 반 동심원 상에 있는 데이터를 퓨리에 변화하면
Figure 112009036455196-pat00018
,
Figure 112009036455196-pat00019
,
Figure 112009036455196-pat00020
및
Figure 112009036455196-pat00021
의 값을 얻게 된다. 일반적으로는 이들 퓨리에 계수들 중에서 2개의 값만이 0이 아닌 값을 가지게 된다.
이와 같은 다중 입사면 측정방법으로 결정된 퓨리에 계수들을 대물렌즈(240)의 중심축(420C)에서부터 상기 최대 입사각
Figure 112009036455196-pat00022
에 이르는 각각의 입사각들에 대해서, 즉 다중 입사각에 대해서 얻게 되고 이 계수들을 분석함으로써 시편의 광특성을 찾아내게 된다. 다중 입사면에 대한 측정방법은 종래의 검광자 회전형 또는 편광자 회전형 타원계측기와 유사한 효과를 획득할 수 있기 때문에 종래의 단일 입사면을 이용하는 초점 탄원계측기에 비해 다중 입사각에 대한 다중 입사면 측정방법은 측정 정밀도를 더 높을 것으로 기대된다.
도 1은 종래 발명에 의한 초점 타원계측기의 대표적 구조를 나타낸 도면.
도 2와 도 3은 본 발명에 의한 수평입사형 하프 미러를 이용한 타원계측기의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 필터 휠을 나타낸 사시도.
도 5와 도 6은 본 발명에 의한 수직입사형 하프 미러를 이용한 타원계측기의 구조를 나타낸 도면.
도 7과 도 8은 본 발명에 의한 다른 형태의 수평입사형 하프 미러를 이용한 타원계측기의 구조를 나타낸 도면.
도 9는 광검출기에 의해 측정된 빛의 세기 신호 분포의 2차원 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
210: 광원장치 220: 편광자
230: 하프 미러 240: 대물렌즈
250: 시편 260: 검광자
270: 광검출기 280: 연산처리장치
290: 선형 편광자

Claims (13)

  1. 광원장치(210);
    상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 편광자(220);
    상기 편광자(220)를 투과한 빛을 반사하는 하프 미러(230);
    상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240);
    상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태의 빛만을 투과시키는 검광자(260);
    상기 검광자(260)를 통과한 빛의 세기의 분포를 검출하기 위한 단위소자를 갖는 광검출기(270);
    를 포함하여 이루어 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  2. 광원장치(210);
    상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 편광자(220);
    상기 편광자(220)를 투과한 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240);
    상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛을 반사 하는 하프 미러(230);
    상기 하프 미러(230)에 의해 반사된 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태의 빛만을 투과시키는 검광자(260);
    상기 검광자(260)를 통과한 빛의 세기의 분포를 검출하기 위한 단위소자를 갖는 광검출기(270);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  3. 광원장치(210);
    상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 반사하는 하프 미러(230);
    상기 하프 미러(230)로부터 반사된 빛에서 특정한 방향의 선편광 상태의 빛만을 투과시키는 선형편광자(290);
    상기 선형편광자(290)로부터 투과된 선편광을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240);
    상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 선형편광자(290)를 통과한 빛의 세기의 분포를 검출하기 위한 단위소자를 갖는 광검출기(270);
    를 포함하여 이루어 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  4. 광원장치(210);
    상기 광원장치(210)로부터 방출된 평행광을 선편광 상태로 만드는 선형편광 자(290);
    상기 선형편광자(290)를 투과한 빛을 시편(250)에 집중 조사시키는 대물렌즈(240);
    상기 시편(250)으로부터 반사된 후 상기 대물렌즈(240)를 통과한 빛의 특정한 방향의 선편광 상태의 빛만을 투과시키는 선형편광자(290);
    상기 선형편광자(290)를 통과한 빛을 반사하는 하프 미러(230);
    상기 하프 미러(230)에 의해 반사된 빛의 세기의 분포를 검출하기 위한 단위소자를 갖는 광검출기(270);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  5. 제 1항 내지 제 4항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 하프 미러(230)가 상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽으로 빛을 반사되도록 하거나 상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽을 통과한 빛이 반사되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광검출기(270)에 의해 검출된 빛의 세기분포를 각각의 입사각들에 대해서 180°의 다중 입사면 경로를 따라 상기 광검출기(270)의 단위소자(pixel)에 해당되는 값으로 보정하여 연산처리하는 연산처리장치(280); 를 더 포함하여 이루어 지는 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽으로 빛을 반사되도록 하거나 상기 대물렌즈(240)의 반쪽 또는 나머지 반쪽을 통과한 빛이 반사되도록 상기 하프 미러(230)를 이송시키는 하프 미러 이송수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 광원장치(210)의 광원은 텅스텐-할로겐 램프, Xe 램프로부터 선택되는 어느 하나의 백색광원 또는 레이저의 단색광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 광원장치(210)가 백색광원인 경우 상기 광원장치(210)의 후단 또는 상기 광검출기(270) 전단에 특정 파장 범위의 빛을 통과시키는 대역 필터부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하프미러(230)와 상기 대물렌즈(240)의 사이에 설치되며 편광을 보상하기 위한 보상기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  11. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 선형편광자(290)와 상기 대물렌즈(240)의 사이에 설치되며 편광을 보상하기 위한 보상기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하프미러(230)와 상기 대물렌즈(240)의 사이에 편광을 전기로 빛의 위상차를 제어하는 전기적 편광 변조장치(electrical polarization modulator)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
  13. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 선형편광자(290)와 상기 대물렌즈(240)의 사이에 편광을 전기로 빛의 위상차를 제어하는 전기적 편광 변조장치(electrical polarization modulator)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하프 미러를 이용한 타원계측기.
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