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KR20200083187A - 검사 장치 및 검사 방법 - Google Patents

검사 장치 및 검사 방법 Download PDF

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KR20200083187A
KR20200083187A KR1020190121610A KR20190121610A KR20200083187A KR 20200083187 A KR20200083187 A KR 20200083187A KR 1020190121610 A KR1020190121610 A KR 1020190121610A KR 20190121610 A KR20190121610 A KR 20190121610A KR 20200083187 A KR20200083187 A KR 20200083187A
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mirror
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김대석
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전북대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 광을 선형 편광하고, 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 위상 차이를 갖도록 변조하여 출력 광을 생성하고, 상기 출력 광을 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물에 조사하고, 상기 측정 대상물로부터의 측정 광을 수광하고 상기 측정 광의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 간섭 광을 생성하고, 그리고 상기 간섭 광으로부터 상기 측정 대상물의 이미지를 얻는 것을 포함한다. 상기 측정 대상물은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 스캔되거나 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향을 축으로 회전 스캔될 수 있다. 2차원의 공간축에서의 분광 타원 편광 정보(즉, 분광 타원 편광 큐빅 정보)를 초고속으로 얻을 수 있으며, 이를 통해 2차원 공간에서의 나노 패턴이나 나노 박막의 균일도 측정, 또는 미소 결함 등을 고속으로 검출할 수 있다.

Description

검사 장치 및 검사 방법{INSPECTION　APPARATUS AND INSPECTION METHOD}
본 발명은 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 대상물의 이미지를 측정하는 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것이다.
이미지 측정기술은 오늘날 실시간으로 변하는 물리적 현상을 조사하고 연구하기 위해 광범위하게 사용되고 있으며, 다양한 진단 및 검사 도구로 활용되고 있다. 편광 특성을 기반으로 하는 이미지 측정기술은 다양한 분야에서 적용 가능한 고 해상도, 고 정밀도를 가지는 측정 기술 중 하나이다.
대부분의 편광 측정 기술은 편광자의 기계적 회전 메커니즘 또는 전자적인 편광변조 장치를 필요로 한다. 하지만, 기계적 메커니즘이나 전자적인 편광 변조를 사용하는 편광 이미징 측정기술은 측정시간이 많이 소요되며 장치가 복잡화되는 한계를 가지고 있다.
본 발명은 이미지를 고속으로 측정할 수 있는 검사 장치 및 검사 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치는 광을 발생하는 광 발생기; 상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자; 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광과 상기 제2 광이 위상 차이 정보를 갖도록 변조하는 편광 간섭계; 상기 편광 간섭계로부터의 출력 광을 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물로 제공하는 라인 변환기; 상기 측정 대상물을 로딩하고, 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 스캔하거나, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향을 축으로 회전 스캔하도록 구성된 스캐너; 상기 출력 광이 상기 측정 대상물을 투과 또는 반사한 측정 광을 수광하고, 상기 측정 광의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 간섭 광을 생성하는 제2 선형 편광자; 및 상기 간섭 광을 제공받아 상기 측정 대상물의 이미지를 얻는 이미징 분광기를 포함할 수 있다.
상기 라인 변환기는 상기 제1 방향으로 신장된 실린더형 렌즈일 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 간섭 광을 상기 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 상기 이미징 분광기로 제공하는 이미징 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 직교할 수 있다.
상기 편광 간섭계는: 상기 선형 편광된 광을 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로 분리하고, 상기 선형 편광된 광이 입사되는 입사면, 상기 제1 광이 입사되는 제1 반사면, 및 상기 제2 광이 입사되는 제2 반사면을 갖고, 상기 제1 반사면은 상기 입사면을 마주하고 상기 제1 반사면과 상기 제2 반사면은 서로 인접하는 편광 분리부; 상기 제1 반사면 상에 배치된 제1 미러; 및 상기 제2 반사면 상에 배치된 제2 미러를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 제1 반사면으로부터 상기 제1 미러까지 왕복하는 상기 제1 광의 광 경로 길이와 상기 제2 반사면으로부터 상기 제2 미러까지 왕복하는 상기 제2 광의 광 경로 길이는 다를 수 있다. 상기 제1 광과 상기 제2 광의 광 경로 차이는 10 ~ 100μm일 수 있다.
일 예로, 상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 가질 수 있다. 상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1° 일 수 있다.
일 예로, 상기 출력 광은 상기 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도로 조사되고, 상기 측정 광은 상기 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 상기 측정 각도로 반사될 수 있다. 상기 출력 광의 방향, 상기 측정 광의 방향, 및 상기 제2 방향은 동일한 평면에서 제공될 수 있다.
일 예로, 상기 편광 분리부는 비편광 빔 스플리터이고, 상기 편광 간섭계는 상기 편광 분리부의 상기 제1 반사면과 상기 제1 미러 사이의 제1 서브 선형편광자; 및 상기 편광 분리부의 상기 제2 반사면과 상기 제2 미러 사이의 제2 서브 선형편광자를 더 포함하고, 상기 제1 서브 선형편광자와 상기 제2 서브 선형편광자는 90° 만큼의 편광 차이를 가질 수 있다. 상기 라인 변환기는 상기 편광 간섭계와 상기 측정 대상물 사이에 배치될 수 있다.
일 예로, 상기 편광 분리부는 편광 빔 스플리터이고, 상기 검사장치는 상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 간섭계 사이에 배치되어, 상기 선형 편광된 광을 상기 편광 간섭계에 제공하고, 상기 출력 광을 상기 측정 대상물로 제공하는 비편광 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다. 상기 라인 변환기는 상기 비편광 빔 스플리터와 상기 측정 대상물 사이에 배치될 수 있다.
일 예로, 상기 출력 광은 상기 측정 대상물에 수직 입사되고, 상기 측정 광은 상기 측정 대상물로부터 수직 반사되도록 구성될 수 있다.
상기 검사장치는 상기 편광 간섭계에 인접하게 배치되어, 상기 출력 광을 상기 측정 대상물로 제공하는 비편광 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다. 상기 라인 변환기는 상기 편광 간섭계와 상기 비편광 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다. 상기 출력 광은 상기 라인 변환기 및 상기 비편광 빔 스플리터를 통하여 상기 측정 대상물로 제공되고, 상기 측정 광은 상기 비편광 빔 스플리터를 통하여 상기 제2 선형 편광자로 제공될 수 있다.
상기 간섭 광은 상기 이미징 분광기에 수직으로 입사될 수 있다.
상기 광 발생기로부터의 상기 광은 백색 광일 수 있다.
상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법은 광을 선형 편광하고; 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고; 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 위상 차이를 갖도록 변조하여 출력 광을 생성하고; 상기 출력 광을 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물에 조사하고; 상기 측정 대상물로부터의 측정 광을 수광하고, 상기 측정 광의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 간섭 광을 생성하고; 그리고 상기 간섭 광으로부터 상기 측정 대상물의 이미지를 얻는 것을 포함하고, 상기 측정 대상물은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 스캔되거나, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향을 축으로 회전 스캔될 수 있다.
상기 검사 방법은 상기 간섭 광을 상기 제1 방향의 라인 형상으로 변환하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 광은 단색 광이고, 상기 광의 파장은 가변될 수 있다.
상기 광은 백색 광일 수 있다.
상기 검사 방법은 상기 간섭 광으로부터 상기 제1 방향의 축, 상기 제2 방향의 축, 및 상기 광의 파장 축에 대한 분광 타원 편광 정보는 얻는 것을 더 포함하고, 상기 측정 대상물의 이미지는 상기 분광 타원 편광 정보로부터 추출될 수 있다.
상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파일 수 있다.
상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 직교할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기계적 회전 메카니즘 또는 전자적 신호변조 없이, 측정 대상물의 1차원 공간에 대한 분광 타원 편광 정보 들을 연속적으로 측정하여, 2차원의 공간축에서의 분광 타원 편광 정보(즉, 분광 타원 편광 큐빅 정보)를 얻을 수 있다. 분광 타원 편광 정보를 이용하여 2차원 공간에서의 나노 패턴이나 나노 박막의 균일도 측정, 또는 미소 결함 등을 고속으로(종래 기술 대비 수백배 이상) 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 일 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예의 일 예에 따른 이미징 분광기에서 측정된 간섭무늬 이미지의 예를 나타낸다.
도 2b는 도 2a의 공간축의 한 위치에서의 파장에 따른 분광 간섭신호를 나타낸다.
도 3은 도 2a의 간섭무늬 이미지를 푸리에 변환하여 생성된 공간-분광 주파수 이미지의 예이다.
도 4는 도 3의 공간분광 주파수 이미지를 역 푸리에 변환하여 얻어진 1차원 공간에 대한 분광편광 위상차 정보의 예를 나타낸다.
도 5는 도 4의 x=8.353에서의 여러 파장들의 분광편광 위상차 정보를 나타내며, 본 발명의 검사장치에 의한 것과 상업용 검사장치의 결과를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명에서 큐빅셀 형태로 측정되는 2차원 공간에 대한 분광타원 편광정보를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 일 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 일 예에 따른 이미징 분광기에서 측정된 간섭무늬 이미지의 예를 나타낸다.
도 11은 도 10의 간섭무늬 이미지로부터 얻어진 1차원 공간에 대한 분광편광 위상차 정보의 예를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
이하의 실시예들에서는 광의 반사에 의한 검사를 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 광의 투과에 의한 검사인 경우에도 유사하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 일 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하여, 검사 장치는 광 발생기(10), 평행광 렌즈(20), 제1 선형 편광자(30), 편광 간섭계(40), 라인 변환기(61), 스캐너(70), 제2 선형 편광자(80), 이미징 렌즈(62), 및 이미지 분광기(90)를 포함할 수 있다.
광 발생기(10)는 백색 광을 생성할 수 있다. 광 발생기(10)는 넓은 파장(λ)에서 출력 특성이 평탄한 백색 광원일 수 있다. 광 발생기(10)는, 예를 들면 중수소 램프 또는 텅스텐 할로겐 램프일 수 있다. 백색 광은, 예를 들어 적어도 200nm 폭의 파장 영역을 갖는 것이 바람직하다. 백색 광의 파장 영역은 근자외 영역(200 내지 400 nm), 가시 영역(400 내지 700 nm), 및 근적외 영역(700 내지 1700 nm) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
백색 광은 평행광 렌즈(20)로 조사될 수 있다. 평행광 렌즈(20)는 광 발생기(10)로부터의 백색 광을 평행 광으로 변환할 수 있다.
평행광 렌즈(20)로부터의 입력 광(Ein)은 제1 선형 편광자(30)로 조사될 수 있다. 제1 선형 편광자(30)는 백색 광을 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)으로 할 수 있다.
편광 간섭계(40)는 백색 광을 편광 변조하는 일체형 편광 간섭계일 수 있다. 편광 간섭계(40)는 편광 분리부(polarizing splitter, 41) 및, 그에 일체형으로 배치된 제1 미러(MR1), 및 제2 미러(MR2)를 더 포함할 수 있다.
편광 분리부(41)는 비편광 빔 스플리터이고, 선형 편광된 백색광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 편광 분리부(41)는 선형 편광된 광이 입사되는 입사면(41c), 서로 인접하고 직교하는 제1 면(41a), 및 제2 면(41b)을 가질 수 있다. 입사면(41c)과 제1 면(41a) 사이의 거리, 및 입사면(41c)과 제2 면(41b) 사이의 거리는 동일할 수 있다. 제1 미러(MR1)는 제1 면(41a) 상에 배치되고, 제2 미러(MR2)는 제2 면(41b) 상에 배치될 수 있다.
제1 면(41a)과 제1 미러(MR1) 사이에 제1 서브 선형편광자(P1)가 배치되고, 제2 면(41b)과 제2 미러(MR2) 사이에 제2 서브 선형편광자(P2)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 선형편광자(P1)는 0° 방향의 선형 편광자이고, 제2 서브 선형편광자(P2)는 90° 방향의 선형 편광자일 수 있다. 이에 따라, 제1 광은 P- 편광파로 선형 편광되어 제1 미러(MR1)로 입사되어 반사될 수 있다. 제2 광은 S- 편광파로 선형 편광되어 제2 미러(MR2)로 입사되어 반사될 수 있다. 이와는 달리, 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)의 배치가 변경되어, 제1 광 및 제2 광은 각각 S- 편광파 및 P- 편광파일 수 있다. 그러나, 이하 편리를 위하여 제1 광 및 제2 광이 각각 P- 편광파 및 S- 편광파인 것으로 설명된다.
한편, 제1 반사면(41a)과 제1 미러(MR1) 사이의 간격(z1/2), 및 제2 반사면(41b)과 제2 미러(MR2) 사이의 간격(z2/2)은 다를 수 있다. 이를 위해, 제1 반사면(41a)과 제1 미러(MR1) 사이, 및 제2 반사면(41b)과 제2 미러(MR2) 사이에 공기(air)가 개재되도록 구성될 수 있다. 제1 서브 선형편광자(P1) 및 제2 서브 선형편광자(P2)의 두께는 동일할 수 있다. 이에 따라, 제1 광과 제2 광의 광 경로 길이(optical path length)는 다를 수 있다. 제1 광과 제2 광의 광 경로 차이(optical path difference, OPD) 즉, z0 = |z1 - z2|가 생성될 수 있다. 가시 영역에서의 광 경로 차이(OPD), z0 = |z1 - z2|는 대략 30 ~ 50μm일 수 있다. 다른 파장 영역에서의 광 경로 차이(OPD)는 적절하여 변경될 수 있다. 근자외 영역, 가시 영역 및 근적외 영역을 포함하는 영역에서 대략 10 ~ 100μm일 수 있다. 비편광 빔 스플리터인 편광 분리부(41)에서의 광 경로 차이는 없을 수 있다.
이에 따라, 편광 간섭계(40)는 선형 편광된 백색 광을 P- 편광파 및 S- 편광파로 분리하고, 이들이 위상 차이(phase difference)를 갖도록 변조하여 출력 광(Eout)을 생성할 수 있다. 즉, 편광 간섭계(40)는 분광영역 고주파 신호(spectral carrier frequency)를 생성할 수 있다.
라인 변환기(61)는 편광 간섭계(40)와 측정 대상물(OBJ) 사이에 배치되고, 출력 광(Eout)을 제1 방향(D1)의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물(OBJ)로 제공할 수 있다. 라인 변환기(61)는, 예를 들면 제1 방향(D1)으로 연장된 실린더형 렌즈일 수 있다. 이와는 달리, 라인 변환기(61)는 제1 방향(D1)으로 연장된 슬릿일 수 있다.
편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(Eout)은 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 조사될 수 있다. 즉, 출력 광(Eout)의 입사각은 θ이다. 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 반사된다.
측정 대상물(OBJ)은 스캐너(70) 상에 로딩되며, 스캐너(70)는 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 이송(스캔) 가능하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 제2 방향(D2)은 제1 방향(D1)에 직교할 수 있다. 이와는 달리, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 직교하는 제3 방향(D3)을 축으로 회전 스캔될 수 있다. 예를 들어, 제3 방향(D3)은 스캐너(70)에 직교하는 방향일 수 있다.
측정 대상물(OBJ)은, 예를 들어 실리콘 기판 상에 증착된 박막일 수 있다. 이 경우, 측정 대상물(OBJ)이 없다고 하는 것은 박막이 증착되지 않은 실리콘 기판을 지칭할 수 있다.
측정 대상물(OBJ)은 편광 이방성을 가질 수 있다. 측정 대상물(OBJ)로부터의 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다.
제2 선형 편광자(80)는 측정 광(Emea)의 P- 편광파 및 S- 편광파를 수광하고, P- 편광파 및 S- 편광파를 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)한다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 편광 변조된 간섭 광(ESP)이 생성될 수 있다.
이미징 렌즈(62)는 제2 선형 편광자(80)와 이미징 분광기(90) 사이에 배치될 수 있다. 이미징 렌즈(62)는, 예를 들면 제1 방향(D1)으로 연장된 실린더형 렌즈 일 수 있다. 이에 따라, 이미징 렌즈(62)는 간섭 광(ESP)을 제1 방향(D1)의 라인 형상으로 변환시킬 수 있다. 이와는 달리, 이미징 렌즈(62)는 일반적인 이미징 렌즈일 수 있다.
간섭 광(ESP)은 이미징 분광기(90)로 제공될 수 있다. 간섭 광(ESP)은 이미징 분광기(90)의 입사면에 수직으로 제공될 수 있다. 이미징 렌즈(62)에 의해 이미징된 간섭 광(ESP)은 제1 방향(D1)에 따른 일차원 공간에서의 스펙트럼 정보를 가질 수 있다. 스캐너(70)에 의하여 측정 대상물(OBJ)이 제2 방향(D2)으로 움직임에 따라, 2차원(D1, D2 방향)의 공간축에서의 분광 타원 편광 정보(즉, 분광 타원 편광 큐빅 정보)가 얻어질 수 있다.(도 6 참조) 이미징 분광기(90)는 간섭 광으로부터 측정 대상물(OBJ)의 분광편광 정보(spectral polarimetric information)가 포함된 공간분광 간섭 무늬(spatio-spectral interfered fringe)를 생성할 수 있다. 제3 방향(D3)을 축으로 회전 스캔되는 경우에도 유사한 결과가 얼어질 수 있다
본 실시예에서, 출력 광(Eout)의 진행 방향, 측정 광(Emea)의 진행 방향, 및 제1 방향(D1)은 동일한 평면에 제공될 수 있다.
전술한 본 실시예에서의 편광 분리부(41)는 비편광 빔 스플리터이지만, 이에 한정되지 않을 수 있다. 편광 분리부(41), 예를 들어 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)일 수 있다. 이 경우, 도 1에서의 제1 서브 선형편광자(P1) 및 제2 서브 선형편광자(P2)는 사용되지 않을 수 있다. 편광 분리부(41)는 선형 편광된 백색광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 제1 광 및 제2 광은 제1 및 제2 서브 선형편광자 들(P1, P2)를 개재하지 않고 제1 미러(MR1) 및 제2 미러(MR2)로 향하고, 이들로부터 반사될 수 있다.
이하, 도 1의 검사 장치를 사용하여, 분광 간섭 무늬로부터 측정 대상물(OBJ)의 분광 타원 편광 정보(분광 편광 위상차 Δ(k) 및 분광 편광 진폭비 ψ(k)를 추출하는 방법을 설명하도록 한다.
편광 간섭계(40)로 입사되는 입사 광(input wave light, Ein)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
=
Figure pat00002
여기서, k는 2π/λ로 표현되는 파수(waver number)이다. λ는 광원 파장을 나타낸다. j는 j2 = -1의 규칙을 따르는 연산자이다. u 및 v는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 입사 광의 진폭들을 나타낸다. η 및 ξ는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 입사 광의 위상들을 나타낸다. x- 방향은 라인 변환기(61)의 연장 방향, 즉 제1 방향(D1)을 나타낸다. 스캐너(70)의 이송방향, 즉 제2 방향(D2)에 관련된 y-방향에서의 성분은 균일한 것으로 무시될 수 있다.
편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(output wave light, Eout)은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00003
=
Figure pat00004
+
Figure pat00005
여기서, E1(x,k) 및 E2(x,k)는 각각 P- 편광 및 S- 편광 변조된 경로들에 관련된다. E1(x,k) 및 E2(x,k)는 편광 간섭계(40)의 출구에서 만나며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
=
Figure pat00007
=
Figure pat00008
그리고,
Figure pat00009
=
Figure pat00010
=
Figure pat00011
여기서, Jpol(45)는 45°의 회전 각도로 정렬된 제1 선형 편광자(30)의 존스 행렬(Jones matrix)을 나타낸다. JBS은 편광 분리부(41)로 사용되는 비편광 빔 스플리터의 존스 행렬이고, Jpol (0) 및 Jpol(90)는 각각 제1 서브 선형 편광자(P1) 및 제2 서브 선형 편광자(P2)의 존스 행렬이다. JM1 및 JM2는 각각 미러들 (MR1 및 MR2)의 존스 행렬을 나타낸다. z1 및 z2는 각각 P- 편광파 및 S- 편광파의 미러들과 반사면들 사이에서 왕복 주행하는 광 경로 길이(optical path length)를 나타낸다. 비편광 빔 스플리터인 편광 분리부(41) 내에서의 광 경로 차이 (OPD)는 없는 것으로 가정한다. 일체형 편광 간섭계(40)의 나머지 다른 구성요소들은 안정적으로 고정되어 있어, 동일한 광학적 경로들을 갖는 것으로 가정한다. u' 및 v' 는 각각 E1(x,k) 및 E2(x,k)의 새로이 정의된 미지의 진폭 항들을 나타낸다. ξ' 및 η'는 각각 E1(x,k) 및 E2(x,k)의 새로 정의된 미지의 위상 항들을 나타낸다.
출력 광(Eout)은 도 1에 도시된 비등방성의 측정 대상물(OBJ)에서 측정 광(Emea)으로 반사된다. 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다. 제2 선형 편광자(80)는 측정 광(Emea)의 P- 편광파 및 S- 편광파를 수광하고, P- 편광파 및 S- 편광파를 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)한다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 편광 변조된 간섭 광(ESP)이 생성될 수 있다. 측정 대상물(OBJ)에서의 간섭 광(interference wave light,
Figure pat00012
)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
및
Figure pat00017
는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 관련된 간섭 광을 나타낸다. |rp| 및 |rs|는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 반사 시의 프레넬 전송 계수(complex Fresnel transmission coefficients)의 진폭을 나타낸다. δp 및 δs는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 반사 시의 위상 변화를 나타낸다.
본 발명에 따른 일체형 편광 간섭계(40)에서의 광 경로 차이(OPD)는 분광 편광 정보(즉, 분광 편광 위상차 Δ(x,k) 및 분광 편광 진폭비 ψ(x,k))를 추출하는데 필요한 분광영역 고주파 신호(spectral carrier frequency)를 생성한다.
간섭 광(ESP)에 생성된 간섭 스텍트럼(interfered spectrum,
Figure pat00018
)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
측정 대상물(OBJ)의 분광 편광 정보를 얻기 전에 보정(calibration)을 위하여, 측정 대상물(OBJ)가 없는 상태, 즉 실리콘 기판에서의 간섭 스텍트럼(
Figure pat00021
)이 추출된다.
Figure pat00022
+
Figure pat00023
+ 2
Figure pat00024
Figure pat00025
=
Figure pat00026
+
Figure pat00027
+ 2
Figure pat00028
여기서,
Figure pat00029
=
Figure pat00030
γ(x,k)는 실리콘 기판에서의 분광 코히어런스 함수(spectral coherence function)를 나타내며, 측정 대상물의 유무에 의하여 변화되지 않는다.
Figure pat00031
는 기준 분광 위상 함수(spectral phase function)를 나타낸다. α 및 β는 각각 P- 편광 경로 및 S-편광 경로들을 통하여 주행하는 파의 DC 성분의 절대값들에 관련된다. 즉, α=
Figure pat00032
, β=
Figure pat00033
이다.
기준 간섭 스펙트럼(interfered reference spectrum)
Figure pat00034
로부터 분광 코히어런스 함수 γ(x,k) 및 기준 분광 위상 함수
Figure pat00035
가 얻어질 수 있다. 이를 위하여, 기준 간섭 스펙트럼
Figure pat00036
은
Figure pat00037
로 변형될 필요가 있다.
Figure pat00038
=
Figure pat00039
Figure pat00040
는 공간분광 주파수 도메인에서의 푸리에 변환된 후 원치 않는 DC 및 AC 성분을 걸러질(filter out) 수 있다. DC 및 AC 성분을 걸러진 데이터의 역 푸리에 변환된 결과로부터 분광 코히어런스 함수 γ(x,k) 및 기준 분광 위상 함수
Figure pat00041
가 추출된다. 여기서,
Figure pat00042
및 γ(x,k)를 얻는 보정 단계는 1회만 필요하며,
Figure pat00043
및 γ(x,k)는 측정 시스템 고유의 값을 갖는 고정 값이기 때문에 보정 작업 후 모든 측정 대상물들의 Δ(x,k) 및 ψ(x,k)에 적용될 수 있다.
측정 광(Eout)이 비등방성의 측정 대상물에서 출력 광(Emea)으로 반사되는 경우, 간섭 스펙트럼
Figure pat00044
은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00045
+
Figure pat00046
+ 2
Figure pat00047
Figure pat00048
=
Figure pat00049
+
Figure pat00050
+ 2
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
=
Figure pat00053
Figure pat00054
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미징 분광기(90)에서 측정된 측정 대상물(OBJ)의 1차원 간섭 스펙트럼
Figure pat00055
의 예를 나타낸다. 측정 대상물(OBJ)은 실리콘 기판 상에 증착된 1.5μm 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이었다. 도 2a의 가로 축은 분광축(spectral axis, λ)이고 세로 축은 제1 방향(D1)으로의 공간축(spatial axis, x)으로, 밝기는 공간 분광정보를 표현한다. 분광축(spectral axis, λ) 및 공간축(spatial axis, x)에 대한 간섭 무늬 이미지가 보여진다. 도 2b는 도 2a의 공간축의 한 위치(예를 들어, x=2.79mm)에서의 파장(λ)에 따른 분광 간섭신호를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 검사 장치는 분광영역 고주파 신호(spectral carrier frequency)를 이용하여, 측정 대상물(OBJ)의 일차원 공간 (즉, 제1 방향(D1))에서의 분광편광 정보를 얻을 수 있다.
도 3은 도 2a의 간섭 무늬 이미지를 공간분광 주파수 도메인에서의 푸리에 변환하여 생성된 공간분광 주파수 이미지의 예이다. 가로축은 분광 주파수 축(spectral frequency axis, fλ) 축이고, 세로축은 공간 주파수 축(spatial frequency axis, fx)에 따른 축이다. 이와 같은 공간분광 주파수 도메인에서의 푸리에 변환된 후, 원치 않는 DC 및 AC 성분을 걸러질(filter out) 수 있다.
이후, 측정 대상물의 분광 위상 함수
Figure pat00056
는 기준 분광 위상 함수
Figure pat00057
와 유사한 푸리에 변환을 통하여 추출될 수 있다.
측정 대상물의 분광 편광 위상차 Δ(x,k)는 아래와 같이 얻어질 수 있다.
Figure pat00058
-
Figure pat00059
=
Figure pat00060
도 4는 측정 대상물의 분광 편광 위상차 Δ(x,k)를 도시한다. 도 4의 가로 축은 분광축(spectral axis, λ) 이고, 세로 축은 제1 방향(D1)으로의 공간축(spatial axis, x)으로, 밝기는 분광 편광 위상차 Δ(x,k)를 표현한다. 측정 대상물(OBJ)은 실리콘 기판 상에 증착된 1.5μm 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이었다.
도 5는 본 발명에 따른 검사 장치를 이용하여 측정된 분광 편광 위상차 Δ(x,k)와 종래의 상업용 장치(J.A. Woollam사의 분광타원편광계)의 결과를 비교한 것으로, 거의 동일하다. 도 5의 분광 편광 위상차 Δ(x,k)는 도 4의 x=8.352mm 위치에서의 결과이다.
한편, 1차원의 공간적인 분광편광 위상차 Δ(x,k)와 유사한 방법으로, P- 편광과 s- 편광 사이의 분광 편광 진폭비 ψ(x,k)가 얻어질 수 있다.
비등방성 측정 대상물에서 반사되는 경우, 간섭 스펙트럼
Figure pat00061
은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00062
Figure pat00063
+
Figure pat00064
여기서,
Figure pat00065
=
Figure pat00066
+
Figure pat00067
,
Figure pat00068
=
Figure pat00069
이고,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
이다.
결국,
Figure pat00072
=
Figure pat00073
Figure pat00074
=
Figure pat00075
이고, 이들로부터 분광 편광 진폭비 ψ(x,k)가 얻어질 수 있다.
Figure pat00076
=
Figure pat00077
본 발명에 따른 검사 장치는 제2 방향(D2)으로 움직이는 측정 대상물(OBJ)의 분광 타원 편광 정보들을 연속적으로 측정하여, 2차원(D1, D2 방향)의 공간축에서의 분광 타원 편광 정보(즉, 분광 타원 편광 큐빅 정보)를 얻을 수 있다.(도 6 참조)
도 6을 참조하여, 바닥면은 제1 방향(D1)의 공간축(즉, x-축) 및 분광축(λ- 축)을 나타내고, 수직축은 제2 방향(D2)의 공간축(즉, y-축)을 나타낸다. 각 큐빅 셀들에서의 명암은 분광 타원 편광 정보를 나타낸다.
본 발명에 따른 검사 장치는, 기계적 회전 메커니즘 또는 전자적 신호변조 없이, 전술한 분광 타원 편광 정보를 이용하여 2차원 공간에서의 나노 패턴이나 나노 박막의 균일도 측정, 또는 미소 결함 등을 검출하는 3차원 분광 타원 편광 큐빅 데이터 신호처리 장치를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다.
도 7을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 다른 예에 따른 검사 장치는 비편광 빔 스플리터(50)를 더 포함할 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 제1 선형 편광자(30)와 편광 간섭계(40) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 선형 편광자(30)에서 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)된 입력 광(Ein)은 비편광 빔 스플리터(50)를 개재하여 편광 간섭계(40)로 제공될 수 있다.
편광 간섭계(40)의 편광 분리부(41)는 편광 빔 스플리터일 수 있다. 게다가, 도 1에서의 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)은 배치되지 않을 수 있다. 편광 분리부(41)는 선형 편광된 백색광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 제1 광 및 제2 광은 도 1에서의 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)을 개재하지 않고 제1 미러(MR1) 및 제2 미러(MR2)로 향하고, 이들로부터 반사될 수 있다.
편광 간섭계(40)에서 편광 변조된 출력 광(Eout)은 비편광 빔 스플리터(50) 및 라인 변환기(61)를 개재하여 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)로 제공될 수 있다. 편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(Eout)은 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 조사될 수 있다. 즉, 출력 광(Eout)의 입사각은 θ이다. 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 반사된다.
측정 대상물(OBJ)로부터의 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공되어 간섭 광(ESP)이 생성된다. 간섭 광(ESP)은 이미징 렌즈(62)를 개재하여 이미징 분광기(90)로 제공될 수 있다. 간섭 광(ESP)은 이미징 분광기(90)의 입사면에 수직으로 제공될 수 있다. 이미징 분광기(90)는 간섭 광으로부터 측정 대상물(OBJ)의 편광 정보(polarimetric information)가 포함된 공간분광 간섭 무늬를 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다. 본 예에서의 구성요소들의 공간적 배치가 도 1과 다를 수 있다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치는 비편광 빔 스플리터(50)를 더 포함할 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 편광 간섭계(40)의 일측에 배치되고, 라인 변환기(61)는 편광 간섭계(40)와 비편광 빔 스플리터(50) 사이에 배치될 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 라인 변환기(61)로부터의 출력 광(Eout)을 측정 대상물(OBJ)로 제공할 수 있다.
출력 광(Eout)은 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)에 수직으로 입사되고, 측정 광(Emea)은 측정 대상물(OBJ)로부터 수직으로 반사될 수 있다.
측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 다시 비편광 빔 스플리터(50)를 거쳐 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 일 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다. 본 실시예에 따른 검사 장치에서의 편광 간섭계(40)는 도 1을 참조하여 설명된 것과 다를 수 있다.
도 9를 참조하여, 편광 간섭계(40)의 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)는 서로 직교하지 않는다. 즉, 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)는 수직에서 벗어나는 축외각(off-axis, ε)을 가질 수 있다. 축외각(θ)은 대략 0.01 ~ 1°, 바람직하게는 0.02 ~ 0.1° 일 수 있다. 제1 미러(MR1)가 축외각(ε) 만큼 틸팅됨에 따라, 고주파의 공간 주파수 신호를 생성하여 분광된 편광 신호를 공간적으로 변조할 수 있다.
이에 따라, 편광 간섭계(40)는 선형 편광된 백색광을 P- 편광파 및 S- 편광파로 분리하고, 이들이 공간적 위상 차이(spatial phase difference)를 갖도록 할 수 있다. 즉, 편광 간섭계(40)는 공간적 위상 시프트(spatial phase shift)를 갖는 고주파의 공간 주파수 신호(high spatial carrier frequency)를 생성할 수 있다.
나아가, 도 1에 도시된 제1 광과 제2 광의 광 경로 차이(optical path difference, OPD)는 무시될 수 있다.
편광 간섭계(40)에서 출력된 제1 광과 제2 광은 라인 변환기(61)를 개재하여 측정 대상물(OBJ)로 제공될 수 있다. 측정 대상물(OBJ)은 편광 이방성을 가질 수 있다. 측정 대상물(OBJ)로부터의 광은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다.
제2 선형 편광자(80)는 측정 광의 P- 편광파 및 S- 편광파를 수광하고, P- 편광파 및 S- 편광파를 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)한다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 편광 변조된 간섭 광(ESP)이 생성될 수 있다. 간섭 광(ESP)은 측정 대상물(OBJ)의 편광 정보(polarimetric information)가 포함된 공간분광 간섭 무늬를 생성할 수 있다.
간섭 광(ESP)은 이미징 렌즈(62)를 거쳐 이미징 분광기(90)로 제공될 수 있다. 이미징 분광기(90)는 간섭 광(ESP)으로부터 분광 간섭 무늬를 생성할 수 있다.
전술한 실시예에서의 편광 분리부(41)는 비편광 빔 스플리터이지만, 이에 한정되지 않을 수 있다. 편광 분리부(41), 예를 들어 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)일 수 있다. 이 경우, 도 9에서의 제1 서브 선형편광자(P1) 및 제2 서브 선형편광자(P2)는 사용되지 않을 수 있다. 이 경우, 편광 분리부(41)는 선형 편광된 레이저 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 제1 광 및 제2 광은 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)을 개재하지 않고 제1 미러(MR1) 및 제2 미러(MR2)로 향하고, 이들로부터 반사될 수 있다.
이하, 도 9의 검사 장치를 사용하여 간섭무늬 이미지로부터 측정 대상물(OBJ)의 공간분광 타원 편광 정보(분광 편광 위상차 Δ(x,k) 및 공간분광 편광 진폭비 ψ(x,k)를 추출하는 방법을 설명하도록 한다.
편광 간섭계(40)로 입사되는 입사 광(input wave light, Ein)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00078
=
Figure pat00079
=
Figure pat00080
여기서, k는 2π/λ로 표현되는 파수(waver number)이다. λ는 광원의 파장을 나타낸다. j는 j2 = -1의 규칙을 따르는 연산자이다. x'- 및 y'- 축은 편광 간섭계(40)에서의 축을 의미한다. u 및 v는 각각 x'- 및 y'- 축에 따른 입사 광의 진폭을 나타낸다. η 및 ξ는 각각 x'- 및 y'- 축에 따른 입사 광의 위상을 나타낸다. P- 편광파 및 S- 편광파는 각각 x'- 축 및 y'- 축을 향한다.
편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(output field, Eout)은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00081
=
Figure pat00082
+
Figure pat00083
여기서, E1(x',y') 및 E2(x',y')는 각각 P- 편광 및 S- 편광 경로들에 관련된다. E1(x',y') 및 E2(x',y')는 편광 간섭계(40)의 출구에서 만나며, E1(x',y') 및 E2(x',y')는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00084
=
Figure pat00085
=
Figure pat00086
그리고,
Figure pat00087
=
Figure pat00088
=
Figure pat00089
여기서, Jpol(45)는 45°의 회전 각도로 정렬된 제1 선형 편광자(30)의 존스 행렬(Jones matrix)을 나타낸다. JBS은 편광 분리부(41)로 사용되는 비편광 빔 스플리터의 존스 행렬이고, Jpol (0) 및 Jpol(90)는 각각 제1 서브 선형 편광자(P1) 및 제2 서브 선형 편광자(P2)의 존스 행렬이다. JM1 및 JM2는 각각 미러들 (MR1 및 MR2)의 존스 행렬을 나타낸다. kx1, ky1, kx2 및 ky2는 도 9의 축외각(off-axis, ε)에 관련된 것으로, kx1 및 ky1는 편광 간섭계(40)의 P- 편광 경로들을 따라 전파된(traveled) 파동 벡터의 성분들(components of the wave vector)을 나타내고, kx2 및 ky2는 편광 간섭계(40)의 S- 편광 경로들을 따라 전파된 파동 벡터의 성분들을 나타낸다.
u' 및 v'는 각각 E1(x',y') 및 E2(x',y')의 새로이 정의된 미지의 진폭 항들을 나타낸다. ξ' 및 η'는 각각 E1(x',y') 및 E2(x',y')의 새로 정의된 미지의 위상 항들을 나타낸다.
편광 간섭계(40)에서의 공간적 위상 차이(spatial phase difference)가 공간 간섭무늬(spatial interference fringes)를 생성하는 조건이 될 수 있다. 출력 광(output field, Eout)은 라인 변환기(61)에 의해 제1 방향(D1)의 라인 형상으로 조명될 수 있다. 제1 방향(D1) 즉 x- 방향으로의 공간 간섭무늬만 의미가 있기 때문에 전술한 E1(x',y',k) 및 E2(x',y',k)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00090
=
Figure pat00091
=
Figure pat00092
그리고,
Figure pat00093
=
Figure pat00094
=
Figure pat00095
출력 광(output field, Eout)은 도 9에 도시된 비등방성의 측정 대상물(OBJ)에서 측정 광(Emea)으로 반사된다. 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 광은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00096
여기서, x- 방향은 라인 변환기(61)의 연장 방향, 즉 제1 방향(D1)을 나타낸다. 스캐너(70)의 이송방향, 즉 제2 방향(D2)에 관련된 y- 방향의 성분은 무시된다.
여기서,
Figure pat00097
는 측정 대상물(OBJ)의 존스 매트릭스를 나타낸다.
Figure pat00098
=
Figure pat00099
여기서, |rp| 및 |rs|는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 반사 시의 프레넬 전송 계수(complex Fresnel transmission coefficients)의 진폭을 나타낸다. δp 및 δs는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 반사 시의 위상 변화를 나타낸다.
측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다. 제2 선형 편광자(80)는 측정 광의 P- 편광파 및 S- 편광파를 수광하고, P- 편광파 및 S- 편광파를 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)한다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 편광 변조된 간섭 광(ESP)이 생성될 수 있다. 간섭 광(interference wave light,
Figure pat00100
)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00101
여기서,
Figure pat00102
Figure pat00103
여기서,
Figure pat00104
및
Figure pat00105
는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 관련된 측정 광을 나타낸다.
P- 편광파 및 S- 편광파 사이의 간섭으로 인해 생성된 간섭 스텍트럼(interfered spectrum)
Figure pat00106
은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00107
Figure pat00108
출력 광(Eout)이 비등방성 측정 대상물을 반사(transmission)여 측정 광(Emea)을 생성하는 경우, 간섭 스텍트럼
Figure pat00109
은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00110
+
Figure pat00111
+ 2
Figure pat00112
Figure pat00113
=
Figure pat00114
+
Figure pat00115
+ 2
Figure pat00116
여기서, α 및 β는 각각 P- 편광 경로 및 S-편광 경로들을 통하여 주행하는 파의 DC 성분의 절대값들에 관련된다. 즉, α=
Figure pat00117
, β=
Figure pat00118
이다. γ는 공간분광 코히어런스 함수(spatio-spectral coherence function)를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미징 분광기(90)에서 측정된 측정 대상물(OBJ)의 1차원 공간에 대한 공간분광 간섭 스펙트럼
Figure pat00119
의 예를 나타낸다. 측정 대상물(OBJ)은 실리콘 기판 상에 증착된 1.5μm 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이었다. 도 10의 가로 축은 분광축(spectral axis, λ)이고 세로 축은 제1 방향(D1)으로의 공간축(spatial axis, x)으로, 밝기는 분광정보를 표현한다. 분광축(spectral axis, λ) 및 공간축(spatial axis, x)에 대한 간섭 무늬 이미지가 보여진다. 제1 실시예에 따른 도 2a에서는 분광축(spectral axis, l) 방향으로 간섭무늬 이미지가 생성되는 반면, 제2 실시예에 따른 도 10에서는 공간축(spatial axis, x) 방향으로 간섭무늬 이미지가 생성된다.
공간분광 위상 함수
Figure pat00120
는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00121
=
Figure pat00122
Figure pat00123
공간분광 위상 함수
Figure pat00124
를 얻기 위하여, 제1 실시예와 유사한 방법으로 공간분광 주파수 도메인에서의 2D 푸리에 변환 방법이 적용될 수 있다. 공간분광 주파수 도메인에서의 푸리에 변환된 후, 원치 않는 DC 및 AC 성분을 걸러질(filter out) 수 있다. 다음, 역 푸리에 변환된 결과로부터 공간분광 위상 함수
Figure pat00125
가 추출된다.
한편, 보정된 공간분광 편광 위상차 △(x,k)를 측정하기 위해서, 측정 대상물이 없는 경우에서의 기준 공간분광 위상 함수 Φref(x,k)를 얻을 필요가 있다. 기준 공간분광 위상 함수 Φref(x,k)는 전술한 제1 실시예와 유사한 방법으로 얻어질 수 있다.
Figure pat00126
+
Figure pat00127
+ 2
Figure pat00128
Figure pat00129
=
Figure pat00130
+
Figure pat00131
+ 2
Figure pat00132
여기서,
Figure pat00133
=
Figure pat00134
제1 실시예와 유사한 방법으로, 2D 푸리에 변환 방법을 사용하여 기준 공간분광 위상 함수 Φref(x,k)가 추출될 수 있다.
비등방성 측정 대상물에 의해 생성된 P- 편광과 P- 편광 사이의 공간분광 편광 위상차 △(x,k)를 아래와 같이 측정할 수 있다.
Figure pat00135
-
Figure pat00136
=
Figure pat00137
도 11은 측정 대상물의 공간분광 편광 위상차 Δ(x,k)를 도시한다. 도 11의 가로 축은 분광축(spectral axis, λ) 이고, 세로 축은 제1 방향(D1)으로의 공간축(spatial axis, x)으로, 밝기는 공간분광 편광 위상차 Δ(x,k)를 표현한다. 측정 대상물(OBJ)은 실리콘 기판 상에 증착된 1.5μm 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이었다.
한편, 제1 실시예와 유사한 방법으로, P- 편광과 P- 편광 사이의 공간분광 편광 진폭차 Ψ(x,k)가 얻어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 일 예에 따른 검사 장치는 제1 실시예와 유사하게, 제2 방향(D2)으로 움직이는 측정 대상물(OBJ)의 1차원 공간에 대한 공간분광 타원 편광 정보들을 연속적으로 측정하여, 2차원(D1, D2 방향)의 공간축에서의 분광 타원 편광 정보(즉, 분광 타원 편광 큐빅 정보)를 얻을 수 있다.(도 6 참조)
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 9를 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다.
도 12를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치는 비편광 빔 스플리터(50)를 더 포함할 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 제1 선형 편광자(30)와 편광 간섭계(40) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 선형 편광자(30)에서 선형 편광(예를 들어, 45° 방향)된 입력 광(Ein)은 비편광 빔 스플리터(50)를 개재하여 편광 간섭계(40)로 제공될 수 있다.
도 12를 참조하여, 편광 간섭계(40)의 편광 분리부(41), 제1 미러(MR1), 및 제2 미러(MR2)의 구성은 도 9와 유사할 수 있다. 즉, 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)는 수직에서 벗어나는 축외각(off-axis, θ)을 가질 수 있다. 편광 간섭계(40)는 선형 편광된 백색광을 P- 편광파 및 S- 편광파로 분리하고, 이들이 공간적 위상 차이(spatial phase difference)를 갖도록 할 수 있다. 즉, 편광 간섭계(40)는 공간적 위상 시프트(spatial phase shift)를 갖는 고주파의 공간 주파수 신호(high spatial carrier frequency)를 생성할 수 있다.
편광 간섭계(40)의 편광 분리부(41)는 편광 빔 스플리터일 수 있다. 게다가, 도 9에서의 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)은 배치되지 않을 수 있다. 편광 분리부(41)는 선형 편광된 백색광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 제1 광 및 제2 광은 도 9에서의 제1 및 제2 서브 선형편광자들(P1, P2)을 개재하지 않고 제1 미러(MR1) 및 제2 미러(MR2)로 향하고, 이들로부터 반사될 수 있다.
편광 간섭계(40)에서의 편광 변조된 출력 광(Eout)은 비편광 빔 스플리터(50)를 개재하여 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)로 제공될 수 있다. 편광 간섭계(40)에서 편광 변조된 출력 광(Eout)은 비편광 빔 스플리터(50) 및 라인 변환기(61)를 개재하여 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)로 제공될 수 있다. 편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(Eout)은 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 조사되고, 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도(θ)로 반사된다.
측정 대상물(OBJ)로부터의 측정 광(Emea)은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다. 측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 제2 선형 편광자(80)로 제공되어 간섭 광(ESP)이 생성된다. 간섭 광(ESP)은 이미징 렌즈(62)를 개재하여 이미징 분광기(90)로 제공될 수 있다. 간섭 광(ESP)은 이미징 분광기(90)의 입사면에 수직으로 제공될 수 있다. 이미징 분광기(90)는 간섭 광으로부터 측정 대상물(OBJ)의 편광 정보(polarimetric information)가 포함된 공간분광 간섭 무늬를 생성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 9를 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다. 본 예에서의 구성요소들의 공간적 배치가 도 9와 다를 수 있다.
도 13을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 예에 따른 검사 장치는 비편광 빔 스플리터(50)를 더 포함할 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 편광 간섭계(40)의 일측에 배치되고, 라인 변환기(61)는 편광 간섭계(40)와 비편광 빔 스플리터(50) 사이에 배치될 수 있다. 비편광 빔 스플리터(50)는 라인 변환기(61)로부터의 출력 광(Eout)을 측정 대상물(OBJ)로 제공할 수 있다.
출력 광(Eout)은 스캐너(70) 상의 측정 대상물(OBJ)에 수직으로 입사되고, 측정 광(Emea)은 측정 대상물(OBJ)로부터 수직으로 반사될 수 있다.
측정 대상물(OBJ)에서 반사된 측정 광(Emea)은 다시 비편광 빔 스플리터(50)를 거쳐 제2 선형 편광자(80)로 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (29)

  1. 광을 발생하는 광 발생기;
    상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자;
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광과 상기 제2 광이 위상 차이 정보를 갖도록 변조하는 편광 간섭계;
    상기 편광 간섭계로부터의 출력 광을 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물로 제공하는 라인 변환기;
    상기 측정 대상물을 로딩하고, 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 스캔하거나, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향을 축으로 회전 스캔하도록 구성된 스캐너;
    상기 출력 광이 상기 측정 대상물을 투과 또는 반사한 측정 광을 수광하고, 상기 측정 광의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 간섭 광을 생성하는 제2 선형 편광자; 및
    상기 간섭 광을 제공받아 상기 측정 대상물의 이미지를 얻는 이미징 분광기를 포함하는 검사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 라인 변환기는 상기 제1 방향으로 신장된 실린더형 렌즈인 검사 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭 광을 상기 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 상기 이미징 분광기로 제공하는 이미징 렌즈를 더 포함하는 검사 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 직교하는 검사 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 간섭계는:
    상기 선형 편광된 광을 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로 분리하고,
    상기 선형 편광된 광이 입사되는 입사면, 상기 제1 광이 입사되는 제1 반사면, 및 상기 제2 광이 입사되는 제2 반사면을 갖고, 상기 제1 반사면은 상기 입사면을 마주하고 상기 제1 반사면과 상기 제2 반사면은 서로 인접하는 편광 분리부;
    상기 제1 반사면 상에 배치된 제1 미러; 및
    상기 제2 반사면 상에 배치된 제2 미러를 포함하는 검사 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 반사면으로부터 상기 제1 미러까지 왕복하는 상기 제1 광의 광 경로 길이와 상기 제2 반사면으로부터 상기 제2 미러까지 왕복하는 상기 제2 광의 광 경로 길이는 다른 검사 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 광과 상기 제2 광의 광 경로 차이는 10 ~ 100μm인 검사 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 갖는 검사 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1°인 검사 장치.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 출력 광은 상기 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 측정 각도로 조사되고, 상기 측정 광은 상기 측정 대상물의 수직 방향에서 벗어나는 상기 측정 각도로 반사되는 검사 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 출력 광의 방향, 상기 측정 광의 방향, 및 상기 제2 방향은 동일한 평면에서 제공되는 검사 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 편광 분리부는 비편광 빔 스플리터이고,
    상기 편광 간섭계는:
    상기 편광 분리부의 상기 제1 반사면과 상기 제1 미러 사이의 제1 서브 선형편광자; 및
    상기 편광 분리부의 상기 제2 반사면과 상기 제2 미러 사이의 제2 서브 선형편광자를 더 포함하고,
    상기 제1 서브 선형편광자와 상기 제2 서브 선형편광자는 90° 만큼의 편광 차이를 갖는 검사 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 라인 변환기는 상기 편광 간섭계와 상기 측정 대상물 사이에 배치되는 검사 장치.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 편광 분리부는 편광 빔 스플리터이고,
    상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 간섭계 사이에 배치되어, 상기 선형 편광된 광을 상기 편광 간섭계에 제공하고, 상기 출력 광을 상기 측정 대상물로 제공하는 비편광 빔 스플리터를 더 포함하는 검사 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 라인 변환기는 상기 비편광 빔 스플리터와 상기 측정 대상물 사이에 배치되는 검사 장치.
  16. 청구항 5에 있어서,
    상기 출력 광은 상기 측정 대상물에 수직 입사되고, 상기 측정 광은 상기 측정 대상물로부터 수직 반사되도록 구성되는 검사 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 편광 간섭계에 인접하게 배치되어, 상기 출력 광을 상기 측정 대상물로 제공하는 비편광 빔 스플리터를 더 포함하는 검사 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 라인 변환기는 상기 편광 간섭계와 상기 비편광 빔 스플리터 사이에 배치된 검사 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 출력 광은 상기 라인 변환기 및 상기 비편광 빔 스플리터를 통하여 상기 측정 대상물로 제공되고, 상기 측정 광은 상기 비편광 빔 스플리터를 통하여 상기 제2 선형 편광자로 제공되는 검사 장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭 광은 상기 이미징 분광기에 수직으로 입사되는 검사 장치.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 발생기로부터의 상기 광은 백색 광인 검사 장치.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파인 검사 장치.
  23. 광을 선형 편광하고;
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고;
    상기 제1 광 및 상기 제2 광이 위상 차이를 갖도록 변조하여 출력 광을 생성하고;
    상기 출력 광을 제1 방향의 라인 형상으로 변환하여 측정 대상물에 조사하고;
    상기 측정 대상물로부터의 측정 광을 수광하고, 상기 측정 광의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 간섭 광을 생성하고; 그리고
    상기 간섭 광으로부터 상기 측정 대상물의 이미지를 얻는 것을 포함하고,
    상기 측정 대상물은 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 스캔되거나, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 직교하는 제3 방향을 축으로 회전 스캔되는 검사 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 간섭 광을 상기 제1 방향의 라인 형상으로 변환하는 것을 더 포함하는 검사 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 광은 단색 광이고, 상기 광의 파장은 가변되는 검사 방법.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 광은 백색 광인 검사 방법.
  27. 청구항 23에 있어서,
    상기 간섭 광으로부터 상기 제1 방향의 축, 상기 제2 방향의 축, 및 상기 광의 파장 축에 대한 공간분광 타원 편광 정보는 얻는 것을 더 포함하고,
    상기 측정 대상물의 이미지는 상기 공간분광 타원 편광 정보로부터 추출되는 검사 방법.
  28. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파인 검사 방법.
  29. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 직교하는 검사 방법.
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