KR100951110B1 - 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라인 주사 방식을 채택한 고 분해능 편광 측정장치로서 막의 두께와 광학 상수를 신속하게 측정하는 장치에 관한 것으로, 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3); 상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6); 상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7); 상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료 표면에 집속시키는 대물렌즈(8); 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10); 상기 시료로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 측정 장치를 한쪽 방향으로 이동시키면 이차원 영역의 막 두께와 광학 상수를 측정할 수 있다. 즉 스캐너와 비슷한 방식으로 이용할 수 있어 빠른 시간 안에 시료의 전 영역에 걸쳐 이차원적인 막 두께 및 광학 상수를 측정할 수 있다.

라인 스캔, 수직편광, 수평편광. 높은 N.A., 대물렌즈, 단색 광, 막 두께, 광학 상수, 이차원 센서, 반사율

Description

라인스캔방식 고분해능 편광측정장치{Line Scan Type High Resolution Ellipsometer}

본 발명은 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라인 주사 방식을 채택하여 보다 넓은 영역에서의 측정이 가능하도록 하는 고분해능 편광 측정장치로서 막의 두께와 광학 상수를 신속하게 측정하는 장치에 관한 것이다.

소재 개발과 같은 R&D 분야와 이를 응용한 다양한 산업분야에서 물질의 광학적 특성과 두께를 측정하는 측정 기술은 매우 중요한 기술로 인식되고 있다. 특히 반도체와 디스플레이 산업에서는 수 um 에서 수 nm 두께 수준의 다층 막을 형성함으로써 소자를 만들고 있으며 단위 면적 당의 소자의 개수를 늘리기 위해 소자의 크기를 점차 작게 만들고 있는 추세이다. 소자의 특성은 이를 구성한 막의 두께와 광학적 특성에 의존한다고 볼 수 있는데 소자의 크기가 점차 작아짐에 따라 미세 영역에 대한 측정 기술은 다양한 도전을 받고 있다. 생산성의 증가는 생산 프로세스를 잘 관리함으로써 가능하기 때문에 많은 연구자들에 의해 미세 영역에서 보다 빠르고 정확하게 막 두께와 광학적 특성을 측정할 수 있는 장치와 방법들이 연구 되고 있다.

측정 장치와 방법들은 다양하지만 비파괴적이라는 점과 측정 시료의 전처리 과정이 필요하지 않다는 점 때문에 광학적 방법이 널리 연구되고 사용되고 있다. 측정하는 물리량으로 구분할 때 대표적인 장치로는 반사광 강도계(Reflectometer)와 타원 편광계(Ellipsometer)가 있다. 반사광 강도계는 시료에 입사하는 빛의 세기와 반사되어 나오는 빛의 세기를 측정함으로써 소위 반사율을 측정한다. 이에 반해 타원 편광계는 미리 알려진 편광의 빛을 입사시켜 시료로부터 반사되어 나오는 빛의 변화된 편광 상태를 측정하는 장치이다. 동시 측정 가능 영역으로 구분할 때 소위 점 측정 방식(point scan), 라인 측정 방식(line scan), 면적 측정 방식(area scan)으로 볼 수 있다. 물론 점 측정 방식의 경우 모든 영역을 순차적으로 측정한다면 면적 측정과 갈아지고 라인 측정의 경우엔 한쪽으로만 순차적으로 측정한다면 면적 측정과 같다. 어느 측정 방식이 타 방식보다 우세하다고 단정적으로 이야기 하기는 힘들며 각각의 방식 나름대로 장점과 단점을 가지고 있다. 그러나 가장 바람직하기는 빠르고, 정확하며, 주위 환경 변화에 안정하며, 미세 영역의 측정이 가능한 장치가 요구되고 있다. 또 하나의 가능한 분류로는 측정하는 물리량의 의존 변수에 따라 파장형(wavelength resolved) 장치와 입사각형(incident angle resolved) 장치인데 정확성이나 측정 데이터의 개수로 볼 때 파장형 장치가 단연 우수하다. 그러나 응용 분야에 따라 입사각형은 파장형 장치에 비해 월등히 빠르며 미세영역 측정이 가능하기 때문에 적합할 수 있다. 따라서 적용 분야에 맞게 적합 한 타입을 쓰도록 해야 한다. 그 동안 몇몇의 연구자들에 의해 높은 N.A.(Numerical Aperture)를 갖는 투과형 렌즈나 반사형 렌즈를 이용하여 빛의 입사각을 변화시킴으로써 막 두께와 광학 상수를 측정하고자 하는 많은 연구가 진행되어 왔는데 그 중 1991년 Therma-wave 사의 US4999014, US5042951은 대물렌즈의 높은 N.A.를 이용한 대표적인 예이다. T사 장치의 경우, 점 측정 영역을 가지며 이차원 광검출기에서 측정되는 데이터의 특징은 다음과 같은데 이차원 광검출기 면에 원이 하나 그려져 있다고 가정할 때 반지름 방향은 빛의 입사각에 대응하며 원주를 따라서는 편광 상태의 변화가 된다. 수직편광인, s파와 수평편광인 p파만을 하나의 이차원 센서에서 측정하여 두께 측정과 광학 상수측정에 적용하였다.

장점은 구동부가 전혀 없고 하나의 검출기로 두 개의 편광 상태를 동시에 측정할 수 있다는 장점이 있지만 점 측정 특징이 주는 상대적으로 느리다는 단점이 있다. T사의 특허에는 언급되어 있지 않지만 엘립소 메터로 응용하고자 할 때 입사각에 따른 편광 변화 데이터가 필요한데 데이터가 원주를 따라 존재하므로 사각형 형태의 픽셀이 기본단위인 이차원 광검출기에서 적절한 데이터를 획득하기 힘들며 특히 입사각이 작은 영역에서의 데이터 개수는 원의 반경이 줄어들므로 데이터의 개수가 심하게 줄어들어 데이터의 질이 많이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

또 다른 예로는 Qiwen Zhan과 James R. Leger가 1 August 2002/ Vol. 41, No. 22/APPLIED OPTICS에 발표한 High-resolution imaging ellipsometer 인데 역시 0.8 이상의 N.A를 갖는 대물 렌즈를 사용하였다. 이 시스템은 면적 측정 영역을 가지며 CCD 검출기 에서 사분 파장의 위상 지연자(Quarter-wave plate)를 두 방향에 대해 순차적으로 위치시켜 두 개의 이미지를 측정하고 두 이미지의 비를 구하여 두께 측정을 시도하였다.

이 시스템의 단점은 CCD 이미지 상의 한 픽셀이 하나의 측정 점에 대응하므로 뛰어난 공간 분해 능과 임의 크기의 면적(area scan) 전체의 영역을 한번에 측정할 수 있다는 장점이 있지만 실제 한 측정 점에 해당하는 측정 데이터가 하나밖에 없으므로 다층 막과 같은 복잡한 구조의 시료를 해석하는 것은 불가능하며 측정 할 수 있는 두께의 영역이 사용하는 파장의 절반 이하로 한정되어 있다는 단점을 가지고 있다.

전술한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 점측정의 단점을 보완하고 라인측정의 단점을 최소화하도록 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 데이터의 질을 향상시켜 보다 신뢰성이 높은 데이터를 얻을 수 있도록 하여 두께와 광학상수의 정확한 측정이 가능하도록 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 또 다른 목적은 미세영역에서 막 두께와 광학 상수를 정확하게 측정되도록 하고 측정시간을 단축할 수 있도록 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치는 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3); 상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6); 상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7); 상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8); 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10); 상기 시료(9)로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 광원(1)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이의 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제 1 슬릿(3)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원(1)은 단색광원이 되거나, 상기 광원(1)은 다색광원이며, 상기 광원(1)과 상기 제 1 슬릿(3) 사이에 위치하여 상기 광원(1)으로부터 발생된 다색광을 단색광으로 만들어 주며, 대역폭이 1 ~ 10nm 인 특정파장영역의 빛을 통과시키는 밴드 패스 필터 또는 액정을 이용한 전자식 또는 음향 필터로 단색화장치(5)가 더 구비된 것을 특징으로 하는

또, 상기 제 1 편광기(6)는 편광된 빛이 수직 편광 성분과 수평 편광 성분이 동시에 존재하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제 1 편광기(6)는 상기 제 1 슬릿(3)의 라인방향에 대하여 30 ~ 60° 경사지도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 대물렌즈(8)는 N.A. 가 0.5 이상인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 대물렌즈(8)는 배율이 150 배 이하로 되어 집속된 라인형태의 빛의 폭이 수 ㎛ 이상이고 길이가 수 백 ㎛가 되도록 집속되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 대물렌즈(8)에서 출사하는 빛의 단면은 원형이며 모든 편광 성분을 포함하므로 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3); 상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6); 상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7); 상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8); 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10); 상기 대물렌즈(8)에서 출사하는 빛에 대해 두 개의 편광 성분을 포함하는 특정한 방향의 입사면만을 선택하는 제 2 슬릿(12); 상기 제 2 슬릿(12)에서 출사된 빛을 평행화시키는 시준기(13); 상기 시준기(13)에서 출사된 빛을 특정한 방향으로 위상을 지연시키는 위상지연판(14); 상기 위상지연판(14)을 통과한 빛을 특정한 방향으로 편광시키는 제 2 편광기(15); 상기 제 2 편광기(15)에서 출사한 빛을 집속해주는 집속광학계(16); 상기 집속광학계(16)에서 출사한 빛을 검출하는 이차원 광검출기(17);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 2 슬릿(12)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성되며, 상기 제 2 슬릿(12)의 방향은 상기 제 1 슬릿(3)의 방향에 대해 수직인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 위상지연판은 1/4 파장판인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 이차원 광검출기에서 얻어지는 이미지 데이터는 장축이 입사각의 분포를 나타내며, 단축은 시료 표면의 측정 위치를 각각 나타내는 것을 특징으 로 한다.

또한, 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)는 하나의 모듈로 구성되며, 상기 스캐닝 장치(10)는 상기 모듈을 미세 이송시키며 최대 수 mm 이하의 스캔 영역을 가지고 최소 0.1㎛ 의 이송 분해능을 가지는 미세 라인스캐너인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치는 라인 스캐너를 탑재함으로써 원리상 편광기를 연속적으로 회전시키거나 특정한 회전각에서 측정을 하는 속도의 느려짐을 보완할 수 있다. 따라서 구동부가 전혀 없는 기존의 장치에 비해 한 점을 측정할 때 걸리는 시간은 길지만 전체 면적을 측정한다고 한다면 기존의 점 측정 방식에 비해 라인 영역을 한번에 측정 할 수 있어 훨씬 빠른 측정이 가능하고 측정영역 내의 비교적 높은 공간 분해능을 제공할 수 있다. 또한 내부에 설치된 스캐너를 이용하여 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치 전체를 움직이지 않더라도 면적 영역을 측정할 수 있어 안정한 측정이 가능하다. 또, 이차원 광검출기의 한 축이 입사각의 변화이며 이에 수직한 축이 측정위치가 되도록 함으로써 기존 방식에 존재하는 데이터 추출 과정의 모호성을 제거하였고 이에 따라 좀더 신뢰성이 높은 데이터를 얻을 수 있도록 하여 두께와 광학상수의 정확한 측정이 가능하게 된다. 아울러, 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치를 RAE(Rotating Analyzer Ellipsometry), TPR(Two Polarization Ratiometry), SPR(Single Polarization Reflectomery), NPR(Non Polarization Reflectometry)와 같은 다양한 측정 방식으로 이용할 수 있는데 이는 필요로 되는 응용 분야에 따라 적절히 사용할 수 있는 다양성을 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 본 발명의 취지가 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 나타나는 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 의한 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 다른 형태의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면이며, 도 3은 대물렌즈와 이에 입사 및 출사되는 빛의 경로를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 측정 가능 방법을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치는 광원(1); 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3); 상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6); 상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7); 상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8); 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10); 상기 시료(9)로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광원(1)은 일반적인 광원을 사용할 수도 있고, 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이의 단면을 갖는 광원을 사용할 수 있다.

또한, 상기 광원(1)은 단색광원이나 다색광원이 사용되는데, 상기 광원(1)은 다색광원인 경우에는 상기 광원(1)과 상기 제 1 슬릿(3) 사이에 위치하여 상기 광원(1)으로부터 발생된 다색광을 단색광으로 만들어 주며, 대역폭이 1 ~ 10nm 인 특정파장영역의 빛을 통과시키는 밴드 패스 필터 또는 액정을 이용한 전자식 또는 음향 필터(미도시됨)로 된 단색화장치(5)가 더 구비된다.

상기 제 1 슬릿(3)은 상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주는 역할을 하며, 상기 제 1 슬릿(3)은 y축 방향(즉, 빛의 진행방향의 수직방향)으로 길게 형성되는 라인 형태이다. 상기 제 1 슬릿(3)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 단색화장치(5)는 상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 단색 파장의 빛으로 필터링하는 역할을 한다.

상기 제 1 편광기(6)는 상기 단색화장치(5)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 역할을 한다. 또, 상기 제 1 편광기(6)는 편광된 빛이 수직 편광 성분과 수평 편광 성분이 동시에 존재하도록 설치되는 것이 바람직하다.

더 바람직하게는 상기 제 1 편광기(6)는 상기 제 1 슬릿(3)의 라인방향에 대하여 30 ~ 60° 경사지도록 설치되도록 한다.

상기 제 1 광 분할기(7)는 상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 역할을 한다.

상기 대물렌즈(8)는 상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 역할을 한다. 이때, 상기 대물렌즈(8)는 N.A.(Numerical Aperture)가 0.5 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어 N.A. 가 0.5 이면 상기 대물렌즈(8)에서 출사하는 빛이 측정 시료에 입사 할 때 0도에서 대략 30도의 입사각을 형성함을 의미한다. 본 발명은 다양한 입사각으로 입사하는 빛을 이용하기 때문에 N.A. 가 클수록 바람직하다. 또한 최소 입사각이 30도 근처이어야만 두 개의 편광 성분을 사용할 때 수직, 수평 편광 성분의 프레넬 반사 계수가 실질적으로 차이를 보이기 때문에 엘립소메터 파라메터를 구할 수 있다. 상기 대물렌즈(8)는 배율이 150 배 이하를 유지하는 것이 바람직하다. 이유는 상기 제 1 슬릿의 폭이 100um이고 길이가 10mm 정도 이므로 상기 대물렌즈(8)의 배율을 150 배라고 가정하면 상기 제 1 슬릿을 통과한 빛은 대략 ~1um x ~100um로 집속된다. 이는 현재 반도체나 디스플레이 응용 분야에서 측정해야만 하는 최소의 분해능을 만족할 수 있는 정도이다.

상기 스캐닝 장치(10)는 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향으로 이송하는 역할을 한다.

본 발명의 중요한 요소 중 하나는 라인 형태의 영역을 동시에 측정하는 것인데 일반적으로 면적 전체의 측정 정보를 얻고자 하는 요구를 만족하기 위해서는 스캐닝(Scanning)이 반드시 필요하다.

넓은 영역(> 수 백 um)을 측정 할 때는 측정 장치 전체를 움직이거나 측정 시료를 움직이도록 함으로써 측정이 가능하지만, 좁은 영역(< 수 백 um)을 측정 할 때는 장치 전체를 이송하여 빠르게 측정하기는 어려운 일이므로 측정 장치 내부에 설치되어 있는 미세 라인스캐너를 이용하여 측정 장치 전체나 측정 시료를 움직이지 않고도 스캐닝을 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 일부 구동부(편광기)가 있으므로 해서 발생되는 측정 시간의 느려짐을 보상할 수 있게 된다.

상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)는 하나의 모듈로 구성되며, 상기 스캐닝 장치(10)는 대물렌즈(8)와 제 1 광 분할기(7)를 동시에 함께 이송되도록 상기 모듈을 미세 이송시키며 미소 영역을 스캔되도록 하고 수 mm 이하의 스캔 영역을 가지며 최소 0.1㎛ 의 이송 분해능을 가지는 미세 라인스캐너인 것이 바람직하다.

상기 미세 라인스캐너는 스텝핑(micro-stepping motor) 모터를 이용하거나 피에조(piezo)를 이용할 수 있다.

상기 광수집기(11)는 상기 시료(9)로부터 반사된 빛을 수집하는 역할을 한다.

상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

다파장의 확장된 광원(1)이 적절한 집속렌즈계(2)에 의해 초점 면에 초점을 맺게 된다. 상기 초점 면에는 가상의 라인형태의 광원을 발생시키기 위해 제 1 슬릿(3)이 위치하게 된다. 상기 제 1 슬릿(3)에 의해 만들어진 라인 광원은 렌즈 계(4)에 의해 평행화(collimating) 되며 단색화 장치인 밴드 패스필터(5)를 통과한다. 밴드 패스 필터(5)는 10nm 이하의 대역폭을 갖는다. 단색화된 빛은 편광 장치인 제 1 편광기(6)를 통과하여 비로소 선형 편광된다. 상기 제 1 편광기(6)의 투과축의 방향은 제 1 슬릿(3)에 대해 30 ~ 60° 경사지도록 설치되며, 도면에서는 45°경사진 것을 도시하였다. 도면에서 상기 제 1 편광기(6)의 투과축은 y축에 대해 45°경사져 있으며, yz 평면 안에 놓여 있다. 상기 제 1 광분할기(7)에 의해 일부 분리된 선형 편광 빛은 높은 N.A.를 갖고 있는 대물렌즈(8)를 통과하며, 측정 시료(9) 표면에 가상의 라인 광원이 초점을 맺게 되고, 시료 표면의 라인 영역에만 빛이 조사되게 되어 시료(9) 표면의 라인 영역에서 측정을 하게 된다. 이때, 시료 표면(9)의 라인 영역 중에서 한 점으로부터 반사되는 빛의 다발은 거의 원형의 단면을 가지고 있으므로 여러 방향의 입사면이 존재한다. 이러한 여러방향의 입사면을 각각 측정하게 됨으로써 시료(9) 표면의 라인 영역에서의 측정을 하게 된다.

이러한 상태에서 상기 스캐닝 장치(10)에 의해 상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)가 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송됨으로써 시료(9) 표면의 라인영역의 확장된 영역에서의 측정이 가능하게 된다.

전술한 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치에서 시료 표면(9)의 라인 영역 중에서 한 점으로부터 반사되는 빛의 다발은 거의 원형의 단면을 가지고 있으므로 여러 방향의 입사면이 존재하므로 적절한 필터링을 하여 특정방향에 대한 측정 점과 입사각에 대한 대응이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위한 본 발명에 의한 다른 형태의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치는 전술한 본 발명의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치에 상기 광수집기(11)와 대체되는 제 2 슬릿(12), 시준기(13), 위상지연판(14), 제 2 편광기(15), 집속광학계(16) 및 이차원 광검출기(17);를 더 포함하며 이를 도 2에 도시하였다.

상기 제 2 슬릿(12)은 상기 대물렌즈(8)에서 출사하는 빛의 일부를 공간적으로 선택하는 역할을 한다. 또한, 상기 제 2 슬릿(12)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성되며, 상기 제 2 슬릿(12)의 방향은 상기 제 1 슬릿(3)의 방향에 대해 수직인 것이 바람직하다.

상기 시준기(13)는 상기 제 2 슬릿(12)에서 출사된 빛을 평행화시키는 역할을 한다.

상기 위상지연판(14)은 상기 시준기(13)에서 출사된 빛에 대해 특정한 방향의 빛에 대해 위상을 지연시키는 역할을 한다. 또, 상기 위상지연판(14)은 1/4 파장판인 것이 바람직하다.

상기 제 2 편광기(15)는 상기 위상지연판(14)을 통과한 빛에 대한 편광을 분석하는 역할을 한다.

상기 집속광학계(16)는 상기 제 2 편광기(15)에서 출사한 빛을 집속해주는 역할을 한다.

상기 이차원 광검출기(17)는 상기 집속광학계(16)에서 출사한 빛을 검출하는 역할을 한다. 또, 상기 이차원 광검출기(17)에서 얻어지는 이미지 데이터는 장축이 입사각의 분포를 나타내며, 단축은 시료 표면의 측정 위치를 각각 나타내는 것이 바람직하다.

따라서, 입사각의 분포와 측정위치를 직교 좌표계 상에 놓일 수 있도록 광학 시스템을 구성할 수 있게 된다. 이로 인해 입사각에 따른 데이터의 구성은 이차원 광검출기의 단위 픽셀의 구조인 직 사각형 형태와 동일하므로 입사각에 관계없이 동일한 데이터 분해능을 갖게 되어 데이터의 질을 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 구성으로 된 본 발명에 의한 다른 형태의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

시료 표면(9)의 라인 영역 중에서 한 점으로부터 반사되는 빛의 다발은 거의 원형의 단면을 가지고 있으므로 여러 방향의 입사 면이 존재한다. 따라서 적절한 공간적 필터링을 하여 직교 좌표 공간의 한 축에 라인 측정 점들을 그리고 나머지 한 축에 입사각들을 대응시킬 필요성이 있다. 결국 하나의 입사 면을 선택하기 위하여 라인 형태의 제 2 슬릿(12)을 위치시킨다. 제 2 슬릿(12)의 방향은 x축 방향(즉, 빛의 진행방향과 동일한 방향)으로 길게 놓여져 있다. 상기 제 2 슬릿(12)의 y축 방향(즉, 빛의 진행방향과 수직한 방향)의 폭은 대략 100㎛ 이하이며 x축 방향의 길이는 10mm 이하이다. 제 2 슬릿(12)의 방향은 시료에 입사하는 선형 편광 빛에 대한 입사면을 결정하며 이에 따라 수평 편광 성분(p파)과 수직 편광 성분(s파)를 결정한다. 상기 제 2 슬릿(12)을 통과하는 빛은 회절에 의해 발산하므로 짧은 초점 거리를 갖는 시준기(13)를 이용하여 평행화(collimating)시킨다. 위상지연판(14)에서 pi/2만큼의 위상 지연을 준 후 회전 가능한 제 2 편광기(15)를 회전시키면서 각각의 회전 각에서의 이미지를 측정하도록 한다. 특정한 입사각에서 제 2 편광기(15)의 회전각에 따른 이미지 데이터로부터 빛의 세기 파형을 분석하면 시료(9)의 측정 위치에 대한 소위 엘립소 파라메더(elipso parameter)를 측정해 낼 수 있다. 신속한 측정을 위하여 제 2 편광기(15)가 일정한 각도만큼 회전할 때 외부로 트리거 신호를 발생시키고 이 트리거 신호를 이차원 광검출기에 동기 신호로 입력해주면 고속 측정이 가능해진다. 집속 광학계(16)를 이용하여 평행화되어 있는 빛의 다발을 이차원 광검출기에 집속 시킨다. 측정 시간은 대략 1 초 이하이다. 이차원 광검출기(17)로는 CCD나 CMOS를 사용할 수도 있다. 이차원 광검출기(17)에서 획득한 이미지 데이터는 장축은 입사각의 분포가 단축은 측정 위치가 각각 대응되게 된다.

도 3은 대물렌즈(8)와 이에 입사, 출사하는 빛의 경로를 나타낸다. 라인 광원은 대물렌즈에 의해 시료(9) 표면에 초점을 맺음으로써 라인 영역만 빛이 조사된다. 예를 들어 측정점(9-1)과 측정점(9-2)가 입사하는 빛에 의해 조사 되었다고 하자. 이 측정 점들로부터 반사되어 나오는 빛 다발은 원형의 단면을 가지고 있으므로 검출기(17)상의 한 축에 입사각을 대응시키고 나머지 한 축에 측정 점들을 대응시키기 위해서는 라인 형태의 단면을 만들어 주어야 한다. 달리 말하면 특정한 입사면만을 선택해야 한다. 바로 제 2 슬릿(12)의 역할이다. 이해를 돕기 위해 만일 제 2 슬릿(12) 다음에 초점을 맺도록 하는 광학계가 있다면 이미지(17-1)과 이미 지(17-2)를 형성하게 된다. 이미지(17-1)과 (17-2)의 모양은 측정점(9-1)과 (9-2)와 비슷해야 할 것으로 생각 되지만 제 2 슬릿(12)의 폭이 대략 수 백 ㎛이므로 제 2 슬릿(12)은 호이겐스의 원리에 따라 이차 광원으로 작용하게 되며 결과적으로 회절 현상을 일으키게 된다. 이미지 면에 형성되는 것은 측정 점(9-1)과 (9-2)에 각각 대응하는 제 2 슬릿의 이미지가 된다.

도 4는 상기 장치의 적용 예를 보여 주는데 RAE(Rotating Analyzer Ellipsometry) 혹은 TPR(Two Polarization Ratiometry) 혹은 SPR(Single Polarization Reflectometry), 혹은 NPR(Non Polarization Reflectometry) 방식으로 사용될 수 있음을 보여 주는 것으로 제 2 편광기(15)가 회전하면서 이차원 광검출기(17)에서 이미지 센서로부터 얻어지는 연속적인 이미지를 획득하여 획득된 이미지를 분석하여 빛의 입사각에 따른 엘립소 메트릭 파라메터(편광 변수)를 측정(Rotating Analyzer Ellipsometry)하게 된다.

혹은 제 2 편광기(15)의 특정한 두 각도 즉 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 반사율을 측정하는 TPR(Two Polarization Ratiometry)에 이용되거나, 하나의 각도 즉, 수직 편광 성분 또는 수평 편광 성분의 반사율을 측정하는 SPR(Single Polarization Reflectometry)에 이용되거나, 무편광 상태의 단순한 반사율을 측정하는 NPR(Non Polarization Reflectometry)에도 사용할 수 있다.

가장 빠른 측정이 가능한 응용 방식으로는 제 2 편광기(15)를 특정한 회전각으로 고정하고 특정한 방향에 대한 편광 성분의 반사율만을 측정하는 SPR(Single Polarization Reflectometry) 방식이나 NPR 모드로 이용하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 의한 다른 형태의 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면.

도 3은 대물렌즈와 이에 입사 및 출사되는 빛의 경로를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 의한 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치의 측정 가능모드를 나타낸 도면.

<본 발명의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 광원 3: 제 1 슬릿

5: 단색화장치 6: 제 1 편광기

7: 제 1 광 분할기 8: 대물렌즈

9: 시료 10: 스캐닝 장치

11: 광수집기 12: 제 2 슬릿

13: 시준기 14: 위상지연판

15: 제 2 편광기 16: 집속광학계

17: 이차원 광검출기

Claims (14)

1. 삭제
2. 광원(1);

   상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3);

   상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6);

   상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7);

   상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8);

   상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10);

   상기 시료로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하며,

   상기 광원(1)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 슬릿(3)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
4. 삭제
5. 광원(1);

   상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3);

   상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6);

   상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7);

   상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8);

   상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10);

   상기 시료로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하고,

   상기 광원(1)은 다색광원이며, 상기 광원(1)과 상기 제 1 슬릿(3) 사이에 위치하여 상기 광원(1)으로부터 발생된 다색광을 단색광으로 만들어 주며, 대역폭이 1 ~ 10nm 인 특정파장영역의 빛을 통과시키는 밴드 패스 필터 또는 액정을 이용한 전자식 또는 음향 필터로 단색화장치(5)가 구비된 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
6. 광원(1);

   상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3);

   상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6);

   상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7);

   상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8);

   상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10);

   상기 시료로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하며,

   상기 제 1 편광기(6)는 편광된 빛이 수직 편광 성분과 수평 편광 성분이 동시에 존재하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 1 편광기(6)는 상기 제 1 슬릿(3)의 라인방향에 대하여 30 ~ 60° 경사지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
8. 광원(1);

   상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3);

   상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6);

   상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7);

   상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8);

   상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10);

   상기 시료로부터 반사된 빛을 수집하는 광수집기(11);를 포함하며,

   상기 대물렌즈(8)는 N.A. 가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 대물렌즈(8)는 배율이 150 배 이하로 되어 집속된 라인형태의 빛의 폭이 수 ㎛ 이상이고 길이가 수 백 ㎛가 되도록 집속되는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
10. 광원(1);

    상기 광원(1)으로부터 발생된 빛을 통과시켜 라인 형태의 빛으로 만들어주며 빛의 진행방향의 수직방향으로 길게 형성된 제 1 슬릿(3);

    상기 제 1 슬릿(3)에서 출사된 라인 형태의 빛을 편광시키는 제 1 편광기(6);

    상기 제 1 편광기(6)에서 편광된 빛의 경로를 빛의 진행방향의 수직방향으로 바꾸는 제 1 광 분할기(7);

    상기 제 1 광 분할기(7)로부터 빛의 경로가 바뀐 빛을 시료(9) 표면에 집속시키는 대물렌즈(8);

    상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)를 동시에 빛의 진행방향에 수직방향으로 이송하는 스캐닝 장치(10);

    상기 대물렌즈(8)에서 출사하는 빛에 대해 두 개의 편광 성분을 포함하는 특정한 방향의 입사면만을 선택하는 제 2 슬릿(12);

    상기 제 2 슬릿(12)에서 출사된 빛을 평행화시키는 시준기(13);

    상기 시준기(13)에서 출사된 빛을 특정한 방향으로 위상을 지연시키는 위상지연판(14);

    상기 위상지연판(14)을 통과한 빛을 특정한 방향으로 편광시키는 제 2 편광기(15);

    상기 제 2 편광기(15)에서 출사한 빛을 집속해주는 집속광학계(16);

    상기 집속광학계(16)에서 출사한 빛을 검출하는 이차원 광검출기(17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 2 슬릿(12)은 수백 ㎛의 폭과 10mm이하의 길이로 형성되며, 상기 제 2 슬릿(12)의 방향은 상기 제 1 슬릿(3)의 방향에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 위상지연판(14)은 1/4 파장판인 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 이차원 광검출기(17)에서 얻어지는 이미지 데이터는 장축이 입사각의 분포를 나타내며, 단축은 시료 표면의 측정 위치를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.
14. 제 2 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 광 분할기(7)와 상기 대물렌즈(8)는 하나의 모듈로 구성되며,

    상기 스캐닝 장치(10)는 상기 모듈을 미세 이송시키며 수 mm 이하의 스캔 영역을 가지고 최소 0.1㎛ 의 이송 분해능을 가지는 미세 라인스캐너인 것을 특징으로 하는 라인스캔방식 고분해능 편광측정장치.

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