KR101270260B1 - 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 물성 측정 방법 - Google Patents

광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 물성 측정 방법 Download PDF

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KR101270260B1
KR101270260B1 KR1020110081475 KR101270260B1 KR 101270260 B1 KR101270260 B1 KR 101270260B1 KR 1020110081475 KR1020110081475 KR 1020110081475 KR 101270260 B1 KR101270260 B1 KR 101270260B1
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조용재
제갈원
조현모
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 특정한 편광성분을 갖고 있는 광이 시료에 입사되었을 때 입사광이 시료에 의해 반사 또는 투과되면서 발생하는 편광상태의 변화를 다수의 파장들에 대하여 측정 및 분석함으로써 시료의 물성 및 나노 패턴 형상 등의 정보를 실시간으로 얻어낼 수 있는 실시간 분광타원계측기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실시간 분광타원계측기는 종래의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 광원 및 광검출기의 편광 의존성, 보상기의 파장 의존성, 노광량 측정횟수를 고정하여 사용함에 따른 적분시간 변경 제약의 문제점 등을 해결하기 위해 안출된 것으로서 종래의 기술 보다 정확하고 정밀하며 빠르게 시료의 특성을 측정할 수 있도록 구조와 기능이 개선된 장점을 갖고 있다. 본 발명에 따른 다채널 분광타원계측기는 종래 기술의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 광경로 중에서 광원 이후에 정지상태의 편광자를 추가함으로서 광원을 선편광으로 만들어서 광원의 잔류편광 문제를 해결하고자 하였으며 종래 기술의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 광경로 중에서 다채널 분광기 이전에 정지상태의 편광자를 추가로 설치하여 선편광된 광을 광검출기에 전달함으로써 광검출기의 편광 의존성 문제를 해결하고자 고안된 것이다. 또한, 본 발명은 측정주기 및 측정 주기당 노광량 측정수를 컴퓨터 소프트웨어로 빠르고 용이하게 변경할 수 있도록 디지털 신호 변조장치를 포함하며 측정된 푸리에 계수들 중에서 상대적으로 신호 대 잡음 비가 우수한 것을 제한적으로 선택하여 타원계측함수를 얻도록 함으로서 측정 정밀도가 향상되는 것을 특징으로 하는 다채널 분광타원계측기이다.

Description

광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 물성 측정 방법 {Rotating-Element Ellipsometer and method for measuring properties of the sample using the same}
본 발명은 광소자 회전형 다채널 타원계측기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료에 의해 반사 또는 투과된 광의 편광상태 변화를 측정 및 분석하여 시료의 물성을 실시간으로 측정하는데 사용되는 실시간 타원계측기에 관한 것이다.
급격히 발전하고 있는 반도체 소자, 평판 디스플레이, 나노바이오, 나노 임프린트, 박막광학 등에 관련된 산업분야에서 나노 시료들의 광물성(optical property) 또는 나노 패턴의 형상 등과 같은 물성을 비파괴적으로 비접촉식으로 실시간으로 제조공정 단계에서 측정 및 평가할 수 있는 기술의 중요성이 점점 증대되고 있다. 따라서 상기 산업분야들에서 공정용 측정장비로 사용되고 있는 타원계측 기술에서는 측정 정밀도 뿐 만아니라 측정 정확도의 향상이 점점 중요해지고 있으며 실시간 측정을 위해 측정속도의 지속적인 개선도 요구되고 있다.
타원계측기 중의 일종인 다채널 분광 타원계측기의 예를 들자면, 종래의 다채널 분광타원계측기들(multichannel spectroscopic ellipsometers) 중에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 도 1과 같은 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기인데 기본원리는 입사광(100)이 시료(200)에 입사될 때 상기 시료(200)에 의한 반사광(300) 또는 투과광의 편광상태의 변화를 다수의 파장들에 대해서 측정하고 분석함으로써 시료의 물성을 찾아내는 나노 측정 장치로 잘 알려져 있다.
상기 종래 기술의 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구성을 설명하면, 입사광(100) 선상에서는 광원(110), 상기 광원(110)에서 방사된 광을 평행광으로 변경시키는 무색수차 시준기(120), 상기 평행광을 특정한 편광상태로 만드는 편광변조부(125)가 배치되고, 반사광(300) 선상에서는 상기 반사광의 편광상태를 분석하기 위한 광학계인 편광해석부(305), 상기 편광해석부(305)를 통과한 평행광을 국소영역 에 집중적으로 조사도록 하는 무색수차 초점광학계(330), 상기 집중 조사된 광은 광섬유(340)를 통하거나 또는 직접 다채널 분광기(350)의 슬릿으로 입사된다. 상기 다채널 분광기는 분산광학계(352) 및 다채널 광검출기(354)를 포함하며, 상기 슬릿을 통과한 광은 상기 분산광학계(352)에 의해 분산되어 상기 다채널 광검출기(354)의 각 화소들에 각 파장별로 조사되며 상기 각 화소(pixel)에 입사된 광량은 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 측정된다.
종래의 다양한 종류의 다채널 분광타원계측기들 중에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 편광자(polarizer) 또는 검광자(analyzer) 회전형 분광타원계측기와 보상기(compensator) 회전형 분광타원계측기인데 이것은 각각 선편광자(linear polarizer) 또는 보상기를 일정한 속도로 회전할 때에 광검출기에 의해서 측정되는 광 세기 파형에 관한 푸리에 계수들 또는 타원계측함수들(ellipsometric functions)을 다채널 광검출기로 실시간에 측정하고 이렇게 측정된 값들과 시료에 대한 이론적 모델식을 사용하는 최소자승 알고리즘(least-squares algorithm) 분석방법을 활용하여 시료의 물성을 구해낸다.
종래의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구성요소는 도 1의 상기 편광변조부(125)가 등속으로 회전하는 선편광자로 구성되어 있으며 이를 통상 편광자(polarizer)라고 부르며 상기 편광해석부(305)는 임의의 방위각에 정지되어 있는 선편광자로 이루어져 있으며 이를 통상 검광자(anlayzer)라고 부른다. 한편, 종래의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구성요소는 상기 편광자 즉 편광변조부(125)는 정지상태에 있고 대신에 상기 검광자가 등속으로 회전하는 것을 빼고는 상기 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기와 전체 구성이 동일하다. 따라서 종래 기술의 편광자(또는 검광자) 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는 구성된 광소자들의 수가 상대적으로 가장 적고 프리즘 선편광자와 같은 무색수차(achromatic aberration)의 광소자들만 사용하기 때문에 분광 측정을 위해서는 가장 이상적인 장점을 갖고 있다. 그러나, 종래의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는 광원의 잔류편광 문제라는 중대한 단점을 가지고 있으며, 종래의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는 광검출기의 편광 의존성 문제를 교정에 의해 해결해야만 하는 문제들이 있다.
한편, 종래의 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들은 단일 보상기 회전형과 이중 보상기 회전형으로 구분할 수 있다. 먼저, 종래의 단일 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구조는 상기 종래의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구조에서 상기 편광자는 정지해 있고 상기 편광자와 상기 시료 사이에 등속으로 회전하는 보상기(compensator)를 추가하는 것 이외에는 동일하다. 또는, 상기 종래의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 구조에서 상기 검광자는 정지해 있고 상기 시료와 상기 검광자의 사이에 등속으로 회전하는 보상기(compensator)를 추가하는 것 이외에는 동일한 것으로 되어 있다.
한편, 종래 기술의 이중 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구조는 시료를 중심으로 양쪽에 보상기가 각각 하나씩 배치되도록 상기 종래 기술의 단일 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 구조에서 하나의 보상기를 더 추가하는 것 이외에는 동일한 구조를 갖고 있으며 이들 보상기들은 정수의 등속도비로 각각 회전하는 특징이 있다. 따라서 상기 종래 기술의 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 핵심 구조에서는 상기 편광자와 상기 검광자가 측정시 정지상태로 있으므로 광원 및 광검출기의 편광 의존성 문제가 없는 것이 장점이다. 그러나 광대역 파장(
Figure 112011063390883-pat00001
) 영역에 대하여
Figure 112011063390883-pat00002
/4의 위상차를 갖는 무색수차 보상기의 제작이 매우 어렵기 때문에 보상기의 분산특성 및 장비교정 그리고 데이터 분석 방법의 복잡성 등의 문제들이 있다.
한편, 종래의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서는 광 세기 파형에 대한 푸리에 계수들 또는 타원계측 함수들을 얻기 위해서 단위 회전당 노광량 측정 횟수를 고정하여 사용하고 있으며, 다채널 광검출기의 적분시간은 노광량 측정 주기와 같게 고정하여 사용하고 있다. 이와 같은 종래의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에는 푸리에 계수들 또는 타원계측함수들을 측정하기 위하여 하나 이상의 광소자를 등속으로 회전하면서 광소자의 한 회전 주기 또는 상기 회전주기의 1/2 시간동안에 등간격의 다수 방위각들에서 다채널 광검출기의 각 화소(pixel)들에 의해 단위 측정당 일정한 횟수(
Figure 112011063390883-pat00003
)의 노광량을 측정하는 방법을 채택하고 있다. 종래 기술의 편광자 또는 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는 주로 상기 단위 측정당 노광량 측정수(
Figure 112011063390883-pat00004
)는 4인 경우를 선택하고 있으며 종래 기술의 단일 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는
Figure 112011063390883-pat00005
=8 그리고 종래 기술의 이중 보상기 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는
Figure 112011063390883-pat00006
=36으로 고정하여 주로 사용하고 있다.
한편, 종래의 광소자 회전형 타원계측기들의 경우에 일반적으로 시료의 재질 및 구조에 따라서 시료에 의해 반사 또는 투과된 광의 세기 차이가 크기 때문에 측정되는 광의 세기가 약하면 측정오차를 줄이기 위하여 적분시간을 늘려야만 하지만 정해진 노광량 측정주기에 의해 제한을 받는 문제가 있다.
반대로 측정되는 광의 세기가 지나치게 크면 광검출기가 포화상태에 이르므로 적분시간을 줄여야 하는데 이 때 적분시간이 노광량 측정주기 보다 작으면 작을 수록 광검출기의 대기시간이 점점 길어져서 측정 정밀도가 악화되는 문제가 발생한다.
광소자 회전형 타원계측기에서는 시간(
Figure 112011063390883-pat00007
)에 따라서 주기적으로 변하는 광의 세기에 대해 적분형 광검출기를 사용하여 실시간으로 측정하였을 때에 그 파형을 분석하기 위해서 푸리에 계수(Fourier coefficient) 분석법을 사용한다. 이러한 측정장치에서 만약 오차가 없다고 가정할 경우에 특정한 파장에 대해서 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 적분형 광검출기에 의해 측정되는 광의 세기
Figure 112011063390883-pat00008
는
Figure 112011063390883-pat00009
(1)
와 같이 광의 세기 평균값 (또는 0차 푸리에 계수라고도 함)
Figure 112011063390883-pat00010
, 정규화된 푸리에 계수들 (
Figure 112011063390883-pat00011
,
Figure 112011063390883-pat00012
) 및 주기
Figure 112011063390883-pat00013
로 구성된 식으로 표현될 수 있다. 여기서 2N 은 0 이 아닌 정규화된 푸리에 계수들 중에서 최고 차수를 나타내는 자연수이다.
종래 기술의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들의 여러 유형들 중에서 상기 종래의 편광자 회전형 또는 상기 종래의 검광자 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에는 다채널 광검출기에 의해 측정되는 광의 세기인 식(1)에서
Figure 112011063390883-pat00014
및
Figure 112011063390883-pat00015
와 같이 2차 항의 정규화된 푸리에 계수들 이외에는 모두 0 의 값을 갖기 때문에 N 이 1인 경우에 해당된다.
상기 종래의 단일 보상기 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에는 식(1)에서
Figure 112011063390883-pat00016
,
Figure 112011063390883-pat00017
,
Figure 112011063390883-pat00018
,
Figure 112011063390883-pat00019
와 같이 2차와 4차 항의 푸리에 계수들만이 0 이 아니므로
Figure 112011063390883-pat00020
이 2인 경우에 해당되며 상기 종래의 이중 보상기 회전형 타원계측기들의 경우에는 2개의 보상기들이 5:3의 일정한 속도비로 등속 회전을 하는 경우에는 식(1)에서 유효한 최고 차수 항의 푸리에 계수가
Figure 112011063390883-pat00021
과
Figure 112011063390883-pat00022
이므로
Figure 112011063390883-pat00023
은 16이 된다.
다채널 타원계측기들에서는 식(1)과 같이 광검출기에 의해서 측정된 광의 세기 파형으로부터 정규화된 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00024
,
Figure 112011063390883-pat00025
)을 보다 정확하게 얻는 방법이 매우 중요하다. 요즘 가장 널리 보급된 종래 기술의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서는 대부분 다채널 광검출기로써 CCD detector array 또는 photodiode detector array 등을 사용한다. 이러한 다채널 광검출기들은 측정되는 광량 값이 광의 세기뿐만 아니라 적분시간(integration time)에도 비례하게 되므로 적분형 광검출기라고 부른다. 적분형 광검출기는 측정시 광량이 너무 많거나 또는 부족한 경우에 적분시간을 적절히 줄이거나 늘림으로써 적절한 조건에서 측정하면 되지만 측정시 적분시간은 해당 광검출기의 최소 적분시간보다는 항상 크거나 같게 설정되어야만 한다.
종래의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서는 상기 푸리에 계수를 얻기 위하여 식(1)과 같이 시간에 대해서 주기적으로 변화하는 광의 세기를 상기의 다채널 적분형 광검출기를 사용하여 일정한 시간간격으로 단위 측정당
Figure 112011063390883-pat00026
번 분할하여 측정한다. 이때, 적분시간은 이렇게 분할된 시간간격에 정확히 맞춘 것으로, 예를 들면
Figure 112011063390883-pat00027
인 조건에서 측정되는 노광량(
Figure 112011063390883-pat00028
)은
Figure 112011063390883-pat00029
(2)
와 같이 표현된다. 식(2)와 같은 연립방정식들을 정규화된 푸리에 계수들에 대해서 풀면 노광량
Figure 112011063390883-pat00030
로 표현된 정규화된 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00031
,
Figure 112011063390883-pat00032
)의 식을 얻게 되는데 이것을 Hadamard 변환이라고 부르며 종래 기술의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서 푸리에 계수를 얻는 대표적 방법으로 사용되어 왔다. 따라서 상기 조건을 만족하도록 특별히 설계 및 제작된 다채널 적분형 광검출기들만 사용할 수밖에 없었다. 그러나 실제 적분형 광검출기들에서는 적분시간 동안에 각 화소(pixel)에 누적된 광량을 읽어내고 그 상태를 초기화하는 시간, 즉 판독시간(readout time;
Figure 112011063390883-pat00033
) 동안에 광검출기가 입사된 광에 반응을 하지 않기 때문에 이를 고려하여 식(2)의 노광량을
Figure 112011063390883-pat00034
(3)
와 같이 보정하였고, 판독시간
Figure 112011063390883-pat00035
이 노광량 측정시간 간격
Figure 112011063390883-pat00036
보다 매우 짧다고 가정하여
Figure 112011063390883-pat00037
에 대해 1차 근사하여 얻어진 식을 사용하고 있다.
상기 Hadamard 변환을 사용하는 종래기술의 편광자 또는 검광자 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에 식(1)에서
Figure 112011063390883-pat00038
는 편광자 또는 검광자의 기계적 회전(mechanical turn)의 주기이고,
Figure 112011063390883-pat00039
은 이미 언급된 바와 같이 1이며, 주기
Figure 112011063390883-pat00040
동안에 측정되는 노광량 횟수(
Figure 112011063390883-pat00041
)의 최소값은 3이지만 시스템의 정상상태 여부를 알기 위하여
Figure 112011063390883-pat00042
를 추가로 측정하였기 때문에 노광량 측정횟수를 4로 늘려 사용하고 있다. 이때 각 구간에서 측정된 노광량 값들이
Figure 112011063390883-pat00043
주기에 대해서 대칭성을 갖기 때문에 전반기에 측정된
Figure 112011063390883-pat00044
,
Figure 112011063390883-pat00045
,
Figure 112011063390883-pat00046
,
Figure 112011063390883-pat00047
만으로 구성된 4개의 연립방정식으로부터 4개의 미지 계수(
Figure 112011063390883-pat00048
,
Figure 112011063390883-pat00049
,
Figure 112011063390883-pat00050
,
Figure 112011063390883-pat00051
)를 측정할 수가 있다.
한편, 상기 Hadamard 변환을 사용하는 종래 기술의 단일 보상기 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에는
Figure 112011063390883-pat00052
는 보상기의 기계적 회전주기이고,
Figure 112011063390883-pat00053
은 2이며, 주기
Figure 112011063390883-pat00054
동안에 측정되는 노광량 횟수
Figure 112011063390883-pat00055
의 최소값은 5이지만 시스템의 정상상태 여부를 알기 위하여
Figure 112011063390883-pat00056
을 추가로 측정해야 하기 때문에 노광량 측정횟수를 8로 늘려서 사용한다. 이전의 경우와 동일하게 측정되는 노광량 값의 대칭성을 고려하여
Figure 112011063390883-pat00057
의 측정값에서 6개의 미지 계수(
Figure 112011063390883-pat00058
,
Figure 112011063390883-pat00059
,
Figure 112011063390883-pat00060
,
Figure 112011063390883-pat00061
,
Figure 112011063390883-pat00062
,
Figure 112011063390883-pat00063
)를 얻기 위하여 연립방정식의 해를 사용한다. 또한, 상기 Hadamard transform을 사용하는 종래의 이중 보상기 회전형 다채널 타원계측기들의 경우에는 36개의 연립방정식을 풀어서 36개의 미지 계수를 매우 복잡한 형태로 각각 얻었다.
종래의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서는 광소자의 회전주기가
Figure 112011063390883-pat00064
일 때에 측정의 주기가
Figure 112011063390883-pat00065
또는
Figure 112011063390883-pat00066
로 제한되어 있으며 단위 측정당 노광량 측정횟수(
Figure 112011063390883-pat00067
)에 대하여 식(2)의 연립방정식을 일일이 풀어서 얻은 각각 다른 복잡한 형태의 식들을 사용하였으며 또한, 측정된 노광량값들(
Figure 112011063390883-pat00068
)에 대해서 식(3)에 대한 판독시간에 대한 일차 근사식을 사용하여 판독시간 오차를 보정함으로써 광의 세기 평균값(
Figure 112011063390883-pat00069
)과 정규화된 푸리에 계수(
Figure 112011063390883-pat00070
,
Figure 112011063390883-pat00071
)의 값들을 얻는 방법을 사용한다. 따라서 종래의 광소자 회전형 다채널 타원계측기들에서 사용되는 광검출기들의 적분시간은
Figure 112011063390883-pat00072
로 고정하여 사용하거나
Figure 112011063390883-pat00073
보다는 작은 값만 가질 수 있는 제약이 있으므로 노광량 측정횟수를 줄이거나 또는 측정 주기를 변경하여 적분시간을 늘리는 것이 불가능하였다.
종래 기술인 Hadamard transform을 사용할 경우에는 판독시간과 적분시간의 합이 측정시간 간격과 정확하게 일치하도록 설정해야만 하기 때문에 광의 세기가 너무 강한 경우에는 짧은 적분시간 동안에도 광량이 쉽게 포화상태에 도달하게 되므로 광원의 출력을 줄이기 위하여 불가피하게 조리개(iris diaphragm) 또는 중성밀도 필터(neutral density filter; ND filter) 등의 광소자을 추가로 사용하여 광 빔의 일부를 차폐해야만 한다. 반대로 광의 세기가 약한 경우에는 적분시간을 늘려야 하지만 측정 주기와 노광량 측정횟수가 상기한 바와 같이 종래 기술의 다채널 타원계측기들의 종류에 따라서 특별히 정해진 값에 대해서 장치를 구성하여 사용하였기 때문에 적분시간의 최대 값이
Figure 112011063390883-pat00074
로 제한되는 문제가 발생한다.
따라서 상기한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 다채널 타원계측기들의 개발이 요구되고 있다.
KR 742982 B 2007.7.20 KR 2009-49226 A 2009.5.18 KR 2011-35811 2011.4. 6
본 발명은 상기 종래 광소자 회전형 타원계측기의 광검출기의 적분 시간이 제약됨으로써 생기는 추가적 광학계의 부가에 따른 장비의 복잡화나 측정 정밀도 저하의 문제점을 해결하여, 광의 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 보다 용이하면서도 정밀하게 측정할 수 있는 광소자 회전형 타원계측기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 간이한 계산에 의해 보다 정밀하게 광 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 획득하여, 시료의 물성을 정확히 측정할 수 있는 광소자 회전형 타원계측기를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한, 적분 시간 및 노광량 측정 회수를 컴퓨터 소프트웨어로 빠르고 용이하게 변경할 수 있도록 하여 측정 정밀도가 향상된 광소자 회전형 타원계측기를 제공하고자 한다.
본 발명은 종래의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 광원의 잔류편광 문제나 광검출기의 편광 의존성 문제, 보상기의 파장 의존성, 측정 주기 및 노광량 측정횟수를 고정하여 사용함에 따른 적분시간 변경의 제약 등의 문제점들을 해결하여, 실시간으로 정확히 시료의 물성을 측정할 수 있는 다채널 분광 타원계측기를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 기술 보다 정확하고 정밀하며 빠르게 시료의 물성을 측정할 수 있도록 구조와 기능이 개선된 3개의 편광자로 구성된 다채널 분광타원계측기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 광원의 잔류편광 문제를 해결한 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광검출기의 편광 의존성 문제를 해결함으로써 측정 정확도가 향상된 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 타원계측기는 광원, 편광변조부, 시료받침대, 편광해석부, 및 광검출기를 포함하는 타원계측기로서, 상기 편광변조부 또는 상기 편광해석부의 등속으로 회전하는 광소자부에 연결되어, 상기 광검출기의 노광량 측정회수 제어하는 디지털 신호 변조장치를 포함한다. 상기 디지털 신호 변조 장치는 상기 광검출기에도 연결되어 있으며, 상기 광소자부로부터 펄스 신호를 받고, 측정 조건에 따라 상기 광검출기의 노광량 측정 회수를 제어하는 신호를 상기 광검출기에 송신하고 상기 광검출기는 이에 따라 특정 회수만큼 노광량을 측정하게 된다. 상기 측정 조건은 광세기인 것이 바람직하며, 상기 디지털 신호 변조장치는 상기 광세기에 따라 상기 광검출기의 적분시간 및 상기 노광량 측정회수를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 적분시간 및 상기 노광량 측정회수는 또한 컴퓨터 프로그램에 의해 조절되는 것이 바람직하다.
상기 광세기는 시간에 대해서 일정한 주기로 변하고, 본 발명의 일 실시예의 타원계측기는 연산기를 포함하며, 상기 연산기는 상기 광검출기로부터 상기 주기의 임의의 배수 동안 일정한 간격으로 상기 광세기 파형에 대한 다수의 노광량 값들을 획득하고, 상기 다수의 노광량 값들에 대한 이산 푸리에 변환을 수행하여 상기 광세기의 파형에 대한 다수의 푸리에 계수들과 평균값 성분을 결정한다.
상기 노광량(
Figure 112011063390883-pat00075
) 값에 관한 식은
Figure 112011063390883-pat00076
이고,
상기 광세기 파형의 비정규화된 푸리에 계수(
Figure 112011063390883-pat00077
,
Figure 112011063390883-pat00078
)와 광세기 평균값(
Figure 112011063390883-pat00079
)은 각각
Figure 112011063390883-pat00080
,
Figure 112011063390883-pat00081
,
Figure 112011063390883-pat00082
,
이다. 여기서,
{
Figure 112011063390883-pat00083
: 등속회전을 하는 광소자의 역학적 회전주기,
Figure 112011063390883-pat00084
: 측정주기 수(1/2의 양의 배수),
Figure 112011063390883-pat00085
: 측정 주기(
Figure 112011063390883-pat00086
) 동안의 일정한 시간 간격으로 노광량을 측정하는 횟수,
Figure 112011063390883-pat00087
: 지연시간(delay time),
Figure 112011063390883-pat00088
: 적분시간(integration time),
Figure 112011063390883-pat00089
,
Figure 112011063390883-pat00090
: 광세기,
Figure 112011063390883-pat00091
: 광세기 평균값 또는 0차 푸리에 계수,
Figure 112011063390883-pat00092
,
Figure 112011063390883-pat00093
: 푸리에 계수(Fourier coefficient)들,
Figure 112011063390883-pat00094
:
Figure 112011063390883-pat00095
이 아닌 푸리에 계수들 중에서 최고 차수를 나타내는 자연수,
Figure 112011063390883-pat00096
,
Figure 112011063390883-pat00097
,
Figure 112011063390883-pat00098
,
Figure 112011063390883-pat00099
}이다.
상기 푸리에 계수들 [(
Figure 112011063390883-pat00100
,
Figure 112011063390883-pat00101
,
Figure 112011063390883-pat00102
;
Figure 112011063390883-pat00103
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00104
,
Figure 112011063390883-pat00105
,
Figure 112011063390883-pat00106
;
Figure 112011063390883-pat00107
)]로부터 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 시료에 대한 물성이 분석된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00108
,
Figure 112011063390883-pat00109
,
Figure 112011063390883-pat00110
;
Figure 112011063390883-pat00111
) 중에서 일부를 제한적으로 선택하여 타원계측함수를 얻는다.
상기 타원계측기는 편광자 회전형 타원계측기, 검광자 회전형 타원계측기, 단일 보상기 회전형 타원계측기, 이중 보상기 회전형 타원계측기 및 그 밖의 다양한 광소자 회전형 타원계측기들 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 푸리에 계수 결정 방법은 상기 타원계측기를 이용하는 것으로, 이 때 상기 광세기는 시간에 대해서 일정한 주기로 변하고, 상기 광검출기로부터 상기 주기의 임의의 배수 동안 일정한 간격으로 상기 광세기 파형에 대한 다수의 상기 노광량 값들을 획득하고, 상기 광세기의 파형에 대한 다수의 푸리에 계수들과 평균값 성분을 상기 다수의 노광량 값들에 대한 이산 푸리에 변환을 수행하여 결정하는 것이다. 이때, 상기한 바와 같은 노광량(
Figure 112011063390883-pat00112
) 값에 관한 식과, 상기 광세기 파형의 비정규화된 푸리에 계수(
Figure 112011063390883-pat00113
,
Figure 112011063390883-pat00114
)와 광세기 평균값(
Figure 112011063390883-pat00115
)의 식을 이용한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 타원계측기는 시료를 향하여 백색광을 방사하는 광원; 광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 상기 백색광을 평행광으로 만드는 무색수차 시준기; 상기 광의 진행경로 상 상기 무색수차 시준기와 상기 시료 사이에 배치되어, 상기 평행광이 입사되며 상기 입사된 평행광을 편광시키는 제 1 편광자; 상기 광의 진행경로 상 상기 제 1 편광자와 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 제 1 편광자를 통과한 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 제 2 편광자; 상기 시료를 지탱해주는 시료 받침대; 상기 제 2 편광자를 통과하여 편광된 후 상기 시료에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 제 3 편광자;
상기 제 3 편광자를 통과한 광이 입사되며 입사된 광을 다채널 분광기의 국소영역에 집중으로 조사하기 위한 무색수차 초점광학계; 및 상기 무색수차 초점광학계에 의해 전달된 광이 입사되며 상기 입사된 광을 분산광학계를 사용하여 파장별로 분광시키고 상기 파장별로 분광된 광을 다채널 광검출기에 조사하며 상기 다채널 광검출기에 조사된 광의 노광량을 상기 다채널 광검출기의 각 화소별로 측정하는 다채널 분광기; 를 포함하며, 상기 시료의 물성을 측정하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 타원계측기는 시료를 향하여 백색광을 방사하는 광원; 광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 백색광을 평행광으로 만드는 무색수차 시준기; 상기 광의 진행경로 상 상기 무색수차 시준기와 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 평행광이 입사되며 상기 평행광을 편광시키는 제 1 편광자; 상기 시료를 지탱해주는 시료 받침대; 상기 제 1 편광자를 통과하여 편광된 광이 상기 시료에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화되어 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 제 2 편광자; 상기 제 2 편광자를 통과한 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 제 3 편광자; 상기 제 3 편광자를 통과한 광이 입사되며 입사된 광을 다채널 분광기의 국소영역에 집중으로 조사하기 위한 무색수차 초점광학계; 및 상기 무색수차 초점광학계에 의해 전달된 광이 입사되며 상기 입사된 광을 분산광학계를 사용하여 파장별로 분광시키고 상기 파장별로 분광된 광을 다채널 광검출기에 조사하며 상기 다채널 광검출기에 조사된 광의 노광량을 상기 다채널 광검출기의 각 화소별로 측정하는 다채널 분광기; 를 포함하며, 상기 시료의 물성을 측정한다.
상기 타원계측기는 상기 측정주기 수 및 상기 노광량 측정횟수를 컴퓨터 프로그램으로 조절하기 위한 디지털 신호 변조장치를 포함하며, 상기 디지털 신호 변조장치는 상기 다채널 광검출기에 조사되는 광의 세기에 따라 상기 광검출기의 적분시간을 제어하는 것이다.
상기 타원계측기는 광소자 회전주기(
Figure 112011063390883-pat00116
)의 1/2 배수의 시간(
Figure 112011063390883-pat00117
) 동안에 일정한 시간 간격으로 상기 다채널 광검출기에 의해 임의로 정해진 적분시간 동안에 측정된 노광량들에 대한 이산 푸리에 변환을 사용하여 다수의 푸리에 계수들 (
Figure 112011063390883-pat00118
)을 계산한다. 상기 계산을 수행하는 연산기가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 다수의 푸리에 계수들 중에 3개 이상의 푸리에 계수들로부터 (
Figure 112011063390883-pat00119
,
Figure 112011063390883-pat00120
,
Figure 112011063390883-pat00121
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00122
,
Figure 112011063390883-pat00123
,
Figure 112011063390883-pat00124
)를 계산된다.
상기 측정된 푸리에 계수들 [(
Figure 112011063390883-pat00125
,
Figure 112011063390883-pat00126
,
Figure 112011063390883-pat00127
,
Figure 112011063390883-pat00128
,
Figure 112011063390883-pat00129
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00130
,
Figure 112011063390883-pat00131
,
Figure 112011063390883-pat00132
,
Figure 112011063390883-pat00133
,
Figure 112011063390883-pat00134
)] 또는 상기 측정된 타원계측함수들 [(
Figure 112011063390883-pat00135
,
Figure 112011063390883-pat00136
,
Figure 112011063390883-pat00137
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00138
,
Figure 112011063390883-pat00139
,
Figure 112011063390883-pat00140
)]로부터 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 시료에 대한 물성이 분석된다.
상기 측정된 푸리에 계수들 (
Figure 112011063390883-pat00141
) 또는 상기 측정된 타원계측함수들 [(
Figure 112011063390883-pat00142
,
Figure 112011063390883-pat00143
,
Figure 112011063390883-pat00144
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00145
,
Figure 112011063390883-pat00146
,
Figure 112011063390883-pat00147
)]의 측정 데이터를 얻고, 상기 시료에 대한 광학적 이론식을 정립하고, 상기 정립된 이론식에 대해 설정된 영역에 대한 다수의 미지의 매개변수들을 사용하여 계산된 상기 푸리에 계수들 또는 상기 타원계측함수들의 데이터를 얻고, 상기 계산에 의해 얻어진 데이터로부터 미지의 매개변수들에 대한 연속함수를 얻고, 상기 연속함수를 상기 측정 데이터에 최소자승법을 이용하여 최적화를 함으로써 상기 시료의 물성을 얻는 것이 바람직하다.
상기 다채널 광검출기는 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자로 이루어지며, 다수의 화소(pixel)들이 선형 또는 2차원 평면 구조로 배열된 것일 수 있다.
상기 타원계측기는 상기 광의 진행경로 상 상기 광원 이후에 배치되며, 광원에서 시료로 조사된 빛을 원격조정으로 차폐할 수 있는 원격 광원차폐 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 타원계측기는 상기 제 1 편광자에 부착되어 상기 제 1 편광자의 방위각을 제어하기 위한 제 1 동공축 스테핑 모터; 상기 제 3 편광자에 부착되어 상기 제 3 편광자의 방위각을 각기 제어하기 위한 제 3 동공축 스테핑 모터; 상기 제 2 편광자에 부착되어 상기 제 2 편광자를 등속으로 회전시키기 위한 동공축 등속회전 모터; 및 상기 동공축 등속회전 모터에 부착되어 상기 동공축 등속회전 모터와 같이 회전하며 매회전당 하나의 영점펄스와 다수의 등간격 펄스들을 생산하는 광학 엔코더;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 엔코더에서 생성된 등간격 펄스들은 디지털 신호 변조장치에 전달되고, 상기 디지털 신호 변조장치는 상기 펄스들에 의해 등간격으로 특정 개수의 분광기 작동 트리거들을 생성한다. 상기 생성된 분광기 작동 트리거들은 상기 다채널 분광기에 전달되어 상기 다채널 광검출기가 상기 분광기 작동 트리거를 수신할 때 마다 각 화소에서 정해진 상기 적분시간 동안에 상기 노광량을 측정한다.
상기 디지털 신호 변조장치는 상기 다채널 광검출기에 조사되는 광의 세기에 따라 상기 측정 주기 또는 상기 노광량 측정횟수를 변경하여 상기 광검출기의 적분시간을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00148
) 중에서 상대적으로 신호 대 잡음 비가 우수한 것을 제한적으로 선택하여 타원계측함수를 얻는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 타원계측기는 상기 무색수차 초점광학계와 다채널 분광기 사이에 위치하는 광섬유를 포함할 수 있다. 상기 광섬유는 단일 광섬유일 수 있다. 상기 광섬유는 또는 수광부 쪽은 단일 광섬유 다발로 되어있고 상기 다채널 분광기에 연결되는 쪽은 2개 이상의 광섬유 다발로 제작된 분기형 광섬유 다발일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 분광타원계측기를 이용한 시료의 물성 측정 방법은 컴퓨터 프로그램에 의해 측정주기 수
Figure 112011063390883-pat00149
와 노광량 측정 횟수
Figure 112011063390883-pat00150
과 적분시간
Figure 112011063390883-pat00151
를 입력하는 단계; 정속회전 모터의 엔코더에 의해 영점 펄스 및 등간격 펄스를 생성하는 단계; 디지털 신호 변조장치가 등간격 펄스 변조 프로그램을 변경하는 단계; 컴퓨터 프로그램이 다채널 분광기에 측정 명령을 내리는 단계; 다채널 분광기가 측정 준비를 위해 대기하는 단계; 디지털 신호 변조 장치에서 생성된 분광기 작동 트리거를 수신하여 다채널 광검출기의 각 화소에서 적분시간 동안 시료에서 반사 또는 투과된 광의 노광량을 측정하는 단계; 및 상기 노광량의 측정값들로부터 타원계측함수를 계산하는 단계; 를 포함하며, 이로부터 시료의 물성을 측정하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 의한 광소자 회전형 타원계측기는 종래 광소자 회전형 타원계측기에서 광검출기의 적분 시간이 제약되는 문제점을 해결하여, 빛의 세기에 따라 적분 시간 및 노광량 측정 회수를 조절함으로써 광의 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 보다 용이하게 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광소자 회전형 타원계측기는 적분 시간 및 노광량 측정 회수를 컴퓨터 소프트웨어로 빠르고 용이하게 변경할 수 있어 측정 정밀도가 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 추가적 광학계의 부가 없이 측정 정밀도를 향상시켜, 광의 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 보다 용이하게 획득하고, 간이한 계산에 의해 보다 정밀하게 광 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 획득하여, 시료의 물성을 정확히 측정할 수 있다.
상기와 같은 수단에 의해, 본 발명의 일 실시예에 의한 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기는 비색수차 특성을 갖는 3개의 선편광자들로 구성되어 광대역 파장영역의 분광측정에 최적이며, 광원의 잔류편광 문제와 다채널 광검출기의 편광 의존성 문제가 해결되어 측정 정확도가 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다채널 분광타원계측기는 디지털 신호 변조장치를 포함하여 보다 좋은 측정조건이 되도록 측정주기 및 노광량 측정횟수 및 적분시간을 용이하게 변경할 수 있어 보다 빠르고 정확하고도 정밀하게 시료의 물성을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 다채널 분광타원계측기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다채널 분광타원계측기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다채널 분광타원계측기의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다채널 분광타원계측기의 작동 원리를 기술하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 노광량 측정횟수를 변경시키는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 2 및 도 3은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다채널 분광타원계측기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 다채널 분광타원계측기는 입사광(100) 경로 상에 광원(110), 무색수차 시준기(120), 제 1 편광자(130), 제 1 동공축 스테핑 모터(140), 제 2 편광자(150), 동공축 등속회전 모터(160), 시료(200), 시료 받침대(210)를, 반사광(300) 경로에 제 3 동공축 스테핑 모터(310), 제 3 편광자(320), 무색수차 초점 광학계(330), 광섬유(340), 다채널 분광기(350) 등을 포함한다.
도 2에서 상기 광원(110)은 제논(xenon) 램프, 텡스텐(tungsten)-할로겐(halogen) 램프, 듀테륨(deuterium) 램프 등 또는 상기 램프에서 방사된 광이 광섬유를 통하여 전달되는 것 등일 수 있으며, 상기 광원(110)으로부터 방사된 상기 백색 입사광(100)은 상기 무색수차 시준기(120)에 의해 평행광으로 변경된다.
상기 무색수차 시준기(120)를 통과한 상기 평행광은 상기 제 1 편광자(130)에 의해 선편광되는데, 상기 제 1 편광자의 투과축 방향은 도 4에 도시한 바와 같이 입사면에 대해서 방위각
Figure 112011063390883-pat00152
의 위치에 정지해 있다. 상기 제 1 편광자를 통과한 선편광은 등속으로 회전하는 상기 동공축 모터(160)에 부착된 상기 제 2 편광자(150)를 통과한 후에 상기 시료(200)의 윗면에 입사하게 된다. 이때, 상기 등속 회전하는 동공축 모터에 부착된 제 2 편광자의 투과축 방향은 도 4에 도시한 바와 같이 입사면(500)에 대한 방위각이
Figure 112011063390883-pat00153
로 기술되며, 상기 방위각
Figure 112011063390883-pat00154
은 시간에 따라 일정한 속도로 회전한다.
상기 시료(200)에 의한 반사로 편광상태가 변화된 경우에는 상기 반사광(300)은 상기 제 3 편광자(320)에 의해 도 4에 도시한 바와 같이 입사면에 대해서 방위각이
Figure 112011063390883-pat00155
인 방향의 편광성분들만을 갖는 반사광을 투과하게 된다. 상기 제 3 편광자를 통과한 선편광된 평행광은 상기 무색수차 초점 광학계(330)에 의하여 국소 영역으로 집광되며, 상기 집광된 광은 상기 광섬유(340)를 통과하거나 또는 직접 상기 다채널 분광기(350)의 슬릿에 조사되어 전달되고, 상기 다채널 분광기(350)에 전달된 광은 상기 분산 광학계(352)에 의해 각 파장별로 분광되어 상기 다채널 광검출기(354)에 조사되고, 상기 다채널 광검출기(354)에 조사된 광은 상기 다채널 광검출기(354)의 각 화소들에 의해서 광량을 기설정된 적분시간(
Figure 112011063390883-pat00156
) 동안에 각 파장별로 측정한 값, 즉 노광량이 얻어지며, 이렇게 측정된 상기 노광량들으로부터 푸리에 계수들 및 타원계측 각(
Figure 112011063390883-pat00157
,
Figure 112011063390883-pat00158
) 및 무편광 반사율
Figure 112011063390883-pat00159
이 연산된다. 다채널 분광타원계측기는 상기 연산을 위한 연산처리기(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다.
시료에 적합한 타원계측함수에 대한 이론식을 설정하고, 상기 이론식이 상기 측정값들에 최적화 되도록 최소자승법에 의한 분석을 통하여 박막 두께 및 굴절률, 나노 패턴의 형상치수 등의 시료에 대한 유용한 물성 정보들을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 다채널 분광타원계측기를 도시한 것으로, 도 2에서의 상기 제 2 편광자(150)와 상기 동공축 등속회전 모터(160)의 위치를 광경로 상 상기 시료(200) 이후인 반사광 경로 상으로 변경 배치한 것이다.
도 2와 도 3에서 상기 편광자들은 MgF2, SiO2, CaCO3, YVO4, 또는 a-BBO 결정체 등으로 만들어진 프리즘 형태의 선형 편광자를 주로 사용한다.
상기 도 2와 도 3의 실시예에서 상기 제 1 편광자(130)와 상기 제 3 편광자(320)는 각각에 동공축 스테핑 모터들(140, 310)에 부착되어 있으며 컴퓨터를 통하여 각각의 방위각을 제어할 수 있으며 측정시에는 정지상태로 둔다.
종래의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 광원은 모든 편광방향에 대해서 광의 세기가 일정한 특성을 갖고 있어야만 한다. 종래 기술의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서는 광원으로 제논(xenon) 램프 또는 텅스텐(tungsten)-할로겐(halogen) 램프 또는 듀테륨(deuterium) 램프 또는 상기 듀테륨 램프와 상기 텅스텐-할로겐 램프가 동시에 방사되도록 고안된 광원장치를 주로 사용하고 있다. 이러한 광원장치들은 일부 방향으로 편광된 광의 세기가 다른 방향 보다 상대적으로 크게 나타나는 잔류편광 특성을 갖고 있어서 분광타원계측기들에서는 이에 대한 오차보정을 해야만 하는 문제가 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기에서는 종래 기술의 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 잔류편광이 전혀 없는 광원장치를 구현하는 것이 어렵기 때문에 대신에 상기 광원(110)과 등속으로 회전하는 상기 제 2 편광자(150)의 사이에 상기 정지상태의 제 1 편광자(130)를 추가로 도입하여 선편광된 광원을 사용하게 됨으로써 광원의 잔류 편광 문제를 해결하였다.
종래의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 경우에는 시료에 입사된 광의 편광상태가 시료에 의한 반사 또는 투과에 의해서 변화된 상태를 정확하게 측정하기 위해서는 다채널 분광기에 입사된 광의 세기가 편광 방향과는 무관하게 측정될 수 있는 다채널 분광기를 사용해야 한다. 그러나 종래 기술의 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 사용되는 다채널 분광기들에서는 시준용 반사 거울과 회절격자와 같은 반사형 분산 광학계들을 사용하고 있으며 광의 세기가 일정한 선편광이 이러한 다채널 분광기에 전달된다면 전달된 광의 편광방향의 변화에 따라서 광의 세기가 다르게 측정되는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기에서는 도 3과 같이 정지상태의 상기 제 3 편광자(320)를 등속으로 회전하는 상기 제 2 편광자(150)와 상기 초점 광학계(330) 사이에 추가로 설치함으로서 특정 편광방향의 선편광만을 상기 다채널 분광기(350)로 전달함으로써 편광방향의 변화에 따른 다채널 분광기의 편광 의존성 문제를 해결하였다.
본 발명의 다채널 분광타원계측기에서 상기 광섬유(340)는 단일 광섬유 또는 수광부 쪽은 단일 광섬유 다발로 되어있고 상기 다채널 분광기에 연결되는 쪽은 2개 이상의 광섬유 다발로 제작된 분기형 광섬유 다발을 사용할 수 있다. 상기 분산광학계(352)는 슬릿(slit)과 회절격자(grating) 또는 회절격자만으로 구성될 수 있다. 상기 다채널 광검출기(354)는 CCD 또는 CMOS 또는 포토다이오드 소자로 만들어졌으며 다수의 화소(pixel)들이 선형 또는 2차원 평면 구조로 배열된 것을 특징으로 한다. 상기 다채널 분광기(350)는 외부 트리거(trigger)가 전달되기 전에는 대기상태를 유지하다가 외부 트리거(trigger)가 전달되면 상기 다채널 광검출기(354)의 각 화소별로 지정된 적분시간동안 광량이 측정되기 시작하는 기능을 갖고 있으며 측정된 데이터를 임시로 보관하기 위한 버퍼 메모리를 선택적으로 가지고 있다.
광소자 회전형 다채널 타원계측기에서 만약 오차가 없다고 가정할 경우에 특정한 파장에 대해서 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 광검출기에 의해 측정되는 광의 세기에 대한 식(1)은
Figure 112011063390883-pat00160
(4)
와 같이 광의 세기 평균값 (0차 푸리에계수라고도 함)
Figure 112011063390883-pat00161
, 비정규화된 푸리에 계수들 (
Figure 112011063390883-pat00162
,
Figure 112011063390883-pat00163
) 및 등속으로 회전하는 광소자의 역학적 주기
Figure 112011063390883-pat00164
로 구성된 일반화된 식으로 표현될 수 있다. 상기 광소자 회전형 타원계측기에서 등속으로 회전하는 광소자는 선형편광자(linear polarizer) 또는 보상기(compensator)로 선택되기 때문에 이들의 광학적 대칭성 때문에 상기 광세기 파형에서
Figure 112011063390883-pat00165
-차 성분의 파형들은
Figure 112011063390883-pat00166
의 주기를 갖는 특성을 지니고 있다.
본 발명에서는 식 (4)와 같이 시간에 대해서 주기적으로 변하는 광의 세기 파형을 분석하기 위하여 상기의 적분형 광검출기(354)를 사용하여 등속으로 회전하는 광소자의
Figure 112011063390883-pat00167
번째 회전까지의 시간, 즉 측정주기(
Figure 112011063390883-pat00168
) 동안에 일정한 시간 간격으로
Figure 112011063390883-pat00169
번 분할하여 노광량들을 측정하였을 때에, 상기 다채널 광검출기(354)의 특정한 지연시간(delay time;
Figure 112011063390883-pat00170
)과 임의의 적분시간(integration time;
Figure 112011063390883-pat00171
)에 대해서 상기 다채널 광검출기(354)의 각 화소별로 측정되는 노광량
Figure 112011063390883-pat00172
는
Figure 112011063390883-pat00173
(5)
와 같이 일반화된 식으로 표현할 수 있다. 여기서 지연시간(delay time;
Figure 112011063390883-pat00174
)은 상기 다채널 광검출기(354)의 종류에 따라 달라지며 특정한 값을 갖는다. 외부 트리거와 같은 측정명령이 상기 다채널 분광기(350)에 전달되면 상기 다채널 광검출기(354)에서 각 화소의 상태를 초기화시키는 등의 측정준비 시간 동안에는 광검출기가 수광된 광에 반응하지 않기 때문에 이를 고려하여 식(5)의 노광량 식에 상기 지연시간을 도입하였다. 본 발명의 광소자 회전형 타원계측기에서 선형편광자 또는 보상기와 같은 회전 광소자의 대칭성을 고려하면 측정주기 수
Figure 112011063390883-pat00175
의 값을 1/2의 배수들 중에서 하나로 자유롭게 선택할 수 있기 때문에 설정가능한 적분시간의 최대값이
Figure 112011063390883-pat00176
으로 변경가능하다. 그러나 종래 기술에서는
Figure 112011063390883-pat00177
의 값이 1/2 또는 1로 고정되어 있으므로 정해질 수 있는 적분시간의 최대값은 각각
Figure 112011063390883-pat00178
또는
Figure 112011063390883-pat00179
로 정해지는 제약이 있다.
식(4)를 식(5)에 대입하면
Figure 112011063390883-pat00180
(6)
과 같이 얻어지게 된다. 식(6)의 노광량 측정식에
Figure 112011063390883-pat00181
, (7)
Figure 112011063390883-pat00182
, (8)
Figure 112011063390883-pat00183
, (9)
와 같은 삼각함수의 직교성을 이용한 이산 푸리에 변환을 사용하면
Figure 112011063390883-pat00184
, (10)
Figure 112011063390883-pat00185
, (11)
Figure 112011063390883-pat00186
(12)
와 같이 식(4)의 광의 세기 평균값(
Figure 112011063390883-pat00187
)과 임의의 차수
Figure 112011063390883-pat00188
에 대한 비정규화된 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00189
,
Figure 112011063390883-pat00190
)이 얻어진다. 여기서
Figure 112011063390883-pat00191
이다. 임의로 정해진 노광량 측정횟수(
Figure 112011063390883-pat00192
)에 대해서 일정한 시간 간격(
Figure 112011063390883-pat00193
)으로 임의의 적분시간(
Figure 112011063390883-pat00194
) 동안에 측정된 노광량
Figure 112011063390883-pat00195
들로부터 식(7~9)의
Figure 112011063390883-pat00196
,
Figure 112011063390883-pat00197
,
Figure 112011063390883-pat00198
이 얻어지고 이들 값을 식(10~12)에 대입하면
Figure 112011063390883-pat00199
,
Figure 112011063390883-pat00200
과
Figure 112011063390883-pat00201
에 대한 실험값들을 얻을 수 있게 된다.
일반적으로 다채널 광검출기들은 광원의 광을 차단하더라도 열적 노이즈와 실험실 조명 등에 의한 의도하지 않은 광들에 의해서 배경신호를 갖고 있을 수 있으므로 이점을 고려하지 않는다면 오차가 발생한다. 따라서 도 2와 도 3에서와 같이 원격 광원차폐 장치(410)를 광경로 상에서 상기 광원(110) 이후에 설치를 하여 측정하기 전에 상기 광원(110)에서 방사된 광을 차폐시킴으로써 배경신호를 측정하여 상기 노광량의 측정값에서 배경신호의 측정값을 빼주면 상기 배경신호에 의한 오차가 제거된다.
본 발명에서는 광의 세기 파형에 대한 푸리에 계수를 보다 용이하게 측정하기 위하여 상기의 측정주기 수와 상기의 노광량 측정횟수를 임의로 변경할 수 있도록 도 2와 도 3에서와 같이 디지털 신호 변조장치(430)를 도입하였으며, 자세한 흐름도는 도 5에 도시하였다. 여기서 상기 디지털 신호 변조장치(430)는 FPGA(field-programmable gate array) 직접회로와 이를 제어할 수 있는 컴퓨터로 구성되는 것이 바람직하며 다른 프로세서를 적절히 이용하여도 좋다.
도 2와 도 3에서와 같이 상기 제 2 편광자(150)는 시간주기
Figure 112011063390883-pat00202
로 등속 회전하는 상기 동공축 모터(160)에 부착되어 같이 회전하게 된다. 상기 동공축 모터(160)는 제어 입력 전압을 변경하여 회전속도를 조절할 수 있다. 상기 동공축 모터(160)에 장착되어 있는 광학 엔코더는 시간주기
Figure 112011063390883-pat00203
의 매 회전당 하나의 영점 펄스(reference pulse)와 수백 개 이상의 자연수로 정해진 개수의 등간격 펄스(clock pulse)들을 생성시킨다. 여기서 영점 펄스는 도 4의 상기 제 2 편광자(150)의 방위각의 입사면에 대한 기준점을 찾는데 활용된다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기에서 단위 측정당 노광량 측정횟수
Figure 112011063390883-pat00204
의 값은 상기 광학 엔코더에 의해 단위 측정당 발생하는 등간격 펄스들의 총 개수에 대한 약수들 중에서 하나로 선택되어지며, 상기 디지털 신호 변조장치(430)의 펄스 변조 프로그램은 컴퓨터 소프트웨어를 통하여 변경이 가능하다. 따라서 상기 다채널 광검출기(354)의 적분시간(
Figure 112011063390883-pat00205
)은
Figure 112011063390883-pat00206
의 값과 같거나 또는 작은 값으로 설정되어 질 수 있기 때문에 상기
Figure 112011063390883-pat00207
의 값뿐만 아니라 상기
Figure 112011063390883-pat00208
의 값을 변경시켜서 상기 적분시간의 최대값을 조정할 수 있다. 상기 엔코더에서 생성된 등간격 펄스들은 신호 전송선(420)을 따라서 상기 디지털 신호 변조장치(430)에 전달되면 상기 디지털 신호 변조장치(430)에 의해 총 개수
Figure 112011063390883-pat00209
그리고 등간격
Figure 112011063390883-pat00210
으로 분광기 작동 트리거들이 생성 된다. 상기와 같이 생성된 분광기 작동 트리거들은 다른 신호 전송선(440)에 의해 상기 다채널 분광기(350)에 전달되면 상기 다채널 광검출기(354)가 분광기 작동 트리거를 수신할 때 마다 각 화소에서 정해진 상기 적분시간 동안에 상기 노광량을 측정한다. 임의로 정해진 노광량 측정횟수
Figure 112011063390883-pat00211
에 대해서 측정된 노광량들로부터 식(7~9)의
Figure 112011063390883-pat00212
,
Figure 112011063390883-pat00213
,
Figure 112011063390883-pat00214
이 얻어 지고 이들 값을 식(10~12)에 대입하면
Figure 112011063390883-pat00215
,
Figure 112011063390883-pat00216
과
Figure 112011063390883-pat00217
에 대한 실험값들을 얻을 수 있게 된다. 상기와 같은 연산을 수행하는 연산기(미도시)가 구비되어, 상기 다채널 광검출기(354)로부터 상기 주기
Figure 112011063390883-pat00218
의 임의의 배수 동안 일정한 간격으로 상기 광세기 파형에 대한 다수의 노광량 값들을 획득하고, 상기 다수의 노광량 값들에 대한 이산 푸리에 변환을 수행하여 상기 광세기의 파형에 대한 다수의 푸리에 계수들과 평균값 성분을 결정한다.
최종적으로는 이와 같이 측정된 푸리에 계수들로부터 타원계측함수를 얻는다.
도 2 및 도 3와 같은 본 발명의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기들에서 상기와 같이 광의 세기 파형에 관련된 푸리에 계수들로부터 타원계측 각(
Figure 112011063390883-pat00219
,
Figure 112011063390883-pat00220
) 간의 관계식을 얻는 것이 필요하다.
도 4는 도 2와 같은 본 발명의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기의 경우에 대한 상기 편광자들의 방위각을 도시한 도면이다. 여기서 입사면(500)은 상기 시료(200)의 표면에 수직이며 상기 입사광(100)의 경로와 반사광(300)의 경로가 공존해 있는 평면으로 정의한다. 상기 입사광(100)이 상기 시료(200)에 수직한 축(510)에 입사각
Figure 112011063390883-pat00221
로 조사되어질 때에 상기 시료(200)에 의해 동일한 각
Figure 112011063390883-pat00222
로 반사되어 반사광(300)이 된다. 상기 입사면(500)에 대하여 제 1 편광자의 투과축(520), 제 2 편광자의 투과축(530) 그리고 제 3 편광자의 투과축(540)의 방위각을 각각
Figure 112011063390883-pat00223
,
Figure 112011063390883-pat00224
, 그리고
Figure 112011063390883-pat00225
로 기술하였다. 상기 제 1 편광자와 상기 제 3 편광자의 방위각을 제어하기 위해서는 동공축 스테핑 모터를 사용하며, 상기 제 2 편광자를 등속으로 회전시키기 위해서는 DC 모터, AC 모터, 또는 스테핑 모터에 의해 제작된 동공축 등속회전 모터를 이용한다.
등방적 광학특성을 갖고 있는 시료에 대하여 도 4와 같은 측정 시스템을 적용할 경우에 상기 입사광을 Stokes 벡터로, 상기 편광자들과 시료는 Mueller 행렬로 각각 기술하여 상기 제 3 편광자를 통과한 광의 세기를 어떤 한 파장에 대하여 계산하면 아래와 같은 이론식이 주어진다.
Figure 112011063390883-pat00226
, (13)
Figure 112011063390883-pat00227
, (14)
Figure 112011063390883-pat00228
, (15)
Figure 112011063390883-pat00229
, (16)
Figure 112011063390883-pat00230
, (17)
Figure 112011063390883-pat00231
. (18)
여기서
Figure 112011063390883-pat00232
과
Figure 112011063390883-pat00233
는
Figure 112011063390883-pat00234
그리고
Figure 112011063390883-pat00235
와 같이 타원계측 각(
Figure 112011063390883-pat00236
,
Figure 112011063390883-pat00237
)으로 정의된 함수들이고 공통성분인
Figure 112011063390883-pat00238
는 상기 타원계측기의 광학계에 대한 투과율에 관련된 항인
Figure 112011063390883-pat00239
와 시료에 의한 비편광 반사율
Figure 112011063390883-pat00240
의 곱으로 정의된다. 비등방적 광특성을 갖고 있는 시료들에 대해서도 상기와 유사한 방법을 이용하여 푸리에 계수들에 대한 항등식들을 유도할 수 있다.
종래 기술의 3개의 편광자로 구성된 단일채널 분광타원계측기들에서는 식(15)~식(18)과 같은 4개의 푸리에 계수들에 대한 연립방정식을 전부 사용하여 상기 타원계측함수(
Figure 112011063390883-pat00241
,
Figure 112011063390883-pat00242
,
Figure 112011063390883-pat00243
)의 값을 얻을 수 있는 식을 사용하였기 때문에 측정 정밀도가 상대적으로 좋지 않은 결과를 얻을 수밖에 없다. 왜냐하면 상기 2차 항의 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00244
,
Figure 112011063390883-pat00245
) 보다 상기 4차 항의 푸리에 계수들(
Figure 112011063390883-pat00246
,
Figure 112011063390883-pat00247
)이 일반적으로는 측정조건에 따라서 측정값의 신호에 대한 잡음비(S/N 비율)가 좋지 않은 경향을 갖고 있다. 측정조건에 따라서 푸리에 계수들에 대한 측정값의 S/N 비율이 다르므로 그 중에서 S/N 비율이 상대적으로 우수한 푸리에 계수들을 선택적으로 선정하여 연립방정식을 풀어서
Figure 112011063390883-pat00248
과
Figure 112011063390883-pat00249
에 관한 해를 얻은 결과를 사용한다면 종래 기술의 측정 결과 보다는 측정 정밀도가 좋은 특성을 가질 수 있다.
식(14)~식(18)의 연립방정식들은 3개의 미지의 매개변수들(
Figure 112011063390883-pat00250
,
Figure 112011063390883-pat00251
,
Figure 112011063390883-pat00252
)로 기술되어 있으므로 상기 미지의 매개변수들을 얻기 위해서는 3개 이상의 연립방정식들이 필요하다. 만약에 식(14)~식(16)의 연립방정식을 선택한 경우에는
Figure 112011063390883-pat00253
, (19)
Figure 112011063390883-pat00254
, (20)
Figure 112011063390883-pat00255
, (21)
와 같이 미지의 매개변수들에 대한 해가 얻어진다. 따라서 식(10)~식(12)을 사용하여
Figure 112011063390883-pat00256
,
Figure 112011063390883-pat00257
, 그리고
Figure 112011063390883-pat00258
에 대한 실험값을 얻어내면 이것들을 상기 식(19)~식(21)에 대입하여 상기 미지의 매개변수들에 대한 실험값들이 얻을 수 있다. 한 시료에 대해 측정된
Figure 112011063390883-pat00259
의 실험값을 상기 시료를 제거하고 광학계를 일직선 상태로 하여서 측정된
Figure 112011063390883-pat00260
의 실험값으로 나누어 주면 시료에 의한 비편광 반사율의 실험값
Figure 112011063390883-pat00261
를 얻을 수 있다. 따라서 시료의 물성에 관련된 매개변수인 (
Figure 112011063390883-pat00262
,
Figure 112011063390883-pat00263
,
Figure 112011063390883-pat00264
)의 실험값들이 측정되고 이에 대한 이론식의 정립이 가능하므로 최소자승 알고리즘(least-squares algorithm)을 사용하여 정립된 이론식의 값들을 실험값들에 맞춤으로써 시료의 물성을 얻을 수 있다. 식(14)~식(18)의 5개의 연립방정식들 중에서 3개 이상을 선택할 수 있는 여러 조합들에 대해서 상기와 같은 방법을 사용하여 (
Figure 112011063390883-pat00265
,
Figure 112011063390883-pat00266
,
Figure 112011063390883-pat00267
)의 실험값들을 얻을 수 있다. 여기서 연립 방정식들의 개수가 4 또는 5일 경우에는 연립 방정식들 중의 일부를 서로 더하거나, 빼거나, 또는 나누는 등의 연산을 통하여 상기 연립 방정식들의 개수를 미지의 매개변수들의 개수만큼 줄여야 미지의 매개변수들에 대한 해를 얻을 수 있다. 예를 들어서 식(15)~식(18)의 연립방정식들을 선택한 경우에는
Figure 112011063390883-pat00268
, (22)
Figure 112011063390883-pat00269
, (23)
Figure 112011063390883-pat00270
(24)
와 같이 주어진다. 여기서
Figure 112011063390883-pat00271
,
Figure 112011063390883-pat00272
,
Figure 112011063390883-pat00273
이다.
식(14)~식(18)에서 (
Figure 112011063390883-pat00274
,
Figure 112011063390883-pat00275
,
Figure 112011063390883-pat00276
,
Figure 112011063390883-pat00277
,
Figure 112011063390883-pat00278
) 또는 (
Figure 112011063390883-pat00279
,
Figure 112011063390883-pat00280
,
Figure 112011063390883-pat00281
,
Figure 112011063390883-pat00282
,
Figure 112011063390883-pat00283
)와 같은 푸리에 계수들은 시료의 물성과 제 1 편광자 및 제 3 편광자의 방위각의 함수들이므로 이에 대한 실험값들로부터 시료의 물성을 바로 얻어낼 수 있다.
식(15)~식(18)의 비정규화된 푸리에 계수들로부터 정규화된 푸리에 계수들은
Figure 112011063390883-pat00284
, (25)
Figure 112011063390883-pat00285
, (26)
Figure 112011063390883-pat00286
, (27)
Figure 112011063390883-pat00287
(28)
와 같이 얻어진다. 상기 정규화된 푸리에 계수들 중에서
Figure 112011063390883-pat00288
와
Figure 112011063390883-pat00289
만을 선택한 경우에는
Figure 112011063390883-pat00290
, (29)
Figure 112011063390883-pat00291
(30)
와 같이 얻어지고, 만약에 식(15)~식(18)의 연립방정식들을 선택한 경우에는 식(23)과 식(24)에서
Figure 112011063390883-pat00292
,
Figure 112011063390883-pat00293
,
Figure 112011063390883-pat00294
를 대입하면
Figure 112011063390883-pat00295
과
Figure 112011063390883-pat00296
의 값을 각각 얻을 수 있다. 따라서 S/N 비율이 상대적으로 우수한 일부의 푸리에 계수들을 선택하면 이것들로부터
Figure 112011063390883-pat00297
과
Figure 112011063390883-pat00298
의 값들이 얻어질 수 있으며 타원계측 각은
Figure 112011063390883-pat00299
, (31)
Figure 112011063390883-pat00300
(32)
와 같이 계산된다.
도 3과 같은 본 발명의 광소자 회전형 다채널 분광타원계측기의 경우에 대한 상기 푸리에 계수들과 상기 타원계측 각간의 관계식은 상기 도 2에 대한 식(14)~식(30)에서 상기 방위각
Figure 112011063390883-pat00301
를
Figure 112011063390883-pat00302
로 그리고 상기 방위각
Figure 112011063390883-pat00303
를
Figure 112011063390883-pat00304
로 각각 교체하면 얻어진다.
반도체 산업체와 같은 경우에는 시료에서 측정하고자 하는 영역의 크기가 수십 마이크로미터 정도로 매우 작기 때문에 도 2와 도 3에서처럼 상기 입사광(100)이 상기 시료(200)에 초점을 맺도록 하는 무색수차 초점광학계(450)를 상기 시료(200)의 앞 경로에 설치하고 상기 시료(200)에 의해 반사 또는 투과된 광을 다시 평행광으로 변화시켜주는 무색수차 시준기(460)를 선택적으로 포함할 수 있다. 여기서 상기 무색수차 초점 광학계들(330, 450)과 상기 무색수차 시준기들(120, 460)은 광대역 파장에 대한 색수차 보정을 위하여 1개 이상의 거울을 포함하거나, 또는 1개 이상의 이종 재질의 렌즈를 포함하거나, 또는 1개 이상의 거울과 1개 이상의 렌즈를 포함하는 광학계로 구성될 수 있으며 투과 또는 반사 효율을 향상시키기 위하여 단일 박막 또는 다층 박막 코팅된 상기 렌즈들 또는 상기 거울들을 채택할 수 있다.
상기 시료(200)의 정렬과 측정 위치를 변경하기 위하여 상기 시료 받침대(210)는 높이 및 좌우의 3 자유도의 평행이동이 가능하고, 2 자유도를 갖는 기울기 조절, 그리고 회전기능을 포함하는 6 자유도 시스템으로 구성할 수 있으며 측정시 상기 시료를 상기 시료 받침대에 정지 상태로 유지하기 위해서는 진공 물림쇠(vacuum chuck)를 포함할 수 있다.
측정을 위한 상기 시료의 정렬을 위해서는 시료 정렬용 광을 방사하는 레이저, 상기 레이저에서 방사되는 광을 시료에 특정 방향으로 입사시키는 광학계, 상기 입사된 광에 대해서 상기 시료에 의해 반사된 광을 수광하며 상기 수광된 광의 위치를 판별할 수 있는 광검출기를 구비하는 시료 정렬 시스템이 포함될 수 있다.
측정환경의 변화에 따른 오차를 줄이기 위하여 본 발명의 상기 다채널 분광타원계측기는 광대역 파장에 대한 측정을 위해 광경로를 질소 가스 또는 아르곤 가스 등의 분기위 상태로 만드는 장치를 포함할 수 있으며, 시스템 및 측정환경의 진동에 의한 영향을 줄이기 위하여 제진 시스템위에 상기 다채널 분광타원계측기를 설치할 수 있고, 상기 광원, 상기 광소자들, 상기 시료, 그리고 상기 다채널 분광기에 대하여 온도 변화에 따른 측정 오차를 줄이기 위하여 항온시스템을 포함할 수 있다.
특히, 반도체 산업체 등과 같은 경우에, 본 발명의 다채널 분광타원계측기는 다수의 웨이퍼 시료들을 빠른 시간 내에 측정을 하는 것이 중요하기 때문에 이를 위하여 시료들을 보관할 수 있는 시료 보관용기, 상기 시료의 물성측정을 위해 상기 시료 보관용기로부터 순차적으로 하나씩 상기 시료를 꺼내어 상기 시료 받침대로 이동시키며 지정된 지점들에 대해서 측정이 완료되면 상기 시료 받침대에 위치한 상기 시료를 다시 상기 시료 보관함으로 이송하는 시료 운반장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다채널 분광타원계측기는 상기 측정된 푸리에 계수들 또는 상기 측정된 타원계측함수들로부터 시료의 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 다양한 물성을 분석할 수 있으며
반도체 소자 공정용 측정장비, 평판 디스플레이 공정용 측정장비, 태양광 소자 측정장비, 박막광학 측정장비, 바이오 센서 또는 가스 센서 등에 활용이 가능하다.
특히, 본 발명의 다채널 분광타원계측기에서 상기 나노 패턴 형상측정과 같이 분석방법이 매우 복잡한 경우의 물성 분석 방법은 먼저, 시료에 대한 상기 푸리에 계수들 또는 상기 타원계측함수들의 측정 데이터를 얻고, 상기 시료에 대한 광학적 이론식을 정립하고, 상기 정립된 이론식에 대해 설정된 영역에서 정해진 다수의 미지 매개변수들의 값들을 사용하여 계산된 상기 푸리에 계수들 또는 상기 타원계측함수들의 데이터를 얻고, 상기 계산된 데이터에 대해서 미지의 매개변수들에 대한 연속함수를 만들고, 상기 연속함수를 상기 측정 데이터에 최소자승법(least squares algorithm)을 이용하여 최적화를 함으로써 상기 시료의 물성을 얻는다. 이러한 경우에 본 발명의 다채널 분광타원계측기는 상기 시료에 대해 측정된 상기 푸리에 계수들 또는 상기 타원계측함수들의 측정 데이터로부터 상기 시료의 물성을 빠르게 찾아내기 위하여 고성능 병렬 컴퓨터, RCWA(rigorous coupled-wave analysis) 알고리즘 기반의 분석 소프트웨어 및 대용량 데이터 저장장치로 구성된 대용량 고속 연산시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 다채널 분광타원계측기는 단일 또는 다수의 상기 방위각(
Figure 112011063390883-pat00305
,
Figure 112011063390883-pat00306
), 단일 또는 다수의 상기 입사각(
Figure 112011063390883-pat00307
), 또는 상기 입사각 기준축(510)을 중심으로 시료를 회전시키는 단일 또는 다수의 측정방향에서 측정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다채널 분광타원계측기는 상기 시료의 Mueller 행렬성분들을 측정하여 상기 시료의 물성을 분석할 수 있다.
본 발명의 다채널 분광타원계측기에서는 타원계측함수들 중에서 위상차를 나타내는 에 대하여 0o~360o의 전영역에 대한 측정값을 얻기위해서 도 2와 도 3의 상기 광의 진행경로 상에서 상기 시료 받침대(210) 이전 또는 이후에 배치되는 1개 이상의 보상기(compensator)를 포함할 수 있다.
100: 입사광
110: 광원
120: 무색수차 시준기
125: 편광변조부
130: 제 1 편광자
140: 제 1 동공축 스테핑 모터
150: 제 2 편광자
160: 동공축 등속회전 모터
200: 시료
210: 시료 받침대
300: 반사광
305: 편광해석부
310: 제 3 동공축 스테핑 모터
320: 제 3 편광자
330: 무색수차 초점광학계
340: 광섬유
350: 다채널 분광기
352: 분산 광학계
354: 다채널 광검출기
410: 원격 광원차폐 장치
420: 데이터 전송선
430: 디지털 신호 변조장치
440: 데이터 전송선
450: 무색수차 초점광학계
460: 무색수차 시준기
500: 입사면
510: 입사각 기준축
520: 제 1 편광자 투과축 방향
530: 제 2 편광자 투과축 방향
540: 제 3 편광자 투과축 방향

Claims (24)

  1. 광원, 편광변조부, 시료받침대, 편광해석부, 및 광검출기를 포함하는 타원계측기에 있어서,
    상기 편광변조부 또는 상기 편광해석부의 등속으로 회전하는 광소자부에 연결되어, 상기 광검출기의 노광량 측정회수를 제어하는 디지털 신호 변조장치를 포함하고,
    상기 노광량() 값에 관한 식은 와 같이 획득되고,
    상기 광세기 파형의 비정규화된 푸리에 계수(, )와 광세기 평균값()은 각각
    ,
    ,
    ,
    인 것을 특징으로 하는 타원계측기.
    { : 등속회전을 하는 광소자의 역학적 회전주기,
    : 측정주기 수(1/2의 양의 배수),
    : 측정 주기() 동안의 일정한 시간 간격으로 노광량을 측정하는 횟수,
    : 지연시간(delay time),
    : 적분시간(integration time),
    ,
    : 광세기,
    : 광세기 평균값 또는 0차 푸리에 계수,
    , : 푸리에 계수(Fourier coefficient)들,
    : 이 아닌 푸리에 계수들 중에서 최고 차수를 나타내는 자연수,
    ,
    ,
    ,
    }
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출기의 적분시간 및 상기 노광량 측정회수는 상기 광검출기에 조사되는 광세기에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 타원계측기
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광검출기에 의해서 측정되는 광세기는 시간에 대해서 일정한 주기로 변하고,
    상기 광검출기로부터 상기 광세기 파형의 주기()의 임의의 배수 동안 일정한 간격으로 상기 광세기 파형에 대한 다수의 노광량 값들을 획득하고, 상기 다수의 노광량 값들에 대한 이산 푸리에 변환을 수행하여 상기 광세기의 파형에 대한 다수의 푸리에 계수들과 평균값 성분을 결정하는 연산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 푸리에 계수들 [(, , ; ) 또는 (, , ; )]로부터 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 시료에 대한 물성을 분석하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 푸리에 계수들(, , ; ) 중에서 일부를 제한적으로 선택하여 타원계측함수를 얻는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 타원계측기는 광소자 회전형 타원계측기들 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  8. 광원, 편광변조부, 시료받침대, 편광해석부, 및 광검출기를 포함하는 타원계측기에 있어서,
    상기 편광변조부 또는 상기 편광해석부의 등속으로 회전하는 광소자부에 연결되어, 상기 광검출기의 노광량 측정회수를 제어하는 디지털 신호 변조장치를 포함하고,
    상기 광검출기에 의해 측정되는 광세기는 시간에 대해서 일정한 주기로 변하고,
    상기 광검출기로부터 상기 광세기의 파형 주기()의 임의의 배수 동안 일정한 간격으로 상기 광세기 파형에 대한 다수의 상기 노광량 값들을 획득하고, 상기 광세기의 파형에 대한 다수의 푸리에 계수들과 평균값 성분을 상기 다수의 노광량 값들에 대한 이산 푸리에 변환을 수행하여 결정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 노광량() 값에 관한 식은 와같이 획득되고,
    상기 광세기 파형의 비정규화된 푸리에 계수(, )와 광세기 평균값()은 각각
    ,
    ,
    ,
    인 것을 특징으로 하는 푸리에 계수 결정 방법.
    { : 등속회전을 하는 광소자의 역학적 회전주기,
    : 측정주기 수(1/2의 양의 배수),
    : 측정 주기() 동안의 일정한 시간 간격으로 노광량을 측정하는 횟수,
    : 지연시간(delay time),
    : 적분시간(integration time),
    ,
    : 광세기,
    : 광세기 평균값 또는 0차 푸리에 계수,
    , : 푸리에 계수(Fourier coefficient)들,
    : 이 아닌 푸리에 계수들 중에서 최고 차수를 나타내는 자연수,
    ,
    ,
    ,
    }
  9. 삭제
  10. 시료를 향하여 백색광을 방사하는 광원;
    광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 상기 백색광을 평행광으로 만드는 무색수차 시준기;
    상기 광의 진행경로 상 상기 무색수차 시준기와 상기 시료 사이에 배치되어, 상기 평행광이 입사되며 상기 입사된 평행광을 편광시키는 제 1 편광자;
    상기 광의 진행경로 상 상기 제 1 편광자와 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 제 1 편광자를 통과한 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 제 2 편광자;
    상기 시료를 지탱해주는 시료 받침대;
    상기 제 2 편광자를 통과하여 편광된 후 상기 시료에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 제 3 편광자;
    상기 제 3 편광자를 통과한 광이 입사되며 입사된 광을 다채널 분광기의 국소영역에 집중으로 조사하기 위한 무색수차 초점광학계; 및
    상기 무색수차 초점광학계에 의해 전달된 광이 입사되며 상기 입사된 광을 분산광학계를 사용하여 파장별로 분광시키고 상기 파장별로 분광된 광을 다채널 광검출기에 조사하며 상기 다채널 광검출기에 조사된 광의 노광량을 상기 다채널 광검출기의 각 화소별로 측정하는 다채널 분광기;
    를 포함하며, 상기 시료의 물성을 측정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 광의 진행경로 상 상기 광원 이후에 배치되며, 광원에서 시료로 조사된 빛을 원격조정으로 차폐할 수 있는 원격 광원차폐 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  11. 시료를 향하여 백색광을 방사하는 광원;
    광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 백색광을 평행광으로 만드는 무색수차 시준기;
    상기 광의 진행경로 상 상기 무색수차 시준기와 상기 시료 사이에 배치되며, 상기 평행광이 입사되며 상기 평행광을 편광시키는 제 1 편광자;
    상기 시료를 지탱해주는 시료 받침대;
    상기 제 1 편광자를 통과하여 편광된 광이 상기 시료에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화되어 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 제 2 편광자;
    상기 제 2 편광자를 통과한 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 제 3 편광자;
    상기 제 3 편광자를 통과한 광이 입사되며 입사된 광을 다채널 분광기의 국소영역에 집중으로 조사하기 위한 무색수차 초점광학계; 및
    상기 무색수차 초점광학계에 의해 전달된 광이 입사되며 상기 입사된 광을 분산광학계를 사용하여 파장별로 분광시키고 상기 파장별로 분광된 광을 다채널 광검출기에 조사하며 상기 다채널 광검출기에 조사된 광의 노광량을 상기 다채널 광검출기의 각 화소별로 측정하는 다채널 분광기;
    를 포함하며, 상기 시료의 물성을 측정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 광의 진행경로 상 상기 광원 이후에 배치되며, 광원에서 시료로 조사된 빛을 원격조정으로 차폐할 수 있는 원격 광원차폐 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 타채널 광검출기를 사용하여 광세기 파형을 측정하는 주기 수 및 상기 다채널 광검출기에 조사된 노광량을 측정하는 횟수를 조절하기 위한 디지털 신호 변조장치를 포함하며, 상기 디지털 신호 변조장치는 상기 다채널 광검출기에 조사되는 광의 세기에 따라 상기 광검출기의 적분시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    광소자 회전주기(
    Figure 112011063390883-pat00371
    )의 1/2 배수의 시간(
    Figure 112011063390883-pat00372
    ) 동안에 일정한 시간 간격으로 상기 다채널 광검출기에 의해 임의로 정해진 적분시간 동안에 측정된 노광량들에 대한 이산 푸리에 변환을 사용하여 다수의 푸리에 계수들 (
    Figure 112011063390883-pat00373
    )을 계산하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 푸리에 계수들 중에 3개 이상의 푸리에 계수들로부터 타원계측함수인 (, , ) 또는 (, , )를 계산하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 측정된 푸리에 계수들 [(, , , , ) 또는 (, , , , )] 또는 상기 측정된 타원계측함수들 [(, , ) 또는 (, , )]로부터 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 시료에 대한 물성을 분석해 내는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 측정된 푸리에 계수들 () 또는 상기 측정된 타원계측함수들 [(, , ) 또는 (, , )]의 측정 데이터를 얻고, 상기 시료에 대한 광학적 이론식을 정립하고, 상기 정립된 이론식에 대해 설정된 영역에 대한 다수의 미지의 매개변수들을 사용하여 계산된 상기 푸리에 계수들 또는 상기 타원계측함수들의 데이터를 얻고, 상기 계산에 의해 얻어진 데이터로부터 미지의 매개변수들에 대한 연속함수를 얻고, 상기 연속함수를 상기 측정 데이터에 최소자승법을 이용하여 최적화를 함으로써 상기 시료의 물성을 얻는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  17. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 다채널 광검출기는 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자로 이루어지며, 다수의 화소(pixel)들이 선형 또는 2차원 평면 구조로 배열된 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  18. 삭제
  19. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 편광자에 부착되어 상기 제 1 편광자의 방위각을 제어하기 위한 제 1 동공축 스테핑 모터;
    상기 제 3 편광자에 부착되어 상기 제 3 편광자의 방위각을 각기 제어하기 위한 제 3 동공축 스테핑 모터;
    상기 제 2 편광자에 부착되어 상기 제 2 편광자를 등속으로 회전시키기 위한 동공축 등속회전 모터; 및
    상기 동공축 등속회전 모터에 부착되어 상기 동공축 등속회전 모터와 같이 회전하며 매회전당 하나의 영점펄스와 다수의 등간격 펄스들을 생산하는 광학 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 엔코더에서 생성된 등간격 펄스들은 디지털 신호 변조장치에 전달되고, 상기 디지털 신호 변조장치는 상기 펄스들에 의해 등간격으로 특정 개수의 분광기 작동 트리거들을 생성하고, 상기 생성된 분광기 작동 트리거들은 상기 다채널 분광기에 전달되어 상기 다채널 광검출기가 상기 분광기 작동 트리거를 수신할 때 마다 각 화소에서 정해진 적분시간 동안에 상기 노광량을 측정하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 변조장치는 상기 다채널 광검출기에 조사되는 광의 세기에 따라 상기 측정 주기 또는 상기 노광량 측정횟수를 변경하여 상기 광검출기의 적분시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 푸리에 계수들(
    Figure 112011063390883-pat00403
    ) 중에서 상대적으로 신호 대 잡음 비가 우수한 것을 제한적으로 선택하여 타원계측함수를 얻는 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  23. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 무색수차 초점광학계와 다채널 분광기 사이에 위치하는 광섬유를 포함하며,
    상기 광섬유는 단일 광섬유이거나 또는 수광부 쪽은 단일 광섬유 다발로 되어있고 상기 다채널 분광기에 연결되는 쪽은 2개 이상의 광섬유 다발로 제작된 분기형 광섬유 다발인 것을 특징으로 하는 타원계측기.
  24. 삭제
KR1020110081475 2011-08-17 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 물성 측정 방법 KR101270260B1 (ko)

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