KR20030049473A - Ultra high speed spectroscopic ellipsometer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 밀리초(ms)의 측정시간을 갖는 초고속 분광 타원계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진폭분할 편광 측정기(Division-of-amplitude photopolarimeter, DOAP)와 분광기(Spectrograph)에 장착된 광다이오드 배열(Photodiode Detector Array; PDA)를 이용하여 수 밀리초내에서 일어나는 광학적 진폭과 위상을 실시간으로 측정하는 초고속 분광 타원계에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrafast spectroscopic ellipsometer having a measurement time of milliseconds (ms), and more particularly, to an optical diode array mounted on a division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) and a spectrograph. (Photodiode Detector Array; PDA) is an ultrafast spectroscopic ellipsometer that measures the optical amplitude and phase in a few milliseconds in real time.
타원계는 빛의 편광상태 변화를 측정하여 빛의 세기에 관한 정보 및 빛의 위상에 관한 정보를 동시에 획득하는 타원법(ellipsometry)이라 불리는 측정방법을 사용한다.An ellipsometer uses a measuring method called ellipsometry which measures the change in polarization state of light and simultaneously acquires information about the light intensity and information about the phase of the light.
진폭과 위상을 동시에 얻음으로 인한 여러 가지 장점들 중에서 빛을 흡수하는 물질의 경우 그 물질의 복소굴절율을 동시에 결정할 수 있는 장점과 박막이 있는 시료의 경우 그 박막 두께를 극히 정밀하게 측정할 수 있는 장점으로 인하여 최근 반도체 공정 혹은 물질의 물성 및 두께를 측정하는 기기로 널리 사용되고 있다.Among the advantages of the simultaneous acquisition of amplitude and phase, the light-absorbing material can be used to determine the complex refractive index of the material at the same time, and for samples with thin films, the film thickness can be measured with great precision. Due to this, it is widely used as a device for measuring physical properties and thickness of semiconductor processes or materials.
보편적으로 사용되는 타원계는 회전 검광자(회전 편광자) 방식이나 회전 보정기 방식 또는 위상 변조 방식이 주를 이루고 있다.Commonly used ellipsometer is mainly composed of a rotation analyzer (rotation polarizer), rotation compensator method or phase modulation method.
도 1은 종래의 PCSA계 타원계의 기본 구조도이다. 도 1을 참조하면, PCSA계 타원계는 광원, 편광자, 보정기, 시료, 검광자 및 광측정기로 구성되며, 편광자,보정기, 검광자의 방위각은 x축을 기준으로하여 반시계 방향으로 측정한다.1 is a basic structural diagram of a conventional PCSA ellipsoidal system. Referring to FIG. 1, a PCSA ellipsometer includes a light source, a polarizer, a compensator, a sample, an analyzer, and a photometer. The azimuth angles of the polarizer, the compensator, and the analyzer are measured in the counterclockwise direction based on the x-axis.
도 2는 종래의 위상변조를 이용하는 타원계의 개략 구조도이다. 도 2를 참조하면, 위상변조를 이용하는 타원계는 광원(source), 편광자(polarizer), 광탄성 변조기(photoelastic modulator), 시료(sample), 검광자(analyser), 분광기(monochromator), 광측정기(detctor), 광섬유(optic fiber) 및 컴퓨터로 구성되며, 편광자를 통과한 빛은 광탄성 위상 변조기에 의해 변조된 후 시료 표면에서 반사하고 검광자를 통과한다.2 is a schematic structural diagram of an elliptic system using a conventional phase modulation. Referring to FIG. 2, an ellipsometer using phase modulation includes a light source, a polarizer, a photoelastic modulator, a sample, an analyzer, a monochromator, and a detector. ), Optical fiber, and computer, the light passing through the polarizer is modulated by the photoelastic phase modulator and then reflected off the sample surface and passes through the analyzer.
회전 검광자 방식이나 위상변조방식의 타원계는 모터를 이용하여 검광자(편광자)나 보정기를 회전시키거나 압전소자에 변조전압을 가하여 위상을 변조시키므로 하나의 타원상수쌍 (Δ,Ψ)를 얻는데 수십 ㎲ - 수십 ms의 측정시간을 필요로 한다.The ellipsometer of the rotary analyzer or phase modulation method uses a motor to rotate the analyzer (polarizer) or compensator, or modulates the phase by applying a modulation voltage to the piezoelectric element, thereby obtaining one elliptic constant pair (Δ, Ψ). It requires several tens of milliseconds-several tens of milliseconds of measurement time.
따라서, 분광을 하는 경우 분광기를 움직여 각 파장에서의 타원상수쌍(Δ,Ψ)을 구하기 때문에 수 - 수십 분 정도의 시간이 소요되는 문제점이 있다.Therefore, in the case of spectroscopy, elliptic constant pairs (Δ, Ψ) at each wavelength are obtained by moving the spectrometer, which takes a few minutes to several tens of minutes.
또한, 고속 분광타원계로써 회전 편광자 방식에 광학 다채널 배열(Optical Multichannel Analyzer; OMA)를 사용하는 방식도 Hadamard변환을 사용하여 광학 4분 주기마다 광량적분을 하여야 하므로 하나의 분광타원 데이터를 구하는데 수백 밀리초(ms)가 소요되는 문제점이 있었다.In addition, a method using an optical multichannel analyzer (OMA) for a rotating polarizer method as a high-speed spectroscopic ellipsometer is required to obtain a single spectroscopic elliptic data by using the Hadamard transform to perform light quantity integration every optical quarter. There were problems that took hundreds of milliseconds (ms).
또한, 변조방식에 기초하는 종래의 분광타원계가 전체 분광영역에서 타원상수쌍(Δ,Ψ)를 얻는데 대개 수 - 수십 분의 측정시간을 필요로 하기 때문에 이 방식들을 이용해서는 12" c-Si 웨이퍼 처럼 넓은 면적에 올라간 물질들의 2차원 두께분포 등을 구하는 데는 너무 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.In addition, since the conventional spectroscopic ellipsometer based modulation method requires several-tens of minutes of measurement time to obtain elliptic constant pairs (Δ, Ψ) in the entire spectral region, the 12 "c-Si wafers are not used. There was a problem that it takes too much time to find the two-dimensional thickness distribution of materials that have been raised to a large area, such as.
넓은 면적에 걸친 박막의 두께 분포를 찾기 위해서 통상적으로 사용되는 단파장의 타원계인 경우에는, 수 ms의 시간 분해능을 확보할 수 있지만, 물질의 굴절율을 미리 알고 있어야 하며 다층 박막시료에는 적용되지 못하는 문제점이 있었다.In the case of short wavelength ellipsoids commonly used to find the thickness distribution of a thin film over a large area, a time resolution of several ms can be obtained, but the refractive index of the material must be known in advance, and it is not applicable to a multilayer thin film sample. there was.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로, 기계적 변조방식이나 전기적 변조방식 또는 간섭방식에 바탕을 둔 기존의 편광상태 측정 개념을 탈피하여 새로운 원리에 바탕을 둔 초고속 분광 타원계를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been conceived to solve the above problems, and to provide an ultra-high speed spectroscopic ellipsometer based on a new principle by escaping the conventional polarization state measurement concept based on a mechanical modulation method, an electrical modulation method or an interference method. The purpose.
도 1은 PCSA계 타원계의 기본 구조도.1 is a basic structural diagram of a PCSA ellipsoidal system.
도 2는 위상변조를 이용하는 타원계의 개략 구조도.2 is a schematic structural diagram of an elliptic system using phase modulation.
도 3은 90도의 위상 지연 각도를 가지는 위상지연자와 선편광자를 사용하여 스톡스 변수를 측정하는 전형적인 방법을 도시한 도면.3 illustrates a typical method of measuring Stokes parameters using a phase delay and a linear polarizer having a phase delay angle of 90 degrees.
도 4는 본 발명에 따른 DOAP를 이용한 초고속 분광 타원계의 개략 구성도.4 is a schematic configuration diagram of an ultrafast spectroscopic ellipsometer using DOAP according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 진폭분할 편광 측정기(DOAP)의 기본 구성도.5 is a basic configuration of an amplitude division polarization meter (DOAP) according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 편광 상태 발생기의 구성도.6 is a block diagram of a polarization state generator according to the present invention.
도 7a는 본 발명에 따른 제 1 평행 시준부(광집속부)의 구성도.7A is a configuration diagram of a first parallel collimating part (light focusing part) according to the present invention.
도 7b는 본 발명에 따른 제 2 평행 시준부(평행광부)의 구성도.7B is a configuration diagram of a second parallel collimating part (parallel light part) according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 파장별로 시료면에서 반사한 빛의 편광 상태를 초고속으로 측정하기 위한 진폭분할 편광 측정기(DOAP)와 분광기/광다이오드 배열(Spectrograph/PDA) 구성도.8 is an amplitude division polarization meter (DOAP) and spectrometer / photodiode array (Spectrograph / PDA) configuration diagram for measuring the polarization state of the light reflected from the sample surface for each wavelength according to the present invention at high speed.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100... 광원 110... 시료100 ... light source 110 ... sample
120... 광섬유200... 제 1 평행 시준부120 ... optical fiber 200 ... first parallel collimator
250... 제 2 평행 시준부300... 편광 상태 발생기250 ... second parallel collimator 300 ... polarization state generator
400... 진폭분할 편광 측정기500... 분광기/광다이오드 배열400 ... amplitude division polarization meter 500 ... spectrometer / photodiode array
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고속 분광 타원계는, 백색광을 발생하는 광원(light source); 상기 광원으로부터 백색광을 입사받아 집속시키는 제 1 평행 시준부(collimation); 상기 제 1 평행 시준부로부터 집속광을 입사받아 편광시키는 편광 상태 발생기(polarization state generator); 상기 편광 상태 발생기로부터 편광 상태 광을 입사받아 편광상태를 변환하여 반사하는 시료(sample); 상기 시료로부터 반사된 편광상태 광을 입사받아 평행광으로 변환하는 제 2 평행 시준부(collimation); 상기 제 2 평행 시준부로부터 평행광을 입사받아 스톡스 벡터로 표현되는 편광 상태로 분리하는 진폭분할 편광 측정기(DOAP); 상기 진폭분할 편광 측정기로부터 분리된 평광상태 광을 광섬유(optical fiber)를 통하여 입사받아 분광시키고 분광된 광량을 측정하는 분광기/광다이오드배열(spectrograph/PDA);를 포함하여 구성된다.Ultra-fast spectroscopic ellipsometer according to the present invention for achieving the above technical problem, a light source for generating white light (light source); A first parallel collimation unit configured to receive white light from the light source and focus the light; A polarization state generator configured to receive incident polarized light from the first parallel collimator and polarize it; A sample which receives the polarization state light from the polarization state generator and converts and reflects the polarization state; A second parallel collimation unit for receiving incident polarized light reflected from the sample and converting the polarized state light into parallel light; An amplitude division polarization meter (DOAP) for receiving parallel light from the second parallel collimator and separating the light into a polarization state represented by a Stokes vector; And a spectrometer / photodiode array (spectrograph / PDA) for spectroscopy of the flat state light separated from the amplitude division polarization measuring instrument through an optical fiber and measuring the amount of spectroscopic light.
바람직한 일실시예에서, 상기 제 1 평행 시준부(collimation)는 광원에서 방출하는 백색광을 집속하여 시료면에서의 직경이 1-2 mm정도의 크기가 되도록, 적어도 하나의 볼록렌즈와 적어도 하나의 오목렌즈의 조합으로 구성되는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the first collimation collimates at least one convex lens and at least one concave to focus the white light emitted from the light source so that the diameter of the sample surface is about 1-2 mm in diameter. It is preferable to consist of a combination of lenses.
바람직한 일실시예에서, 상기 제 2 평행 시준부(collimation)는 시료면에서 반사된 후 발산하는 광속을 평행광으로 변환시켜 진폭분할 편광 측정기(DOAP)로 입사되도록, 적어도 하나의 볼록렌즈와 적어도 하나의 오목렌즈의 조합으로 구성되는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment, the second parallel collimation is at least one convex lens and at least one so as to be converted into parallel light by converting a beam of light emitted after being reflected from the sample surface into parallel light. It is preferable to be composed of a combination of concave lenses.
바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 편광 상태 발생기(polarization state generator)는 상기 제1 평행 시준부(collimatiom) 에서 입사된 집속광을 입사 받아 A의 편광작용하는 편광자(polarizer);In another preferred embodiment, the polarization state generator includes: a polarizer for polarizing A by receiving focused light incident from the first parallel collimator;
상기 편광자의 편광 광을 입사받아의 위상 지연하여 B의 편광작용하는 위상 지연자(retard);Receiving polarized light of the polarizer A phase retarder that polarizes B by retarding phase of B;
를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to include.
바람직한 또 다른 실시예에서, 상기 진폭분할 편광 측정기(DOAP)는 상기 제 2 평행 시준부(collimation)에서 입사된 평행광을 반사광과 투과광으로 분리하는 광분할기(BP); 상기 분리된 반사광과 투과광을 각각 입사받아 편광 분리 작용하는 울라스톤 프리즘(WP); 상기 분리된 직선 편광 각각의 광량을 측정하는 광량 측정기(detector);를 포함하는 것이 바람직하다.In another preferred embodiment, the amplitude division polarization meter DOAP comprises: a light splitter BP separating the parallel light incident from the second collimation into reflected light and transmitted light; An ulaston prism (WP) that receives the separated reflected light and the transmitted light and performs polarization separation; It is preferable to include; a light amount detector for measuring the light amount of each of the separated linearly polarized light.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어지지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, and the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more clearly and easily describe the present invention to those skilled in the art.
1852년 스톡스(Stokes)에 의해 제안된 스톡스변수(Stokes parameter)는 빛의 편광상태를 기술하는데 널리 사용되는 도구이다. 빛의 진행 방향을 z축으로 설정할 때, x, y방향으로 진동하는 두 직교하는 전기장 성분인 Ex 와 Ey 의 시간에 따른 평균값으로 스톡스변수를 나타낸다.The Stokes parameter, proposed by Stokes in 1852, is a widely used tool for describing the polarization state of light. When the propagation direction of the light is set to the z-axis, the Stokes variable is represented as an average value over time of two orthogonal electric field components Ex and Ey oscillating in the x and y directions.
즉 전기장이 아래의 수학식 1과 같이 시간의 변수로 주어질 때,That is, when the electric field is given as a variable of time as shown in Equation 1 below,
편광상태는 아래의 수학식 2와 같이 시간에 따라 변하는 타원의 방정식으로나타낼 수 있다.The polarization state may be represented by an ellipse equation that changes with time as shown in Equation 2 below.
여기에서 δ= δx -δy는 위상차를 나타낸다.Here, δ = δ x- δ y represents a phase difference.
상기 타원 방정식은 대개 한 주기의 시간동안 평균을 취한 형태로 표현되며 이를 수학식으로 나타내면, 아래 수학식 3과 같다.The elliptic equation is usually expressed in the form of taking an average over a period of time, which is represented by Equation 3 below.
또한, x, y 방향으로 직교하는 두 전기장성분으로부터 편광을 나타내는 4개의 스톡스변수는 각각 아래 수학식 4와 같이 정의된다.In addition, four Stokes variables representing polarization from two electric field components orthogonal to the x and y directions are defined as in Equation 4 below.
이 4개의 스톡스변수는 완전 편광상태 뿐만이 아니라 무편광이나, 부분편광 등의 일반적인 편광상태도 분명하게 기술할 수 있게 한다.These four Stokes variables make it possible to clearly describe not only complete polarization states but also general polarization states such as no polarization and partial polarization.
따라서, 스톡스변수를 결정함으로써 임의의 편광상태를 완전하게 기술할 수 있다. 스톡스변수를 측정하는 한가지 전형적인 방법으로 90°의 지연각을 갖는 위상지연자와 선편광자를 이용한다.Thus, by determining the Stokes variable, any polarization state can be described completely. One typical method of measuring Stokes parameters is using phase delays and linear polarizers with a 90 ° delay angle.
도 3은 90도의 위상 지연 각도를 가지는 위상지연자와 선편광자를 사용하여 스톡스 변수를 측정하는 전형적인 방법을 도시한 도면이다. 도 3과 같은 배치에서 위상지연자의 빠른축이 x축과 φ의 각도를 이루고 있으며(φ는 위상지연자의 방위각), 빠른축과 느린축의 위상지연각도를 90˚라 한다.3 illustrates a typical method for measuring Stokes parameters using a phase delay and a linear polarizer having a phase delay angle of 90 degrees. In the arrangement shown in FIG. 3, the fast axis of the phase delay forms an angle between the x axis and φ (φ is the azimuth angle of the phase delay), and the phase delay angle between the fast axis and the slow axis is 90 °.
선편광자의 투과축이 x축과 이루는 각도인 방위각이 θ이며 위상지연자에 입사하는 빛의 전기장이 수학식 1과 같을 때 선편광자를 통과한 빛의 세기는 아래 수학식 5와 같다.When the azimuth angle, which is the angle at which the transmission axis of the linear polarizer forms the x axis, is θ, and the electric field of the light incident on the phase retarder is represented by Equation 1, the intensity of light passing through the linear polarizer is represented by Equation 5 below.
스톡스변수를 사용하면, 이 빛의 세기를 4개를 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Using Stokes variables, four light intensities can be expressed as shown in Equation 6 below.
따라서, 위상지연자의 방위각과 선편광자의 방위각을 바꾸어가며 측정한 빛의 세기로써 스톡스변수를 결정할 수 있다.Therefore, the Stokes variable can be determined by measuring the intensity of light by changing the azimuth angle of the phase delay and the azimuth angle of the linear polarizer.
몇 가지 간단한 방위각의 조합으로 스톡스변수를 결정하는 한가지 방법을 아래 수학식 7로 제시한다.One method for determining Stokes variables with a few simple azimuth combinations is presented below.
위상지연자와 선편광자를 사용하는 방법 외에도 스톡스변수를 결정할 수 있는 방법으로 진폭분할 편광측정기(Division-of-amplitude photopolarimeter, DOAP)를 이용하는 방법이 있다. 진폭분할 편광 측정기(DOAP)를 이용한 스톡스변수 결정방법은 아래 도5에서 상술한다.In addition to using a phase delay and a linear polarizer, there is a method using a division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) to determine Stokes parameters. The Stokes variable determination method using an amplitude division polarization meter (DOAP) is described in detail with reference to FIG. 5 below.
도 4는 본 발명에 따른 진폭분할 편광 측정기(DOAP)를 이용한 초고속 분광 타원계의 개략 구성도이다.4 is a schematic configuration diagram of an ultrafast spectroscopic ellipsometer using an amplitude division polarization meter (DOAP) according to the present invention.
도 4를 참조하면, DOAP를 이용한 초고속 분광 타원계는 광원(light source)(100), 제 1 평행 시준부(collimation)(200), 편광 발생기(polarization state generator)(300), 시료(sample)(110), 제 2 평행 시준부(collimation)(250), 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400), 광섬유(optical fiber)(120), 분광기/광다이오드 배열(spectrograph/PDA)(500)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 4, an ultrafast spectroscopic ellipsometer using DOAP includes a light source 100, a first parallel collimation 200, a polarization state generator 300, and a sample. 110, a second parallel collimation 250, an amplitude division polarization meter (DOAP) 400, an optical fiber 120, a spectrograph / PDA 500 It is configured to include.
이하 본 명세서에서 제 1 평행 시준부(collimation)(200)는 광집속 기능을 수행하는 광집속부와 동일한 의미로 사용하고, 제 2 평행 시준부(collimation)(250)는 입사광을 평행 광으로 변환하는 기능을 수행하는 평행광부와 동일한 의미로 사용한다.Hereinafter, in the present specification, the first parallel collimation part 200 is used in the same sense as the light focusing part that performs the light focusing function, and the second parallel collimation part 250 converts the incident light into parallel light. It is used in the same sense as the parallel light unit which performs the function.
먼저 Xe-Arc Lamp을 광원(100)으로하여 발생시킨 백색광을 편광 상태 발생기(300)의 편광자와 색지움 위상지연자를 통과시켜 원하는 임의의 편광상태로 만든다. 이렇게 만들어진 백색광은 광집속부(200)를 사용하여 시료(110)면에서 1-2 mm정도의 크기를 갖도록 집속시킨다. 시료(110)에 입사되는 이 집속광은 시료(110)에서 반사되면서 시료(110)의 굴절율과 두께 등의 영향으로 그 편광상태가 바뀌게 된다.First, the white light generated by using the Xe-Arc Lamp as the light source 100 is passed through the polarizer and the chrominance phase retarder of the polarization state generator 300 to achieve a desired polarization state. The white light thus made is focused to have a size of about 1-2 mm from the surface of the sample 110 using the light focusing unit 200. The focused light incident on the sample 110 is reflected by the sample 110, and the polarization state thereof is changed due to the refractive index and the thickness of the sample 110.
이 변화된 편광상태의 광은 다시 평행광부(250)를 거쳐 평행광으로 바뀐 후 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)로 들어가게 된다. 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)에 들어간 광은 광분할기(Beam Splitter, BS)(410)와 편광 분할기를 거치면서 스톡스벡터로 표현되는 편광상태로 분리가 되고 분리된 각각의 광속은 광섬유(120)를 통하여 분광기(Spectrograph)(512, 522, 532, 542)에 입사되고 분광된 다음, 광다이오드 배열(PDA)(514, 524, 534, 544)로 들어가 각 파장에서의 광량을 제공하게 된다. 이렇게 구해진 분광 광량정보는 컴퓨터(도시되지 않음)에서 반사광의 편광상태를 구하는데 사용되고 궁극적으로는, 분광 타원 상수쌍 (Δ,Ψ)λ으로 바뀌게 된다.The light of the changed polarization state is converted into parallel light through the parallel light unit 250 and then enters an amplitude division polarization meter (DOAP) 400. The light entering the amplitude division polarization meter (DOAP) 400 is separated into a polarization state represented by a Stokes vector while passing through a beam splitter (BS) 410 and a polarization splitter. 120 is incident and spectroscopically through spectrographs 512, 522, 532, 542 and then enters photodiode arrays (PDAs) 514, 524, 534, 544 to provide the amount of light at each wavelength. . The spectral light quantity information thus obtained is used to calculate the polarization state of the reflected light in a computer (not shown), and ultimately, it is changed into a spectral elliptic constant pair (Δ, Ψ) λ .
이하 본 발명에 따른 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)를 이용한 초고속 분광 타원계의 구성요소를 좀 더 상세하게 살펴본다.Hereinafter, the components of the ultrafast spectroscopic ellipsometer using the amplitude division polarization meter (DOAP) 400 according to the present invention will be described in more detail.
도 5는 본 발명에 따른 진폭분할 편광 측정기(DOAP)의 기본 구성도이다. 도 5를 참조하면, 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)는 1개의 BS(410)와 2개의 WP(420. 430) 및 4개의 광량 측정기(514, 524, 534, 544)를 포함하여 구성된다.5 is a basic configuration of an amplitude division polarization meter (DOAP) according to the present invention. Referring to FIG. 5, an amplitude division polarization meter (DOAP) 400 includes one BS 410, two WPs 420. 430, and four light quantity meters 514, 524, 534, and 544. do.
광분할기(Beamsplitter, BS)(410)는 입사한 빛을 반사광와 투과광으로 나누는 구성요소이고, 울라스톤 프리즘(Wollaston prism, WP)(420, 430)은 분리된 각각의 빛을 서로 직교하는 두 개의 직선편광으로 다시 나누어주는 구성요소로서, 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)를 구성하는 핵심 편광소자이다.Beamsplitter (BS) 410 is a component that divides the incident light into reflected light and transmitted light, and the Woolaston prism (WP) 420, 430 is two straight lines orthogonal to each other separated light As a component that is subdivided into polarized light, it is a core polarizing device constituting an amplitude division polarization meter (DOAP) (400).
광분할기(410)를 지나며 분리된 빛은 각각 울라스톤 프리즘(420, 430)을 통과하며 4개의 서로 다른 편광상태의 빛으로 나누어지며, 4개의 광량 측정기(514, 524, 534, 544)는 이들의 세기를 측정한다.The light splitting through the splitter 410 passes through the wool prisms 420 and 430, respectively, and is divided into four different polarized lights, and the four light meters 514, 524, 534 and 544 Measure the strength of.
진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)를 사용하여 다음과 같이 스톡스변수를 구할 수 있다. 광분할기(410)로 입사하는 빛의 편광상태를 나타내는 스톡스벡터를, 광분할기(410)에 의하여 갈라진 빛 중 반사된 빛의 스톡스벡터과 투과한 빛의 스톡스벡터는 광분할기(410)의 반사특성 Mueller 행렬인과 투과특성 Mueller 행렬인을 사용하여 아래 수학식 8과 같이 쓸 수 있다.Using the amplitude division polarization meter (DOAP) 400 can be obtained Stokes parameters as follows. Stokes vector representing the polarization state of light incident to the optical splitter 410 , The stocks of the reflected light among the light split by the splitter 410 Stock vectors of light and transmitted light Is the reflection characteristic Mueller matrix of the optical splitter 410 Permeability and Mueller Matrix Can be written as in Equation 8 below.
한편 방위각이 θ인 이상적인 선편광자(310)의 편광작용을 나타내는 Mueller 행렬에서 첫 번째 행으로 만들어진 벡터는 아래 수학식 9와 같다.On the other hand, a vector made with the first row in the Mueller matrix representing the polarization of the ideal linear polarizer 310 with the azimuth angle θ. Is the same as Equation 9 below.
따라서, 시료(110)면에서 반사한 빛이 광분할기(410)를 통과한 뒤 각각 θ1, θ2의 방위각을 갖는 울라스톤 프리즘(420. 430)을 통과하게 되면 각각의 광량측정기(514, 524, 534, 544)에서 검출되는 빛의 세기는 아래 수학식 10과 같다.Accordingly, when the light reflected from the surface of the sample 110 passes through the optical splitter 410 and passes through the urastone prism 420.430 having the azimuth angles θ 1 and θ 2 , respectively, each of the photometers 514, 524, 534, and 544, the intensity of light detected by Equation 10 below.
이식은 다시 아래 수학식 11과 같이 광분할기(410)와 2개의 울라스톤 프리즘(420, 430)의 편광작용을 나타내는 특성행렬 4x4의 특성행렬의 곱의 형태로 쓸 수 있다.The implantation is again performed by the characteristic matrix 4x4 representing the polarization of the light splitter 410 and the two wool prisms 420 and 430 as It can be written in the form of the product of.
여기서 특성행렬의 성분은 아래 수학식 12와 같다.Where characteristic matrix The component of is shown in Equation 12 below.
단, j = 1,2,3,4이다. 마지막으로 수학식 11을 역변환하여 입사광의 스톡스벡터에 관한 표현을 구하면 아래 수학식 13과 같다.However, j = 1,2,3,4. Finally, the inverse transform of Equation 11 to obtain an expression regarding the Stokes vector of the incident light is shown in Equation 13 below.
행렬은 구성하는 편광소자인 광분할기(410)와 울라스톤 프리즘(420, 430)의 Mueller 행렬로부터 바로 계산할 수 있다. 즉 광분할기(410)와 울라스톤 프리즘(420, 430)의 Mueller 행렬을 각각이라 하면행렬을 결정할 수도 있다. The matrix can be calculated directly from the Mueller matrix of the optical splitter 410 and the uraston prisms 420 and 430 that constitute the polarizer. That is, the Mueller matrices of the light splitter 410 and the ulaston prisms 420 and 430 are respectively This You can also determine the matrix.
본 발명에 따른 초고속 분광 타원계는 기계적으로 회전시키거나 전기적으로 위상을 변조하는 등의 능동적 편광소자에 의존하지 않고 정적인 편광소자를 통과하는 빛의 편광상태를 측정하는 수동적 방법이기 때문에 데이터 획득속도는 빛의 세기를 측정하는 광량 측정소자의 반응시간과 측정된 광세기를 A/D변환하는 신호처리 속도에 따라 결정된다.The ultra-fast spectroscopic ellipsometer according to the present invention is a passive method for measuring the polarization state of light passing through a static polarizer without relying on an active polarizer such as mechanically rotating or electrically modulating a phase. Is determined by the response time of the light quantity measuring device for measuring the light intensity and the signal processing speed for A / D conversion of the measured light intensity.
한편, 단파장이 아닌 분광타원 데이터를 초고속으로 구하기 위해서는 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)에서 나뉘어진 4개의 광속을 초고속으로 분광측정을 할 수 있는 광측정장치가 필요하다. 이를 위하여 본 발명에 따른 일실시예에서는 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)에서 방출되는 4개의 광속을 각각 광섬유(120)를 통과시켜 분광기(Spectrograph)(512, 522, 532, 542) 및 광다이오드(514, 524, 534, 544) 배열을 거치게 한다.On the other hand, in order to obtain spectral ellipsoid data rather than short wavelengths at an ultra-high speed, an optical measuring device capable of spectroscopically measuring four beams divided by an amplitude division polarization meter (DOAP) 400 at ultra-high speed is required. To this end, in one embodiment according to the present invention, four light beams emitted from an amplitude division polarization meter (DOAP) 400 pass through the optical fiber 120, respectively, to spectrographs 512, 522, 532, and 542 and light. The diodes 514, 524, 534, 544 are arranged through.
도 6은 편광 상태 발생기(Polarization-State Generator, PSG)의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 편광 상태 발생기(300)는 선편광자(310)와 위상지연자(320)로 구성된다.6 is a configuration diagram of a polarization-state generator (PSG). Referring to FIG. 6, the polarization state generator 300 includes a linear polarizer 310 and a phase delayer 320.
선편광자(310)는 그 편광작용을 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.The linear polarizer 310 may express the polarization as shown in Equation 14 below.
λ/4의 위상지연을 나타내는 위상 지연자(320)의 편광작용은 아래 수학식 15와 같이 나타난다.The polarization action of the phase retarder 320 exhibiting a phase delay of λ / 4 is expressed by Equation 15 below.
선편광자(310)와 λ/4 위상지연자(320)를 차례로 통과한 빛의 편광상태는 아래 수학식 16과 같다.The polarization state of light passing through the linear polarizer 310 and the λ / 4 phase retarder 320 in sequence is expressed by Equation 16 below.
여기서 P는 선편광자(310)의 방위각을, C는 위상지연자(320)의 빠른축과 선편광자(310)가 이루는 각도를 각각 가리킨다.P denotes an azimuth angle of the linear polarizer 310, and C denotes an angle between the fast axis of the phase retarder 320 and the linear polarizer 310, respectively.
따라서, 하나의 단결정 편광자와 하나의 색지움 위상지연자를 이용하여 넓은파장 대역에서 원하는 임의의 편광 상태를 발생시킬 수 있게 된다.Therefore, it is possible to generate any desired polarization state in a wide wavelength band by using one single crystal polarizer and one color erasure phase delayer.
도 7a는 제 1 평행 시준부(광집속부)의 구성도이다. 도 7a를 참조하면, 광집속부(200)는 적어도 하나의 볼록렌즈와 적어도 하나의 오목렌즈의 조합으로 이루어진 광학계이다.7A is a configuration diagram of the first parallel collimating part (light focusing part). Referring to FIG. 7A, the light focusing unit 200 is an optical system including a combination of at least one convex lens and at least one concave lens.
광원(100)에서 방출되며 발산하는 백색광을 집속시켜 시료(110)면에서의 직경이 1-2 mm정도의 크기가 되도록 하기 위하여, 광집속부(200)는 두개의 볼록렌즈(202, 204)와 하나의 오목렌즈(206)를 조합하여 구성하는 것이 바람직하다.In order to focus the white light emitted and emitted from the light source 100 so that the diameter at the surface of the sample 110 is about 1-2 mm in size, the light concentrator 200 has two convex lenses 202 and 204. And one concave lens 206 are preferably combined.
도 7b는 제 2 평행 시준부(평행광부)(250)의 구성도이다. 도 7b를 참조하면, 평행광부(250)는 적어도 하나의 볼록렌즈와 적어도 하나의 오목렌즈의 조합으로 이루어진 광학계이다.7B is a configuration diagram of the second parallel collimating part (parallel light part) 250. Referring to FIG. 7B, the parallel light unit 250 is an optical system including a combination of at least one convex lens and at least one concave lens.
시료(110)면에서 반사된 후 발산하는 광속을 평행광으로 변환시켜 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)로 입사하기 위하여, 평행광부(250)는 두개의 볼록렌즈(202, 204)와 하나의 오목렌즈(206)를 조합하여 구성하는 것이 바람직하다.In order to convert the luminous flux reflected and reflected from the surface of the sample 110 into parallel light and incident to the amplitude division polarization meter (DOAP) 400, the parallel light unit 250 has two convex lenses 202 and 204 and one. It is preferable to configure the concave lens 206 in combination.
도 8은 파장별로 시료면에서 반사한 빛의 편광 상태를 초고속으로 측정하기 위한 진폭분할 편광측정기(Division-of-amplitude photopolarimeter, DOAP)와 분광기/광다이오드 배열(Spectrograph / Photodiode Detector Array, Spectrograph/PDA) 구성도이다.FIG. 8 shows a wavelength-division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) and a spectrograph / photodiode array (Spectrograph / Photodiode Detector Array, Spectrograph / PDA) for ultra-fast measurement of the polarization state of light reflected from a sample surface by wavelength. ) Configuration diagram.
도 8을 참조하여, 진폭분할 편광 측정기(DOAP)와 분광기/광다이오드배열(Spectrograph/PDA)(500)을 이용한 빛의 편광상태 측정과정을 살펴보면, 평행광부(250)에 의해 평행광으로 바뀐 광은 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)로 입사된다. 진폭분할 편광 측정기(DOAP)(400)에서는 광 분할기(Beam Splitter; BS)(410)에 의해 반사광과 투과광으로 분리된 후 반사광과 투과광은 각각 편광 분할작용을 하는 울라스톤 프리즘(Woollaston Prism, WP)(420, 430)에 의해 직교하는 두개의 직선편광으로 분리된다.Referring to FIG. 8, the polarization state measurement of light using an amplitude division polarization meter (DOAP) and a spectrometer / photodiode array (Spectrograph / PDA) 500, the light converted into parallel light by the parallel light unit 250 is described. Is incident to an amplitude division polarization meter (DOAP) 400. In the amplitude division polarization meter (DOAP) 400, the split light beam is separated by the beam splitter (BS) 410 into the reflected light and the transmitted light, and then the reflected light and the transmitted light are polarized light splitting, respectively, a Woolaston Prism (WP). 420 and 430 are separated into two linearly polarized lights that are orthogonal.
이렇게 최종적으로 분리된 4개의 직선편광들은 각각 분광기(512, 522, 532, 542)에 장착된 광다이오드 배열(514, 524, 534, 544)으로 들어가 각 편광상태별, 각 파장별 광량을 측정할 수 있게 한다.The four linearly polarized light beams are separated into the photodiode arrays 514, 524, 534, and 544 mounted on the spectrometers 512, 522, 532, and 542, respectively, to measure the amount of light for each polarization state and wavelength. To be able.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 사용된 용어들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미의 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.The terms used to describe the embodiments of the present invention above are used for the purpose of describing the present invention, and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고속 분광 타원계는 기존의 광학장비가 제공하는 진폭정보에 위상정보를 추가로 제공할 뿐 만 아니라, 기존의 단파장 초고속 타원계에는 결여되어 있는 분광 능력을 가지며, OMA를 사용하는 회전편광자 방식의 고속 분광타원계와 비교하여 시간분해능을 수 밀리초로 향상시키는 효과가 있다.As described in detail above, the ultrafast spectroscopic ellipsometer according to the present invention not only provides phase information to amplitude information provided by the conventional optical equipment, but also provides the spectral capability lacking in the existing short wavelength ultrafast ellipsometer. Compared with a high speed spectroscopic ellipsometer using an OMA, the time resolution is improved to several milliseconds.
또한, 본 발명에 따른 초고속 분광 타원계는 수 밀리초의 시간 간격으로 분광 타원 데이터를 제공하므로 초고속 분광 복소굴절율 변화를 수반하는 많은 동적기구를 연구하는데 적합한 도구가 될 수 있고, 다층박막 시료의 실시간 모니터링 및 제어 등을 필요로 하는 반도체, 평판형 영상표시, 광학 박막성장 및 식각 등의 관련 산업체에서의 품질 관리 및 제어, 제품의 수율을 향상하는 효과가 있다.In addition, the ultrafast spectroscopic ellipsometer according to the present invention provides spectroscopic elliptic data at a time interval of several milliseconds, which makes it a suitable tool for studying many dynamic mechanisms involving ultrafast spectroscopic refractive index changes, and real-time monitoring of multilayer thin film samples. And quality control and control in related industries such as semiconductors, flat panel image displays, optical thin film growth and etching requiring control, and the like, and improved product yields.
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20110803 Year of fee payment: 9 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |