KR102316503B1 - 동축 분광 이미징 엘립소미터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축 분광 이미징 엘립소미터에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원; 상기 광원으로부의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부; 상기 광변조부에 의해 변조된 광을 샘플에 조사하는 대물렌즈; 상기 광원과 상기 대물렌즈의 사이에 마련되어 상기 광을 상기 대물렌즈의 후초점면의 특정 위치에 조사하도록 하는 입사각조절부; 상기 샘플에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터; 상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기; 상기 반사빔으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부; 및 상기 분광이미지획득부에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.

Description

동축 분광 이미징 엘립소미터{Coaxial Spectroscopic Imaging Ellipsometer}

본 발명은 동축 분광 이미징 엘립소미터에 관한 것으로, 대물렌즈의 후초점면(Back Focal Plane)의 성질을 이용하여 동축 광학계로 구성된 하드웨어 구조에서 특정 입사각으로 샘플에 입,반사한 광에 대하여 적은 수의 측정 시퀀스를 통해 분광 엘립소메트리 이미지를 획득하여 샘플의 물리적 특성을 정확하고 간편하게 획득할 수 있도록 한 동축 분광 이미징 엘립소미터에 관한 것이다.

광학을 이용한 박막 두께 측정 방법 중, 샘플에서의 편광 변화 특성을 토대로, 샘플의 두께를 측정하는 엘립소메트리(Ellipsometry)가 가장 정확하고 정밀한 두께 측정 방법으로 알려져 있다. 엘립소미터는 도1과 같이 경사 입반사 구조로 되어 있으며, 입사단인 편광 생성단(Polarization State Generator, PSG)에서 다양한 편광을 만들어 샘플에 조사하고, 편광 해석단 (Polarization State Analyzer, PSA)에서 반사된 편광을 해석함으로 써, 샘플에서의 편광 변화를 측정하게 된다. 이 과정을 통해, 샘플의 특징인 복소 반사도를 측정하게 되며, 측정된 복소 반사도를 샘플의 두께 및 굴절율을 변화시키며 계산한 이론 복소 반사도(Δ,Ψ)와 비교하여, 오차가 최소가 되는 이론 두께 및 굴절율을 계산하게 된다.

이러한 엘립소메트리를 산업 현장에 적용하는데 있어서, 다음 네가지 이슈를 해결해야만 한다. 먼저, 고배율 광학계를 통한 작은 Spot Size 및 대면적 측정 기술이 요구된다. 디스플레이 산업은 꾸준히 고해상도, 대화면을 목표로 발전하고 있으며, 이러한 트렌드에 의해 디스플레이 패턴의 크기는 점점 작아지고 있고, 이에 따라 미세 패턴의 측정 수요도 증가하고 있다. 이러한 측정 요구를 충족시키기 위해서는 기존보다 고배율 광학계를 이용하여 Spot Size 를 줄이면서도, 대면적 측정이 가능한 기술이 필요하다.

다음으로 고배율 적용을 위한 동축 광학계 구성의 필요성이다. 엘립소메트리의 경사 입반사 구조는 고배율 랜즈가 갖는 짧은 작동거리(Working Distance)와 큰 개구수(Numerical Aperture)로 인해 입사각의 제한, 샘플과 랜즈간의 충돌 위험 등의 문제가 발생하게 된다. 대물렌즈의 배율이 커질수록 Working Distance는 짧아지고 Numerical Aperture는 커지게 되므로, 경사 입반사 구조에서는 10배 이상의 배율을 적용하기에는 어려움이 있으며, 결과적으로 경사 광학계가 아닌, 동축 광학계 구성에서 랜즈의 Numerical Aperture 를 이용하여 빛의 입사각을 만들 수 있는 방법이 필요하다.

다음으로 분광 신호의 필요성이다. 박막 샘플의 편광 특성은 입사각과 파장에 따른 함수가 되며, 엘립소미터가 측정신호와 이론신호의 비교를 통해 두께를 계산하기 때문에, 측정신호의 변화가 클수록, 두께 측정의 민감도가 커지게 된다. 결국, 분광 신호를 획득하는 것이 엘립소미터 해석에 유리해진다. 마지막으로 최소한의 편광 변조 구동이다. 편광 생성단에서는 기계적으로 편광자(Polarizer)나 위상 지연자(Retarder)를 회전시키거나, 전기적으로 동작하는 위상지연자를 이용하여 측정 시퀀스 마다 변조된 편광을 만들게 된다. 기계적으로 편광변조를 하는 경우, 광학 부품의 미세한 오정렬(Misalign)로 인해 광경로가 달라지는 Beam Drifting 오차가 발생하게 되며, 전기적으로 동작하는 편광변조기의 경우 전도층(Anchoring layer)나 이력현상(Hysterisys) 등으로 인해 위상 오차가 발생하게 된다. 결과적으로, 이를 피하기 위해서는, 최소한의 편광 변조 구동을 통해 이러한 오차를 줄여야 한다. 본 발명은 이러한 이슈를 모두 해결할 수 있는 엘립소메트리를 제안하고자 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 대물렌즈의 후초점면의 성질을 이용하여 특정 입사각으로 샘플에 들어온 광에 대하여 분광이미지를 획득하여 샘플의 물리적 특성을 정확하고 간편하게 획득할 수 있도록 한 동축 분광 이미징 엘립소미터를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 동축 광학계를 이용하고, 광변조부를 별도로 구동시키는 기계적 장치를 구비할 필요가 없으며, 입사각에 따른 분광이미지를 획득하여 샘플의 물리적 특성을 판단할 수 있도록 한데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 동축 분광 엘립소미터는, 광원; 상기 광원으로부의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부; 상기 광변조부에 의해 변조된 광을 샘플에 조사하는 대물렌즈; 상기 광원과 상기 대물렌즈의 사이에 마련되어 상기 광을 상기 대물렌즈의 후초점면의 특정 위치에 조사하도록 하는 입사각조절부; 상기 샘플에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터; 상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기; 상기 반사빔으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부; 및 상기 분광이미지획득부에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광변조부는, 상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 편광생성기와, 상기 편광생성기에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키는 위상지연자를 포함하며, 상기 위상지연자는 멀티 오더 위상지연자(Multi-order Retarder)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 분광이미지획득부는 이미징 간섭계로 이루어지며, 상기 이미징 간섭계는, 상기 반사빔을 분할하는 광분할기; 상기 광분할기로부터 분할되어 나온 일측의 빔을 반사시키는 제1 거울; 상기 광분할기로부터 분할되는 타측의 빔을 반사시키는 제2 거울;을 포함하고, 상기 제1 거울 또는 제2 거울을 이동시켜 경로차이에 의한 간섭이미지를 만들어내며, 상기 간섭이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분광이미지획득부는, 소정의 중심 파장을 필터링하는 개별필터가 다수 마련된 파장변조필터와 카메라로 이루어지거나, 초분광 카메라로 이루어지거나, 또는 회절격자와 카메라로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 동축 분광 엘립소미터는, 광원; 상기 광원으로부의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부; 상기 광변조부에 의해 변조된 광을 샘플에 조사하는 대물렌즈; 상기 샘플에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터; 상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기; 상기 후초점면의 특정 위치의 광을 선별하는 광선택부; 상기 광선택부로부터 선별된 광으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부; 및 상기 분광이미지획득부에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광변조부는, 상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 편광생성기와, 상기 편광생성기에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키는 위상지연자를 포함하며, 상기 위상지연자는 멀티 오더 위상지연자(Multi-order Retarder)인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 빔스플리터를 경유한 상기 반사빔에 대하여 상기 대물렌즈의 후초점면을 후퇴시키는 렌즈시스템을 포함하고, 상기 광선택부는 상기 후퇴된 후초점면의 특정 위치의 광을 선별하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 광선택부는, 상기 후퇴된 후초점면의 특정 지점에서 광을 통과시키는 조리개, 또는 상기 특정 지점의 광을 전달하는 광파이버인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 광선택부는, 상기 대물렌즈의 후초점면에 마련되어 특정 위치의 광을 상기 샘플로 입사시키고, 상기 샘플로부터 반사된 반사빔을 통과시키는 조리개인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 분광이미지획득부는 이미징 간섭계로 이루어지며, 상기 이미징 간섭계는, 상기 반사빔을 분할하는 광분할기; 상기 광분할기로부터 분할되어 나온 일측의 빔을 반사시키는 제1 거울; 상기 광분할기로부터 분할되는 타측의 빔을 반사시키는 제2 거울;을 포함하고, 상기 제1 거울 또는 제2 거울을 이동시켜 경로차이에 의한 간섭이미지를 만들어내며, 상기 간섭이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 분광이미지획득부는, 소정의 중심 파장을 필터링하는 개별필터가 다수 마련된 파장변조필터와 카메라로 이루어지거나, 초분광 카메라로 이루어지거나, 또는 회절격자와 카메라로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 동축 분광 이미지 엘립소미터는, 대물렌즈의 후초점면의 성질을 이용하여 특정 입사각으로 샘플에 들어온 광에 대하여 분광이미지를 획득하여 샘플의 물리적 특성을 정확하고 간편하며 신속하게 획득할 수 있도록 한다. 특히, 본 발명은 동축 광학계를 이용하고, 광변조부를 별도로 구동시키는 기계적 장치를 구비할 필요가 없으며, 입사각에 따른 분광이미지를 획득하여 샘플의 물리적 특성을 신속 정확하게 획득하는 효과를 제공한다.

도1은 종래 엘립소미터의 개념도,
도2는 본 발명의 일 측면에 따른 엘립소미터를 도시한 도면,
도3은 도2의 다른 실시예를 도시한 도면,
도4는 대물렌즈의 후초점면의 작용을 보여주는 도면,
도5은 본 발명에 다른 측면에 따른 엘립소미터를 도시한 도면,
도6은 도5에서 렌즈시스템의 다른 예를 도시한 도면,
도7은 도6에서 광선택부의 다른 예를 도시한 도면,
도8은 대물렌즈의 후초점면에 배치되는 조리개의 일례를 도시한 것이다.

본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.

본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.

본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.

본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 일 측면에 따른 엘립소미터를 도시한 도면이고, 도3은 도2의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도4는 대물렌즈의 후초점면의 작용을 보여주는 도면이다. 도5은 본 발명에 다른 측면에 따른 엘립소미터를 도시한 도면이고, 도6은 도5에서 렌즈시스템의 다른 예를 도시한 도면이며, 도7은 도6에서 광선택부의 다른 예를 도시한 도면이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예 따른 동축 분광 이미징 엘립소미터는, 광원(10), 광변조부(20), 대물렌즈(30), 입사각조절부(40), 빔스플리터(50), 편광해석기(60), 분광이미지획득부(70), 및 신호처리부(80)를 포함한다.

상기 광원(10)은 광을 방출하기 위해 마련된다. 상기 광원(10)은 백색광원(10)이 사용된다. 본 실시예에 있어서, 상기 광원(10)으로는 다수 파장 범위(Broad-band spectrum light source)를 사용한다. 물론, 단일 파장의 광원(10)이 사용될 수도 있다. 상기 광원(10)으로는 텡스텐-할로겐 램프, Xe 램프 등 다양한 소스가 사용될 수 있다.

상기 광변조부(20)는, 상기 광원(10)으로부터의 광을 편광 및 위상 지연시키기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 광변조부(20)는, 상기 광원(10)으로부터 광을 편광시키는 편광생성기(21)와, 상기 편광생성기(21)에 의해 광의 위상을 지연시키는 위상지연자(22)를 포함한다.

상기 편광생성기(21)는, 상기 광원(10)이 상기 편광생성기(21)의 후단에 마련되는 위상지연자(22)를 통과하기 전에 특정 성분을 갖는 광으로 편광시킨다. 상기 광원(10)은 상기 편광생성기(21)에 의해 선형 편광된다. 위상 지연을 이용하여 광의 성분을 고주파로 변조하기 위해서 편광된 광이 필요하므로, 상기 편광생성기(21)에 의해 상기 광원(10)을 편광시킨다.

상기 위상지연자(22)는, 상기 편광생성기(21)에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 위상지연자(22)는 멀티 오더 리타더(Multi-order retarder)이다. 상기 멀티 오더 리타더는 p파와 s파가 서로에 대하여 한 파장 이상의 위상 지연을 만들어내는 위상지연자(22)이다.

상기 편광생성기(21)와 위상지연자(22)를 갖는 상기 광변조부(20)는, 광의 변조를 위해서 별도의 구동장치 없이 광을 편광시키고, 1 파장 이상의 위상 지연을 만들어냄으로써 파장에 따른 샘플(100)의 Ψ(P파와 S파의 진폭비) 및 Δ(P파와 S파의 위상차)와 관련된 신호가 파장 도메인에서 고주파 신호로 변조되는 역할을 수행한다.

상기 대물렌즈(30)는 상기 광변조부(20)에 의해 변조된 광을 샘플(100)에 조사한다. 상기 대물렌즈(30)를 거친 후 상기 샘플(100)에 조사된 광은, 상기 샘플(100)로부터 반사되어 다시 대물렌즈(30)를 거친다.

상기 입사각조절부(40)는 상기 광원(10)과 상기 대물렌즈(30)의 사이에 마련되어 상기 광을 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)의 특정 위치에 조사한다. 상기 입사각조절부(40)는 상기 후초점면(BP)에서 선별된 특정 위치에만 광원(10)이 조사되도록 시준(collimated beam)과 렌즈를 사용하여 구현되거나, 공간 광 변조기(SLM, 빔프로젝터 등)을 사용하여 상기 후초점면(BP)의 특정 위치에 광을 조사하도록 할 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 후초점면(BP)의 특정 위치에 조사된 광은 대물렌즈(30)를 거쳐서 상기 샘플(100)에 대하여 동일한 입사각으로 진입한다. 따라서, 상기 입사각조절부(40)는, 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)의 특정 위치에 광이 조사되도록 함으로써 샘플(100)에 특정한 입사각으로 광을 조사하는 작용을 한다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 입사각조절부(40)는 광변조부(20)와 빔스플리터(50) 사이에 마련된다. 또한, 상기 입사각조절부(40)는, 도3에 도시된 바와 같이, 광원(10)과 광변조부(20)의 사이에 마련될 수 있다.

상기 빔스플리터(50)는 상기 샘플(100)에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈(30)를 통과한 후 경로를 변경하도록 유도한다. 본 실시예에 따르면, 상기 빔스플리터(50)는 상기 대물렌즈(30)의 전단에 마련된다. 상기 광원(10)은 상기 빔스플리터(50)와 상기 대물렌즈(30)를 경유하여 샘플(100)로 입사하고, 상기 샘플(100)로부터 반사된 반사빔은 대물렌즈(30) 및 상기 빔스플리터(50)를 거쳐 분광이미지획득부(70) 측으로 진행한다.

상기 편광해석기(60)는, 상기 후초점면(BP)을 통과한 반사빔의 편광을 해석하기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 반사빔은 상기 빔스플리터(50)를 통과한 후 편광해석기(60)로 들어간다. 상기 편광해석기(60)는 실질적으로 편광생성기(21)와 동일한 편광기를 사용할 수 있으며, 그 기능면에서 상기 편광생성기(21)는 편광을 만들어내는 작용을 하고, 상기 편광해석기(60)는 편광을 해석하는 작용을 한다.

상기 분광이미지획득부(70)는, 상기 반사빔으로부터 분광이미지를 획득하기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 반사빔은 상기 편광해석기(60)를 통과한 후 분광이지획득부(70)로 나아간다. 물론, 상기 분광이미지획득부(70)는 상기 편광해석기(60)의 기능이 통합된 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 분광이미지획득부(70)는 편광카메라(Polarization Camera)를 이용하여 카메라 각 픽셀마다 다른 편광 상태를 해석할 수 있도록 구현될 수 있다.

상기 후초점면(BP)의 특정 위치로 조사된 광은 동일한 입사각으로 샘플(100)로 진행하고, 샘플(100)로부터 반사되어 다시 후초점면(BP)에 모이게 된다. 상기 분광이미지획득부(70)는, 상기 후초점면(BP)을 이미징하여 파장별 입사각에 대한 데이터를 획득한다. 상기 분광이미지획득부(70)의 전단에는 상기 편광해석기(60)의 전단 또는 후단측에 렌즈가 마련되어 상기 분광이미지획득부(70)가 상기 후초점면(BP)의 이미지를 볼 수 있도록 한다.

본 실시예에 따르면, 상기 분광이미지획득부(70)는, 이미징 간섭계로 이루어진다. 구체적으로, 상기 이미징 간섭계는, 광분할기(71), 제1 거울(72), 제2 거울(73), 및 카메라(74)를 포함한다.

상기 광분할기(71)는 반사빔을 분할한다. 상기 제1 거울(72)은 상기 광분할기(71)로부터 분할되어 나온 일측의 빔을 반사시킨다. 상기 제2 거울(73)은 상기 광분할기(71)로부터 분할되어 나온 타측의 타측의 빔을 반사시킨다. 상기 제1 거울(72) 또는 상기 제2 거울(73)을 이동시켜서 상기 광분할기(71)를 통하여 분할된 빔의 경로차이를 발생시킨다. 상기 제1 거울(72) 및 제2 거울(73)에 반사된 빔은 다시 광분할기(71)로 나아가 간섭이미지를 형성한다. 상기 카메라(74)는 상기 간섭이미지를 획득한다. 본 실시예와 같이, 간섭계를 이용하는 경우, 반사광 신호와 간섭광 신호 간의 푸리에 관계에 의해 측정에 필요한 연산 단계를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 분광이미지획득부(70)는 이미징 간섭계를 이동하였으나, 다수의 파장변조필터 또는 음향광학변조필터(AOTF:Acousto-optic tunable filter)와 모노카메라를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 경우, 하드웨어 구성에 있어서 편의성이 있으며, 간단한 구동으로 분광 이미지를 획득할 수 있다.

상기 다수의 파장변조필터는, 소정의 중심 파장 대역을 필터링하는 개별 필터가 다수개 원주 방향으로 마련된 것으로, 회전 이동하여 다파장 광 중에서 해당 필터에 해당하는 파장의 광을 투과하기 위한 것이다. 상기 분광이미지획득부(70)는 상기 다수의 파장변조필터와 이를 통과한 광의 이미지를 획득하는 카메라로 구현될 수 있다. 상기 다수의 파장변조필터는, 상기 광원(10)과 상기 빔스플리터(50) 사이에 배치되거나, 광경로를 기준으로 상기 빔스플리터(50)의 후단에 배치될 수 있다.

상기 음향광학변조필터는, 음향 또는 전기 신호를 통한 가변필터나 선형가변필터(Linear variable filter)와 같이 파장 변조가 가능한 파장변조기를 사용하여 다파장 광 중 해당 필터에 해당하는 광을 필터링한다. 상기 분광이미지획득부(70)는, 상기 음향광학변조필터와 이를 통과한 광의 이미지를 획득하는 카메라로 구현될 수 있다. 상기 음향광학변조필터는, 상기 광원(10)과 상기 빔스플리터(50) 사이에 배치되거나, 광경로를 기준으로 상기 빔스플리터(50)의 후단에 배치될 수 있다.

또한, 상기 분광이미지획득부(70)는 회절 격자(Difrraction Grating)을 이용한 이미징 분광계를 통해 구현되거나, 초분광카메라(Hyper Spectral Camera or Multi-Channel Spetral Camera)를 사용할 수 있다.

상기 회절 격자는, 상기 반사빔이 투과(투과형 회절격자)하거나 반사(반사형 회절격자)하면서 상이 파장마다 나뉘게 되며, 이 성질을 이용하여 상기 회절 격자에서 투과되거나 반사된 광을 카메라로 획득하여 분광 이미지를 획득할 수 있다. 따라서, 상기 분광이미지획득부(70)는 투과형 회절격자와 카메라, 또는 분사형 회절격자와 카메라로 구현될 수 있다.

상기 초분광카메라는, 일반적인 모노카메라 또는 RGB 칼라카메라와 달리, 하나의 화소를 구성하는 이미지 픽셀이 다양한 파장을 나눠서 받을 수 있으므로, 상기 분광이지지획득부(70)는 상기 초분광카메라에 의해 구현될 수 있다.

상기 신호처리부(80)는, 상기 분광이미지획득부(70)에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플(100)의 물리적 정보를 추출한다. 구체적으로, 상기 분광이미지획득부(70)에 의해 획득된 샘플(100)의 이미지에 대한 각 픽셀 별 신호는, 상기 신호처리부(80)에 의해 푸리에 변환하여 저주파 신호와 고주파 신호를 분리하여 획득되고, 상기 저주파 신호 및 고주파 신호 각각에 대한 역 푸리에 변환을 수행하여, 입사 광량과 샘플(100)의 반사도 등에 대한 물리적 신호를 실시간으로 추출할 수 있다.

이하, 상기 구성에 따른 동축 분광 이미징 엘립소미터의 작용 내지 효과를 구체적으로 설명한다.

도2에 도시된 바와 같이, 상기 광원(10)에서 출발한 빛은 광변조부(20)의 편광생성기(21)를 거치면서 편광되고, 위상지연자(22)를 거치면서 P파와 S파의 위상 지연이 발생한다. 상기 변조된 광은 상기 입사각조절부(40)에 의해 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)의 특정 위치로 조사된다. 상기 후초점면(BP)의 특정 위치에서 샘플(100)로 입사하는 광은 특정한 입사각으로 입사하게 되므로, 샘플(100)에서 반사되는 반사빔은 특정 입사각으로 파장이 입사할 때 샘플(100)의 물리적 특성이 반영된 상태가 된다. 상기 반사빔은 빔스플리터(50)와 편광해석기(60)를 거쳐 분광이미지획득부(70)로 들어간다.

상기 분광이미지획득부(70)는 파장에 대한 특정 입사각에 따른 샘플(100)의 물리적 정보가 담긴 이미지를 획득하고, 신호처리부(80)는 상기 분광이미지획득부(70)가 획득된 이미지에 실린 신호에 대하여 푸리에 변환하여 반사빔에 대한 저주파 및 고주파 신호를 분리하여 획득하고, 이들 각각에 대하여 역 푸리에 변환하여 입사각에 대한 정보 및 샘플(100)의 물리적 정보를 측정할 수 있도록 한다.

예를 들어, 광변조부(20)의 편광생성기(21)를 0°로 정렬하고, 위상지연자(22)를 45°로 배치한 경우, 입사한 파장(σ=1/λ)에 따른 입사광량 I₀(σ)에 대한 반사광 I(σ)는 뮬러 행렬과 스토크스 벡터의 연삭식으로 표현되며, 이를 정리해서 표현하면 다음과 같다.

[수학식1]

I(σ)= {I₀(σ)/4}{1- cos(2Ψ)cos(Φ(σ)) + sin(2Ψ)sin(Δ)sin(Φ(σ))}

여기서, Ψ는 P파와 S파의 진폭비, Δ는 P파와 S파의 위상차를 나타내고,

Φ(σ) = 2πσΔn d 이고, d는 복굴절 위상지연자(22)(Birefringence Retarder)의 두께이며, Δn은 위상지연자(22)의 복굴절률이다.

상기 수학식1은 다음과 같이 간단히 수학식 2로 나타낼 수 있다.

[수학식2]

I(σ) = a₀ + a₁ cos(Φ(σ)) + b₁ sin(Φ(σ))

멀티 오더 리타더의 리타던스(retardance)를

과 같이 표현하고, 상기 수학식 2의 I(σ)를 푸리에 변환(

)하면 다음과 같이 표현된다.

,

결과적으로, 신호처리부(80)는, 반사광 I(σ)의 푸리에 변환 후, DC 성분인 A₀(h)와, L 만큼 이동된(shift) 신호의 실수부(A₁(h-L))과 허수부(B₁(h-L))를 각각 분리하여 신호를 획득할 수 있으며, 이 각각에 대한 역 푸리에 변환을 통해 입사광 I₀(σ)에 정보와, cos(2Ψ)과 sin(2Ψ)sin(Δ)의 값으로부터 샘플(100)에 대한 물리적 정보(두께, 굴절률 등)를 산출할 수 있게 된다.

이처럼, 본 발명 실시예에 따른 동축 분광 이미징 엘립소미터는, 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)의 특정 위치에 광을 조사하여 특정한 입사각으로 샘플(100)에 입사할 수 있도록 함으로써, 광학계의 구조를 동축 광학계로 구성할 수 있으며, 이러한 인하여 작동 거리가 짧은 고배율의 대물렌즈(30)를 이용하여 공간 분해능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명 실시예에 따르면, 위상지연자(22)로서 멀티 오더 리타더를 사용하여 샘플(100)의 파장에 따른 Ψ,Δ 신호를 파장 도메인에서 고주파 신호로 변조하도록 하므로, 별도의 기계적 또는 전기적 구동에 의해 위상 지연을 발생시킬 때의 단점을 극복한다.

구체적으로, 위상지연자(22)를 기계적으로 회전시켜서 편광 변조를 수행하는 경우, 광학 부품의 미세한 오정렬(misalign)으로 인하여 광 경로가 달라져 오차가 발행할 수 있다. 또한, 광학 부품에 기계적 움직임을 수반하는 경우, 측정 장비의 구동 내지 안정화를 위해서 상당한 시간이 소요되는데, 본 발명은 기계적 구동 내지 안정화 시간을 단축하여 측정의 신속화를 도모할 수 있다.

전기적인 편광 변조의 경우, 액정(Liquid Crystal)의 복원력을 위한 전도층(Anchoring Layer)이 형성되어 실제 편광 위상 지연 양에 오차가 발생하고, 이로 인해 광 경로가 바뀌어 광량이 감소하거나, 의도된 양 만큼의 위상 지연이 발생되지 않을 수 있다. 본 발명 실시예는 전기적 편광 변조의 단점을 수반하지 않는다.

또한, 본 발명 실시예에 따르면, 분광이미지획득부(70)에 의해 대면적의 샘플(100) 패턴을 이미징할 수 있으므로 측정시간을 단축하고, 편의성이 향상된다. 최근 반도체 분야에서의 샘플(100)은 고집적화되고 패턴이 더욱 복합해지고 있으므로, 이미징 방식에 의해 공간 분해능을 높여 각 픽셀별로 신호 해석이 가능한 효과를 제공한다.

또한, 본 발명 실시예에 따르면, 상기 분광이미지획득부(70)가 획득한 이미징은 상기 신호처리부(80)에 의해 처리되어 분석된다. 특히 상기 신호처리부(80)는, 다파장 광원(10)을 분석할 수 있으므로 샘플(100)의 물리적 정보에 대하여 정확성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다. 좀 더 구체적으로, 엘립소미터는 측정 편광 신호(Ψ_m, Δ_m)를 샘플(100) 특성에 맞는 반사도 이론을 통해 계산된 이론 신호(Ψ_t, Δ_t)와 비교하여 비선형 피팅을 통해 시료에서 원하는 물리적 정보(박막의 두께, 굴절율, 샘플(100)의 형상 등)을 계산하게 된다. 상기 측정 편광 신호는 빛의 파장, 입사각 등의 함수이기 때문에, 비선형 피팅 과정에서 다파장 광원(10)을 분석하는 것이 더욱 효과적이며, 본 실시예에 따른 동축 분광 이미징 엘립소미터는 다파장 광원(10)의 분석을 가능하게 한다.

한편, 도5에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 측면에 따른 동축 분광 이미징 엘립소미터는, 광원(10), 상기 광원(10)으로부의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부(20), 상기 광변조부(20)에 의해 변조된 광을 샘플(100)에 조사하는 대물렌즈(30), 상기 광변조부(20)와 상기 대물렌즈(30) 사이에 마련되어, 상기 샘플(100)에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈(30)를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터(50), 상기 빔스플리터(50)를 경유한 상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기(60), 상기 빔스플리터(50)를 경유한 상기 반사빔에 대하여, 상기 대물렌즈(30)의 후초점면을 후퇴시키는 렌즈시스템(90), 상기 후퇴된 후초점면에 특정 위치의 광을 선별하는 광선택부(110), 상기 광선택부(110)로부터 선별된 광으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부(70), 및 상기 분광이미지획득부(70)에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플(100)의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부(80);를 포함한다.

도5에 따른 실시예에 있어서, 도5와 동일한 작용을 수행하는 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하며, 그 구체적인 설명은 생략한다. 도5의 실시예에 따르면, 상기 광원(10), 광변조부(20), 대물렌즈(30), 빔스플리터(50), 편광해석기(60), 분광이미지획득부(70), 및 신호처리부(80)는, 도2의 실시예에 따른 구성과 작용적 측면에서 실질적으로 동일하다.

상기 광변조부(20)는, 상기 광원(10)으로부터의 광을 편광시키는 편광생성기(21)와, 상기 편광생성기(21)에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키는 위상지연자(22)를 포함하며, 상기 위상지연자(22)는 멀티 오더 위상지연자(22)(Multi-order Retarder)인 것 또한, 도2와 동일하다.

본 실시예에 따르면, 도2의 실시예와는 달리, 광선택부(110)를 포함한다. 본 실시예는, 상기 대물렌즈(30)의 후초점면의 특정 위치에서 출발한 모든 광선이 동일한 입사각으로 샘플(100)에 입사되어 반사될 때, 상기 광선택부(110)에 의해 상기 후초점면의 특정 위치를 지난 광을 선별하여 이미징 및 신호처리하여 샘플(100)의 물리적 정보를 산출한다.

따라서, 도2의 실시예가 후초점면의 특정 위치에 광을 조사하는 방식이라면, 도5의 실시예는 다파장 광원(10)을 샘플(100)에 조사하고, 렌즈시스템(90) 및 광선택부(110)를 이용하여 후초점면(BP)의 특정 위치에서의 반사빔을 선택하는 방식이다.

본 실시예에 따르면, 렌즈시스템(90)을 포함한다. 상기 렌즈시스템(90)은, 상기 빔스플리터(50)를 경유한 반사빔에 대하여 상기 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)을 후퇴시킨다. 도5에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈시스템(90)은 복수의 렌즈를 이용한 4f 렌즈 시스템을 이용하여 대물렌즈(30)의 후초점면을 후퇴시켜 2차 후초점면을 형성하거나, 도6에 도시된 바와 같이 릴레이 렌즈 시스템을 이용하여 후초점면을 후퇴시켜 2차 후초점면을 형성할 수 있다. 물론, 상기 렌즈시스템(90)은, 상기와 한 바로 한정되지 않으며, 상기 대물렌즈(30)의 후초점면을 후퇴시킬 수 있는 광학계이면 족하다.

상기 광선택부(110)는, 상기 후퇴된 후초점면에 특정 위치의 광을 선별하기 위해서 마련된다. 상기 광선택부(110)는 상기 후퇴된 후초점면의 특정 위치에서의 광을 선택함으로써 샘플(100)에서 특정 입사각으로 들어온 광을 선택하게 된다. 상기 광선택부(110)에 의해 선택된 광은, 상기 광선택부(110)의 후단에 마련되는 편광해석기(60), 분광이미지획득부(70) 및 신호처리부(80)에 제공된다. 상기 분광이미지획득부(70) 및 신호처리부(80)가 샘플(100)에 대한 물리적 정보를 추출하는 과정은 상술한 바와 같다.

상기 광선택부(110)는, 도5 또는 도6에 도시된 바와 같이, 상기 후퇴된 후초점면의 특정 지점에 광을 통과시키는 조리개(110)일 수 있다. 또한, 상기 광선택부(110)는, 도7에 도시된 바와 같이, 특정 지점의 광을 전달하는 광파이버(110')일 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 광선택부(110)는 상기 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)에 마련되어 특정 위치의 광을 상기 샘플(100)로 입사시키고, 상기 샘플로부터 반사된 반사빔을 통과시키는 조리개(120)로 구현될 수 있다. 도8은 상기 조리개(120)의 예시를 도시한 것이다. 조리개(120)의 입사부(121)를 통하여 특성 위치의 광이 대물렌즈(30)를 거쳐 샘플(100)로 입사되고, 샘플(100)에 반사된 반사빔은 투과부(122)를 통과하게 되어, 특정한 입사각으로 들어온 광을 선택할 수 있다.

이와 같은 방식은, 상기 대물렌즈(30)의 후초점면(BP)의 특정 위치에서의 반사빔을 선택하므로, 특정 입사각에 대한 광을 선택하는 측면에서 유사성이 있다. 이와 같이 선택된 광은 상기 편광해석기(60), 분광이미지획득부(70) 및 신호처리부(80)에 제공된다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 샘플(100)에 대하여 특정 입사각으로 들어와서 반사되는 반사빔으로부터 특정 위치에서 광을 선별하는 것으로, 도2의 실시예와 비교하여 특정 입사각의 반사빔에 대한 정보를 확보한다는 측면에서 유사한 측면이 있다. 본 실시예에 있어서, 광변조부(20), 분광이미지획득부(70), 및 신호처리부(80)의 구성 내지 작용은, 도2의 실시예와 동일한다. 따라서 본 실시예는, 도2의 실시예에 따른 효과를 동일하게 제공할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.

10... 광원 20... 광변조부
21... 편광생성기 22... 위상지연자
30... 대물렌즈 40... 입사각조절부
50... 빔스플리터 60... 편광해석기
70... 분광이미지획득부 71... 광분할기
72... 제1 거울 72... 제2 거울
73... 카메라 80... 신호처리부
90... 렌즈시스템 100... 샘플
110, 110'... 광선택부 120... 조리개
121... 입사부 122... 투과부

Claims (11)

1. 광원;
   상기 광원으로부터의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부;
   상기 광변조부에 의해 변조된 광을 샘플에 조사하는 대물렌즈;
   상기 광원과 상기 대물렌즈의 사이에 마련되어 상기 광을 상기 대물렌즈의 후초점면의 특정 위치에 조사하도록 하는 입사각조절부;
   상기 샘플에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터;
   상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기;
   상기 반사빔으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부; 및
   상기 분광이미지획득부에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부;를 포함하며,
   상기 광변조부는, 상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 편광생성기와, 상기 편광생성기에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키는 위상지연자를 포함하며,
   상기 위상지연자는 멀티 오더 위상지연자(Multi-order Retarder)인 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 분광이미지획득부는 이미징 간섭계로 이루어지며,
   상기 이미징 간섭계는,
   상기 반사빔을 분할하는 광분할기;
   상기 광분할기로부터 분할되어 나온 일측의 빔을 반사시키는 제1 거울;
   상기 광분할기로부터 분할되는 타측의 빔을 반사시키는 제2 거울;을 포함하고, 상기 제1 거울 또는 제2 거울을 이동시켜 경로차이에 의한 간섭이미지를 만들어내며,
   상기 간섭이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분광이미지획득부는,
   소정의 중심 파장을 필터링하는 개별필터가 다수 마련된 파장변조필터와 카메라로 이루어지거나,
   초분광 카메라로 이루어지거나, 또는
   회절격자와 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
5. 광원;
   상기 광원으로부터의 광을 편광 및 위상 지연시키는 광변조부;
   상기 광변조부에 의해 변조된 광을 샘플에 조사하는 대물렌즈;
   상기 샘플에 반사된 반사빔이 상기 대물렌즈를 통과한 후 경로를 변경하도록 하는 유도하는 빔스플리터;
   상기 반사빔의 편광을 해석하는 편광해석기;
   상기 대물렌즈 후초점면의 특정 위치의 광을 선별하는 광선택부;
   상기 광선택부로부터 선별된 광으로부터 분광이미지를 획득하는 분광이미지획득부; 및
   상기 분광이미지획득부에 의해 획득된 이미지를 신호 처리하여 상기 샘플의 물리적 정보를 추출하는 신호처리부;를 포함하고,
   상기 광변조부는, 상기 광원으로부터의 광을 편광시키는 편광생성기와, 상기 편광생성기에 의해 편광된 광의 위상을 지연시키는 위상지연자를 포함하며,
   상기 위상지연자는 멀티 오더 위상지연자(Multi-order Retarder)인 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 빔스플리터를 경유한 상기 반사빔에 대하여 상기 대물렌즈의 후초점면을 후퇴시키는 렌즈시스템을 포함하고,
   상기 광선택부는 상기 후퇴된 후초점면의 특정 위치의 광을 선별하는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 광선택부는,
   상기 후퇴된 후초점면의 특정 지점에서 광을 통과시키는 조리개, 또는 상기 특정 지점의 광을 전달하는 광파이버인 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
9. 제5항에 있어서,
   상기 광선택부는,
   상기 대물렌즈의 후초점면에 마련되어 특정 위치의 광을 상기 샘플로 입사시키고, 상기 샘플로부터 반사된 반사빔을 통과시키는 조리개인 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
10. 제5항에 있어서,
    상기 분광이미지획득부는 이미징 간섭계로 이루어지며,
    상기 이미징 간섭계는,
    상기 반사빔을 분할하는 광분할기;
    상기 광분할기로부터 분할되어 나온 일측의 빔을 반사시키는 제1 거울;
    상기 광분할기로부터 분할되는 타측의 빔을 반사시키는 제2 거울;을 포함하고, 상기 제1 거울 또는 제2 거울을 이동시켜 경로차이에 의한 간섭이미지를 만들어내며,
    상기 간섭이미지를 획득하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.
11. 제5항에 있어서,
    상기 분광이미지획득부는,
    소정의 중심 파장을 필터링하는 개별필터가 다수 마련된 파장변조필터와 카메라로 이루어지거나,
    초분광 카메라로 이루어지거나, 또는
    회절격자와 카메라로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동축 분광 이미징 엘립소미터.

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