KR100245064B1

KR100245064B1 - 광학적차분윤곽측정장치및방법

Info

Publication number: KR100245064B1
Application number: KR1019970040093A
Authority: KR
Inventors: 후이종 루; 알리 레자 타헤리
Original assignee: 포만 제프리 엘; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2000-03-02
Also published as: EP0831295B1; US5784163A; DE69722876D1; TW331587B; DE69722876T2; EP0831295A1

Abstract

간섭계(interferometer)는 단일의 코히어런트한 선형 편광된 비임(coherent linearly-polarized beam)을 분해함으로써, 한 쌍의 투사된 서브-비임(projected sub-beams)을 형성한다. 이 서브-비임은 대물 렌즈(objective lens)에 의해 검사 표면의 한 쌍의 검사점(test spots)으로 집속된다(focussed). 이 서브-비임이 반사된 비임은 재결합하여 타원형으로 편광된 귀환 비임(elliptically polarized return beam)을 형성하고, 이 귀환 비임은 편광 비임 분할기(polarizing beamsplitter)에서 서로 반대 극성의 귀환 서브-비임들로 분해된다. 이 귀환 서브-비임들의 강도를 이용하여 두 검사점간의 높이차를 계산한다. 이 검사점들이 검사 표면과의 상대적 움직임 경로 상에 정렬되어 있는 경우, 높이차를 더하여 검사 표면의 총 윤곽(accumulative profile)을 형성한다.

Description

광학적 차분 윤곽 측정 장치 및 방법{OPTICAL DIFFERENTIAL PROFILE MEASUREMENT APPARATUS AND PROCESS}

제목이 "자기 디스크 상의 비행 높이의 광학 차분 측정 장치 (Apparatus for Optical Differential Measurement of Glide Height above a Magnetic Disk)"이고 본 발명과 동일자 출원되고 본 발명과 양수인이 동일한 도켓 번호 BC9-96-053호인 계류 중인 미국 출원에는 검사 대상 자기 디스크 표면상의 모의 자기 헤드의 비행 높이의 변화를 간섭계(interferometer)를 이용하여 측정하는 방법이 기재되어 있다.

제목이 "레이저 텍스쳐 검사용 광학 장치 (Optical Apparatus for Inspecting Laser Texture)"이고 본 발명과 동일자 출원되고 본 발명과 양수인이 동일한 도켓 번호 BC9-96-052호인 계류 중인 미국 출원에는 디스크 상에서 주위의 편평면(flat surface)과 대비되는 텍스쳐 점(textured spot)의 윤곽(profile)을 측정하도록 구성된 간섭계의 이용에 대해 기재되어 있다.

제목이 "신속한 결함 분석용 광학 장치 (Optical Apparatus for Rapid Defect Analysis)"이고 본 발명과 동일자 출원되고 본 발명과 양수인이 동일한 도켓 번호 BC9-96-055호인 계류 중인 미국 출원에는 결함(defect)을 찾기 위해 표면을 신속하게 주사하는 제1 타입의 간섭계와 결함의 표면 윤곽을 제공하는 제2 타입의 간섭계에 대해 기재되어 있다.

본 발명은 간섭계로부터 데이터를 획득하고 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서 특히 표면이 주사 움직임(scanning motion)에 따라 움직임에 따라 간섭계에 의해 영상화된 표면상의 인접점들의 상대 높이를 분석하는 방법에 관한 것이다.

컴퓨터 시스템에서 데이터 저장에 쓰이는 것과 같은 반도체 웨이퍼와 자기 디스크는 표면 편평도(surface flatness) 및 표면의 질(surface quality)을 결정짓는 다른 파라미터들에 매우 민감하다. 이런 소자들(devices)의 제조에 사용되는 장비의 성능과 보조를 맞추기 위해서는, 이런 소자들의 표면의 비정상부(anomalies)를 매우 빠른 속도로(at a very high throughput rate) 고도로 정확하게 검사(inspect)하여야 한다.

표면 윤곽기(surface profiler)는 상기 소자들의 제조에 사용되는 중요한 기기(instrument)로서 표면의 토포그래피(topography), 구조, 평활도(roughness) 및 기타의 특성을 연구하는데 널리 쓰인다. 표면 윤곽기는 측정되는 표면과 물리적으로 접촉하는 탐침(probe)으로 접촉성 측정(contact measurement)을 수행하는 제1 클래스의 기기와 측정되는 표면과 물리적으로 접촉하지 않는 비접촉성 측정(non-contact measurement)을 행하는 제2 클래스의 기기로 구분된다. 다수의 응용예에서 비접촉성 측정이 강하게 선호되는데 이는 측정 대상 표면의 오염(contamination)과 기계적 손상(mechanical damage)을 방지하고 고속의 검사를 가능하게 하기 위한 것이다.

비접촉성 표면 측정을 행하는 기기 중 하나로서 표면 윤곽 간섭계(surface profile interferometer)가 있는데, 이는 특히 표면의 평활도나 측정되는 부분의 두께의 계단상 변화(step change)의 높이를 측정하는 데에 이용된다. 이와 같은 계단상 변화는 예를 들어 프린트 회로 기판(printed circuit board)이나 집적 미세회로(integrated microcircuit)의 제조 중에 기판(substrate)에 금속막(metal film)을 인가하는 경우 발생할 수 있다. 일반적으로 간섭계는, 동일한 단색 광원(monochromatic source)으로부터 발생한 두 개의 광 비임이 서로 길이가 다른 광로(optical paths)를 거치도록 하고, 이 광로의 차이에 따라 이 광 비임이 서로 간섭하여 만든 간섭 패턴(interference pattern)의 성격이 결정되는 광학 기기이다. 광 비임이 동일한 단색 광원으로부터 발생하였으므로 파장이 서로 같다. 광원으로부터 경로 길이가 같은 경우 두 광 비임의 위상(phase) 또한 서로 일치한다. 따라서 비임간의 위상차는 경로 길이의 차에 의해서만 발생하는 것이다.

광파의 간섭 현상은 동시에 동일한 영역을 통과하는 2개 이상의 파의 상호작용에 의한 것으로서, 중첩의 원리(principle of superposition)에 따라 소정의 지점에서는 광파가 보강(reinforcement)되고 다른 지점에서는 상쇄(neutralization)된다.

광전 전단 간섭계(photoelectric shearing interferometer)에서는 편광된 광(polarized light)을 슬릿(slit), 월러스톤 프리즘(Wollaston prism), 현미경 대물 렌즈(microscope objective lens)를 거치도록 하여 슬릿의 2개의 영상을 형성하면서, 각각의 영상이 계단상 변화의 양쪽에 형성되도록 함으로써, 검사 표면의 계단상 변화의 높이를 측정한다. 검사 표면에서 반사된 비임은 렌즈와 프리즘을 통과하고, 서로 직각 방향으로(orthogonally) 편광된 두 비임이 영상을 형성한다. 계단상 변화의 높이에 의해 결정되는 비임의 위상차는 약 렌즈(weak lens)를 측방향으로(in a lateral direction) [비임을 가로질러서(transverse to the beam)] 위상차가 정확히 상쇄될(cancelled) 때까지 선형 이동하여 그 이동량으로 측정할 수 있다. 상술한 위상차의 상쇄를 결정하는 것은 전자광학 변조기(electro-optic modulator), 분석기(analyzer), 광승산기(photomultiplier), 위상 감지 검출기(phase-sensitive detector) 등으로, 이들은 두 간섭하는 비임의 위상 동일성(phase equality)을 검출하는데 사용되는 기기들이다. 시스템의 정확도(accuracy)는 약 렌즈의 선형 이동을 얼마나 정밀히 측정할 수 있는지에 따라 결정된다. 따라서, 월러스톤 프리즘에 의해 측면 이격된(laterally displaced), 두 직교 편광된 비임 간의 위상차를 측정하므로 시스템은 공통 경로 간섭계(common-path interferometer)가 아니다.

월러스톤 프리즘은, 투명한 부등방성(anisotropic) 물질의 결정이 직교 편광된 광 비임들을 서로 다른 각으로 굴절시키는 현상인 이중 굴절(double refraction) 또는 복굴절(birefringence) 현상을 이용한다. 캘카이트(calcite), 콰르츠(quartz) 및 미카(mica) 등의 결정이 이와 같은 성질을 갖는다. 월러스톤 프리즘은 서로 결합된 두 개의 쐐기형 세그먼트를 포함하고, 인접한 광택면은 평면을 따라 비스듬한 각도로 장치의 광축까지 뻗어 있다(A Wollaston prism includes two wedge-shaped segments held together with adjacent polished surfaces extending along a plane at an oblique angle to the optical axis of the device). 월러스톤 프리즘의 외부 표면은 장치의 광축과 직각을 이루는 평면을 따라 놓여 있다. 월러스톤 프리즘의 두 세그먼트는 복굴절성 재료로 이루어져 있고 재료의 결정축들(crystal axes)은 서로 직각이고 장치의 광축과도 직각이다.

예를 들어 서로 직각 방향으로 편광된 두 개의 서브-비임을 포함하는 광비임을 장치의 광축을 따라 월러스톤 프리즘으로 향하게 경우, 프리즘의 초기 표면(initial surface)이 양쪽 비임의 방향에 직각이므로 두 비임이 프리즘의 초기 표면에서는 굴절되지 않는다. 그러나 두 비임이 프리즘의 두 세그먼트의 비스듬한 내부 표면(oblique inner surfaces)에 도달하면, 굴절이 일어나고 프리즘 세그먼트를 구성하는 물질의 복굴절성 때문에 두 비임이 서로 다른 각도로 굴절된다. 두 비임이 프리즘의 서로 반대쪽 외부면에 도달하면 다시 굴절된다.

지금까지 복굴절성 물질으로 만들어진 두 개의 쐐기로 구성된 월러스톤 프리즘에 대해 기술되었지만, 2개 이상의 경사면(oblique planes)으로 결합된 3개 이상의 쐐기를 이용하는 유사한 프리즘을 이용하는 것이 가능하고 또한 때로는 더 유리하다. 이와 같은 경우에도 프리즘의 외부면은 장치의 광중심(optical center)과 직각이다.

간섭계를 이용하여 매우 작은 표면 특징(surface features)을 정확하게 측정하기 위한 몇 가지 방법이 개발되었다. 그러나 이런 방법들에서는 간섭계를 통해 관측할 수 있도록 매우 작은 표면 영역을 제자리에 고정시켜야 하는 정교하고 수고스러운 과정을 거쳐야 하므로 간섭측정법(interferometry)에 의한 검사의 혜택을 입을 부품의 대량 생산 공정의 물질에 적용하기는 어렵다.

개개의 영역을 측정하기 위해 정지하지 않고 비교적 넓은 검사 표면이 검사되도록 주사 공정(scanning process)을 적용하고, 이와 함께 주사 공정 동안 계단상 변화와 결함벽의 각도(slope of defect walls)에 대한 양적인 데이터를 실시간으로 제공하는 방법이 요구된다.

미국 특허 제 5,469,269호에는 검사 대상 표면에 입사하는 한 쌍의 전단 광학 비임(sheared optical beam)을 생성하는 공통 모드 전단 타입 간섭계(common mode shearing type interferometer)가 개시되어 있다. 이 전단 비임은 미세 대물 렌즈(microscopic objective)의 배면 촛점면(rear focal plane)에 실제 분할점(real splitting point)을 투사하는 복합 월러스톤 프리즘(compound Wollaston prism)에 의해 생성된다. 대물 렌즈(objective lens)는 정적 표면 획득(static surface acquisition)에 사용되는 면 어레이 CCD 감지기(area array CCD sensor)와 검사 표면이 대물 렌즈를 통과하도록 이동하거나 주사될 때 동적 표면 획득(moving surface acquisition)에 사용되는 선 주사 CCD 감지기(line scan CCD sensor)에 검사 대상 표면의 일부의 간섭도(interferograms)를 형성한다. 2중 목적 조명 아암(dual-purpose illumination arm)에 의해 정적(면적) 및 동적(주사) 공정에서 요구되는 서로 다른 형태의 조명(illumination)이 제공된다.

주사 과정이 수행되는 동안 간섭계는 선 주사 CCD 감지기 상에 암필드 간섭도(dark field interferogram)를 생성하도록 조정되는데 이때 주사되는 표면의 편평한 부분은 어둡게 나타나고 돌출되거나(raised) 함입된(depressed) 비정상부(anomalies)는 밝은 영역으로 나타난다. 따라서, 주사 과정이 비정상부의 위치를 결정하는 데 어느 정도는 유용하지만 비정상부의 면적이나, 돌출이나 함입 여부 등의 개개의 비정상부의 특징(feature), 높이나 깊이 등은 결정할 수 없다.

한편 정정 모드에서 미국 특허 제5,469,259호의 간섭계를 사용하여 면 어레이 CCD 감지기에 투사된 정적 간섭계 영상(stationary interferometric image)을 분석하면 비정상부의 높이나 깊이와 다양한 세부적인 형태를 용이하게 결정할 수 있다. 이 모드의 단점은 각 비정상부를 검사하는 동안 검사 대상 표면이 움직이지 않도록 유지해야 된다는 것이다. 따라서 측정 및 계산 시간에 비정상부간을 이동하는 거리도 가산되어 각 비정상부의 측정에 0.8초나 소요된다.

따라서 본 발명에서는 검사 샘플의 이동을 멈출 필요 없이 주사하면서 비정상부의 높이와 깊이 측정을 수행하기 위한 비접촉성 광학적 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 간섭계의 단면도.

도 2는 반파 플레이트를 통과하는 코히어런트한 비임의 편광 방향을 도시하기 위해 도 1의 구분선 II-II 부분을 절개하여 도시한 도 1의 간섭계의 반파 플레이트의 평면도.

도 3은 월러스톤 프리즘을 통과하는 레이저 비임의 편광 방향을 도시하기 위해 도 1의 구분선 III-III 부분을 절개하여 도시한 도 1의 간섭계의 월러스톤 프리즘의 평면도.

도 4는 다수의 측정 결과를 결합하여 검사 표면의 비교적 큰 비정상부의 윤곽을 결정하는 과정을 도식적으로 표현한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 간섭계

12 : 검사 표면

16 : 레이저 유니트

20, 30 : 반파 플레이트

24 : 광축

25 : 비편광성 비임 분할기

34 : 월러스톤 프리즘

48 : 우방 서브-비임

50 : 좌방 서브-비임

52 : 대물 렌즈

66, 68 : 광검출기

본 발명의 일면에 따르면, 검사 대상 표면의 윤곽을 결정하기 위한 표면 검사 장치(surface inspection apparatus)가 제공된다. 표면 검사 장치는 레이저, 광학 장치, 편광 비임 분할기(polarizing beamsplitter), 제1 및 제2 광검출기(photodetector)를 포함한다. 레이저는 코히어런트한 선형 편광된 비임을 발생하고, 상기 비임은 광학 장치 내에서 분해되어(decompose) 제1 및 제2 투사된 서브-비임(projected sub-beam)을 형성한다. 제1 투사된 서브-비임은 제1 방향으로 선형 편광되고 제2 투사된 서브-비임은 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 선형 편광된다. 제1 및 제2 투사된 서브-비임은 검사 대상 표면을 따라 서로 이격하여 있는, 검사 대상 표면상의 제1 및 제2 검사점(test spots)으로 투사된다. 제1 및 제2 투사된 서브-비임은 제1 및 제2 검사점에서 반사된 후 단일한 타원형으로 편광된 귀환 비임(elliptically polarized return beam)으로 재결합되고, 이 귀환 비임은 비임 분할기에서 제3 방향으로 편광된 제1 귀환 서브-비임과 제3 방향과 직각을 이루는 제4 방향으로 편광된 제2 귀환 서브-비임으로 분할된다. 제1 및 제2 광검출기는 각각 제1 및 제2 귀환 서브-비임의 강도를 측정한다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 간섭계의 단면도이다. 본 장치에서, 검사 표면(test surface, 12)에 레이저 유니트(laser unit, 16)로부터 투사된 비임(14)이 조사된다. 본 응용 분야에서는 출력 비임의 파장이 532 나노미터(nanometer)인 레이저 유니트를 사용하면 만족스러운 것으로 알려져 있다. 이 비임은 화살표(18)로 표시된 것처럼 수직으로 편광되어 레이저 유니트로부터 출사한다. 반파 플레이트(half-wave plate, 20)가 레이저 비임(14)의 축(22)을 중심으로 회전하여(rotated about the axis) 반파 플레이트를 통해 투사되는 레이저 비임(14)의 수직 편광이 세밀하게 조정된다. 반파 플레이트(20)를 통과한 후, 레이저 비임(22)의 일부는 비편광 비임 분할기(non-polarizing beamsplitter, 25) 내에서 간섭계(10)의 광축(24)을 따라 하방 편향된다(deflected downward). 레이저 비임(14)의 일부는 비임 분할기(25)에서 반사되는 대신 비임 분할기를 통과하여 전달되어서 소모된다(wasted). 화살표(28)로 도시된 것과 같이 수평 편광된(horizontally polarized), 하향 편향된 반사된 레이저 비임(26)은 제2 반파 플레이트(30)를 통과하여 투사된다.

도 2는 제2 반파 플레이트(30)를 통과하는 레이저 비임의 편광 방향을 보이기 위해 도 1의 구분선 II-II 부분을 절개하여 도시한 제2 반파 플레이트(30)의 평면도이다. 선형 편광된 광이 반파 플레이트를 통과하여 전달되면 편광각이 편광 방향과 반파 플레이트의 구성 물질의 결정축(crystal axis)간의 각도의 두배만큼 회전한다. 반파 플레이트(30)의 예에서 각 A로 도시된 것처럼 결정축은 화살표(28)로 표시된 하향 반사된 비임(26) (도 1에 도시됨)의 편광 방향과 22.5도의 각도를 이루고 있다. 따라서, 반파 플레이트(30)를 통과하면 레이저 비임의 편광 방향은 각 B로 표시된 것처럼 45도 회전하여 화살표(32) 방향이 된다.

도 3은 프리즘(34)의 상부를 통과하는 레이저 비임의 편광 방향을 도시하기 위해 도 1의 구분선 III-III 부분을 절개하여 도시한 반파 플레이트(30) 바로 밑에서의 월러스톤 프리즘(34)의 평면도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면 월러스톤 프리즘(34)은, 서로 직각이고 간섭계(1)의 광축(24)에 직각인 결정축(40, 42)을 갖는 결정성 물질로 이루어진 한 쌍의 쐐기형 세그먼트(36, 38)로 구성되어 있다. 따라서 하방 편향된 레이저 비임(26)은 상부 쐐기형 세그먼트(36)의 광축 방향과 45도 각도로 편광되어 월러스톤 프리즘(34)으로 입사하고(enter), 따라서 화살표(28, 44)로 도시된 것처럼 서로 직각인 방향으로 편광된 동일한 강도의 한 쌍의 서브-비임으로 분해된다. 월러스톤 프리즘(34)의 각 세그먼트(36, 38)를 형성하는 결정성 물질은 복굴절성을 가져서 서로 다른 각도로 편광된 광을 다른 방향으로 굴절(refract)시키므로, 월러스톤 프리즘을 거쳐 하방으로 진행하는, 화살표(28, 44)로 도시된 것처럼 서로 직각으로 편광된 두개의 서브-비임은 세그먼트(36, 38)의 경계면(interface, 46)에서 서로 다르게 굴절된다. 일반적으로, 월러스톤 프리즘은 하부면으로부터 출사하는(exiting) 두개의 서브-비임을 편향각(deviation angle)만큼 분리시키는데, 여기에서 편향각은 레이저 비임의 파장과, 쐐기형 부분(36, 38)울 이루는 물질의 굴절 계수(indices of refraction)와 경계면(46)의 기울어진 각도의 함수이다.

일반적으로, 월러스톤 프리즘은 하나 내지 3개의 쐐기 형태의 세그먼트로 구성된다. 하나나 두 개의 세그먼트를 갖는 월러스톤 프리즘에서 서브-비임은 경계면(46)과 같은 표면에서 확산(diverge)되는데 이것을 분할점(split point)이라고 한다. 3개 이상의 세그먼트를 갖는 월러스톤 프리즘에서 서브-비임들은 다시 모아져서, 월러스톤 프리즘과 대물 렌즈 사이의 교차점(cross-over point)에서 서로 교차한다. 교차점이 없는 경우 분할점은 대물 렌즈의 배면 촛점면에 있다. 교차점이 없는 경우, 최종적인 교차점은 대물 렌즈의 배면 촛점면에 있다.

이와 같은 방식으로, 제1 방향으로 편광된 우방 서브-비임(right sub-beam, 48)과 우방 서브-비임(48)과 직각 방향으로 편광된 좌방 서브-비임(left sub-beam, 50)이 형성된다. 두 서브-비임(48, 50)은 모두 대물 렌즈(52)를 통과하여 각각 검사 표면점 (54, 56)에 집속된다. 검사 표면점(54, 56)에서 반사된 후 서브-비임(54, 56)은 다시 대물 렌즈(52)와 월러스톤 프리즘(34)을 거쳐 상향 귀환하여 프리즘(34)의 상부 쐐기형 세그먼트(36)에서 재결합한다. 표면점(54, 56)으로부터 반사되어 되돌아가는 과정에서 편광 방향은 화살표(28, 44)로 표시된 것과 같다.

도 1의 실시예에서 검사 표면점(54)은 검사 표면점(56)의 높이에 비해 돌출되어 있다. 서브-비임들(48, 50)의 경로의 길이가 서로 다르므로 각각의 검사 표면점(54, 56)에 비임이 투사되고 반사되는 데 걸리는 시간이 달라지고 따라서 두 서브-비임(48, 50)이 반사되어 월러스톤 프리즘(34)으로 돌아올 때 위상차(phase-shift)가 발생하게 된다. 이 반사된 서브-비임들이 월러스톤 프리즘(34) 내에서 재결합(recompose)하면 상기 위상차 때문에 타원형으로 편광된 비임이 형성되고 이때 타원의 장축(major axis)과 단축(minor axis)은 월러스톤 프리즘(34)을 구성하는 물질의 결정축(40, 42)과 45도의 각도를 이룬다. 도 3에 재결합된 비임의 편광이 타원(58)으로 도시되어 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면 재결합된 비임이 반파 플레이트(30)를 통과하여 상방으로 전달되면 타원형 편광의 방향이 회전하여, 타원(60)으로 도시된 바와 같이 장축의 방향이 화살표(28)의 방향이 되고 단축의 방향은 그와 직각인 방향이 된다. 타원(60)의 장축과 단축 방향의 상대적 강도는 서브-비임(48, 50)이 검사점(54, 56)으로부터 반사되어 되돌아올 때의 위상 차이에 의해 결정된다.

다시 도 1을 참조하면 재결합된 비임은 반파 플레이트(30)로부터 비편광 비임 분할기(25)로 상향 전달되어 재결합된 비임 중 전달된 일부(62)는 후속하는 측정에 사용되고 비임 분할기(25) 내부에서 반사된 비임의 일부는 사용되지 않는다(discarded). 도 2에 타원(60)으로 도시된 타원형 편광은 유지된다. 비임(62)의 전달된 일부는 편광 비임 분할기(64) 내에서 분할되어 화살표(28)로 표시된 방향으로 편광된 비임(62)의 일부는 제1 광검출기(66)로 전달되고 화살표(44, 도 3에 도시됨)로 표시된 방향으로 편광된 비임(62)의 일부는 제2 광검출기로 반사된다.

각 광검출기(66, 68)의 출력은 대응하는 아날로그 대 디지탈 변환기(70)의 입력으로 제공되고 아날로그 대 디지탈 변환기(70)의 출력은 컴퓨터 프로세서(78)에 입력된다. 이 프로세서(78)는 시스템 메모리(74), 하드파일(hardfile, 76), 표시 유니트(display unit, 72) 등의 종래의 장치에 연결된 종래의 장치이다. 프로세서(78) 내에서 수행될 프로그램은 디스켓(80)으로부터 메모리(74)에 로드된다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 광검출기(66, 68)에서 측정한 비임의 상대적 조사 광도(relative illumination intensities)에 의해 타원(60)으로 도시된 타원형 편광의 장축과 단축 방향의 편광의 상대적 강도를 알 수 있고 따라서 귀환 서브-비임(48, 50) 간의 위상차를 알 수 있다. 이 위상차는 검사점(54, 56)의 상대 높이와 간섭계(10) 내의 파라미터의 함수이다. 반파 플레이트(30)로부터 출사하는 타원형으로 편광된 귀환 비임은 화살표(28) 방향으로 편광된 광을 나타내는 X-벡터 V_x와 화살표(44) 방향으로 편광된 광을 나타내는 Y-벡터 V_y로 수학적으로 분해된다. 이 벡터들의 값은 시간 변수 t의 함수로 다음과 같다.

따라서, X-벡터와 Y-벡터의 크기(amplitude)는 A₀로 같고, 위상각만 다르다. 상기 식에서 ω는 초당 라디안으로(in radians per second) 표시된 레이저 비임의 각주파수(angular frequency)이고,L은 광 경로(light path)의 원래 길이로서 수학식 1 및 수학식 2에서 영향이 동일하므로 중요하지 않고,d는 본 과정에 의해 측정되는 높이차이고,

는 검사점(54, 56)의 높이가 같은 경우 본 장치에서 제공되는 위상각인 원 위상각이고,k는 파수(wave number)로서 다음과 같이 정의된다.

여기에서 λ는 레이저 비임의 파장이다.

수학식의 전개를 단순하게 하기 위해 상기 수학식들을 복소수 표현을 사용하여 변형하면 다음과 같다.

비임 분할기(25)를 통과한 후 타원형으로 편광된 귀환 비임(62)은 편광 비임 분할기(64) 내에서 서브-비임들로 분해된다. 비편광 타입인 비임 분할기(25)가 서로 다른 편광을 동일한 방법으로 처리하고 광검출기(68)에서의 광레벨은 하기 식과 같이 결정되므로 비임 분할기(25)를 통해 전달되는 과정의 손실은 고려되지 않는다.

마찬가지로, 광검출기(66)에서의 광레벨은 다음 식과 같다.

광검출기(68)에서 측정된 광의 강도는

와 그 켤레복소수(conjugate)를 곱함으로서 구할 수 있고 다음 식과 같다.

I₀를 A₀의 자승과 같은 값으로 정의하고, 상기 식의 허수부를 소거하면 상기 식의 실수부는 다음과 같다.

마찬가지로 감지기(66)에서의 비임의 강도는 다음과 같다.

지금까지 반파 플레이트(30)에서 하방으로 향하는 입사 레이저 비임(14)이 반파 플레이트(30)로 입사할 때 화살표(28) 방향으로 완전 편광되었다고 가정하였다. 즉 다음 식이 성립하는 것으로 가정하였다.

보다 실제적인 수학적 모델은 이하와 같다. 다음 식들에서 Γ는 장치의 여러 측면에 따라 달라지는 0과 1사이의 값이다. 레이저로부터 반파 플레이트(30)로 입사하는 입력 비임이 전체적으로 화살표(28)로 표시된 것처럼 x-축 방향으로만 편광된 경우 Γ는 1이다. 이 비임이 전체적으로 화살표(44, 도3에 도시됨)로 도시된 y-축 방향으로만 편광되어 있다면 Γ는 0이다.

상기 조건하에서 광검출기(68)에 충돌하는(impinging) 비임의 광도(illumination intensity) I₁과 광검출기(66)에 충돌하는 비임의 광도 I₂는 다음 식으로 주어진다.

수학식 17 및 수학식 18의 합과 차를 계산함으로써 상기 식을 다음과 같이 단순화할 수 있다.

광도차를 광도합으로 나눔으로서 차분 강도 계수(differential intensity parameter)를 형성한다. 따라서 차분 강도 계수 S는 다음과 같다.

월러스톤 프리즘(34)을 화살표(28) 방향으로 이동시킴으로써 간섭계(10)를 조정하여

을 0, π/2 또는 그 밖의 편리한 값이 되도록 할 수 있다. 예를 들어 평평한 검사 표면(12)을 측정할 경우 두 광검출기(66, 68)의 출력값이 같아지도록 상기 방법으로 조정할 수 있다.

을 -π/2로 설정하면 S는 다음과 같이 표현된다.

상기와 같이 대체함으로서 S는 d와 같은 부호를 갖는다. 수학식 22를d에 대해 풀어 보면 다음과 같다.

상기 수학식은 다음 관계가 만족되는 한 성립한다.

따라서 측정 과정 중에, 프로세서(78) 내에서 프로그램이 수행되어, 광측정기(66, 68)에서 측정된, 수학식에서 I₁과 I₂로 표시된 광도값을 수학식 (22 및 23)에 대입함으로써 수학식에서 d로 표시된 두 검사점(54, 56) 간의 높이차가 결정된다.

상기의 측정과 계산은 바람직하게는 검사 표면(12)의 평평한 부분에 평행한 주사 방향으로 검사 표면(12)을 이동하면서 이루어진다. 도 1의 실시예에서, 검사 표면(12)은 검사되는 디스크(82)의 상부 표면이다. 디스크(82)는 턴테이블(84) 위에 장착되어 있고 턴테이블은 샤프트(shaft, 88)를 중심으로 캐리지(carriage, 86) 상에서 회전하도록 장착되어 있다. 캐리지(86)는 다시 한 쌍의 평행 가이드 샤프트(parallel guide shafts, 90) 상에서 미끄러지도록 장착되어, 캐리지(86)의 내부적으로 끼워진 블럭부(94)와 맞물린 리드스크류(leadscrew, 92)에 의해 구동된다 (The carriage 86 is in turn mounted to slide on a pair of parallel guide shafts 90, being driven by a leadscrew 92, engaging an internally threaded block portion 94 of the carriage 86). 리드스크류(92)는 모터(96)에 의해 구동된다. 턴테이블(84)의 외부 표면과 맞물린 휘일(wheel, 100)을 구동하는 제2 모터(98)를 이용하여 턴테이블(84)의 회전 운동(rotary motion)이 이루어진다. 프로세서(78)에서 수행되는 프로그램 루틴(program routine)에 응답하여, 표면(82)이 기설정된 경로에 따라, 투사된 서브-비임을 지나도록 주사하기 위해 모터(96, 98)가 구동 회로(102)에 의해 구동된다. 주사 과정에서 광검출기(66, 68)의 출력 레벨이 끊임없이 변할 수 있으므로 바람직하게는 출력을 주기적으로 샘플링하여 검사한다. 이 샘플링 과정에서는 강도 측정값의 순간적인 레벨을 구하거나 샘플간 시간 등의 짧은 시간 동안의 강도 레벨을 평균값을 구한다.

본 발명의 바람직한 작동 모드에서, 검사점(54, 56)과 정렬된 방향에 대해 (in the direction aligned with these test points) 검사 표면(12)과 검사점(54, 56) 간의 상대적인 움직임이 형성된다(relative motion is established). 이와 같은 모드에서 장치를 작동시키면, 비정상부의 개개의 세그먼트에 대한 높이 계산 결과를 전부 가산함으로써 상기 비정상부의 전체 윤곽 데이타를 구할 수 있다. 도 1의 실시예에서처럼 검사 표면(12)을 이동시키는 동안 간섭계를 정지시킴으로써, 검사 표면을 정지시키고 간섭계를 이동시킴으로써, 또는 간섭계와 검사 표면을 서로 다른 방향, 예를 들어 서로 직각인 방향으로 이동시킴으로써 상대적 움직임을 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 작동 모드에서, 검사 표면(12)과 검사점(54, 56) 간의 상대적 움직임이 검사점(54, 56)을 연결하는 선에 직각인 방향이 되도록 할 수 있다. 장치를 본 모드에서 작동시킬 때는 개개의 비정상부의 측면의 경사도 검사할 수 있다.

도 4는 상기의 바람직한 실시 모드에서 장치를 작동시킴으로써 검사 표면의 비교적 큰 비정상부의 윤곽을 결정하는 과정을 도식적으로 표현한 도면이다. 검사점(54, 56)간의 거리와 동일한, △x로 표시되는 거리 증가분(incremental distance)을 가로질러 발생하는, △d_j로 표시되는 계산된 높이차 값을 각각의 측정에 의해 얻는다. 예를 들어 일정 속도로 주사될 때, 광검출기(66, 68)의 출력은 △x만큼의 거리를 주사하는데 걸리는 시간 간격으로 샘플링된다. 이 거리는 예를 들어 2 마이크론이다. X_i와 H_i로 각각 표시된, 비정상부의 표면의 측정된 점 i 의 수평(horizontal) 및 수직(vertical) 좌표는 다음 식에 의해 계산된다.

따라서 프로세서(78)에서 수행되는 프로그램은 수학식 25 및 수학식 26을 이용하여 수평 거리와 높이 정보를 계산함으로써 윤곽 획득 기능(profile development function)을 수행한다. "높이"라는 용어를 검사대상 표면(12)의 정상적인 평평한 표면 윗부분의 수직 거리(vertical distance above the nominally flat surface) 또는 비정상부의 상방으로 경사진 부분(upward sloping portion)을 나타내기 위해 사용했지만 이 높이 값이 음수이면 검사 대상 표면(12)의 정상적인 평평한 표면 아래 부분의 수직 거리(vertical distance below the nominally flat surface) 또는 비정상부의 하방으로 경사진 부분(downward sloping portion)을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 측면 분해능(lateral resolution)은 서브-비임의 점크기(sub-beam spot size)와 두 비임간의 분리 거리(separation distance)에 따라 달라진다. 수직 분해능(vertical resolution)은 차분 강도 계수 S의 계산에 포함된 신호 대 잡음비에 따라 달라진다. 이 신호 대 잡음비는 시스템의 안정도, 레이저의 강도와 변동 레벨(fluctuation level), 콘트라스트율(contrast ratio), 암전류(dark current), 잡음 레벨, 광검출기(66, 68)의 감도(sensitivity)에 따라 달라진다. 상기와 같은 종류의 장치를 이용하여 1 나노미터(nanometer)의 수직 분해능을 얻을 수 있다.

비록 본 발명이 다소 특정적으로 양호한 실시 형태 또는 실시예에 의해 기술되었지만, 상기의 기재는 예시적인 것이고 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 부분의 조합과 배열을 포함하여 구조, 제조 및 사용의 세부사항에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면 검사 샘플의 이동을 멈출 필요 없이 주사하면서 비정상부의 높이와 깊이를, 비접촉성 방법에 의해 측정하는 것이 가능하다.

Claims

검사 대상 표면의 윤곽(profile)을 결정하기 위한 표면 검사 장치(surface inspection apparatus)에 있어서,

코히어런트(coherent)하고 선형 편광된 비임을 생성하는 레이저와,

상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임이 제1 및 제2 투사된 서브-비임(projected sub-beams)으로 분해되어 상기 제1 투사된 서브-비임은 제1 방향으로 선형 편광되고 상기 제2 투사된 서브-비임은 상기 제1 방향과 직각인 제2 방향으로 선형 편광되고, 상기 제1 투사된 서브-비임은 상기 검사 대상 표면의 제1 검사점(test spot)에 투사되고 상기 제2 투사된 서브-비임은 상기 검사 대상 표면의 제2 검사점에 투사되며, 상기 제1 및 제2 검사점은 이격된 관계로 상기 검사 대상 표면을 따라 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 투사된 서브-비임은 상기 제1 및 제2 검사점으로부터 반사된 후 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 중간 방향을 향하는 제1 주축 및 상기 제1 주축에 직각인 제2 주축을 가지는 하나의 타원 편광된 귀환 비임(return beam)으로 재결합되는 광학 장치(optical apparatus)와,

상기 타원 편광된 귀환 비임이, 상기 제1 주축을 따라 편광된 부분은 제1 귀환 서브-비임을 형성하고 상기 제2 주축을 따라 편광된 부분은 제2 귀환 서브-비임을 형성하도록 분할되는 편광 비임 분할기(polarizing beamsplitter)와,

상기 제1 귀환 서브-비임의 강도를 측정하는 제1 광검출기(photodetector)와,

상기 제2 귀환 서브-비임의 강도를 측정하는 제2 광검출기와,

제1 루틴을 수행하되, 상기 제1 광검출기로부터의 제1 강도 입력과 상기 제2 광검출기로부터의 제2 강도 입력에 응답하여 작동하고, 상기 제1 및 제2 검사점의 높이차를 표시하는 출력값을 상기 제1 및 제2 강도 입력과 상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임의 파장 및 편광 각도의 함수만으로서 계산하는 제1 루틴이 수행되는 컴퓨터 프로세서

를 포함하는 표면 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 검사 대상 표면과 상기 검사점간의 상대적 움직임을 기설정된 경로에 따라(along a pre-determined path) 형성하기 위한(for establishing) 표면 구동 수단(surface drive means)을 부가적으로 포함하는 표면 검사 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 검사점은 상기 기설정된 경로에 직각인 방향을 따라(extending in a direction perpendicular to said pre-determined path), 상기 이격된 관계로 상기 검사 대상 표면상에 배치되어 있는 표면 검사 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 검사점은 상기 기설정된 경로를 따라, 상기 이격된 관계로 상기 검사 대상 표면상에 배치되어 있는 표면 검사 장치.
제4항에 있어서, 상기 제1 루틴은 순차적으로 결정되는 높이차(subsequently-determined differences in height)를 더하여 총높이(cumulated height)를 구하는 윤곽 획득 기능(profile development function)을 수행하는 표면 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학 장치가

상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임이 상기 제1 및 제2 투사된 서브-비임으로 분해되고, 상기 제1 및 제2 투사된 서브-비임이 상기 제1 및 제2 검사점으로부터 반사된 후 상기 하나의 타원형으로 편광된 귀환 비임으로 재결합되는 월러스톤 프리즘(Wollaston prism)과,

상기 월러스톤 프리즘과 상기 검사 표면 사이에 배치되어(disposed), 상기 제1 투사된 서브-비임을 상기 제1 검사점에 집속시키고(focus) 상기 제2 투사된 서브-비임을 상기 제2 검사점에 집속시키는 대물렌즈(objective lens)

를 포함하는 표면 검사 장치.
제6항에 있어서,

상기 월러스톤 프리즘은, 상기 제1 방향으로 뻗은 결정축을 갖는 제1 세그먼트와 상기 제2 방향으로 뻗은 결정축을 갖는 제2 세그먼트를 포함하고,

상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임은 상기 제1 방향으로 편광되어 상기 광학 장치로 향하게 되고,

상기 광학 장치는 반파 플레이트(half-wave plate)를 더 포함하여, 상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임이 상기 반파 플레이트를 통과하여 상기 월러스톤 프리즘으로 향하게 되고, 상기 반파 플레이트는 상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임의 편광 방향을 상기 제1 및 제2 방향의 중간 방향으로 회전시키는 표면 검사 장치.
검사 대상 표면의 윤곽을 결정하기 위한 프로세스로서,

(a) 상기 검사 대상 표면의 제1 검사점을 제1 방향으로 선형 편광된 제1 투사된 서브-비임에 노출시키고, 상기 검사 대상 표면상의 제2 검사점은 상기 제1 방향과 직각인 제2 방향으로 선형 편광된 제2 투사된 서브-비임에 노출시키며, 상기 제1 및 제2 검사점은 이격된 관계로 상기 검사 대상 표면을 따라 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 투사된 서브-비임은 하나의 코히어런트한 선형 편광된 비임을 분해함으로써 형성되고, 상기 제1 및 제2 투사된 서브-비임은 상기 검사 대상 표면으로부터 반사된 후 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 중간 방향을 향하는 제1 주축 및 상기 제1 주축에 직각인 제2 주축을 가지는 하나의 타원 편광된 귀환 비임으로 재결합되며, 상기 타원 편광된 귀환 비임은 제1 귀환 서브-비임과 제2 귀환 서브-비임으로 분할되고, 상기 귀환 비임 중 상기 제1 주축을 따라 편광된 부분이 상기 제1 귀환 서브-비임을 형성하고, 상기 귀환 비임 중 상기 제2 주축을 따라 편광된 부분이 상기 제2 귀환 서브-비임을 형성하며, 상기 제1 귀환 서브-비임의 강도는 제1 광검출기에서 측정되고, 상기 제2 귀환 서브-비임의 강도는 제2 광검출기에서 측정되는 단계와,

(b) 컴퓨터 설비(computer equipment) 내에서, 상기 제1 광검출기에 의해 측정된 제1 강도와 상기 제2 광검출기에 의해 측정된 제2 강도에 응답하여 상기 제1 및 제2 검사점의 높이차를 상기 제1 및 제2 강도와 상기 코히어런트하고 선형 편광된 비임의 파장 및 편광 각도의 함수만으로서 계산하는 단계

를 포함하는 프로세스.
제8항에 있어서,

상기 (a) 단계는 상기 제1 및 제2 광검출기의 출력을 주기적으로 샘플링하면서, 상기 검사 대상 표면과 상기 검사점의 상대적 움직임과 함께 수행되고,

상기 (b) 단계는 상기 제1 및 제2 광검출기의 출력의 각 샘플에 뒤따라 수행되는 프로세스.
제9항에 있어서,

상기 제1 및 제2 검사점은 상기 상대적 움직임의 경로를 따라 정렬되어 있고,

상기 컴퓨터 설비 내에서 상기 제1 및 제2 검사점간의 상기 높이차의 계산 결과를 더하여 그 총합(accumulative total)을 구하는 단계를 더 포함하는 프로세스.
제1항에 있어서, 상기 검사 대상 표면과 상기 검사점간의 상대적 움직임을 기설정된 경로에 따라 형성하기 위한 표면 구동 수단을 부가적으로 포함하고, 상기 제1 및 제2 검사점은 상기 기설정된 경로를 따라, 상기 이격된 관계로 상기 검사 대상 표면상에 배치되어 있으며, 상기 제1 루틴은 순차적으로 결정되는 높이차를 더하여 총높이를 구하는 윤곽 획득 기능을 수행하는 표면 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 루틴은 상기 높이차를 강도 파라미터의 함수로 계산하며, 상기 강도 파라미터는 상기 제1 강도 입력과 상기 제2 강도 입력을 상기 제1 및 제2 강도 입력의 합으로 나눈 값들 간의 차인 표면 검사 장치.
제1항에 있어서, 상기 함수는 상기 레이저로부터의 빛의 파장을 상수로 나눈 값과, 상기 강도 파라미터의 아크사인(arcsine)을 상기 레이저로부터의 빛의 편광 조건을 반영하는 입력 편광 파라미터로 나눈 값의 곱인 표면 검사 장치.