KR100389566B1 - Synchronized rotating element type ellipsometer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원(10)의 빛을 편광발생기(20)로 편광시킨 다음 시편(S)에 입사시키고, 반사되어 나오는 편광을 편광분석기(30)로 통과시킨 다음 검출기(40)에서 편광을 검출하는 타원해석기에 있어서: 상기 편광발생기(20) 및 편광분석기(30)의 회전위치를 인터페이스(50)로부터 입력하여 그 회전각이 상호 동기되도록 각각의 모터에 출력하는 컴퓨터(60)가 구비되는 것을 특징으로 한다.The present invention polarizes the light of the light source 10 with the polarization generator 20 and then enters the specimen (S), passing the reflected polarization through the polarization analyzer 30 and then detect the polarization in the detector 40 In the elliptic analyzer: a computer 60 for inputting the rotation position of the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 from the interface 50 and outputting to the respective motors so that their rotation angles are synchronized with each other is provided. It is done.

이에 따라, 편광발생기와 편광분석기를 동일한 회전각을 가지도록 동기화시켜 캘리브레이션 과정을 생략함에 따라 장비 운용상의 시간적 손실을 줄이고 실험오차를 방지하는 효과가 있다.Accordingly, the polarization generator and the polarization analyzer are synchronized to have the same rotation angle, thereby eliminating the calibration process, thereby reducing the time loss in equipment operation and preventing the experimental error.

Description

동기화된 회전요소형 타원해석기{Synchronized rotating element type ellipsometer}Synchronized rotating element type ellipsometer

본 발명은 동기화된 회전요소형 타원해석기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 편광발생기와 편광분석기를 동일한 회전각을 가지도록 동기화시켜 캘리브레이션과정을 생략함에 따라 장비 운용상의 시간적 손실을 줄이고 실험오차를 방지하는 동기화된 회전요소형 타원해석기에 관한 것이다.The present invention relates to a synchronized rotation element type ellipsometer, and more particularly, by synchronizing the polarization generator and the polarization analyzer to have the same rotation angle, eliminating the calibration process, thereby reducing time loss in equipment operation and preventing experimental errors. A synchronized elliptic solver with synchronized elements.

도 1은 일반적인 편광의 원리를 나타내는 예시도가 도시된다.1 shows an exemplary view illustrating the principle of general polarization.

왼쪽은 편광이 안된 빛이고 오른 쪽은 편광이 이루어진 빛이다. 왼쪽의 화살표처럼 편광이 안된 빛의 경우 전기장의 진동 방향이 전체적으로 방향성이 없다. 빛의 경로상에 배치되는 편광기에서 화살표는 편광축으로 입사하는 빛 중 그 전기장이 동일한 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 것을 나타낸다. 따라서 오른쪽으로는 편광축과 같은 방향으로만 진동하는 선형 편광된 빛이 생성된다.The left side is unpolarized light and the right side is polarized light. In the case of non-polarized light, such as the arrow on the left, the direction of vibration of the electric field is not direct. In polarizers placed on the path of light, the arrow indicates that only the light that vibrates in the same direction among the light incident on the polarization axis passes. Thus, to the right, linearly polarized light is generated that oscillates only in the same direction as the polarization axis.

한편 타원해석법(ellipsometry)은 19세기 말 반사광의 위상이 얇은 막의 존재에 극히 예민하게 변화함이 실적으로 알려진 후 여러 학자의 연구를 거쳐 박막 관련 연구에 사용되기 시작하였다. 이에 응용되는 기본식들은 맥스웰(Maxwell) 방정식으로부터 유도되는 것으로 광파의 계면에서의 경계치 조건을 반사광의 편광 상태와 연결하여 적용함으로써 그 관계식을 유도할 수 있다. 80년대 초반까지는 타원해석기가 3상계 이상의 다중 박막의 경우에 단색광만을 사용함으로써 기저층이 불확실할 때의 분석의 제한이나 박막 수의 제한 때문에 쉽게 적용되지 못하였으나, PC의 발달과 부단한 기술개발로 분광 능력이 갖추어진 분광 타원해석기(Spectroscopic Ellipsometer, SE)가 개발되었다.Ellipsometry, on the other hand, began to be used in research on thin films after studies by several scholars, as it was known that the phase of reflected light changed extremely sensitive to the presence of thin films at the end of the 19th century. The basic equations applied thereto are derived from the Maxwell equation, and the relational expression can be derived by applying the boundary condition at the interface of the light wave to the polarization state of the reflected light. Until the early 80s, elliptical analyzers were not easily applied due to the limitation of analysis when the base layer was uncertain or the number of thin films by using only monochromatic light in the case of multiple thin films of three phases or more. This equipped spectroscopic ellipsometer (SE) was developed.

이와 같은 타원해석기로는 선편광된 입사광에 대한 반사광의 편광 상태가 측정되며, 광학장비가 지닌 비파괴성, 비교란성 등의 이점을 살려 독자적으로 또는 다른 장비와 연계하여 표면 및 박막 연구에 널리 활용된다.Such an elliptical analyzer measures the polarization state of reflected light with respect to linearly polarized incident light, and is widely used for surface and thin film research independently or in conjunction with other equipment, taking advantage of non-destructiveness and non-destructiveness of optical equipment.

이때 타원해석기에는 편광발생기와 편광분석기가 구비되며 이 중 하나를 회전시키면서 시편에서 반사된 빛의 편광상태를 분석하는 타원해석기를 회전요소형 타원해석기라고 한다. 회전에 의해 발생하는 밝기 신호의 시간적 변화를 분석하면 타원해석기 데이터를 구하는 것이 가능한데, 종래 기술에서처럼 편광발생기나 편광분석기 중 하나의 위치각 Θ를 변화시킬 때 그에 따라 변하는 밝기 신호 I(Θ)는 다음과 같이 삼각함수 파형으로 표현이 된다.At this time, the elliptical analyzer is provided with a polarization generator and a polarization analyzer, and the elliptical analyzer for analyzing the polarization state of the light reflected from the specimen while rotating one of them is called a rotary element type elliptic analyzer. By analyzing the temporal change of the brightness signal generated by rotation, it is possible to obtain ellipsometer data. As in the prior art, when the position angle Θ of either the polarizer or the polarizer is changed, the brightness signal I (Θ) that changes accordingly becomes It is expressed as a trigonometric waveform as

타원해석기 데이터는 이 밝기 신호를 분석하여 그 변화를 나타내는 계수인 상기 식 내의 B와 C로부터 구해진다.Elliptic analyzer data is obtained from B and C in the above equation, which are coefficients representing the change by analyzing the brightness signal.

그런데 이 두 값들은 편광발생기와 편광분석기 편광축의 측정 시점에 있어서의 위치각에 의존하는 값이기 때문에 이 두 위치각을 찾는 캘리브레이션 과정이 필요하게 되고 이에 따라 측정시간이 길어지고 정확도가 저하되는 문제점이 초래된다.However, since these two values depend on the position angle at the time of measurement of the polarization axis of the polarization generator and the polarization analyzer, a calibration process for finding these two position angles is required, which leads to a long measurement time and a decrease in accuracy. Caused.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 편광발생기와 편광분석기를 동일한 회전각을 가지도록 동기화시켜 캘리브레이션 과정을 생략함에 따라 장비 운용상의 시간적 손실을 줄이고 실험오차를 방지하는 동기화된 회전요소형 타원해석기를 제공한다.Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, and by synchronizing the polarization generator and the polarization analyzer to have the same rotation angle to eliminate the calibration process, the synchronized rotation to reduce the time loss in equipment operation and to prevent experimental errors Provides an element elliptical analyzer.

도 1은 일반적인 편광의 원리를 나타내는 예시도,1 is an exemplary view showing the principle of general polarization,

도 2는 본 발명에 따른 동기화된 회전요소형 타원해석기의 구조를 나타내는 개념도,2 is a conceptual diagram showing a structure of a synchronized rotary element type ellipsometer according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 캘리브레이션 과정을 나타내는 개념도.3 is a conceptual diagram illustrating a calibration process according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

10 : 광원 20 : 편광발생기10: light source 20: polarization generator

30 : 편광분석기 40 : 검출기30: polarization analyzer 40: detector

50 : 인터페이스 60 : 컴퓨터50: interface 60: computer

20a, 30a : 편광축 Θ : 위치각20a, 30a: polarization axis Θ: position angle

S : 시편 Sa : 입사면S: Specimen Sa: Entrance face

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광원(10)의 빛을 편광발생기(20)로편광시킨 다음 시편(S)에 입사시키고, 반사되어 나오는 편광을 편광분석기(30)로 통과시킨 다음 검출기(40)에서 편광을 검출하는 타원해석기에 있어서: 상기 편광발생기(20) 및 편광분석기(30)의 회전위치를 인터페이스(50)로부터 입력하여 그 회전각이 상호 동기되도록 각각의 모터에 출력하는 컴퓨터(60)가 구비되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve this object, the present invention polarizes the light of the light source 10 with the polarization generator 20 and then enters the specimen S, passes the reflected polarized light through the polarization analyzer 30, and then detects the detector 40. In the elliptic analyzer for detecting the polarization at the ()): Computer 60 for inputting the rotation position of the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 from the interface 50 and outputs to each motor so that the rotation angle is mutually synchronized ) Is characterized in that it is provided.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 편광발생기(20) 및 편광분석기(30)는 각각의 모터 대신 하나의 모터를 사용하고 기구적으로 연동되도록 연결된다.As another feature of the present invention, the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 are connected to each other and mechanically interlocked by using one motor instead of each motor.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 검출기(40)는 분광 측정을 위한 CCD(charge coupled device) 또는 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 이용하여 다중 채널로 운용된다.As another feature of the present invention, the detector 40 is operated in multiple channels using a charge coupled device (CCD) or photodiode array for spectroscopic measurements.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 동기화된 회전요소형 타원해석기의 구조를 나타내는 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 캘리브레이션 과정을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing a structure of a synchronized rotary element type ellipsometer according to the present invention, Figure 3 is a conceptual diagram showing a calibration process according to the present invention.

본 발명은 광학분석장비의 일종으로서, 특정 편광상태를 가지고 있는 빛을 시편에 입사시킨 뒤 그 반사된 빛의 변화된 편광상태를 분석함으로써 시편이 지니고 있는 광학적 정보를 수집하는 타원해석기술(ellipsometry)을 실현하기 위한 회전요소형 타원해석기에 관련된다.The present invention is a type of optical analysis equipment, which induces an ellipsometry that collects optical information of a specimen by injecting light having a specific polarization state into the specimen and analyzing the changed polarization state of the reflected light. Related to the rotating element type elliptic analyzer for realization.

본 발명에 관련되는 동기화된 회전요소형 타원해석기는 광원(10)과, 상기 광원(10)에서 나온 빛을 편광시키면서 회전하는 편광발생기(20)와, 상기편광발생기(20)에서 나온 편광된 빛이 입사되는 측정 대상물인 시편(S)과, 상기 시편(S)에서 반사되어 나온 편광을 분석하는 편광분석기(30)와, 상기 편광분석기(30)를 통과한 빛을 검출하는 검출기(40)로 구성된다.The synchronized rotating element type ellipsometer according to the present invention is a light source 10, a polarization generator 20 that rotates while polarizing light emitted from the light source 10, and polarized light emitted from the polarization generator 20. The incident specimen to be measured (S), the polarization analyzer 30 for analyzing the polarization reflected from the specimen (S) and the detector 40 for detecting the light passing through the polarization analyzer (30) It is composed.

광원(10)은 He-Ne 레이저, 제논등을 사용하는 것이 가능하다.The light source 10 can use a He-Ne laser, xenon, or the like.

편광발생기(20)에는 선형편광을 시키는 편광기(polarizer)의 단독 구성 또는 편광기와 빛의 위상을 바꾸는 보상기(compensator)의 조합 구성이 있다. 편광축은 편광기(polarizer)를 통과한 빛의 전자기파가 진동하는 방향에 해당하는 편광기의 방향 또는 보상기(compensator)가 가진 두 축 중의 하나를 의미한다.The polarization generator 20 includes a single configuration of a polarizer for linearly polarized light or a combination configuration of a polarizer and a compensator for changing a phase of light. The polarization axis refers to one of two axes of a polarizer or a compensator corresponding to a direction in which electromagnetic waves of light passing through the polarizer vibrate.

검출기(detector)(40)는 주로 PMT(photomultipler tube)나 실리콘 검출기(silicon detector)를 사용하는데 본 발명에서는 CCD 또는 포토다이오드 어레이(photodiode array)에 의한 다중채널 방식이 적절하다.The detector 40 mainly uses a photomultipler tube (PMT) or a silicon detector. In the present invention, a multichannel method using a CCD or a photodiode array is suitable.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 타원 해석기에서 편광발생기(20)와 편광분석기(30)는 모터 구동회로, A/D 컨버터 등을 포함하는 인터페이스(50) 및 그와 연결되는 컴퓨터(60)에 의해 동일한 회전각을 유지한 채 회전이 된다. 광원(10)에서 나온 빛은 일정 각속도로 회전하는 편광발생기(20)를 통과하면서 특정 편광상태를 가진 빛이 된다. 이 빛은 측정하고자 하는 시편(S)에서 반사되면서 다시 편광 상태가 변한 뒤 상기 편광발생기(20)와 같은 위치각으로 회전하는 편광분석기(30)를 통과한다. 이때 편광분석기(30)는 특정방향으로 편광된 빛만 통과시키고 그 빛의 밝기가 검출기(40)에 의해 전기적 신호로 변환된다. 전기적 신호는 인터페이스(50)의 A/D(analogue-to-digital) 컨버터에 의해 수치화되고 컴퓨터(60)에 입력되면 파형이 분석되어 시편(S)의 광학적 특성이 구해진다.2, in the elliptic analyzer according to the present invention, the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 may include an interface 50 including a motor driving circuit, an A / D converter, and the like, and a computer 60 connected thereto. The rotation is maintained while maintaining the same rotation angle. The light emitted from the light source 10 passes through the polarization generator 20 rotating at a constant angular velocity and becomes light having a specific polarization state. The light is reflected by the specimen (S) to be measured and then changes in polarization again and passes through the polarization analyzer 30 which rotates at the same position angle as the polarization generator 20. At this time, the polarization analyzer 30 passes only the light polarized in a specific direction and the brightness of the light is converted into an electrical signal by the detector 40. The electrical signal is digitized by an analog-to-digital (A / D) converter of the interface 50 and input to the computer 60 to analyze the waveform to obtain the optical properties of the specimen S.

도 3을 참조하면, 종래 기술의 경우 시편(S)에 수직인 면이 입사면(Sa)으로 할 때 상기 입사면(Sa)을 기준으로 측정한 편광발생기(20)와 편광분석기(30)의 편광축(20a)(30a)의 위치각(Θ)을 알아야 측정이 가능하게 된다. 이 두 위치각을 알아내기 위해서 두 장치 중에서 하나의 편광축을 입사면(Sa) 근처에서 0.5도 내지 1도씩 움직여 가며 약 20회 측정한 뒤 그 측정값의 입사면에 대한 대칭성을 이용하여 각각 위치각(Θ)을 찾아내는 캘리브레이션 과정이 필요하다.Referring to FIG. 3, in the prior art, when the plane perpendicular to the specimen S is the incident surface Sa, the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 measured based on the incident surface Sa are referred to. The position angle Θ of the polarization axes 20a and 30a needs to be known to enable measurement. To determine these two position angles, one polarization axis of the two devices is measured about 20 times by moving 0.5 ° to 1 degree near the incident plane Sa, and then the position angles are measured using the symmetry of the incident plane. A calibration process is needed to find (Θ).

그러나 전술한 바와 같이, 종래에는 이 과정이 실제 측정에 앞서 선행되는데 입사면 근처를 20회 정도 훑어가며 측정해야 하므로 많은 시간적 소모를 초래할 뿐 아니라 이 과정에서 발생하는 실험적 오차는 나중에 측정하게 되는 타원해석기 측정결과에 영향을 미치게 된다.However, as described above, this process is preceded by the actual measurement in the prior art, and the measurement should be performed by sweeping around the entrance surface about 20 times, which not only incurs a lot of time, but also an elliptical analyzer in which the experimental error occurring in the process is measured later. This will affect the measurement results.

본 발명은 이와 같은 캘리브레이션 과정이 필요없는 회전요소형 타원해석기로서 편광발생기(20)와 편광분석기(30)의 회전각 동기화에 기인한다. 즉, 편광발생기(20)와 편광분석기(30)의 위치각 Θ를 회전시키면, 위치각에 따라 변하는 밝기 신호 I(Θ)는 다음과 같이 표현이 된다.The present invention is due to the rotation angle synchronization of the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 as a rotating element type ellipsometer which does not require such a calibration process. That is, when the position angle Θ of the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 is rotated, the brightness signal I (Θ) which changes according to the position angle is expressed as follows.

이 밝기 신호를 분석하여 그 변화를 나타내는 계수인 상기 식의 B, C, D, E를 구하는데, 이 네가지 값들은 편광발생기(20)와 편광분석기(30)의 편광축(20a)(30a)의 위치각(Θ)에 의존하는 값이나 본 발명의 경우 이들 각각의 계수를 이용하는 것이 아니고, 타원해석기 데이터는과의 값으로부터 구해지며 이 두 값과은 편광발생기와 편광분석기 편광축의 위치각에 무관한 값이다. 따라서 위치각(Θ)을 찾아야 하는 캘리브레이션 과정이 불필요하게 된다.The brightness signal is analyzed to obtain B, C, D, and E in the above equations, which are coefficients representing the change, and these four values are obtained by The value depending on the position angle Θ or in the present invention does not use each of these coefficients. and Is the value of these two values and Is a value independent of the position angle of the polarization axis of the polarization generator and the polarization analyzer. Therefore, the calibration process of finding the position angle Θ is unnecessary.

이와 같은 본 발명에 의하면 광학 부품의 위치각을 찾아야 하는 캘리브레이션 과정이 필요가 없게 되어 캘리브레이션 과정에 따르는 장비 운용상의 번거러움과 시간적 손실을 줄이고 또한 캘리브레이션 과정에 따르는 실험오차를 배제할 수 있어 더욱 정확한 측정이 가능하게 된다.According to the present invention, there is no need for a calibration process to find the position angle of the optical component, thereby reducing the cumbersome and time-consuming loss of equipment operation according to the calibration process, and also eliminating the experimental error caused by the calibration process. It becomes possible.

한편, 본 발명의 변형예로서, 편광발생기(20)와 편광분석기(30)에 각각의 모터를 설치하는 대신 편광발생기(20)와 편광분석기(30)를 기구적으로 연결하고 하나의 모터를 설치하여 동시에 구동하는 것도 가능하다. 이 경우 기구적 구성이 복잡화되기는 하지만 신뢰성있는 회전각 동기화를 구현할 수 있다.Meanwhile, as a modification of the present invention, instead of installing each motor in the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30, the polarization generator 20 and the polarization analyzer 30 are mechanically connected and one motor is installed. It is also possible to drive at the same time. In this case, although the mechanical configuration is complicated, reliable rotation angle synchronization can be realized.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 편광발생기와 편광분석기를 동일한 회전각을 가지도록 동기화시켜 캘리브레이션 과정을 생략함에 따라 장비 운용상의 시간적 손실을 줄이고 실험오차를 방지하는 효과가 있다.According to the above configuration and operation, the present invention synchronizes the polarization generator and the polarization analyzer to have the same rotation angle, thereby eliminating the calibration process, thereby reducing time loss in equipment operation and preventing experimental errors.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, such modifications or variations will have to belong to the claims of the present invention.

Claims (3)

광원(10)과;A light source 10; 상기 광원(10)으로부터 나온 빛을 편광시켜 시편(S)으로 입사시키는 편광발생기(20)와;A polarization generator 20 which polarizes the light emitted from the light source 10 and enters the specimen S; 시편(S)에서 반사되어 나온 편광을 분석하는 편광분석기(30)와;A polarization analyzer 30 for analyzing polarized light reflected from the specimen S; 상기 편광분석기(30)를 통과한 빛의 밝기를 검출하는 검출기(40)와;A detector 40 for detecting the brightness of the light passing through the polarization analyzer 30; 상기 검출기(40)로부터의 신호를 전달받아 수치화하고 분석을 행하는 인터페이스(50) 및 컴퓨터(60); 를 포함하여 이루어져 있으며,An interface 50 and a computer 60 for receiving the signals from the detector 40 to quantify and analyze the signals; It consists of, 상기 편광발생기(20) 및 상기 편광분석기(30)는 각각의 회전 구동수단에 의해 서로 동일한 회전각을 가지도록 동기화된 상태에서 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 동기화된 회전요소형 타원해석기.The polarization generator (20) and the polarization analyzer (30) are synchronized rotation element type ellipsometer, characterized in that the rotation is driven in a synchronized state to have the same rotation angle with each other by the rotation drive means. 광원(10)과;A light source 10; 상기 광원(10)으로부터 나온 빛을 편광시켜 시편(S)으로 입사시키는 편광발생기(20)와;A polarization generator 20 which polarizes the light emitted from the light source 10 and enters the specimen S; 시편(S)에서 반사되어 나온 편광을 분석하는 편광분석기(30)와;A polarization analyzer 30 for analyzing polarized light reflected from the specimen S; 상기 편광분석기(30)를 통과한 빛의 밝기를 검출하는 검출기(40)와;A detector 40 for detecting the brightness of the light passing through the polarization analyzer 30; 상기 검출기(40)로부터의 신호를 전달받아 수치화하고 분석을 행하는 인터페이스(50) 및 컴퓨터(60); 를 포함하여 이루어져 있으며,An interface 50 and a computer 60 for receiving the signals from the detector 40 to quantify and analyze the signals; It consists of, 상기 편광발생기(20) 및 상기 편광분석기(30)는 하나의 회전 구동수단에 의해 서로 동일한 회전각을 가지도록 기구적으로 연동되어 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 동기화된 회전요소형 타원해석기.The polarization generator (20) and the polarization analyzer (30) are synchronized rotation element type ellipsometer, characterized in that the rotational drive is mechanically linked to have the same rotation angle with each other by one rotation drive means. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 검출기(40)는 분광 측정을 위한 CCD(charge coupled device) 또는 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 이용하여 다중 채널로 운용되는 것을 특징으로 하는 동기화된 회전요소형 타원해석기.The detector 40 is a synchronized rotation element type ellipsometer, characterized in that it is operated in multiple channels using a charge coupled device (CCD) or photodiode array (spectral measurement) for spectroscopic measurements.
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