KR100732118B1 - 회전 보상기형 외축 타원 해석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 보상기형 외축 타원 해석기에 관한 것으로, 시편 특성을 분석하는 회전 보상기형 외축 타원 해석기는 상기 시편을 향해 광을 조사하는 광원부와. 상기 시편과 광원부 사이에 일렬로 위치하여 입사된 광을 그에 평행한 성분과 소정 각도로 굴절된 성분으로 분할시키는 편광 광학부와, 상기 시편에서 반사되어 편광 광학부에서 편광 및 굴절된 광의 성분을 측정하기 위한 검출기로 구성되어 있다.

상기와 같은 발명은 일직선 외축형의 실현으로 기존의 구조에 의해 크기를 최소화하고 이동성을 확보하였다.

광원부, 시편, 보상기, 타원 해석기 기술, 편광기

Description

회전 보상기형 외축 타원 해석기 {ROTATION COMPENSATOR TYPE SINGLE ARM ELLIPSOMETER}

도 1은 일반적인 타원 해석기를 보여주는 개략 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 회전 보상기형 외축 타원 해석기를 나타낸 개략 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 편광 광학부를 통해 광이 진행하는 경로를 나타낸 단면도이다.

< 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10, 100: 광원부 12: 편광 발생기

14, 114: 시편 16, 116: 시편 장착대

18: 편광 분석기 20, 120: 검출기

22: 광학대 124: 편광 광학부

126: 회전 장치 128: 보상기

130: 입사된 광

132: 입사된 광과 진행 방향이 같은 성분 134: 굴절된 성분

136: 반사된 광

138: 반사된 광과 진행 방향이 같은 성분 140: 굴절된 성분

본 발명은 타원 해석기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 편광 광학계를 입사부와 검출부로 중복 사용할 수 있는 회전 보상기형 외축 타원 해석기에 관한 것이다.

타원 해석법(ellipsometry)은 19세기 말부터 사용되었는데, 타원 해석 기술은 물질에 입사된 광이 매질의 표면에서 반사나 투과 후 그 매질의 굴절률이나 두께에 따라 광의 편광 상태가 변화하는 성질을 이용하여 물질의 광학적인 특성을 조사하는 분석법이다. 구체적으로, 광을 시편에 입사시킨 후, 그에 반사된 광의 편광 상태를 분석하여 시편이 지닌 광학적 성질 또는 박막의 경우 그 두께를 추출하는 광학 기술을 말한다. 이러한 분석을 위한 장비를 타원 해석기(ellipsometer)라고 한다.

타원 해석기는 널링(nulling)형과 포토매트릭(photometric)형과 간섭계(interferometric)형으로 분류된다. 특히, 포토매트릭형은 다시 위상 변이형과 편광자 및 분석 시편을 회전시키는 회전 요소형으로 세분된다. 이 중에서 회전 요소형의 타원 해석기는 비교적 간단한 구조와 데이터의 정확성으로 가장 많이 이용되고 있다. 즉, 시편이 비등방성인 경우에 시편을 회전시키면서 시편의 방향에 따른 타원 해석값을 측정함으로써 비등방성인 시편의 광학 정보를 측정할 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 타원 해석기를 보여주는 개략 사시도이다.

도면을 참조하면, 시편의 광학적 특성을 측정하기 위한 타원 해석기는 광원(10)과, 광원(10)에서 나온 광을 편광시키는 편광 발생기(12)와, 편광된 광이 입사되는 측정 대상물인 시편(14)과, 시편(14)이 장착되는 시편 장착대(16)와, 시편(14)으로부터 반사되어 나온 편광을 분석하는 편광 분석기(18)와, 편광 분석기(18)를 통과한 광을 검출하는 검출기(20)와, 시편을 중심으로 회전 가능한 광학대(22)로 구성된다.

광원(10)은 방향성이 없는 일반적인 광을 발광한다.

편광 발생기(12)는 광원과 시편 사이에서 광의 경로상에 배치되며, 광원(10)에서 나온 광이 편광 발생기(12)를 통하면, 특정 방향성을 갖는 편광으로 변하게 하는 역할을 한다.

편광 발생기(12)로 통과한 광은 시편(14)을 통해 반사되면서 편광 상태가 변하게 된다. 편광 상태가 변한 광은 편광 분석기(18)가 수용하여 특정 방향으로 편광된 광만 통과시킨다.

검출기(20)는 편광 분석기(18)를 통과한 광을 파장별로 검출하여 검출된 신호를 컴퓨터 등으로 보내어 파형을 분석하고 시편의 등방성인 광학정보를 분석하도록 한다.

광학대(22)는 시편으로 입사하는 입사광과 그로부터 반사된 반사광의 각을 조절하기 위하여 광원(10)과 시편 장착대(16) 사이에 설치된 제 1 축(22a)과 시편 장착대(16)와 검출기(20) 사이에 설치된 제 2 축(22b)을 일정 각도로 회전시킬 수 있게 한다.

상기 장치의 구동을 살펴보면, 광원(10)에서 나온 광이 편광 발생기(12)를 통해 특정 방향성을 갖는 편광을 갖고 시편(14)으로 입사하면, 시편(14)을 통해 반사된다. 시편(14)으로부터 반사된 특성이 변화된 편광을 편광 분석기(18)가 또 다른 특정 방향으로 편광된 광을 통과시킨 후, 통과한 광을 검출기(20)에서 검출하게 된다.

검출된 신호는 도시되지 않은 컴퓨터 등을 통하여 파형을 분석하고 시편(14)이 가지고 있는 등방성인 광학 정보가 분석된다.

그러나, 표면 비등방성 광학 정보를 측정하기 위해서는 시편을 일정 각도로 회전시키면서 측정 과정을 수십 회 반복하는 과정이 필요하다. 따라서, 측정 시간이 많이 소요되고 시편을 회전해야 하는 단점이 있다. 특히 LCD 패널과 같은 대형 시편의 경우에는 회전 자체가 불가능하다.

따라서, 이를 극복하기 위해서는 광학대 사이의 양축간의 각을 0도로 하여 비등방성 광학 정보를 측정할 수 있다. 하지만, 광부품이 지닌 크기 때문에 광학대 양축이 완전히 포개질 수가 없어 양 광학대 사이에는 10도 정도의 각을 지니게 되어 오차를 유발한다.

또한, 상기의 두 경우 모두 정확한 측정을 위해서 메인 측정에 앞서 편광 발생기와 편광 분석기의 광축과 시편의 광축 사이의 각을 찾아내어야 하는 캘리브레이션 과정을 포함하는 선행 측정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 일체 형 구조를 갖는 회전 보상기형 외축 타원 해석기를 제공함을 목적으로 한다.

또한, 시편을 회전하지 않으면서도 비등방성 광학 정보를 측정할 수 있는 회전 보상기형 외축 타원 해석기를 제공함을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 시편의 특성을 분석하는 회전 보상기형 외축 타원 해석기로서, 상기 회전 보상기형 외축 타원 해석기는 시편을 향해 광을 조사하는 광원부와, 상기 시편과 광원부 사이에 일렬로 위치하여 입사된 광을 그에 평행한 성분과 소정 각도로 굴절된 성분으로 분할시키는 편광 광학부와, 상기 시편에서 반사되어 편광 광학부에서 편광 및 굴절된 광의 성분을 측정하기 위한 검출기로 구성되어 있다.

상기 편광 광학부와 시편 사이에는 보상기가 구비된다. 상기 보상기는 비스듬이 장착되어 있으며, 상기 보상기를 시편의 수직축에 대해 회전시키는 회전 장치를 포함한다.

시편 특성을 분석하는 방법은 광원으로부터의 광을 편광시키고 그에 평행한 성분과 소정 각도로 굴절된 성분으로 분할하는 제 1 단계와, 상기 평행한 성분의 광을 시편에 입사하여 반사시키는 제 2 단계와, 상기 반사된 광을 편광 광학부를 통해 편광 및 굴절시키는 제 3 단계와, 상기 편광 광학부로부터 굴절된 편광을 검출하는 제 4 단계로 이루어져 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 외축형 타원 해석기에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 회전 보상기형 외축 타원 해석기를 나타낸 개략 단면도이다.

도면을 참조하면, 회전 보상기형 외축 타원 해석기는 시편(114)을 장착하는 시편 장착대(116)와, 시편(114)을 향해 광을 조사하기 위한 광원부(100)와, 시편(114)과 광원부(100) 사이에 일렬로 위치하여 입사된 광을 그에 평행한 성분과 소정각도로 굴절된 성분으로 분할시키는 편광 광학부(124)와, 편광 광학부(124)를 통과한 광의 광축에 대해 비스듬히 장착된 보상기(128)와, 상기 보상기(128)를 광경로 방향을 축으로 회전시키는 회전 장치(126)와, 시편(114)과, 편광 광학부(124)를 거친 광을 검출하기 위한 검출부(120)로 구성되어 있다. 이와 같은 부품들, 즉 검출부(120)를 제외한 부품들은 동일축선 상에 즉 외축형으로 정렬되어 있다.

광원부(100)는 단파장을 사용할 수 있고 그에 의해 발광되는 광은 편광 광학부(124)를 향해 진행한다. 분광 측정을 위해 할로겐 램프, 제논방전 램프 또는 중수로 램프를 광원으로 사용할 수 있다.

편광 광학부(124)는 광원부(100)로부터 발생된 광을 특정 방향으로 편광시켜 시편(114)로 보내고, 시편(114)으로부터 반사된 광을 다시 굴절 및 특정 방향으로 편광시키는 역할을 한다.

회전 장치(126)는 일정 각도로 기울어진 보상기(126)를 편광 광학부(124)를 통과한 광의 광축에 대해 회전시키는 역할을 한다. 즉, 회전 장치가 회전함으로써, 일정 각도로 기울어진 보상기(126) 양쪽 표면에서의 반사된 반사 광의 방향을 조절하여, 검출에 영향을 미치지 않게 한다.

보상기(128)는 시편(114)이 지닌 약한 비등방성 광학 정보를 측정할 수 있어 민감도를 향상시킬 수 있다. 즉, 시편(114)에서 반사된 선편광에 가까운 약한 타원 편광을 둥근 타원 편광으로 만들어 측정 감도를 높인다.

시편(114)에 입사하여 편광된 광은 시편(114)의 물리적 성질에 의해 편광 상태가 변하게 되고 다시 보상기(128)를 향해 반사된다. 시편에는 LCD, PDP 패널과 같은 대면적 기판이 사용될 수 있다.

검출부(120)는 편광 광학부(124)의 측면에 설치되며, 편광 광학부(124)에서 굴절된 광을 검출하기 위한 광검출 센서로서 단파장 측정을 위해 단일 검출기를 사용할 수 있고 분광 측정을 위해 CCD(Charge Coupled Device) 또는 포토다이오드 어레이(Photodiode Array) 등의 다중채널 검출기를 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 편광 광학부를 통해 광이 진행하는 경로를 나타낸 단면도이다.

광원부(100)로부터 입사된 광(130)은 편광 광학부(124)에서 입사된 광(130)과 진행 방향이 같은 성분(132)과, 입사된 광(130)과 굴절된 성분(134)으로 나누어진다. 또한, 시편(114)을 통해 반사되어 나온 광(136)은 시편(114)을 통해 반사된 광(136)과 진행 방향과 같은 성분(138) 및 굴절된 성분(140)으로 분리된다.

종래에는 광원부로부터 입사된 광이 편광 광학부를 통과하면, 입사된 광과 진행 방향이 같은 성분과, 시편을 통한 반사된 광과 평행한 성분만을 이용할 수 있도록 되어 있다. 또한, 입사된 광과 진행 방향이 같은 성분과 평행한 성분 외에는 편광 광학부를 둘러싸고 있는 도시되지 않는 튜브 속에 메워진 흡수용 수지에 의해 흡수되도록 되어 있다. 이는 필요 없는 광의 성분을 흡수시킴으로써 다른 물질을 통해 반사되어 장치에 영향을 주지 않도록 하기 위함이다.

그러나, 본 발명에서는 광원부로부터 입사된 광(130)은 종래 기술과 같이, 입사된 광(130)과 진행 방향이 같은 성분(132)을 사용하고, 시편을 통해 반사된 광(136)은 반사된 광(136)과 평행하지 않은 성분(140) 즉 편광 광학부(124)를 통해 굴절된 편광 성분(140)을 사용한다.

이와 같이, 굴절된 편광 성분(140)을 사용함으로써 빔 스플리터 등의 부수적인 광부품을 사용하지 않고 효과적으로 시편에서 수직 굴절된 편광 성분(140)을 검출기를 사용하여 측정할 수 있도록 하였다.

굴절된 편광 성분(140)은 직진하는 상기 시편(114)에서 반사된 광(136)과 편광 방향이 반대인 것을 유도식에서 감안해 주면, 보상기 회전각(θ)에 대한 검출기 밝기 신호는 다음 식으로 표현된다.

여기서 I₀ 는 상수이다. 측정한 데이터를 푸리에 변환하면 8개의 계수 { α_2n , β_2n ; n=1··4} 를 구하게 된다. 이 계수로부터 시편의 광 특성을 찾아내게 된다.

특히, 두 계수비 {β₆ / α₆ } 와 {β₈/ α₈ } 은 보상기(128)와 편광 광학부(124)의 위치 각에만 의존하기 때문에 두 각은 이 계수비로부터 저절로 찾아지게 되어 이를 찾아야 하는 캘리브레이션 과정이 필요 없는 외축형 타원 해석기가 실현된다.

다음으로 상기와 같이 구성된 외축형 타원 해석기의 작동에 대해 설명하고자 한다. 광원부(100)에서 나온 입사된 광은 편광 광학부(124)를 통과한다. 광원부(100)로부터 입사된 광(130)은 편광 발생기를 통해 입사된 방향의 성분(132)과, 굴절된 성분(134)을 가지게 된다. 이때, 편광 광학부(124)를 통과한 광은 선편광으로 변한다.

선편광의 입사광은 보상기(128)로 들어가게 되고, 회전 장치(126)에 의해 비스듬히 기울어진 보상기(128)를 통과하면서 타원 편광을 갖는다.

타원 편광 입사광이 시편(114)에 입사되고, 시편(114)은 입사된 광 성분(132)을 반사하게 된다. 이때, 타원 편광의 입사광은 비등방성 시편(114)에 의해 다시 편광 특성이 변환된다. 예를 들면, 시편의 약한 비등방성 특성에 의해 타원 편광은 선평광에 가까운 타원 편광을 갖게 된다.

이 편광은 보상기(128)를 입사한 광 성분(132)의 역방향으로 통과하게 된다. 이때, 시편(114)에서 반사된 광은 보상기(128)를 통과하며 다시 한번 편광 특성이 변화하게 된다. 예를 들면, 시편에서 반사된 약한 타원 편광은 둥근 타원 편광 형태로 변하게 된다.

보상기(128)를 거친 타원 편광은 편광 광학부(124)에 주입된다. 편광 광학부(124)에 주입된 편광은 광원부(100)로부터 입사된 방향의 역방향의 성분(136)과, 굴절된 편광 성분(140)으로 나뉘게 된다. 이때, 굴절된 편광 성분(140)의 전방에는 검출부(120)가 위치하게 된다.

검출부(120)에 들어온 광은 전기적 신호로 변환되어 검출된다. 전기적 신호는 도시되지 않은 인터페이스의 아날로그-디지털 컨버터에 의해 수치화되고, 컴퓨터에 입력된다. 입력된 파형은 컴퓨터에 의해 분석되고 시편이 가지고 있는 비등방성인 광학적 정보가 분석된다.

이러한 측정 과정에 의해 캘리브레이션 없이 시편을 회전하지 않으면서도 시편의 비등방성 광학 정보를 정확하게 측정할 수 있다. 특히 광축에 정렬되는 보상기를 도입함에 의해 시편의 표면 비등방성이 작은 경우에도 시편으로부터 반사된 광의 편광 특성 예를 들어 타원 편광의 찌그러진 정도를 민감하게 측정하여 시편의 표면 비등방성을 정밀하고 효과적으로 측정할 수 있다.

또한, 상기와 같은 방법으로, 시편을 고정한 채 본 발명에 따른 외축형 타원 해석기를 이동하면서 시편의 다른 부분에 대한 광학 특성을 반복하여 찾아낼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전 보상기형 외축 타원 해석기는 비등방성의 시편을 측정하기 위해 구조를 재구성되어, 시편을 회전시키지 않고도 비등방성 광학 정보를 정확히 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 타원 해석기의 크기를 축소하고 이동성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 캘리브레이션 과정을 생략할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 회전축 방향에서 기울여 장착하는 보상기를 도입함으로써 민감도를 높이고 보상기의 양표면에서 반사되는 빛에 의한 오차를 제거하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기판을 회전하지 않고 광학 정보를 측정할 수 있으므로 대형 기판의 광학 정보를 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 편광기에서 사용하지 않는 굴절된 편광을 사용함으로써 빔 스플리터 없이 광원과 검출기를 장착할 수 있도록 하여 광부품의 수를 줄였다.

Claims (5)

1. 시편 특성을 분석하는 회전 보상기형 외축 타원 해석기에 있어서,

   상기 시편을 향해 광을 조사하는 광원부와, 상기 시편과 광원부 사이에 일렬로 위치하여 입사된 광을 그에 평행한 성분과 소정각도로 굴절된 성분으로 분할시키는 편광 광학부와, 상기 시편에서 반사되어 편광 광학부에서 편광 및 굴절된 광의 성분을 측정하기 위한 검출기와, 상기 시편과 편광 광학부 사이에 마련되어 광 특성을 보상하는 보상기를 포함하고,

   상기 보상기는 시편에 대해 소정 각도로 기울어지도록 회전 가능한 것을 특징으로 하는 회전 보상기형 외축 타원 해석기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 보상기는 시편의 수직축에 대해 회전되고, 상기 보상기를 회전시키는 회전 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 보상기형 외축 타원 해석기.
5. 시편 특성을 분석하는 방법으로,

   광원으로부터의 광을 편광시키고 그에 평행한 성분과 소정 각도로 굴절된 성분으로 분할하는 제 1 단계와,

   상기 평행한 성분의 광을 시편에 입사하여 반사시키는 제 2 단계와,

   상기 반사된 광을 보상 및 광 방향을 조절하는 제 3 단계와,

   상기 보상 및 광 방향이 조절된 광을 편광 광학부를 통해 편광 및 굴절시키는 제 4 단계와,

   상기 편광 광학부로부터 굴절된 편광을 검출하는 제 5 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 방법.

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