KR100757379B1 - 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CCD나 PDA와 같은 다중채널검출기를 검출기로 사용하는 분광 타원해석기에 관한 것으로 특히, 임의의 파장을 갖는 백색광원과; 상기 백색광원에서 나온 광을 편광시켜 시편에 광을 입사하기 위한 편광 발생부와; 시편에서 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 이를 특정한 방향으로 통과시키는 편광분석기와; 상기 편광분석기를 통과한 광을 파장별로 분광시키기 위한 분광기와; 상기 백색광원에 대한 파장별 광량의 크기 정보에 의해 특정 파장 채널에 대한 감쇄량을 기준으로 형성되며, 상기 분광기에 입사된 빛에 대해 과도한 입사광량을 갖는 채널에 대해 해당 채널의 입사광량을 일정량 감쇄시키는 광량 감쇄수단; 및 상기 광량 감쇄수단를 경유한 채널 혹은 경유하지 않는 채널들에 대하여 전체 영역에 대한 광의 밝기를 검출하는 다중채널검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기를 제공함으로써, 사용하는 광원에 있어 특정 파장 영역의 광량이 너무 많은 경우에 해당 채널에 대한 입사광량을 조절하는 방식을 통해 파장에 따른 광량의 차이가 심한 광원을 사용하더라도 모든 파장에서 높은 신호 대 잡음 비를 가진 데이터를 검출할 수가 있게 된다.

다중 채널 검출기, 분광 타원 해석기, 광량, 차단막, 필터

Description

화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기{Multichannel spectroscopic ellipsometer with flux-controlled pixels}

도 1은 일반적인 분광 타원해석기의 구성 예시도

도 2는 도 1의 구성 중 광 경로를 따른 구성들을 나타내는 분광 타원해석기의 구성도

도 3은 종래의 일차원 다중채널검출기의 구조 및 최대 밝기 조건으로 측정한 분광스펙트럼의 예시도

도 4는 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 구성도

도 5는 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 이용한 일차원 다중채널검출기의 구조 및 측정한 분광스펙트럼의 예시도

도 6은 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 설치한 이차원 다중채널검출기의 구조 및 측정한 분광스펙트럼의 예시도

도 7은 본 발명에서 제시한 y-방향 화소를 선별적으로 결합(grouping)하는 방법의 개념도

도 8은 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 설치한 다중채 널검출기로 최대 밝기 조건에서 측정한 분광 스펙트럼의 예시도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 백색광원 12 : 편광 발생부

13 : 시편 14 : 시편 장착대

15A, 15B : 아암 16 : 편광분석기

17 : 다중채널검출기 17A : 분광기

18 : 광학대 19 : 광학대 장착부

17B : 조리개

130 : 파장별로 분광된 스펙트럼의 밝기 분포의 예

140, 350 : 다중채널검출기속의 화소

150 : 데이터스크린

160 : 다중채널검출기의 화소별로 검출된 밝기 스펙트럼

210, 310 : 차단막 215, 315 : 필터

본 발명은 CCD(charge coupled device)나 PDA(photodiode array)와 같은 다중채널검출기(multichannel detector)를 검출기로 사용하는 분광 타원해석기에 관한 것으로, 사용하는 광원에 있어 특정 파장 영역의 광량이 너무 많은 경우에 조리 개를 닫거나 노광시간을 줄이는 방법 대신에 해당 채널에 대한 입사광량을 조절하는 방식을 통해 파장에 따른 광량의 차이가 심한 광원을 사용하더라도 모든 파장에서 높은 신호 대 잡음(S/N) 비를 가진 데이터를 검출할 수가 있도록 하기 위한 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기에 관한 것이다.

일반적으로, 타원해석기(Ellipsometer)는 타원해석법(ellipsometry)을 이용한 측정 기기로서, 타원해석법이란 특정 편광상태를 가지고 있는 광을 시편에 입사시킨 후, 그 반사된 광의 변화된 편광상태를 분석하여 시편이 지니고 있는 광학적 정보를 수집하는 기술이다. 이는 시편이 지닌 광학적 성질을 파악할 수 있을 뿐 만 아니라, 시편이 박막인 경우, 시편의 두께도 추출할 수 있다.

상기의 기술을 이용하여 시편을 분석하는 타원해석기의 일반적인 구성과 동작 개념을 첨부한 도 1을 기준으로 살펴보면, 타원해석기는 백색광원(11), 편광 발생부(12), 측정하고자 하는 시편(13)이 놓인 시편 장착대(14), 시편 장착대(14)를 이동시키기 위한 X축 아암(15A)과 Y축 아암(15B)으로 구성된 X-Y축 이동 스테이지(15A/15B), 편광분석기(16), 다중채널검출기(17), 광학대(18) 및 광학대 장착부(19)로 구성된다.

광학대(18)에는 두개의 아암이 부착되어 있으며 하나의 아암에 광원부(11)및 편광 발생부(12)가 설치되며 다른 아암에는 편광분석기(16) 및 다중채널검출기(17)가 설치된다.

상술한 종래 타원해석기의 광학대(18)에 설치된 광학부품들의 개략도인 도 2를 참조하면, 광학대(18)에는 백색광원(11)과, 상기 백색광원(11)에서 나온 광을 편광시켜 시편(13)에 광을 입사하기 위한 편광 발생부(12)와, 시편(13)에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 이를 특정한 방향으로 통과시키는 편광 분석기(16)와, 편광 분석기(16)를 통과한 광의 밝기를 검출하기 위해 광을 전기적 신호로 변화시키는 광검출부(17)가 장착되어 있다.

이들 각 부품을 측정전 캘리브레이션을 위한 위치 제어를 위해 이들 각 부품을 구동하는 (도시되지 않은)구동 모터가 각각 설치되어 있다.

상기 장치를 살펴보면, 백색광원(11)에서 나온 광이 편광 발생부(12)를 통해 편광상태를 갖는 광이 되어 시편(13)으로 입사되면 상기 시편(13)으로부터 반사되어 나온 편광을 편광분석기(16)가 특정한 방향으로 편광된 광만 통과시킨다.

상기 편광분석기(16)를 통해 통과된 광은 파장별로 분광기(17A)를 통해 분광되어지며, 상기 분광기(17A)에 입사된 빛은 일차원 배열을 가진 다중채널검출기(17)에 파장별로 분산이 되어 검출된다.

상기 대중채널검출부(17)에서 검출하고 검출된 신호를 컴퓨터 등으로 파형을 분석하여 시편이 가지고 있는 광학 정보가 분석된다.

이때, 상기 분광기(17A)에 입사된 빛이 다중채널검출기(17)에 파장별로 분산이 되어 검출되는 가운데, 이 결과는 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같다. 첨부한 도 3에서 참조번호 100은 편광분석기(16)를 통과하여 입사되는 백색광을 나타내며, 참조번호 130은 파장별로 분광된 스펙트럼의 밝기 분포의 예이고, 참조번호 140은 일차원배열 다중채널검출기(17)속의 화소를 나타내며, 참조번호 150은 데이터스크린(Data screen)이며, 참조번호 160은 일차원 다중채널검출기(17)의 화소별 로 검출된 밝기 스펙트럼을 나타낸다.

따라서 편광분석기(16)를 통과하여 입사되는 백색광(100)은 분광기(17A)와 다중채널검출기(17)를 통해 데이터스크린(150)에 각 화소로 이루어진 채널별 밝기신호, 즉, 스펙트럼(160)으로 표시가 된다.

이런 스펙트럼을 편광발생기(12)나 편광분석기(16)의 위상각을 바꾸면서 다수 측정하여 그 변화로부터 분광 타원해석기 변수(D, Y)를 도출하게 되고, 이로부터 시편(13)이 가진 광학적 정보를 찾아낸다.

이렇게 일차원 배열을 가진 다중채널검출기(17)를 사용하는 종래의 기술에 있어서, 각 화소가 감지할 수 있는 최대 허용 광량은 제한이 되어 있다. 만일 허용 광량을 초과하는 빛이 입사할 경우 포화상태(saturation)가 되어 검출기의 기능을 상실하게 된다.

따라서 첨부한 도 3에 예시된 것과 같이 일차원 다중채널검출기의 채널별로 검출된 밝기 스펙트럼(160)에서 알 수 있듯이 특정 파장의 빛이 너무 밝으면 해당 화소에 입사하는 빛의 양을 최대 허용 광량 한도이하로 줄여야 검출이 가능하다.

이렇게 특정 파장 영역의 빛이 너무 밝은 원인은 사용하는 백색광원(11)의 특징인 경우도 있고 때로는 사용하는 시편(13)의 반사율이 특정 파장에 대해서만 높은 경우가 있다.

따라서 상술한 종래의 방식에서는 백색광원(11)이나 시편(13)에서 각 파장에 대한 개별적 밝기 조절이 거의 불가능 하므로 조리개(17B)를 닫거나 노광시간을 줄이는 방법을 사용하고 있다.

하지만 이와 같은 광량 조절법의 문제는 모든 파장의 밝기를 동시에 줄이게 되어 상대적으로 밝기가 약한 파장의 광량은 더욱 줄어들게 되며 이는 첨부한 도 3의 스펙트럼(160)의 예에서 짐작할 수가 있다.

그런데 타원해석기에서는 편광발생기(12)나 편광분석기(16)의 위상각을 바꿀 때 발생하는 밝기 변화로부터 타원해석기 변수(D, Y)를 구하게 되는데, 이런 방식으로 광량을 조절할 경우 상대적으로 밝기가 약한 파장영역에서의 밝기 변화의 폭은 매우 좁아진다. 즉, 편광발생기(12)나 편광분석기(16)의 위상각을 바꿀 때 발생하는 밝기 변화를 신호(signal)로 보면 밝기가 약한 파장 영역의 S/N 비(signal-to-noise ratio)는 크게 나빠진다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 CCD나 PDA와 같은 다중채널검출기를 검출기로 사용하는 분광 타원해석기에 관한 것으로, 사용하는 광원에 있어 특정 파장 영역의 광량이 너무 많은 경우에 조리개를 닫거나 노광시간을 줄이는 방법 대신에 해당 채널에 대한 입사광량을 조절하는 방식을 통해 파장에 따른 광량의 차이가 심한 광원을 사용하더라도 모든 파장에서 높은 신호 대 잡음 비를 가진 데이터를 검출할 수가 있도록 하기 위한 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 특징은, 임의의 파장을 갖는 백색광원과; 상기 백색광원에서 나온 광을 편광시켜 시편에 광을 입사하기 위한 편광 발생부와; 시편에서 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 이를 특정한 방향으로 통과시키는 편광분석기와; 상기 편광분석기를 통과한 광을 파장별로 분광시키기 위한 분광기와; 상기 백색광원에 대한 파장별 광량의 크기 정보에 의해 특정 파장 채널에 대한 감쇄량을 기준으로 형성되며, 상기 분광기에 입사된 빛에 대해 과도한 입사광량을 갖는 채널에 대해 해당 채널의 입사광량을 일정량 감쇄시키는 광량 감쇄수단; 및 상기 광량 감쇄수단를 경유한 채널 혹은 경유하지 않는 채널들에 대하여 전체 영역에 대한 광의 밝기를 검출하는 다중채널검출기를 포함하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 부가적인 특징으로, 상기 광량 감쇄수단은 광원의 파장에 따른 광량이 균질도 향상을 위해 상기 다중채널검출기의 화소 앞에 선택적으로 구비되는 차단막을 사용하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 부가적인 다른 특징으로, 상기 광량 감쇄수단은 광원의 파장에 따른 광량이 균질도 향상을 위해 상기 다중채널검출기의 화소 앞에 구비되는 선택적 투과 필터를 사용하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 부가적인 또 다른 특징으로, 상기 다중채널검출기는 일차원 혹은 이차원 다중채널 검출기를 사용하는 데 있다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 이용한 일차원 다중채널검출기의 구조 및 측정한 분광스펙트럼의 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 설치한 이차원 다중채널검출기의 구조 및 측정한 분광스펙트럼의 예시도이며, 도 7은 본 발명에서 제시한 y-방향 화소를 선별적으로 결합(grouping)하는 방법의 개념도이고, 도 8은 본 발명에 따른 부분 차단막 또는 선별적 투과 필터를 설치한 다중채널검출기로 최대 밝기 조건에서 측정한 분광 스펙트럼의 예시도이다.

첨부한 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기의 구성을 살펴보면, 백색광원(11)과, 상기 백색광원(11)에서 나온 광을 편광시켜 시편(13)에 광을 입사하기 위한 편광 발생부(12)와, 시편(13)에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 이를 특정한 방향으로 통과시키는 편광분석기(16)와, 편광분석기(16)를 통과한 광은 파장별로 분광시키기 위한 분광기(17A), 및 상기 분광기(17A)에 입사된 빛에 대해 과도한 입사광량을 갖는 채널에 대해 해당 채널의 입사광량을 조절한 후 이에 따라 광의 밝기를 검출하는 다중채널검출기(200, 300)로 구성된다.

상술한 바와 같은 구성에서 실제적으로 종래의 구성과 차별적인 부분은 다중채널검출기(200, 300)에 대한 것으로, 상기 다중채널검출기(200, 300)는 일차원 다중채널검출기(200)와 이차원 다중채널검출기(300)로 구분될 수 있는데, 우선, 첨부한 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 일차원 다중채널검출기(200)에 대해 살펴보기로 한다.

첨부한 도 5에 도시되어 되어 있는 바와 같이 종래의 일차원 다중채널검출기의 화소 중 입사하는 빛의 세기가 다른 화소에 비해 너무 센 경우 이들 화소들의 면적 일부를 밝기 정도에 따라 차단막(210)으로 가림으로써 기존의 불균일한 스펙트럼(160)을 전체적으로 밝기 분포가 균일한 스펙트럼(220)으로 만들 수가 있다.

이 차단막은 해당 파장에 대해 불투명한 재료로 제작하되 다중채널검출기 앞에 직접 설치하거나 또는 유리위에 코팅 제작한 뒤 다중채널검출기의 화소(140)의 표면을 덮는 방법을 취할 수 있다.

또는 불투명 차단막 대신에 차단할 광량의 정도에 따라 투과율을 조절한 재료를 유리판 위에 위치별로 코팅한 필터(215)를 제작하여 다중채널검출기의 화소(140)의 표면을 덮는 방법을 사용할 수도 있다.

이에 따른 동작을 살펴보면, 편광타원해석기 구조에서 궁극적으로 분광기에 입사하는 백색광(100)은 슬릿(slit)형 조리개(17B)를 통하여 분광기(17A)에 입사한 다.

이 빛은 상기 분광기(17A)를 통과하는 과정에서 파장별로 분광이 되어 스펙트럼 띠(130)를 이루어 각 채널에 위치한 화소(140)에 입사하게 된다.

이 때 입사하는 광량이 큰 부분에 해당하는 화소(면적)의 일부분은 이미 차단막(210)에 의해 막혀 있거나, 투과량이 조절된 필터(215)로 덮여 있다.

따라서 각 화소(140)에 입사하는 광량(220)은 채널별로 볼 때, 종래의 경우(160)보다 상당히 균일하게 된다.

본 발명에 따른 또 다른 방법으로 도 6에 제시된 이차원 다중채널검출기(300)를 사용할 수가 있다.

상술한 이차원 다중채널검출기의 화소(350)는 도 6에 도시된 것과 같이 x-방향 채널과 y-방향채널로 되어 있는데, 같은 x-채널번호에 해당하는 y-방향 화소들을 전자적으로 통합하는 기능이 있다.

이렇게 함으로써 일차원 다중채널검출기의 역할을 할 수 있는데 종래의 일차원 다중채널검출기의 화소(도 3 또는 도 5의 140)에 비해 높이가 높아 분광된 스펙트럼의 높이가 일반적으로 높은 것을 고려할 때(도 3 또는 도 5의 130에 비하여) 더 많은 빛을 받는 이득이 있고, 또한 모든 y-방향 화소들이 하나의 x-채널이 되어 그 크기가 크기 때문에 상술한 도 5에 예시한 차단막(210) 설치 방법을 적용하기가 매우 용이하다.

이와 같은 이차원 다중채널검출기(300)를 사용하면 또 다른 방법을 적용할 수 있는데, 도 7에 제시되어 있듯이 이차원 다중채널검출기(300)의 같은 x-채널번 호에 해당하는 y-방향 화소들을 통합하여 일차원 다중채널검출기로 사용을 할 경우이다.

입사하는 빛의 세기가 다른 화소에 비해 너무 센 x-채널의 경우 빛의 세기 정도에 따라 해당 y-채널의 화소의 일부(340)를 통합과정에서 배제함으로써 앞에서와 같이 전 x-채널에서 어느 정도 균일한 광량을 측정을 할 수가 있게 된다.

이는 첨부한 도 5에 제시된 일차원 다중채널검출기(200)의 화소(140) 면적의 일부 또는 첨부한 도 6의 이차원 다중채널검출기(300)의 화소(350) 중 y-채널 일부(340)를 차단막(310)으로 가림으로써, 도 5와 도 6의 데이터 스크린(150)의 예에서와 같이 각 채널에 입사되는 광량에 대한 그래프를 참조번호 160으로 지칭되는 그래프에서 참조번호 320으로 지칭되는 그래프로 상당히 균일하게 할 수가 있다.

이렇게 되면 도 5 또는 도 6에 구비되어 있는 슬릿형 조리개(17B)를 열거나 노광시간을 늘려 도 8에서와 같이 전체 광량을 증가시킬 수 있다. 이렇게 함으로써 특정 파장의 밝기가 세더라도 모든 파장 영역에서의 S/N 비가 좋은 다중채널 분광타원해석기를 제작할 수가 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 동작하는 본 발명에 따른 화소광량조절형 다중채널 분광타원해석기를 제공하면, 종래의 방식에 비하여 파장에 따른 광량의 차이가 심한 광원을 사용하더라도 모든 파장에서 높은 S/N 비를 가진 데이터를 검출할 수가 있다.

Claims (4)

1. 임의의 파장을 갖는 백색광원과;

   상기 백색광원에서 나온 광을 편광시켜 시편에 광을 입사하기 위한 편광 발생부와;

   시편에서 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 이를 특정한 방향으로 통과시키는 편광분석기와;

   상기 편광분석기를 통과한 광을 파장별로 분광시키기 위한 분광기와;

   상기 백색광원에 대한 파장별 광량의 크기 정보에 의해 특정 파장 채널에 대한 감쇄량을 기준으로 형성되며, 상기 분광기에 입사된 빛에 대해 과도한 입사광량을 갖는 채널에 대해 해당 채널의 입사광량을 일정량 감쇄시키는 광량 감쇄수단; 및

   상기 광량 감쇄수단를 경유한 채널 혹은 경유하지 않는 채널들에 대하여 전체 영역에 대한 광의 밝기를 검출하여 입사하는 광량이 다른 화소에 비해 많은 x-채널의 경우 광의 밝기 정도에 따라 해당 y-채널의 화소의 일부를 배제함으로써 전 x-채널에서 균일한 광량을 측정하는 다중채널검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광량 감쇄수단은 광원의 파장에 따른 광량이 균질도 향상을 위해 상기 다중채널검출기의 화소 앞에 선택적으로 구비되는 차단막인 것을 특징으로 하는 화 소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광량 감쇄수단은 광원의 파장에 따른 광량이 균질도 향상을 위해 상기 다중채널검출기의 화소 앞에 구비되는 선택적 투과 필터인 것을 특징으로 하는 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 다중채널검출기는 일차원 혹은 이차원 다중채널 검출기를 사용하는 것을 특징으로 하는 화소 광량 조절형 다중채널 분광 타원해석기.

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