KR100992839B1 - Spectroscopic Ellipsometer with a Microspot Module - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광원, 편광자, 집속광학계, 검광자 및 분광기를 포함하여 구성되는 분광타원계에 있어서, 상기 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a spectroscopic ellipsometer comprising a light source, a polarizer, a focusing optical system, an analyzer, and a spectroscope, wherein the focusing optical system has a concave mirror in which a reflection surface is a concave mirror and a convex mirror in which a through hole is formed in the center thereof. As an inverse Cassegrain type optical system composed of a main diameter having an effective diameter smaller than the minor diameter is used as.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에서 구동되며 시료위치에서 약 10 ㎛ 크기의 작은 빔 직경을 구현할 수 있고, 반사경을 이용하면서도 광축이 틀어지지 않아 편광상태가 변화되지 않아 측정 정밀도를 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, it can be driven in a wide wavelength band from the ultraviolet region to the near infrared region and can implement a small beam diameter of about 10 ㎛ size at the sample position, and the polarization state is not changed because the optical axis is not twisted while using the reflector Since it does not change, there is an effect that can significantly improve the measurement accuracy.

분광타원계, 마이크로스폿, 분해능, 반사형, 거울, 미러, 집속광학계, 진공자외선. Spectroscopic ellipsometer, microspot, resolution, reflective, mirror, mirror, focusing optical system, vacuum ultraviolet light.

Description

마이크로 스폿 분광타원계{Spectroscopic Ellipsometer with a Microspot Module}Spectroscopic Ellipsometer with a Microspot Module

본 발명은 분광타원계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역 카세그레인 구조의 광학계를 이용하여 집속광학계를 구현함으로써 진공자외선부터 근적외선 영역까지 넓은 파장 대역에 걸쳐 사용이 가능하면서도 약 10 μm 크기의 작은 빔 스폿을 갖는 마이크로 스폿 분광타원계에 관한 것이다.The present invention relates to a spectroscopic ellipsometer, and more particularly, by implementing a focused optical system using an inverse casee grain structure optical system, a small beam spot having a size of about 10 μm can be used over a wide wavelength band from vacuum ultraviolet to near infrared region. It relates to a micro spot spectroscopic ellipsometer having.

타원해석 기술(Ellipsometry)은 특정 편광상태를 갖는 빛을 시료에 입사시킨 후 반사광의 변화된 편광상태를 분석하여 시료의 광학적인 두께, 복소귤절율 등을 구하는 방법으로서 반도체 분야 등에서 박막의 두께를 비파괴적으로 측정하는데 매우 유용하게 사용되고 있다.Ellipsometry is a method that obtains the optical thickness and complex regulation ratio of the sample by injecting light having a specific polarization state into the sample and analyzing the changed polarization state of the reflected light. It is very useful for the measurement.

타원계는 타원해석 기술을 이용하여 빛의 편광상태를 제어하고 측정 및 분석하는 장치로서, 일반적인 타원계는 광원, 편광 제어모듈, 시료, 검광자 모듈, 광 검출기를 포함하여 구성되며, 타원계 중 넓은 파장대역에 걸쳐 구동되는 타원계를 분광타원계라고 한다.An ellipsometer is an apparatus that controls, measures, and analyzes the polarization state of light using elliptic analysis technology. A general ellipsometer includes a light source, a polarization control module, a sample, an analyzer module, and a light detector. An ellipsometer driven over a wide wavelength band is called a spectroscopic ellipsometer.

한편, 현재 반도체 산업은 회로 선폭 60 nm 대의 공정에서 회로 선폭 45 nm 대의 공정으로 진행하고 있다. 이에 따라 박막의 두께 또한 작아지며 반도체분야에서 박막의 두께를 모니터링 하는 데 필수적으로 사용되고 있는 분광타원계에도 그 공간 분해능을 한 단계 향상시키는 요구가 커지고 있다.On the other hand, the semiconductor industry is currently progressing from a process having a line width of 60 nm to a process having a line width of 45 nm. Accordingly, the thickness of the thin film is also reduced, and the demand for improving the spatial resolution by one step is increasing in the spectroscopic ellipsometer, which is essentially used for monitoring the thickness of the thin film in the semiconductor field.

분광타원계에서는 빛을 시료 상에 집속시키기 위한 집속광학계가 사용되는데, 종래 1개 이상의 반사경을 이용하여 집속광학계를 구현하는 경우가 많이 있다. 반사경을 이용할 경우 빛이 반사되면서 편광상태가 변화되어 측정 오차의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 반사경과 시료 사이에 편광 제어 모듈을 배치하고 있으며, 그 예가 일본특허공개공보 제2005-3666호에 개시되어 있다. 도 1에는 이러한 일본특허공개공보 제2005-3666호에 따른 분광타원계가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 광원(31)으로부터 나온 빛은 반사경(333)에서 반사된 후 시료에 집속되는데 반사경(333)와 시료 사이에 편광자(321)이 배치되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 이러한 2매의 오목거울을 사용한 비축 2반사경계 구성에서는 광축에 대한 회전대칭성이 없으므로 편광의 변화와 비축수차가 발생한다. 이를 줄이기 위하여서는 반사경으로 입사하는 각도를 가능한 한 작게 하여야 하기 때문에 주경과 부경, 부경과 시료면 사이의 거리가 길어지면서 복잡한 구성을 가지게 되며, 또한 편광 변화를 충분하게 억제하지 못한다. 더구나 분광타원계에서는 부경과 시료사이에 편광자가 설치되어야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있어 반사경과 시료 사이의 거리가 더욱 멀어지게 되어 이에 비례하여 스폿의 크기가 증가하는 문제점이 있다.In a spectroscopic ellipsometer, a focusing optical system for focusing light onto a sample is used. There are many cases of implementing a focusing optical system using one or more reflectors. In the case of using a reflector, the polarization state is changed while reflecting light, which may cause a measurement error. A polarization control module is usually disposed between the reflector and a sample, and an example thereof is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-3666. have. 1 shows a spectroscopic ellipsometer according to Japanese Patent Laid-Open No. 2005-3666. Referring to FIG. 1, the light emitted from the light source 31 is focused on the sample after being reflected by the reflector 333. It can be seen that the polarizer 321 is disposed between the reflector 333 and the sample. However, in the non-axis two-reflection boundary configuration using two concave mirrors, there is no rotational symmetry with respect to the optical axis, so a change in polarization and non-axis aberration occur. In order to reduce this, the incident angle to the reflector should be made as small as possible, so that the distance between the major and minor diameters, the minor diameter, and the sample surface becomes longer, and thus, the polarization change is not sufficiently suppressed. In addition, the spectroscopic ellipsometer has a structural problem that the polarizer should be installed between the secondary diameter and the sample, so that the distance between the reflector and the sample is further increased, which causes the spot size to increase in proportion.

시료위치에서 빔의 크기를 매우 작게 하는 집속광학계가 포함될 때 이를 마이크로스폿 타원계라고 하는데, 상술한 바와 같이, 집속광학계로서 비축 2반사경계를 이용하는 경우에는 구조적으로 복잡하며, 이 때문에 스폿의 크기를 줄이는데 한계가 있으므로 종래 마이크로스폿 분광타원계는 주로 집속 렌즈를 이용하여 스폿 크기를 줄이고 있다. 집속 렌즈를 이용한 방법들 중에는 미국등록특허 제5,596,411호에서와 같이 높은 개구수를 갖는 렌즈를 사용하는 방법, 미국특허출원 제10/319,189호에서와 같이 작은 투사각을 갖도록 하는 방법, 미국등록특허 제6,829,049호에서와 같이 합성렌즈를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나, 미국등록특허 제5,596,411호 및 미국특허출원 제10/319,189호는 75도 전후의 입사각으로 비스듬하게 빛을 입사시키는 통상적인 분광타원계에는 적용할 수 없는 구조이고, 미국등록특허 제5,596,411호는 그 구조가 매우 복잡한 단점이 있다.This is called a microspot ellipsometer when a focused optical system is included that makes the beam size very small at the sample location. As described above, it is structurally complicated to use a non-axis 2 reflector as the focused optical system. Since there is a limit to the reduction, the conventional microspot spectroscopic ellipsometer mainly reduces the spot size by using a focusing lens. Among the methods using the focusing lens, a method using a lens having a high numerical aperture as in US Patent No. 5,596,411, a method of having a small projection angle as in US Patent Application No. 10 / 319,189, US Patent No. 6,829,049 As in the arc, there is a method using a synthetic lens. However, U. S. Patent No. 5,596, 411 and U. S. Patent Application No. 10/319, 189 are not applicable to conventional spectroscopic ellipsometers that incline light at an angle of incidence around 75 degrees. U. S. Patent No. 5,596, 411 The disadvantage is that the structure is very complicated.

특히, 집속렌즈는 단색광을 사용할 때에는 렌즈 등을 사용한 광의 집속이 비교적 용이하므로 마이크로스폿 타원계를 설계하고 제작하는 것이 어렵지 않으나 넓은 대역의 파장을 사용하는 분광타원계에서는 파장의 변화에 따라 발생하는 색수차로 인하여 최적화된 집속광학계를 적용하더라도 시료위치에서의 빔 스폿의 크기를 매우 작게 하는 것이 용이하지 않다. 예를 들어 200 - 800 nm의 파장대역에서 구동하는 상용 분광타원계의 빔 직경은 25 um 정도이다. In particular, the focusing lens has a relatively easy focusing point when using monochromatic light. Therefore, it is not difficult to design and manufacture a microspot ellipsometer. However, in a spectroscopic ellipsometer using a wide band of wavelengths, chromatic aberration generated by the change of wavelength Therefore, even when the optimized focusing optical system is applied, it is not easy to make the beam spot at the sample position very small. For example, the beam diameter of a commercial spectroscopic ellipsometer operating in the wavelength range of 200-800 nm is about 25 um.

렌즈를 이용한 집속광학계에서는 넓은 파장대역에 사용하기 위해 색수차를 보정하기 위해 두장 이상의 렌즈를 사용하기도 한다. 렌즈를 이용할 경우 중심축을 통과하는 빛을 사용하기 때문에 동축 구조의 집속 광학계를 구현할 수 있고 광학계의 제작과 광학정렬 등이 용이한 장점이 있으나 렌즈물질의 파장 분산에서 기인하는 색수차와 구면렌즈를 사용함에 따르는 구면수차, 그리고 비점수차, 코마 등 여러 수차가 발생한다. 또한 진공 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지 높은 투과율을 가지는 소재는 없으며, 자외선에서 근 적외선 영역까지 상당한 투과율을 가지는 소재도 몇 종류의 특수한 광학 결정으로 제한된다. 이에 따라 진공 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에 걸쳐 시료위치에서 수십 ㎛ 이내의 직경을 가지는 빔 스폿을 만들어 내기는 매우 어려운 문제점이 있다. In a focused optical system using a lens, two or more lenses may be used to correct chromatic aberration for use in a wide wavelength band. When the lens is used, light passing through the central axis can be used to realize a coaxial focused optical system, and it is easy to manufacture and align the optical system, but it uses chromatic aberration and spherical lens due to wavelength dispersion of lens material. There are spherical aberrations that follow, and aberrations such as astigmatism and coma. In addition, there is no material having a high transmittance from the vacuum ultraviolet region to the near infrared region, and a material having a considerable transmittance from the ultraviolet to the near infrared region is limited to several kinds of special optical crystals. As a result, it is very difficult to produce a beam spot having a diameter of several tens of micrometers at a sample position over a wide wavelength band from a vacuum ultraviolet region to a near infrared region.

한편, 분광타원계에서 시료위치에서의 빔 크기를 작게 하는 것은 광학 현미경과 같은 일반적인 광학 계측기에서 빔의 크기를 줄이는 것과는 성격이 크게 다르다. 일반 광학 계측기의 경우 광량만을 측정하며 빛은 시료면에 수직으로 입사하기 때문에 측정하는 투과광이나 반사광도 시료면에 수직으로 진행하여 비교적 단순한 구조를 가지는 집속광학계를 사용하여도 회절한계에 준하는 광학계를 설계하고 제작할 수 있다. 또한 이들 광학계는 대부분 가시광 영역에서의 결상목적으로 사용되기 때문에 진공자외선을 사용하지 않는다. On the other hand, reducing the beam size at the sample position in the spectroscopic ellipsometer is significantly different from reducing the beam size in a general optical instrument such as an optical microscope. In the case of general optical measuring devices, only the amount of light is measured and light is incident perpendicularly to the sample plane. Therefore, the transmitted or reflected light measured vertically proceeds perpendicularly to the sample plane to design an optical system that conforms to the diffraction limit even when using a focused optical system having a relatively simple structure. I can make it. In addition, since these optical systems are mostly used for imaging in the visible light region, vacuum ultraviolet rays are not used.

그러나 타원계의 경우 빛이 시료면에 비스듬하게 입사하기 때문에 광학계와 시료사이의 거리를 충분하게 확보해야 한다. 즉 타원계에서 가장 많이 사용하는 각도인 75 도 전후의 입사각으로 비스듬하게 입사할 경우 시료면이 광학계에 의해 간섭을 받지 않기 위해서는 집속광학계의 겉보기 개구수(Numerical Aperture, NA)가 0.2 보다 작아야 한다. 이러한 의미에서 미국등록특허 제5,596,411호 및 미국특허 출원 제10/319,189호는 적절하지 않은 것이다.However, in the case of an ellipsometer, the distance between the optical system and the sample should be sufficiently secured because the light is obliquely incident on the sample surface. That is, when obliquely incident at an angle of incidence of about 75 degrees, which is the angle most used in an ellipsometer, the numerical aperture (NA) of the focusing optical system must be smaller than 0.2 so that the sample surface is not interfered by the optical system. In this sense, US Patent No. 5,596,411 and US Patent Application No. 10 / 319,189 are not appropriate.

또한 타원계에서는 편광을 제어하고 측정하기 때문에 빔의 크기를 줄이는 데에 더하여 집속광학계가 편광상태에 미치는 영향이 최소가 되도록 하여야 한다. 또한 분광타원계에서는 진공자외선에서부터 근 적외선에 걸쳐 넓은 파장의 빛을 사용하는 것이 유리하다. 요약하면 차세대 반도체 공정에서 필요로 하는 분광타원계는 75 도 전후의 입사각에서 구동되며 150-800 nm의 파장대역에 걸쳐 시료위치에서의 빔 직경이 10 ㎛ 정도가 되고 개구수가 0.2 이하가 되며 편광상태를 변화시키지 않는 집속광학계를 갖추어야 한다. In addition, since ellipsometers control and measure polarization, in addition to reducing the beam size, the effect of the focused optical system on the polarization state should be minimized. In the spectroscopic ellipsometer, it is advantageous to use light of a wide wavelength from vacuum ultraviolet to near infrared. In summary, the spectroscopic ellipsometer required for the next-generation semiconductor process is driven at an angle of incidence of about 75 degrees and has a beam diameter of about 10 µm at a sample position and a numerical aperture of 0.2 or less over a wavelength range of 150-800 nm. It is necessary to have a focused optical system that does not change the

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 역 카세그레인 구조의 집속광학계를 이용하여 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에서 구동되며 시료위치에서 약 10 ㎛ 크기의 작은 빔 직경을 구현하는 반사형 집속광학계와 이를 적용한 분광타원계를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to operate in a wide wavelength band from the ultraviolet region to the near infrared region by using a focused optical system of the reverse casee grain structure and the size of about 10 ㎛ in the sample position It is to provide a reflective focusing optical system that realizes a small beam diameter of and a spectroscopic ellipsometer using the same.

본 발명의 다른 목적은 반사경을 이용하면서도 광축이 틀어지지 않아 편광상태가 변화되지 않도록 하는 반사형 집속광학계와 이를 적용한 분광타원계를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a reflection type focusing optical system and a spectroscopic ellipsometer using the reflector so that the polarization state is not changed because the optical axis is not twisted while using the reflector.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 광원, 편광자, 집속광학계, 검광자 및 분광기를 포함하여 구성되는 분광타원계에 있어서, 상기 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계가 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, in the spectroscopic ellipsometer comprising a light source, a polarizer, a focusing optical system, an analyzer and a spectroscope, the focusing optical system is a concave mirror form the center of the reflecting surface There is provided a micro spot spectroscopic ellipsometer, wherein an inverse cassgrain type optical system is used, which consists of a main diameter having a through hole formed therein and a reflecting surface in the form of a convex mirror, the main diameter having an effective diameter smaller than the sub diameter.

여기서, 상기 주경의 곡률반경은 35 ~ 45 mm, 부경의 곡률반경은 100 ~ 120 mm, 상기 주경과 부경 간의 거리는 60 ~ 80 mm, 상기 부경과 초점 간의 거리는 130 ~ 150 mm인 것이 바람직하다.Here, the radius of curvature of the major diameter is 35 to 45 mm, the radius of curvature of the minor diameter is 100 to 120 mm, the distance between the main diameter and the minor diameter is 60 to 80 mm, the distance between the minor diameter and the focal point is preferably 130 to 150 mm.

또한, 상기 주경의 유효구경은 6 ~ 10 mm, 부경의 유효구경은 35 ~ 45 mm인 것이 보다 바람직하다.In addition, the effective diameter of the main diameter is more preferably 6 ~ 10 mm, the effective diameter of the minor diameter is 35 ~ 45 mm.

또한, 상기 부경의 관통공의 구경이 8 ~ 12 mm인 것이 더욱 바람직하다.Moreover, it is more preferable that the diameter of the through hole of the said secondary diameter is 8-12 mm.

상기와 같은 본 발명에 따른 집속광학계를 이용하면, 다음과 같은 장점을 갖고 있다.Using the focusing optical system according to the present invention as described above, has the following advantages.

첫째, 반사경만으로 구성되므로 색수차가 발생하지 않아 파장대역에 제한을 받지 않고 고해상 광학계의 제공이 가능하고, 투과에 의한 빛의 흡수가 없으므로 진공자외선과 근적외선에 걸친 넓은 파장대역에 적용할 수 있다.First, since it is composed of a reflector only, chromatic aberration does not occur, it is possible to provide a high resolution optical system without being limited to the wavelength band, and it is applicable to a wide wavelength band covering vacuum ultraviolet rays and near infrared rays because there is no absorption of light by transmission.

둘째, 광축을 중심으로 회전 대칭 구조를 갖고 있어 렌즈를 사용하는 기존의 굴절형 광학계와 동일한 구조로 활용이 가능하고 동축광학계의 구성이 가능하여 광학정렬이 간편하고 편광상태에 영향을 주지 않는다.Second, since it has a rotationally symmetrical structure around the optical axis, it can be utilized in the same structure as a conventional refractive type optical system using a lens, and it is possible to configure a coaxial optical system so that the optical alignment is simple and does not affect the polarization state.

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

도 2는 본 발명에 따른 집속광학계의 구조를 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실제 설계 규격에 따른 집속광학계에서의 빛의 경로를 도시한 것이다.2 is a schematic view for explaining the structure of the focusing optical system according to the present invention, Figure 3 shows the path of light in the focusing optical system according to the actual design specifications of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공(H)이 형성되는 부경(20)와 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경(20)보다 작은 유효구경을 갖는 주경(10)로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것이 특징이다.As shown in FIG. 2, in the focusing optical system according to the present invention, the reflection surface is a concave mirror, and the sub-diameter 20 having a through hole H in the center thereof, and the reflection surface is a convex mirror, are formed in the convex mirror. Inverse Cassegrain type optical system composed of the main diameter 10 having a small effective diameter is used.

역 카세그레인 광학계는 도 2와 같이 작은 볼록형상의 주경(10)와 큰 오목형상의 부경(20)로 이루어진 2반사 광학계이다. 이 광학계는 구면만으로 구성된 2반사경계중에서 가장 수차특성이 좋은 구조이지만, 부경이 주경보다 커지는 단점이 있어 대구경의 광학계로는 사용이 어려우나 광속의 직경이 작아도 되는 소구경 광학계에는 적합한 구조이다.The reverse casee grain optical system is a two-reflection optical system composed of a small convex major diameter 10 and a large concave minor diameter 20 as shown in FIG. 2. Although the optical system has the best aberration characteristics among the two reflection systems composed only of spherical surfaces, it has a disadvantage in that the minor diameter is larger than the main diameter, so it is difficult to use as a large diameter optical system, but is suitable for a small diameter optical system in which the diameter of the light beam is small.

도 3에 도시된 바와 같이, 광원으로부터 발생된 빛은 부경(20)에 형성된 관통공(H)을 통과한 후 주경(10)의 볼록면에서 1차 반사되고 부경(20)의 오목면에서 2차 반사된 후 시료에 집속되는 구조이다. 여기서, 주경(10) 및 부경(20)의 곡률반경, 이격거리, 유효구경 등을 정밀하게 제어하면 2번 반사된 빛이 시료 상의 한점에 집속되도록 할 수 있다.As shown in FIG. 3, the light generated from the light source passes through the through hole H formed in the secondary diameter 20, and then is primarily reflected in the convex surface of the primary diameter 10, and then, at the concave surface of the secondary diameter 20. It is a structure that is focused on a sample after being differentially reflected. Here, if the curvature radius, separation distance, effective diameter, etc. of the main diameter 10 and the minor diameter 20 are precisely controlled, the reflected light 2 may be focused at a point on the sample.

역 카세그레인 광학계의 3차수차는 1968년 S. Rosin의 논문[1]에 상세하게 해석되어 있으며, 구면으로 구성된 2반사광학계에서 물체가 무한대에 있을 때 3차 구면수차와 3차 코마수차가 보정되는 조건은 The third order aberrations of the inverse casee grain optics are detailed in S. Rosin's paper [1] in 1968, and the conditions under which the third order spherical aberration and the third order coma are corrected when the object is at infinity in a spherical second reflection optical system. silver

Figure 112008066076434-pat00001
Figure 112008066076434-pat00001

으로 주어진다. 위의 식에서 m2는 부경의 횡배율이며, a1은 주변광선이 주경에 입사하는 높이 h1과 부경에 입사하는 높이 h2의 비율이다. 2개의 해 중에서

Figure 112008066076434-pat00002
일 때가 실용성 있는 해이며, 이 때 a1= 4.236이다. 수학식 1의 조건은 3차 수차를 근사한 Seidel 수차를 보정하여 얻은 결과이므로, 실제 광학계에서 최적화된 값은 이와 약간 다른 값을 가지게 된다. Given by In the above formula, m 2 is the horizontal magnification of the minor diameter, and a 1 is the ratio of the height h 1 at which the ambient light enters the main diameter and the height h 2 at which the minor diameter is incident. Out of 2 years
Figure 112008066076434-pat00002
Is a practical solution, where a 1 = 4.236. Since the condition of Equation 1 is obtained by correcting Seidel aberration approximating the third order aberration, the optimized value in the actual optical system has a slightly different value.

본 발명에서는 수치 해석 기법을 이용하여 최적의 실시예를 도출하였으며, 표 1에는 유효초점거리가 33 mm이고, 입사동 직경이 8 mm가 되는 최적의 실시예에 서의 설계 제원이 표 1에 나타나 있고, 이 설계에 따를 때의 광학계의 형태가 도 3에 도시되어 있다.In the present invention, an optimal embodiment was derived using a numerical analysis technique. Table 1 shows the design specifications of the optimum embodiment having an effective focal length of 33 mm and an entrance pupil diameter of 8 mm. The shape of the optical system according to this design is shown in FIG.

Figure 112008066076434-pat00003
Figure 112008066076434-pat00003

표 1에는 최적화된 집속광학계의 설계제원에 의할 경우, 무한물체점에 대하여 개구수는 0.115이고, 회절을 고려한 빔의 직경은 파장 800 nm에서 9.5 μm , 파장 200 nm에서는 2.1 μm이다. 본 발명의 집속광학계에서는 a1 = 4.387, m2 =-1.597로서 3차 수차만을 고려한 수학식 1을 통해 구한 근사치와 비교하면 거의 근접한 결과를 나타냄을 알 수 있다. Table 1 shows that the numerical aperture is 0.115 for the infinite object point, and the diameter of the beam considering diffraction is 9.5 μm at wavelength 800 nm and 2.1 μm at wavelength 200 nm. In the focused optical system of the present invention, a 1 = 4.387, m 2 = -1.597, and it can be seen that the result is almost close compared with the approximation obtained through Equation 1 considering only the third order aberration.

본 발명의 집속광학계의 수차는 시야각(FOV, Field of View) 2°이내에서는 0.02λ(rms, λ = 200 nm)로 단파장인 200 nm에서도 수차가 파장의 1/50 정도이므로 매우 잘 보정되어 있음을 알 수 있다(통상적으로 수차가 파장의 1/10 이하이면 우수한 것으로 판단함). The aberration of the focused optical system of the present invention is very well corrected since the aberration is about 1/50 of the wavelength even at 200 nm, which is 0.02λ (rms, λ = 200 nm) within a field of view (FOV) of 2 °. (Average is judged to be excellent if aberration is 1/10 or less of wavelength).

부경(20)의 관통공(H)을 통해 입사되는 빛 중 광축의 중앙 부근의 빛은 주경(10)에서 1차 반사된 후 부경(20)에서 2차 반사된 빛이 다시 주경을 지나면서 차폐되기 때문에 중심부의 광속을 사용하지 못하는 단점은 있으나, 타원분광계에서는 감소된 광속만큼 입사광의 세기를 크게 하면 되므로 큰 문제는 되지 않을 것으로 생각된다.Among the light incident through the through hole H of the secondary diameter 20, the light near the center of the optical axis is first reflected by the principal diameter 10 and then the second reflected light from the secondary diameter 20 passes again through the principal diameter and is shielded. However, there is a disadvantage in that the central luminous flux cannot be used. However, in the elliptical spectrometer, the incident light intensity is increased by the reduced luminous flux.

주경(10)에 입사하는 빛과 부경(20)에 입사하는 빛의 각 거울면에의 입사각은 11 도 이하이며 주경(10)의 반사면과 부경(20)의 반사면이 모두 높은 반사율을 가지므로 입사광의 반사에 따른 p파와 s파의 반사계수의 차이는 매우 작다. 특히, 본 광학계는 회전 대칭성을 갖고 있고, 그에 따라 p파와 s파의 반사계수 차이는 1차 근사내에서 서로 상쇄되므로 반사에 따르는 편광상태 변화를 무시할 수 있게 된다.Incident angles of the light incident on the main mirror 10 and the light incident on the secondary mirror 20 to each mirror surface are 11 degrees or less, and both the reflective surface of the major mirror 10 and the reflective surface of the secondary mirror 20 have high reflectances. Therefore, the difference between the reflection coefficients of p-wave and s-wave according to the reflection of incident light is very small. In particular, the present optical system has rotational symmetry, and thus the difference in the reflection coefficients of the p wave and the s wave cancels each other within the first approximation, thereby making it possible to ignore a change in polarization state due to reflection.

도 4는 본 발명에 따른 집속광학계가 적용된 분광타원계의 전체 구조를 도시한 것이다.Figure 4 shows the overall structure of a spectroscopic ellipsometer to which the focusing optical system according to the present invention is applied.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분광타원계는 집속광학계(400)의 구조를 제외하고는 종래의 분광타원계의 구성과 완전 동일하다.As shown in FIG. 4, the spectroscopic ellipsometer according to the present invention is completely identical to the structure of a conventional spectroscopic ellipsometer except for the structure of the focusing optical system 400.

즉, 광원(100)에서 방출된 빛이 광파이버를 통하여 전달되고, 광파이버에서 방출되는 빛은 집속렌즈(미도시)를 사용하여 평행광으로 만든 다음 편광 제어 모듈(200)을 통과한다. 편광 제어 모듈(200)을 통과하여 평행하게 입사하는 빛은 본 발명의 집속광학계(400)를 통해 시료면 상에서 10 ㎛ 이내의 마이크로 스폿을 만든다. That is, light emitted from the light source 100 is transmitted through the optical fiber, and the light emitted from the optical fiber is converted into parallel light using a focusing lens (not shown) and then passes through the polarization control module 200. Light incident in parallel through the polarization control module 200 creates a micro spot within 10 μm on the sample surface through the focusing optical system 400 of the present invention.

시료면에서 반사하여 발산하는 빛은 본 발명의 반사형 집속광학계(400)를 대칭적으로 다시 한번 적용하여 평행광으로 만든 다음 검광자 모듈(500)로 보낸다. 검광자모듈(500)을 통과한 빛은 집속렌즈(미도시)를 사용하여 광파이버로 입사시키고 이 광파이버의 다른 끝은 빛을 파장별로 나누고 각 파장별 빛의 세기를 측정하는 분광기(700)로 입사하게 된다. The light reflected and emitted from the sample surface is applied to the reflector module 500 by applying the reflective focusing optical system 400 of the present invention symmetrically once again to make parallel light. The light passing through the analyzer module 500 is incident to the optical fiber by using a focusing lens (not shown), and the other end of the optical fiber is incident to the spectrometer 700 which divides the light by wavelength and measures the intensity of light for each wavelength. Done.

본 발명에 따른 집속광학계(400)는 편광상태를 변화시키지 않으며 집속광학계를 제외하면 기존의 분광타원계와 동일하므로 집속광학계를 장착한 분광타원계의 원리 및 구동방식은 종래의 방식과 동일하다. The focusing optical system 400 according to the present invention does not change the polarization state and is the same as the existing spectroscopic ellipsometer except for the focusing optical system, and thus the principle and driving method of the spectroscopic ellipsometer equipped with the focusing optical system are the same as the conventional method.

도 5는 입사동의 모양 및 파면수차를 도시한 그래프이고, 도 6은 파장 546.8 nm에 대한 점퍼짐함수를 나타낸 것이다.5 is a graph showing the shape and wavefront aberration of the incident pupil, and FIG. 6 shows the jumper function for the wavelength 546.8 nm.

도 5에서 입사동의 중앙부는 상술한 바와 같이, 빛이 도달하지 못하는 영역이 발생함을 알 수 있으며, 도 5의 입사동의 모양 및 파면수차와 도 6의 점퍼짐함수(point spread function)는 회절한계의 결상특성을 보여주고 있다. 빛은 파동성을 가지고 있고, 이에 따른 회절현상으로 인하여 광학계에서는 회절한계 보다 작은 스폿은 만들 수 없다.In FIG. 5, as described above, the center portion of the incident pupil may generate an area where light does not reach, and the shape and wavefront aberration of the incident pupil of FIG. 5 and the point spread function of FIG. 6 may have diffraction limits. It shows the imaging characteristics of. The light has wave characteristics, and due to the diffraction phenomenon, the spot cannot be made smaller than the diffraction limit in the optical system.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims are intended to cover such modifications or changes as fall within the scope of the invention.

도 1은 종래 반사경을 이용한 분광타원계의 구조를 도시한 도면이다.1 is a view showing the structure of a spectroscopic ellipsometer using a conventional reflector.

도 2는 본 발명에 따른 집속광학계의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.2 is a schematic view for explaining the structure of a focusing optical system according to the present invention.

도 3은 본 발명의 최적화된 광학계의 형태 및 빛의 경로를 도시한 것이다.Figure 3 illustrates the shape and path of light of the optimized optical system of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 집속광학계가 적용된 분광타원계의 전체 구조를 도시한 것이다.Figure 4 shows the overall structure of a spectroscopic ellipsometer to which the focusing optical system according to the present invention is applied.

도 5는 입사동의 모양 및 파면수차를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing the shape and wavefront aberration of the incident pupil.

<주요도면부호에 관한 설명><Description of main drawing code>

10 : 주경 20 : 부경10: principal diameter 20: minor diameter

100 : 광원 200 : 편광제어모듈100: light source 200: polarization control module

300 : 모터 및 인코더부 400 : 집속광학계300: motor and encoder 400: focusing optical system

500 : 광 검출부 600 : 모터 및 인코더부500: light detector 600: motor and encoder

700 : 분광기700: Spectroscope

Claims (4)

광을 발생하는 광원;A light source for generating light; 상기 광원에서 발생된 광을 편광시키는 편광제어모듈;A polarization control module for polarizing the light generated by the light source; 상기 편광상태의 빛을 시료로 집속시키는 제 1 집속광학계;A first focusing optical system for focusing the light in the polarization state to a sample; 집속광을 입사받아 편광상태를 변환하여 반사하는 시료;A sample which receives a focused light and converts and reflects a polarization state; 상기 제 1 집속광학계와 대칭적으로 위치하고, 상기 시료의 표면에서 반사하여 발산하는 빛을 평행광으로 변환하는 제 2 집속광학계;A second focusing optical system positioned symmetrically with the first focusing optical system and converting light reflected and emitted from the surface of the sample into parallel light; 상기 제 2 집속광학계에서 변환된 평행광을 검지하는 검광자 모듈; 및An analyzer module for detecting parallel light converted by the second focusing optical system; And 상기 검지된 광을 파장별로 분광시킨 후, 분광된 광량을 측정하는 분광기를 포함하되,After spectroscopy the detected light for each wavelength, and includes a spectrometer for measuring the amount of spectroscopic light, 상기 제 1 및 제 2 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.The first and second converging optical systems have an inverse casing grain type consisting of a sub-mirror having a reflecting surface in the form of a concave mirror and a through-hole formed in the center thereof, and a reflecting surface of a convex mirror in a main diameter having an effective diameter smaller than the sub-caliber. A micro spot spectroscopic ellipsometer, wherein an optical system is used. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주경의 곡률반경은 35 ~ 45mm, 부경의 곡률반경은 100 ~ 120mm, 상기 주경과 부경 간의 거리는 60 ~ 80mm, 상기 부경과 초점 간의 거리는 130 ~ 150mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.The radius of curvature of the major diameter is 35 ~ 45mm, the radius of curvature of the minor diameter is 100 ~ 120mm, the distance between the major diameter and the minor diameter is 60 ~ 80mm, the distance between the minor diameter and the focal point is a micro-spot spectroscopic ellipsometer. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 주경의 유효구경은 6 ~ 10mm, 부경의 유효구경은 35 ~ 45mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.The effective diameter of the major diameter is 6 ~ 10mm, the effective diameter of the minor diameter is a micro-spot spectroscopic ellipsometer, characterized in that. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 부경의 관통공의 구경이 8 ~ 12mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.Micro-spot spectroscopic ellipsometer, characterized in that the aperture of the through hole of the secondary diameter is 8 ~ 12mm.
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