KR101008376B1 - 다중채널 분광타원해석기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 넓은 영역의 파장을 동시에 이용하여 시편의 특성을 측정할 수 있도록 구조가 개선된 다중채널 분광타원해석기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중채널 분광타원해석기는 시편이 장착되는 스테이지의 상방에 배치되며, 입사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광발생기와, 편광발생기를 향하여 제1광을 조사하되, 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 편광발생기를 직진하여 투과하는 제1편광이 시편에 조사되도록 제1광을 조사하는 제1광원과, 편광발생기를 향하여 제2광을 조사하되, 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 편광발생기를 굴절하면서 투과하는 제2편광이 제1편광과 동일한 방향으로 진행하여 시편에 조사되도록 제2광을 조사하는 제2광원과, 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 제1편광 및 제2편광이 입사되며, 입사된 제1편광 및 제2편광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광분석기와, 편광분석기에서 분리된 편광이 입사되며, 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 분광부와, 분광부에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 다중채널 검출부를 포함한다.
다중채널, 편광발생기, 분리각, 편광, 편광상태

Description

다중채널 분광타원해석기{Multichannel spectroscopic ellipsometer}
본 발명은 시편의 광학적 특성이나 두께를 측정하는데 이용되는 다중채널 분광타원해석기에 관한 것이다.
타원해석기술(ellipsometry)은 19세기 말부터 사용되었는데, 물질에 입사된 빛이 매질의 표면에서 반사되거나 투과할 때 그 매질의 굴절률이나 두께에 따라 빛의 편광상태가 변화하는 성질을 이용하여 물질의 광학적인 특성을 조하사는 분석법이다. 구체적으로 설명하면, 빛을 시편에 입사시킨 후 그로부터 반사 또는 투과된 빛의 편광상태를 분석하여 시편이 지닌 광학적 성질 또는 박막 시편의 경우 그 두께를 추출하는 광학 기술을 말하며, 이러한 측정방법을 이용하는 장비를 타원해석기(ellipsometer)라고 한다.
한편, 최근 들어 측정 속도를 향상시키기 위하여 다중채널 검출기를 도입한 다중채널 타원해석기가 널리 보급되어 이용되고 있다. 하지만, 종래의 다중채널 타원해석기는 원리 및 구조상의 제한으로 인해 특정 스펙트럼 영역의 파장으로만 측정이 가능하다. 즉, 광원의 특성에 따라 조사되는 광의 스펙트럼 영역이 한정적으로 정해지고, 다중채널 검출기의 특성에 따라 검출할 수 있는 스펙트럼 영역이 한정되므로, 종래의 다중채널 타원해석기는 사용 가능한 스펙트럼 영역에 따라, 진공자외선 영역의 타원해석기, 가시광선 영역의 타원해석기 및 근적외선 영역의 타원해석기로 구분되어 제작되었다.
따라서, 종래의 경우 두 영역 이상의 파장을 이용하여 시편의 특성을 측정하고자 하는 경우, 두 종류의 타원해석기를 구매하여 각각의 스펙트럼을 측정하여 더할 수밖에 없다. 이 경우, 가격도 고가가 될 뿐 아니라 각각을 따로 운영하여야 하기 때문에 측정시간도 매우 느리게 되는바, 빠른 측정을 위해 도입한 다중채널 검출기를 사용하는 의미가 절감되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 넓은 영역의 파장을 동시에 이용하여 시편의 특성을 측정할 수 있도록 구조가 개선된 다중채널 분광타원해석기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다중채널 분광타원해석기는 시편이 장착되는 스테이지의 상방에 배치되며, 입사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광발생기와, 상기 편광발생기를 향하여 제1광을 조사하되, 상기 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 상기 편광발생기를 직진하여 투과하는 제1편광이 상기 시편에 조사되도록 상기 제1광을 조사하는 제1광원과, 상기 편광발생기를 향하여 제2광을 조사하되, 상기 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 상기 편광발생기를 굴절하면서 투과하는 제2편광이 상기 제1편광과 동일한 방향으로 진행하여 상기 시편에 조사되도록 상기 제2광을 조사하는 제2광원과, 상기 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 제1편광 및 제2편광이 입사되며, 상기 입사된 제1편광 및 제2편광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광분석기와, 상기 편광분석기에서 분리된 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 분광부와, 상기 분광부에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 다중채널 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 분광부는, 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 직진하여 투과하는 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 제1분광기 및 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 굴절하면서 투과하는 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 제2분광기를 포함하며, 상기 다중채널 검출부는 상기 제1분광기에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 제1다중채널 검출기 및 상기 제2분광기에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 제2다중채널 검출기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 제1광 및 상기 제2광의 진행방향 상 상기 편광발생기와 상기 편광분석기 사이에 회전가능하게 배치되며, 입사된 광의 편광상태를 변화시키는 보상기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 편광발생기에는, 상기 제1광이 수직으로 입사되는 제1입사면과, 상기 제2광이 수직으로 입사되는 제2입사면이 형성되어 있으며, 상기 편광분석기에는, 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 직진하여 투과하는 편광과 직교하는 제1투과면과, 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 굴절하면서 투과하는 편광과 직교하는 제2투과면이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 두 광원에서 나오는 광을 동시에 이용하여 시편의 특성을 측정할 수 있다. 따라서, 광의 스펙트럼 영역에 따라 장치를 개별 적으로 구입하지 않아도 되므로 비용이 절감되며, 서로 다른 스펙트럼 영역에 대해 동시에 측정이 가능하므로 측정 시간이 감소하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광타원해석기의 구성도이며, 도 2는 제1광원 및 제2광원에서 조사된 광이 편광발생기를 통과하면서 분광되는 현상을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 제1입사면 및 제2입사면의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 다중채널 분광타원해석기(100)는 스테이지(10)와, 편광발생기(20)와, 제1광원(30)과, 제2광원(40)과, 편광분석기(50)와, 분광부와, 다중채널 검출부를 포함한다.
스테이지(10)는 시편(s)이 장착되는 곳으로, 판 형상으로 형성된다. 상기 스테이지(10)는 구동축(11)에 연결되어, 이동 및 틸팅(tilting) 가능하다.
편광발생기(20)는 입사된 광을 편광시키는 공지의 구성이다. 편광발생기(20)는 각각 복굴절 특성을 가지는 소재로 이루어지며, 그 굴절률 방향이 서로 상이한 두 개의 삼각 프리즘을 접합한 형태로 구성된다. 특히, 본 실시예의 경우 편광발생기(20)는 넓은 스펙트럼 영역의 광을 투과할 수 있도록, 마그네슘 플루라이드(magnesium fluoride)로 이루어진다. 상기 편광발생기(20)는 스테이지(10)의 상방, 보다 정확하게는 제1광 및 제2광의 진행경로 상에 배치되며, 후술하는 바와 같이 입사된 제1광(31) 및 제2광(41)을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 각각 분리한다. 그리고, 편광발생기(20)에는 후술하는 바와 같이 제1광이 수직으 로 입사되는 제1입사면(21)과, 제2광이 수직으로 입사되는 제2입사면(22)이 형성되어 있다. 제1입사면(21) 및 제2입사면(22)은 각각 평면으로 서로 교차되게 형성되는데, 이때 제1입사면(21)에 대하여 제2입사면(22)이 후술하는 분리각(θ) 만큼 기울어지게 형성된다.
제1광원(30)은 시편(s)의 특성을 측정하기 위한 제1광(31)을 시편(s)으로 조사하기 위한 것이다. 본 실시예의 경우, 제1광원(30)으로는 진공자외선에서 근자외선 스펙트럼 영역(파장이 140nm ~ 300nm 정도)의 광을 조사하는 중수소 램프가 채용된다. 상기 제1광원(30)은 제1광(31)을 편광발생기(20)로 조사한다.
제2광원(40)은 시편(s)의 특성을 측정하기 위한 제2광(41)을 시편으로 조사하기 위한 것으로, 이때 제2광(41)의 스펙트럼 영역은 제1광의 스펙트럼 영역과 상이한 것이 바람직하다. 본 실시예의 경우, 제2광원(40)으로는 근자외선에서 근적외선 스펙트럼 영역(파장이 350nm ~ 850nm 정도)의 광을 조사하는 할로겐 램프가 채용된다. 상기 제2광원(40)은 제2광(41)을 편광발생기(20)로 조사한다.
여기에서, 본 발명의 가장 중요한 특징인, 제1광 및 제2광의 진행경로가 하나로 통합되는 과정에 관하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1광원에서 조사된 광(31)은 직진하여 편광발생기의 제1입사면(21)에 수직으로 입사된다. 입사된 제1광(31)은 그대로 직진하여 편광발생기의 계면(두 프리즘이 만나는 면)(23)에 도달하게 되며, 이 계면(23)을 통과하면서 진동방향이 수직인 두 개의 편광(311,312)으로 분리되게 된다. 그리고, 분리된 두 개의 편광 중 하나인 제1편광(311)은 굴절되지 않고 직진하여 편광 발생기(20)를 통과하게 되며, 나머지 하나의 편광(312)은 계면(23)에서 굴절된 후 편광발생기(20)를 통과하게 된다. 그리고, 이때 분리된 두 개의 편광 사이의 각을 분리각(θ)이라 한다.
제2광원(40)은 제1광원(30)의 조사방향에 대하여 상기 분리각만큼 기울어진 방향으로 제2광(41)을 조사하며, 조사된 제2광(41)은 직진하여 편광발생기의 제2입사면(22)에 수직으로 입사된다. 입사된 제2광(41)은 그대로 직진하여 편광발생기의 계면(23)에 도달하게 되며, 이 계면(23)을 통과하면서 진동방향이 수직인 두 개의 편광(411,412)으로 분리되게 된다. 분리된 두 개의 편광 중 하나의 편광(411)은 굴절되지 않고 그대로 직진하여 편광발생기(20)를 통과하게 되며, 나머지 하나인 제2편광(412)은 계면(23)에서 분리각(θ)만큼 굴절된 후 편광발생기(20)를 통과하게 된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2광원(40)의 최초 조사방향이 제1광원(30)의 조사방향에 대하여 분리각만큼 기울어진 방향이었으므로, 계면에서 분리각만큼 굴절된 제2편광(412)의 진행방향은 제1편광(311)의 진행방향과 동일하게 된다. 즉, 제1편광(311)과 제2편광(412)이 동일한 경로로 진행하며, 이후 시편(s)에 조사된다. 여기서, 제1편광(311)은 편광분석기(20)를 직진 투과하는 편광이고, 제2편광(412)은 편광분석기를 굴절 투과하는 편광인바, 두 편광의 진동방향(편광방향)은 서로 직교한다.
편광분석기(50)는 입사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 공지의 구성으로, 앞서 설명한 편광발생기와 같이 마그네슘 플루라이드(magnesium fluoride)로 이루어진다. 상기 편광분석기(50)는 시편(s)에서 반사 된 두 편광, 즉 제1편광(311) 및 제2편광(412)의 진행경로 상에 배치되며, 입사된 제1편광(311) 및 제2편광(412)을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리한다.
상기 편광분석기(50)에서 일어나는 과정에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 제1편광(311)의 편광방향을 X축 방향이라 하고, 제2편광(412)의 편광방향을 Y축 방향이라 하면, 상기 제1편광(311) 및 제2편광(412)이 시편(s)에서 반사됨에 따라 제1편광(311) 및 제2편광(412)의 편광상태가 변화하게 되고, 이에 따라 제1편광에 Y축 방향의 성분이 발생하고 제2편광에 X축 방향의 성분이 발생하게 된다. 상기와 같이 편광상태가 변화된 제1편광(311') 및 제2편광(412')은 편광분석기(50)에 수직으로 입사한 후 직진하다가 편광분석기의 계면(53)에 도달하며, 이 계면에서 두 개의 편광으로 새로이 분리되게 된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1편광의 X축 방향 성분 및 제2편광의 X축 방향 성분(즉, 제2편광의 편광상태가 변화됨에 따라 발생한 성분)(32)은 편광분석기(50)를 직진하여 투과하며, 제1편광의 Y축 방향 성분(즉, 제1편광의 편광상태가 변화됨에 따라 발생한 성분) 및 제2편광의 Y축 방향 성분(42)은 계면(53)에서 분리각(θ)만큼 굴절된 후 편광분석기(50)를 통과하게 된다.
한편, 편광분석기(50)에는 편광분석기를 직진하여 투과하는 편광(32)과 직교하는 제1투과면(51)과, 편광분석기를 굴절하면서 투과하는 편광(42)과 직교하는 제2투과면(52)이 형성되어 있다. 상기 제1투과면(51) 및 제2투과면(52)은 각각 평면으로 형성되며, 분리각(θ)만큼 서로 기울어지게 형성된다.
분광부는 편광분석기를 통과한 편광을 파장 별로 분광시키기 위한 것으로, 본 실시예의 분광부는 제1분광기(60) 및 제2분광기(70)를 포함한다.
제1분광기(60)는 편광분석기를 직진하여 투과한 편광(32)의 진행경로 상에 배치된다. 상기 제1분광기(60)는 입사된 편광(32)을 파장 별로 분광시키는데, 이때 제1광원(30)에서 조사된 광 즉 진공자외선에서 근자외선 영역의 편광만이 투과된 후 파장 별로 분광되며, 나머지 영역의 편광(즉, 제2편광의 편광상태가 변화된 성분)은 차단된다.
제2분광기(70)는 편광분석기를 굴절하면서 통과하는 편광(42)의 진행경로 상에 배치된다. 상기 제2분광기(70)는 입사된 편광(42)을 파장 별로 분광시키는데, 이때 제2광원(40)에서 조사된 광 즉 근자외선에서 근적외선 영역의 편광만이 투과된 후 파장 별로 분광되며, 나머지 영역의 편광(즉, 제1편광의 편광상태가 변화된 성분)은 차단된다.
다중채널 검출부는 분광부에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하기 위한 것으로, 본 실시예의 경우 제1다중채널 검출기(80) 및 제2다중채널 검출기(90)를 포함한다. 제1다중채널 검출기(80)로는 진공자외선에서 근자외선 영역의 광을 검출할 수 있는 검출기(예를 들어, back-thinned CCD 검출기)가 이용되며, 제1분광기에서 분광된 편광의 광량을 측정한다. 제2다중채널 검출기(90)로는 근자외선에서 근적외선 영역의 광을 검출할 수 있는 검출기(예를 들어, 일반 실리콘 CCD 검출기)가 이용되며, 제2분광기(70)에서 분광된 편광의 광량을 측정한다.
상기 제1다중채널 검출기(80) 및 제2다중채널 검출기(90)에서 측정된 광량은 제어부(미도시)로 전송되며, 제어부에서는 측정된 광량을 기초로 하여 진공자외선에서 근적외선 영역에서의 시편(s)의 광학적 성질이나 시편(s)의 두께 등을 산출한다. 다만, 상기 산출 과정에서 제1다중채널검출기에서 측정되는 편광(32)과 제2다중채널 검출기에서 측정되는 편광(42)의 편광방향이 서로 직교한다는 점을 고려해 주어야 한다.
한편, 시편의 특성을 측정할 때에는 편광발생기(20)를 통과한 편광의 편광상태를 변화시키면서 측정하게 되는데, 편광의 편광상태를 변화시키기 위해 편광분석기(50)를 회전시키는 경우에는 편광분석기에서 굴절된 편광(42)이 함께 회전하게 되어 제2분광기(70)로 입사되지 않게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위하여, 본 실시예에 따른 광역스펙트럼 측정용 다중채널 분광타원해석기는 보상기(compensator)(95)를 더 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 보상기(95)는 광의 진행경로상 시편(s)과 편광분석기(50) 사이에 회전가능하게 배치된다. 보상기(95)의 회전시, 편광의 진행방향은 그대로 유지된 채, 반사된 편광의 편광상태만 변화되게 된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 다중채널 분광타원해석기의 경우, 두 광원에서 나오는 광을 동시에 이용하여 시편의 특성을 측정할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 광의 스펙트럼 영역에 따라 장치를 개별적으로 구입하지 않아도 되므로 비용이 절감되며, 서로 다른 스펙트럼 영역에 대해 동시에 측정이 가능하므로 측정 시간이 감소하게 된다.
또한, 편광발생기에 제1광 및 제2광이 수직으로 입사되도록 제1입사면 및 제 2입사면이 형성되어 있으므로, 광의 손실을 방지할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 편광발생기(20')가 형성되는 경우, 제1광원(30')에서 조사된 광은 편광발생기(20')에 수직으로 입사된다고 하더라도, 제1광원(30')과 분리각만큼 기울어진 방향으로 조사되는 제2광원(40')의 광은 편광발생기에 경사지게 입사되게 된다. 그리고, 이와 같이 광이 경사지게 입사되면, 반사율이 커져 광의 손실이 발생하게 되며, 파장에 따라 광 경로가 분산이 되는 문제점이 있다. 하지만, 본 실시예의 경우에는 분리각만큼 서로 기울어진 제1입사면(21) 및 제2입사면(22)을 형성하여 제1광 및 제2광이 수직으로 입사되게 함으로써 상기 문제를 방지하였다. 이러한 목적 및 효과는, 편광분석기에 형성된 제1투과면(51) 및 제2투과면(52)도 동일하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
예를 들어, 본 실시예의 경우 제1광원 및 제2광원으로 각각 중수소 램프 및 할로겐 램프를 사용하였으나, 측정하고자 하는 광의 스펙트럼 영역에 따라 제1광원 및 제2광원을 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중채널 분광타원해석기의 구성도이다.
도 2는 제1광원 및 제2광원에서 조사된 광이 편광발생기를 통과하면서 분광되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제1입사면 및 제2입사면의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...다중채널 분광타원해석기
10...스테이지 20...편광발생기
30...제1광원 40...제2광원
50...편광분석기 60...제1분광기
70...제2분광기 80...제1다중채널 검출기
90...제2다중채널 검출기 95...보상기
s...시편

Claims (5)

  1. 시편이 장착되는 스테이지의 상방에 배치되며, 입사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광발생기;
    상기 편광발생기를 향하여 제1광을 조사하되, 상기 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 상기 편광발생기를 직진하여 투과하는 제1편광이 상기 시편에 조사되도록 상기 제1광을 조사하는 제1광원;
    상기 편광발생기를 향하여 제2광을 조사하되, 상기 편광발생기를 투과하면서 분리되는 두 개의 편광 중 상기 편광발생기를 굴절하면서 투과하는 제2편광이 상기 제1편광과 동일한 방향으로 진행하여 상기 시편에 조사되도록 상기 제2광을 조사하는 제2광원;
    상기 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 제1편광 및 제2편광이 입사되며, 상기 입사된 제1편광 및 제2편광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 편광분석기;
    상기 편광분석기에서 분리된 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 분광부; 및
    상기 분광부에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 다중채널 검출부;를 포함하는 하는 다중채널 분광타원해석기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분광부는,
    상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 직진하여 투과하는 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 제1분광기; 및
    상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 굴절하면서 투과하는 편광이 입사되며, 상기 입사된 편광을 파장 별로 분광시키는 제2분광기;를 포함하며,
    상기 다중채널 검출부는,
    상기 제1분광기에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 제1다중채널 검출기; 및
    상기 제2분광기에서 파장 별로 분광된 편광의 광량을 측정하는 제2다중채널 검출기;를 포함하는 다중채널 분광타원해석기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1광 및 상기 제2광의 진행방향 상 상기 편광발생기와 상기 편광분석기 사이에 회전가능하게 배치되며, 입사된 광의 편광상태를 변화시키는 보상기;를 더 포함하는 다중채널 분광타원해석기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편광발생기에는, 상기 제1광이 수직으로 입사되는 제1입사면과, 상기 제2광이 수직으로 입사되는 제2입사면이 형성되어 있으며,
    상기 편광분석기에는, 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 직진하여 투과하는 편광과 직교하는 제1투과면과, 상기 편광분석기에서 분리된 두 개의 편광 중 상기 편광분석기를 굴절하면서 투과하는 편광과 직교하는 제2투과면이 형성되어 있는 다중채널 분광타원해석기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1광원과 상기 제2광원은 조사되는 광의 파장 영역이 서로 상이한 다중채널 분광타원해석기.
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