KR101922973B1 - 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 4개의 반사경으로 이루어지는 집속 광학계를 편광제어 모듈과 시료 사이 및 시료와 검광자 모듈 사이에 배치하여 광축의 변화 없이 광학계의 크기를 증가시키지 않고도 시료에 조사되는 집속광을 스폿 형태로 조사할 수 있도록 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계에 관한 것으로서, 광원에서 발생된 광을 제어된 편광 상태로 편광 시키는 편광제어 모듈, 편광된 광을 시료에 집속시키도록 4개의 반사경으로 구성되는 제 1 집속 광학계, 제 1 집속 광학계로부터의 집속광을 입사 받아 광학적 특성에 따라 편광 상태를 변화시키는 시료, 제 1 집속 광학계와 대칭적으로 위치하고, 시료의 표면에서 반사하여 발산하는 빛을 평행광으로 변환시키도록 4개의 반사경으로 구성되는 제 2 집속광학계, 제 2 집속 광학계를 통해 변환된 광의 편광 상태를 검지하는 검광자 모듈, 검지된 광을 파장별로 분광시킨 후, 분광된 광의 파장별 광량을 측정하기 위한 분광기로 구성될 수 있다.
Description
본 발명은 분광 타원계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 반사경을 이용하여 광축의 변화없이 광학계의 크기를 증가시키지 않고도 시료에 조사되는 집속광을 스폿 형태로 조사할 수 있고 집속 광학계에 의한 편광상태 변화를 무시하여 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이, 광학박막 등의 분야에서 비 파괴적 측정 방법으로 다양하게 사용되고 있는 타원법(Ellipsometry)은 제어된 편광상태를 갖고 있는 빛을 시료에 입사시킨 후 반사광의 변화된 편광상태를 측정, 분석하여 편광을 변화시킨 요인인 시료의 조밀도 변화, 광학적 두께, 복소 귤절률 등을 구하는 방법이다.
이를 위한 장치를 타원계라 칭하며 타원계는 빛의 편광상태를 제어하고 측정 및 분석하기 장치로서, 일반적으로 광원, 편광 발생모듈, 시료, 편광 검출모듈, 광 검출기로 구성되며, 특히 타원계 중 빛의 파장에 따라 측정 및 분석을 하는 타원계를 분광 타원계라고 한다.
최근 반도체 공정은 회로 선폭 30 nm 대의 공정에서 회로 선폭 1x nm 대의 공정으로 진행됨에 따라 박막의 공정 두께와 선폭 또한 작아지며 반도체분야에서 박막의 두께를 모니터링 하는 데 필수적으로 사용되고 있는 분광 타원계 분야에서도 공간 분해능을 향상시키는 요구가 커지고 있다.
분광 타원계는 빛을 시료 표면에 집속시키기 위하여 집속 광학계를 사용하는데 DUV영역에서부터 근 적외선 영역까지 높은 투과율을 가지는 광학 매질은 매우 한정되어 있다.
이에 따라 DUV 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에 대해 시료위치에서 수십 ㎛ 이내의 직경을 가지는 스폿을 만들어 내기는 매우 어려운 문제점이 있다.
또한, 굴절 투과형 렌즈를 사용하는 집속 광학계에서는 넓은 파장대역에서의 색수차를 보정하기 위해서는 두 장 이상의 렌즈를 사용하기도 한다.
이와 같이 두 장 이상의 렌즈를 사용할 경우 광학계의 중심축을 통과하는 빛을 사용하여 동축 구조의 집속 광학계를 구현할 수 있어, 광학계의 제작과 광학정렬 등이 용이한 장점이 있으나, 렌즈 매질의 파장에 따른 굴절률 분산에서 기인하는 색수차와 구면렌즈를 사용함에 따라 나타나는 구면수차, 코마, 비점수차 등 다양한 수차가 발생한다.
한편, 시료 표면을 조명하는 면적을 매우 작게 하는 집속 광학계를 포함한 타원계를 마이크로 스폿 타원계라 한다.
이때, 집속 광학계로서 굴절 투과형 렌즈를 사용하는 경우 적용하는 광학 매질의 파장에 따른 특성에 따라 렌즈가 제한적으로 적용된다. 또한, 분광 타원계의 경우 파장의 변화에 따라 발생하는 색 수차로 인해 최적화된 집속 광학계를 적용 하더라도 시료 표면에서의 스폿 크기를 매우 작게 유지 하는 것에 용이하지 않다.
또한, 집속 광학계로 반사경을 이용하는 경우 빛이 반사되면서 편광상태의 변화를 일으켜 정밀 측정 오차의 원인이 될 수 있어 기존 방식은 반사경과 시료 사이에 편광 제어 모듈을 배치한다.
그런데, 반사경을 이용할 경우 집속을 위한 반사경과 시료사이의 거리가 멀기 때문에 충분한 마이크로 스폿을 얻기 위한 전체 광학계의 크기가 커지는 경향이 존재하며, 이는 전체 분광 타원계의 크기를 크게 하는 요인이 된다.
본 발명은 4개의 반사경만으로 이루어지는 집속 광학계를 편광제어 모듈과 시료 사이 및 시료와 검광자 모듈 사이에 배치하여 광축의 변화 없이 광학계의 크기를 증가시키지 않고도 시료에 조사되는 집속광을 스폿 형태로 조사할 수 있도록 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계를 제공함에 있다.
본 발명의 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계는 광원에서 발생된 광을 제어된 편광 상태로 편광 시키는 편광제어 모듈, 편광된 광을 시료에 집속시키도록 4개의 반사경으로 구성되는 제 1 집속 광학계, 제 1 집속 광학계로부터의 집속광을 입사 받아 광학적 특성에 따라 편광 상태를 변화시키는 시료, 제 1 집속 광학계와 대칭적으로 위치하고, 시료의 표면에서 반사하여 발산하는 빛을 빛을 평행광으로 변환시키도록 4개의 반사경으로 구성되는 제 2 집속광학계, 제 2 집속 광학계를 통해 변환된 광의 편광 상태를 검지하는 검광자 모듈, 검지된 광을 파장별로 분광시킨 후, 분광된 광의 파장별 광량을 측정하기 위한 분광기로 구성될 수 있다.
이때, 각 반사경에 입사하는 광의 입사각이 10° 이하가 되도록 하여 입사광의 반사에 따른 타원 상수 p파와 s파의 반사계수가 서로 상쇄되도록 할 수 있다.
또한, 제 1 집속 광학계는 중심축에 위치하여 중심축 광을 차단하는 제 1 반사경과, 제 1 반사경의 후단에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 제 1 반사경의 반사면으로 광을 반사하도록 구성되는 제 2 반사경과, 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사시키도록 제 2 반사경의 후단 중심축에 위치하는 제 3 반사경과, 제 3 반사경과 제 2 반사경 사이에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 제 3 반사경에서 반사된 광을 시료 표면에 집속시키는 제 4 반사경으로 구성될 수 있다.
이때, 제 1 반사경의 곡률 반경이 제 2 반사경의 곡률 반경보다 커 제 1 반사경에서 반사된 광이 제 2 반사경에 대하여 광축을 통과하지 않고 진행하거나, 제 1 반사경의 곡률 반경이 제 2 반사경의 곡률 반경보다 작아 제 1 반사경에서 반사된 광이 제 2 반사경에 대하여 광축을 통과하여 진행할 수 있다.
또는 제 1 집속 광학계는 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 중심축으로 광이 진행하도록 하는 제 1 반사경과, 제 1 반사경의 후단의 중심축에 위치하여 제 1 반사경의 반사면으로 광을 반사하도록 구성되는 제 2 반사경과, 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사시키도록 제 2 반사경의 후단의 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하는 제 3 반사경과, 제 3 반사경과 제 2 반사경 사이의 중심축에 위치하여 제 3 반사경에서 반사된 광을 시료 표면에 집속시키는 제 4 반사경으로 구성될 수 있다.
본 발명은 4개의 반사경을 이용하여 집속 광학계를 구성함으로써 색수차가 발생하지 않으며 파장대역에 제한을 받지 않아 고해상 집속 광학계를 구성할 수 있고, 동축 광학계로 구성함으로써 광축 정렬이 용이하고 편광상태에 영향을 주지 않아 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 투과 매질을 사용하지 않아 파장변화에 따른 특성이 없으므로 DUV로 부터 근적외선에 걸친 넓은 파장대역에 적용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스폿 분광 타원계 구성도.
도 2 내지 도 4는 도 1의 집속 광학계 실시예들을 나타낸 단면 구성도.
도 2 내지 도 4는 도 1의 집속 광학계 실시예들을 나타낸 단면 구성도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계 구성도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1의 집속 광학계 실시예들을 나타낸 단면 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 스폿 분광 타원계는 광원(100), 편광제어 모듈(200), 모터와 인코더(300), 제 1 집속 광학계(400), 제 2 집속 광학계(500), 검광자 모듈(600), 분광기(700)를 포함한다.
광원(100)은 시료(s)에 조사되는 광 발생 장치로서, 원자외선(Deep Ultra Violet; DUV)에서부터 근적외선에 걸친 다양한 파장대역의 광을 발생한다.
편광제어 모듈(200)은 광원(100)과 시료 사이에 위치하고, 광원(100)에서 발생된 광을 제어된 편광 상태로 편광시킨다. 즉, 광원(100)에서 발생한 빛은 일반적으로 특정 편광상태로 나타낼 수 없는 무 편광으로 나타나기 때문에 편광제어 모듈(200)은 광원(100)에서 발생한 빛을 통과시켜 특정 편광 상태로 제어된 측정 광으로 편광시킨다.
모터와 인코더(300)는 편광제어 모듈(200)과 검광자 모듈(600)에 결합되어 모터구동펄스가 인가될 때 마다 단위각도 만큼씩 회전함으로써, 편광제어 모듈(200) 또는 검광자 모듈(600)을 통과하는 광의 편광 방향을 주기적으로 변화시키는 역할을 한다.
제 1 집속 광학계(400)는 편광제어 모듈(200)과 시료(s) 사이에 위치하여 편광제어 모듈(200)에 의해 편광된 측정 광을 시료(s)의 집속시키는 것으로서, 4개의 반사경으로 구성된다.
즉, 제 1 집속 광학계(400)는 전반부의 2개의 반사경과 후반부의 2개의 반사경으로 구성되는데, 2반사경 구조의 집속 광학계인 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 방식보다 빛의 집속 정도가 우수하여 마이크로 스폿 분광 타원계의 구조에 유리한 장점이 있다.
또한, 반사경만으로 구성되므로 색수차가 발생하지 않으며 파장대역에 제한을 받지 않아 고해상 집속 광학계의 제작에 유리하고, 투과 매질을 사용하지 않아 파장변화에 따른 특성이 없으므로 DUV로 부터 근적외선에 걸친 넓은 파장대역에 적용할 수 있다.
한편, 시료(s)의 표면에 입사된 측정 광은 시료의 굴절률, 두께와 같은 광학적, 구조적 특성에 따라 변형된 편광을 반사하게 된다.
제 2 집속 광학계(500)는 시료(s)의 표면에서 반사하여 발산하는 빛을 검광자모듈로 보낼 수 있도록 평행광으로 변환시키는 4개의 반사경으로 구성된다. 이때, 제 2 집속 광학계(500)는 제 1 집속 광학계(400)와 대칭되는 위치에 위치하며, 제 1 집속 광학계(400)와는 대칭 구조를 갖는다.
검광자 모듈(600)은 광의 반사경로 상에 배치되어 제 2 집속 광학계(500)를 통해 변환된 광의 편광 상태를 검지한다.
분광기(700)는 검지된 광을 파장별로 분광시킨 후, 분광된 광의 파장별 광량을 측정한다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 집속 광학계의 구성을 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제 1 집속 광학계(400)는 4개의 반사경으로 이루어진다.
선단에 위치하는 제 1 반사경(410a, 420a)은 중심축 광을 차단하도록 중심축에 위치하고, 제 2 반사경(410b, 420b)은 제 1 반사경(410a, 420a)의 후단에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치한다. 이에 따라, 제 2 반사경(410b, 420b)의 반사면에서 반사된 광은 제 1 반사경(410a, 420a)의 반사면에 입사된다.
제 1 반사경(410a, 420a)과 제 2 반사경(410b, 420b)은 편광제어 모듈(200)로부터 시료(s) 방향으로 진행하는 측정 광을 평행 광에 가깝게 보내는 역할을 하는 것으로서, 곡률 반경이 90 mm ~ 110 mm 부근의 크기를 갖도록 한다.
이때, 도 2의 실시예에서는 제 1 반사경(410a, 420a)의 곡률 반경을 제 2 반사경(410b, 420b)의 곡률 반경보다 크게 하여 제 1 반사경(410a, 420a)에서 반사된 광이 제 2 반사경(410b, 420b)에 대하여 광축을 통과하지 않고 진행할 수 있도록 하였으나, 도 3과 같이 제 1 반사경(410a, 420a)의 곡률 반경을 제 2 반사경(410b, 420b)의 곡률 반경보다 작게 하여 제 1 반사경에서 반사된 광이 제 2 반사경(410b, 420b)에 대하여 광축을 통과하여 진행하도록 할 수 있다.
또한, 후단에 위치하는 제 3 반사경(410c, 420c)은 제 2 반사경(410b, 420b)의 후단 중심축에 위치하여 제 1 반사경(410a, 420a)에서 반사된 광을 반사시키는 역할을 한다.
제 4 반사경(410d, 420d)은 제 3 반사경(410c, 420c)과 제 2 반사경(410b, 420b) 사이에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 제 3 반사경(410c, 420c)에서 반사된 광을 반사시켜 시료(s)의 표면에 마이크로 스폿 형태의 집속광이 조사되도록 한다.
이때, 제 3 반사경(410c, 420c)과 제 4 반사경(410d, 420d)은 측정광을 10 ㎛ 이하의 마이크로 스폿 광으로 집속하기 위해 5 mm ~ 30 mm 의 곡률 반경을 갖도록 한다.
도 4를 참조하면, 제 1 반사경(430a)은 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 중심축으로 광이 진행하도록 구성되고, 제 2 반사경(43b)은 제 1 반사경(430a)의 후단의 중심축에 위치하여 제 1 반사경(430a)의 반사면으로 광을 반사하도록 구성된다.
또한, 제 3 반사경(430c)은 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사시키도록 제 2 반사경(430b)의 후단의 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하도록 구성되고, 제 4 반사경(430d)은 제 3 반사경(430c)과 제 2 반사경(430b) 사이의 중심축에 위치하여 제 3 반사경(430c)에서 반사된 광을 시료(s) 표면에 집속 시키도록 구성된다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 집속 광학계의 경우 비축 광학계 구조로 구성되기 때문에 되어 있기 때문에 제작에 있어서 광학계의 중심축에 대해 한 쪽 면만 사용가능하도록 광학계를 제작 할 수 도 있다.
이상의 본 발명의 실시예들에 따른 집속 광학계를 구성하는 반사경 들은 반사면에 입사하는 광의 입사각이 10° 이하가 되도록 하여, 입사광의 반사에 따른 타원 상수 p파와 s파의 반사계수는 매우 작은 차이를 갖도록 한다.
본 발명에서는 동축 광을 사용하기 때문에 반사경의 입사각이 10° 이하가 되도록 하면 p파와 s파의 반사계수 차이는 근사적으로 상쇄하므로, 4반사경계 내에서 반사에 의한 편광상태 변화를 무시할 수 있다.
여기서 p파는 입사되는 평면과 평행(parallel)한 상태의 편광 이며, s파는 입사되는 평면에 수직한 상태의 편광 상태로 독일어의 senkrecht에서 유래 하였다.
즉, 일반적으로는 타원계의 경우 측정 광이 시료표면에 비스듬하게 입사하기 때문에 광학계와 시료 사이의 거리를 충분하게 확보해야 하기 위해 전체 광학계의 크기가 커지거나 광축이 틀어지는 단점이 있다. 이를 방지하기 위하여 광학계에 반사경을 사용하는 경우 빛이 반사되면서 편광상태가 변화되어 측정 오차를 유발할 수 있다.
이에, 본 발명은 반사경계의 반사경이 매우 높은 반사율을 갖도록 하고 각 반사경에 10° 이하로 광을 입사시킴에 따라 입사광의 반사에 따른 타원 상수 p파와 s파의 반사계수는 매우 작게 하여 편광 상태를 무시할 수 있도록 하는 것이다.
이를 수학식으로 통해 증명하면 다음과 같다.
<수학식 1>
<수학식 2>
수학식 1 및 수학식 2의 코사인을 수열로 나타내서 정리하면,
<수학식 3>
<수학식 4>
단,
따라서, 수학식 3은 
, 수학식 4는 
가 된다.
즉, 반사경면에 대한 입사각 
가 작은 경우 
, 
가 되어 편광 변화가 없음을 알 수 있다. 여기서 rp와 rs는 각각 반사경면에 입사된 후 나타나는 p파와 s파의 반사계수를 표현하는 프레넬 계수(Fresnel Coefficients)이다.
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.
100 : 광원 200 : 편광제어 모듈
300 : 모터와 인코더 400 : 제 1 집속 광학계
500 : 제 2 집속 광학계 600 : 검광자 모듈
700 : 분광기
300 : 모터와 인코더 400 : 제 1 집속 광학계
500 : 제 2 집속 광학계 600 : 검광자 모듈
700 : 분광기
Claims (6)
- 광원에서 발생된 광을 제어된 편광 상태로 편광 시키는 편광제어 모듈;
상기 편광된 광을 시료에 집속시키도록 4개의 반사경으로 구성되고, 4개의 반사경의 중심이 광축과 일치하도록 배치되어 4개의 반사경이 광축과 동축을 이루는 제 1 집속 광학계;
상기 제 1 집속 광학계로부터의 집속광을 입사 받아 광학적 특성에 따라 편광 상태를 변화시키는 시료;
상기 제 1 집속 광학계와 대칭 구조를 갖고 상기 제 1 집속 광학계와 대칭적으로 위치하며, 상기 시료의 표면에서 반사하여 발산하는 빛을 평행광으로 변환시키도록 4개의 반사경으로 구성되고, 4개의 반사경의 중심이 광축과 일치하도록 배치되어 4개의 반사경이 광축과 동축을 이루는 제 2 집속광학계;
상기 제 2 집속 광학계를 통해 변환된 광의 편광 상태를 검지하는 검광자 모듈;
상기 검지된 광을 파장별로 분광시킨 후, 분광된 광의 파장별 광량을 측정하기 위한 분광기를 포함하고,
상기 각 반사경에 입사하는 광의 입사각이 10° 이하가 되도록 하여 입사광의 반사에 따른 타원 상수 p파와 s파의 반사계수가 서로 상쇄되도록 하는 것을 특징으로 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 집속 광학계는
광의 중심축에 위치하여 중심축 광을 차단하는 제 1 반사경과,
상기 제 1 반사경의 후단에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 상기 제 1 반사경의 반사면으로 광을 반사하도록 구성되는 제 2 반사경과,
상기 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사시키도록 제 2 반사경의 후단 중심축에 위치하는 제 3 반사경과,
상기 제 3 반사경과 제 2 반사경 사이에서 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 상기 제 3 반사경에서 반사된 광을 시료 표면에 집속시키는 제 4 반사경으로 구성되는 것을 특징으로 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계.
- 제 3항에 있어서,
상기 제 1 반사경의 곡률 반경이 상기 제 2 반사경의 곡률 반경보다 커 상기 제 1 반사경에서 반사된 광이 제 2 반사경에 대하여 광축을 통과하지 않고 진행하는 것을 특징으로 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계.
- 제 3항에 있어서,
상기 제 1 반사경의 곡률 반경이 상기 제 2 반사경의 곡률 반경보다 작아 상기 제 1 반사경에서 반사된 광이 제 2 반사경에 대하여 광축을 통과하여 진행하는 것을 특징으로 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 집속 광학계는
광의 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하여 중심축으로 광이 진행하도록 하는 제 1 반사경과,
상기 제 1 반사경의 후단의 중심축에 위치하여 상기 제 1 반사경의 반사면으로 광을 반사하도록 구성되는 제 2 반사경과,
상기 제 1 반사경에서 반사된 광을 반사시키도록 제 2 반사경의 후단의 상기 중심축과 일정 거리 이격되는 위치에 위치하는 제 3 반사경과,
상기 제 3 반사경과 제 2 반사경 사이의 중심축에 위치하여 상기 제 3 반사경에서 반사된 광을 시료 표면에 집속시키는 제 4 반사경으로 구성되는 것을 특징으로 하는 4-반사경을 적용한 마이크로 스폿 분광 타원계.
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|---|---|---|---|---|
| KR20200129545A (ko) | 2019-05-09 | 2020-11-18 | (주)엘립소테크놀러지 | 고배율 광학계를 적용하는 마이크로 스폿 분광타원계의 왜곡 보정 및 적용 방법 |
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| JP5789353B2 (ja) | 2000-09-20 | 2015-10-07 | ケーエルエー−テンカー コーポレイション | 半導体製造プロセスのための方法とシステム |
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2017
- 2017-01-25 KR KR1020170012035A patent/KR101922973B1/ko active IP Right Grant
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