KR102383467B1 - 스냅샷 엘립소미터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 샘플을 측정하기 위하여 일시적으로 변조된 요소(들)이 필요하지 않고, 대신에 전자기 방사선 측정 빔 내의 편광상태를 변화시키는 하나 이상의 공간적으로 가변하는 보상기들(예컨대, 마이크로지연기 어레이 및 화합물 프리즘)을 사용하는 스냅샷 엘립소미터 또는 편광계에 관한 것이다. 빔이 공간적으로 가변하는 보상기(들) 및 샘플과 상호작용 후 빔의 강도 프로파일의 분석은 샘플 파라미터들이 이동하는 광학소자들없이 특성화될 수 있도록 한다.

Description

스냅샷 엘립소미터
본 발명은 샘플들의 광학 특성들 및 물리적 파라미터들을 측정하기 위한 엘립소미터들 및 그와 유사한 시스템들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 측정 빔의 편광 상태를 공간적으로 가변시킴으로써 샘플들을 특징짓는 분광 엘립소미터들에 관한 것이다.
종래의 엘립소미트리에서, 전자기 방사선 빔의 편광 상태는 시간의 함수로서 적어도 하나의 편광 상태 파라미터를 가변시킴으로써 변조 및/또는 분석된다. 회전-광학 엘립소미터들은 요소를 회전시킴으로써 하나 이상의 광학 요소의 방위각 위치를 선형적으로 가변시킨다. 각각의 회전하는 요소는 광학소자의 회전 레이트와 관련된 주파수에서 신호 강도의 시간 변조를 유도한다. 초기 개발들에는 샘플로 인한 위상 변화(Δ)의 신호를 측정할 수 없는 회전 분석기들 또는 편광기들이 사용되었다. 나중의 개선사항들은 회전 보상기들을 활용하여 이러한 파라미터에 민감성을 제공했다. 또 다른 유형의 엘립소미터는 광탄성 변조기들을 사용하여 일반적으로 광탄성 결정의 응력을 유도하는 압전 변환기 상에 전압을 부여함으로써 정현파 방식으로 시간의 함수로서 광학소자의 지연을 가변시킨다. 이러한 응력은 결정 내에서 가변하는 복굴절을 초래하고 측정 빔에서 지연을 초래한다. 상기 유형들의 엘립소미터 각각에서, 신호 강도의 시간 변조는 샘플의 광학 특성들을 결정하기 위해 분석된다.
일반적으로 회전 보정기들 및 광탄성 변조기들과 같은 요소들에는 몇 가지 단점들이 있다. 편광 변조는 시간의 함수이기 때문에, 빔의 편광 상태를 완전히 기재하기 위해 다수의 측정 프레임들이 캡처되어야 한다. 이러한 이유로, 임의의 시간적으로 변조된 엘립소미터의 측정 속도는 기본적으로 그의 하드웨어에 의해 제한된다. 코팅 공정들에서와 같이 샘플들을 이동시키거나 빠르게 변화시키기 위해, 정지 광학소자들로 측정을 완료하는 것이 유리할 것이다. 또한, 정지-요소 엘립소미터는 시간적으로 변조된 시스템보다 더 안정적이고 단순하며 소형일 수 있다.
종래 기술의 엘립소미터들의 한계들을 극복하기 위해, 검출된 빔의 시간 변조의 사용을 제거하는 시스템들을 위한 일부 설계들이 제안되어 왔다. 채널화된 엘립소미터들 및 편광계들은 빔의 편광 상태에 관한 정보를 스펙트럼 또는 공간 정보에 이용된 검출기의 동일한 치수 상으로 인코딩한다. 스펙트럼으로 채널화된 엘립소미트리에서, 이는 다중-차수 지연기를 사용하여 달성된다. 지연기는 파장에 크게 의존하는 편광 효과들을 가지므로, 스펙트럼 강도 프로파일 내에서 더 높은 주파수에서 강한 변조 패턴을 생성한다. 유사하게, 공간적으로 채널화된 시스템들은 쐐기 지연기와 같은 공간적으로 가변하는 광학소자를 이미징함으로써 이미지 평면의 하나 또는 둘 모두의 치수들을 따라 강도를 조절한다. 이러한 방법을 이용하는 시스템들은 Oka 등의 미국 특허 7336360B2에 기재된 바와 같이 빔의 스펙트럼, 편광, 및 공간 성분들에 대한 많은 정보를 동시에 캡처할 가능성이 있다. 채널화된 시스템들의 주요 단점은 각 변수와 관련된 정보가 분리되어야 한다는 것이다. 많은 선행 기술에서, 이것은 각 개별 변조 소스의 특성 주파수들을 추출하기 위해 결과적인 강도 정보를 푸리에 변환함으로써 달성된다. 이러한 기술의 몇 가지 단점들은 더 복잡한 신호 처리, 증가된 노이즈, 및 감소된 해상도를 포함한다.
스냅샷 엘립소미터들 및 편광계들은 채널화된 시스템들의 단점들없이 고정 광학소자들의 이점들을 제공할 수 있다. 스냅샷 시스템들에서, 신호의 공간 변조는 공간적으로 가변하는 광학 요소를 다중-요소 검출기의 전용 치수 상에 이미징함으로써 유도된다. 2차원 검출기가 사용되는 경우, 다른 치수는 샘플 또는 빔의 스펙트럼, 각도, 또는 공간 특성들과 관련된 정보를 캡처하는 데 사용될 수 있다. 스냅샷 분광 엘립소미트리의 경우, 추가 소자는 직교 검출기 치수를 따라 전자기 방사선을 스펙트럼적으로 분리하여, 검출기의 단일 프레임 캡처에서 빔의 편광 상태 및 스펙트럼 프로파일의 완전한 특성화를 가능하게 한다. 스펙트럼 분리 및 편광 변조 방향들은 독립적이므로, 신호 처리는 간단하고 전통적인 엘립소미트리 기술과 유사하다.
뮬러-스토크스 계산식(Mueller-Stokes calculus)을 사용하여 엘립소미터의 광학 트레인 내 각 요소로 인한 분극의 변화를 표현할 수 있다. 전자기 방사선의 편광 상태는 스토크스 벡터(Stokes Vector)로 표시되며, 각 요소는 광학소자의 편광 효과들을 기재하는 뮬러 매트릭스(Mueller Matrix)로 기재된다.
몇 가지 일반적인 편광 요소들에 대한 뮬러-스토크스 기재들이 아래에 제공된다.
비편광된 광은 강도 I로 특징지어지며 다음과 같은 스토크스 벡터로 기재된다:
Figure 112020070578586-pct00001
이하의 매트릭스는 편광된 빔을 나타내는 스토크스 벡터를 검출기 상의 강도의 스칼라 표현으로 변환한다.
Figure 112020070578586-pct00002
편광기는 상기 축을 따라 배향된 편광을 갖는 전자기 방사선만을 투과시키는 특징적인 통과 축을 갖는 요소이다.
Figure 112020070578586-pct00003
분석기는 엘립소미트리 시스템에서 샘플 뒤에 존재하는 편광기이다. 분석기를 기재하는 뮬러 매트릭스는 편광기의 뮬러 매트릭스와 동일하다.
Figure 112020070578586-pct00004
보상기들은 그의 직교 성분에 대해 횡 전자기파의 하나의 성분을 지연시킴으로써 작용한다. 이러한 효과는 이하 식으로 기재되며, 여기서 지연(d)은 파장(λ)의 전자기 방사선이 전파되는 재료의 복굴절 결정의 임시 및 통상적인 굴절률들(ne, n0) 및 두께(T)의 함수이다.
Figure 112020070578586-pct00005
일반 보상기를 기재하는 뮬러 매트릭스는 다음과 같다:
Figure 112020070578586-pct00006
편광기 또는 보상기와 같은 특징적인 편광 축들을 갖는 임의의 요소에 대해, 회전 매트릭스들은 입사 평면에 대한 요소의 방위각 위치 θ를 기재하기 위해 사용된다.
Figure 112020070578586-pct00007
샘플에 대한 가장 일반적인 수학적 기재는 샘플로 인한 빔의 편광 상태 변화를 완전히 기재할 수 있는 16개의 요소들로 구성된 뮬러 매트릭스이다.
Figure 112020070578586-pct00008
종래의 엘립소미트리에서, 샘플에 의해 야기된 편광 변화는 2개의 파라미터들인 ψ 및 ㅿ에 의해 기재되었지만, 이러한 표기법은 부분적으로 편광된 빔들을 기재하거나 샘플들을 탈분극시키기에는 불충분하다.
Figure 112020070578586-pct00009
등방성 샘플들과 부분적으로 편광된 빔들을 완전히 기재하기 위해 대체 표기법을 사용할 수 있다. 등방성 양들은 이하의 방식으로 관련되며 도시된 바와 같이 이전 매트릭스로 대체될 수 있다.
Figure 112020070578586-pct00010
Figure 112020070578586-pct00011
Figure 112020070578586-pct00012
Figure 112020070578586-pct00013
N, C, 및 S 표기법은 탈분극과 간단한 관계를 제공하기 때문에 유리하다. 탈분극은 완전히 편광된 전자기 방사선을 부분적으로 편광된 전자기 방사선으로 변환하는 것으로 정의되며 등방성 샘플들에 대해 이하의 방식으로 표현될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00014
탈분극은 다음을 포함한 다양한 요인들에 의해 발생할 수 있다: 표면 전자기 방사선 산란, 샘플 불균일성, 분광계 대역폭 해상도, 비시준된 입력 빔으로부터의 각도 확산, 및 기판의 후측으로부터 반사되는 전자기 방사선의 비일관적인 합산. 탈분극 측정들은 샘플 또는 시스템의 비이상성들을 식별하는 데 도움이 된다.
종래 기술 스냅샷 엘립소미터들에서 사용되는 가장 일반적인 요소들 중 하나는 일부 복굴절 재료의 쐐기이다. 보상기의 지연은 그의 두께에 비례하기 때문에, 공간적으로 가변하는 두께를 갖는 복굴절 광학소자는 상이한 위치들에서 상이한 지연 값들을 갖는다. 측정 빔의 상이한 부분들이 광학소자의 상이한 부분들과 상호작용하기 때문에, 측정 빔의 편광 상태는 공간적으로 변조된다.
이러한 광학소자의 가장 간단한 예는 복굴절 결정으로 이루어진 선형 쐐기이다. 이러한 쐐기의 두께(T)는 변동 방향을 따른 공간적 위치(x)의 함수로서 기재될 수 있으며, 여기서 변화율은 쐐기(w)의 기울기에 의해 정의된다.
Figure 112020070578586-pct00015
쐐기 두께를 일반적인 지연 방정식으로 대체하면, 쐐기에 걸친 지연은 공간 위치의 함수로서 기재될 수 있다.
Figure 112020070578586-pct00016
지연 시간 변화율을 표현하기 위해 새로운 용어 D가 정의된다.
Figure 112020070578586-pct00017
Figure 112020070578586-pct00018
쐐기형의 복굴절 결정의 뮬러 매트릭스 기재는 공간 보상이 d(x)에 의해 정의되는 표준 보상기의 뮬러 매트릭스 기재와 동일하다.
Figure 112020070578586-pct00019
복굴절 및 가변 두께를 갖는 임의의 광학소자는 그 위에 입사되는 빔의 편광 상태를 공간적으로 변조할 것이며, 용어 "쐐기"는 두께가 상기 예에서와 같이 선형으로 또는 연속적으로 가변하는 광학소자를 구체적으로 정의하지 않고, 이러한 두께 변동을 갖는 임의의 광학소자를 기재하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 불연속적인 단계적 두께 프로파일을 나타내거나 비선형적으로 가변하는 광학소자는 당업자에 의해 용이하게 대체될 수 있다.
전술한 바와 같은 선형 쐐기형 지연기의 일반적인 변형은 바비네 보상기이다. 바비네 보상기는 단축으로 이방성인 재료로 이루어진 2개의 동일한 쐐기형의 결정들의 세트이다. 쐐기들은 도 3b에 도시된 바와 같이 접촉하거나 사이에 작은 갭을 갖는 2개의 쐐기형 면들 및 서로 평행하며 입사 빔에 수직인 2개의 대향 면들을 갖도록 배향된다. 두 쐐기들의 광학 축들은 서로 및 빔에 직교한다.
바비네 보정기를 기재하는 뮬러 매트릭스는 W1, W2의 광학 축들로 두 성분 쐐기들의 매트릭스 곱에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00020
두 쐐기들의 기울기들이 같고 반대이므로 지연율은 제 1 쐐기의 경우 B로, 제 2 쐐기의 경우 -B로 정의된다.
Figure 112020070578586-pct00021
이러한 매트릭스는 성분 쐐기들보다 두 배의 지연 변동률을 갖는 단일 쐐기의 매트릭스와 분명히 동일하다. 바비네 보정기가 상이한 기울기를 갖는 단일 쐐기와 동일한 편광 변조를 생성한다는 것을 인식할 때, 빔 내에서 편광 상태의 공간 변조를 생성하기 위해 복굴절성 쐐기들이 쐐기들의 조합으로 대체될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 바비네 보정기의 이점은 광학소자의 중심 근처의 지연이 0차이고 빔이 그를 통해 투과될 때 편차와 분리가 덜 발생한다는 것이다. 따라서, 용어 '쐐기(wedge)'는 하나의 방위각을 따라 빔에 대해 공간적으로 가변하는 지연에 영향을 주기 위해 사용되는 바비네 보상기들과 같은 개별 쐐기들 및 쐐기들 또는 광학소자들의 조합들을 모두 지칭하는 것으로 이해된다.
Fluckiger 등의 미국 특허 No. 6052188A(1998)는 빔에 공간적으로 가변되는 지연을 부여하기 위해 단일 쐐기를 사용하는 엘립소미터를 기재한다. Fluckiger에 의해 기재된 엘립소미터 시스템은 그의 구현에 있어서 새로운 것이었지만, 등방성 샘플들을 기재하는 모든 샘플 파라미터들을 검출할 수 없고 이방성 샘플들을 측정하는 데는 상당히 제한적이었다. Fluckiger는 위의 이유들로 인해 바비네 보정기를 단일 쐐기보다 선호하도록 지정했다.
위에서 정의한 매트릭스들을 사용하여 단일 쐐기 시스템의 공간적으로 변화하는 신호 강도는 이하의 매트릭스 곱셈으로 표현될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00022
편광기와 분석기는 각 측정에 대해 쐐기의 비고유 분극화 상태에서 배향되어야 한다. 등방성 샘플 및 편광기 및 분석기 방위각이 45°로 설정된 것으로 가정하면, 빔 강도의 공간 변동은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00023
검출기 상에서의 변동 축을 따른 신호의 푸리에 변환은 상이한 공간 주파수들에서 발생하는 성분들로 표현을 분해한다.
Figure 112020070578586-pct00024
실수(αk) 및 허수(βk) 푸리에 계수들은 보상기의 공간 변동과 관련하여 특정 주파수들 k에서 0이 아니다. 이론적 강도 표현의 푸리에 변환은 단일 고조파 주파수(k=2D) 및 DC(k=0) 항을 식별한다. 이론적 푸리에 계수들은 다음과 같이 샘플 파라미터들과 관련된다:
Figure 112020070578586-pct00025
Figure 112020070578586-pct00026
Figure 112020070578586-pct00027
샘플 파라미터들을 풀기 위해 푸리에 계수들에 대한 이론적 표현들을 사용하면, 단일 쐐기를 사용하는 스냅샷 엘립소미터는 이하의 샘플의 뮬러 매트릭스 기재(X는 파라미터에 대한 무감도를 나타냄)에 도시된 바와 같이, 임의의 단일 축정에서 단 2개의 샘플 파라미터들만 측정할 수 있다.
Figure 112020070578586-pct00028
따라서 단일 쐐기 시스템은 3개의 샘플 파라미터들 중 2개만이 동시에 측정될 수 있기 때문에 등방성 샘플을 완전히 특성화할 수 없다. 배열된 대로, 프사이(psi)가 45° 근처인 샘플들을 측정할 때 측정된 데이터의 계통적인 오류들과 노이즈가 증폭된다. 단일 쐐기 시스템의 경우, 모든 편광 광학소자들의 배열들은 특정 샘플 유형들에 대해 프사이 및 델타(delta)에서 오류를 증폭시킨다.
선행 기술
Oka 등의 미국 특허 No.7336360B2, 및 Fluckiger 등의 미국 특허 No. 6052188A(1998) 외에. 이미 언급된 바와 같이, 추가적인 특허들이 확인되었다. 편의상, 공지된 모든 선행 기술 특허들이 제시되고 간략하고 직접적으로 기재된다.
Fluckiger 등의 미국 특허 No. 6052188A(1998)은 빔에 공간적으로 가변된 지연을 부여하기 위해 단일 쐐기를 사용하는 엘립소미터를 기재한다. Fluckiger에 의해 기재된 엘립소미터 시스템은 그의 구현에 있어서 새로운 것이었지만, 등방성 샘플들을 기재하는 모든 샘플 파라미터들을 검출할 수 없고 이방성 샘플들을 측정하는 데는 상당히 제한적이었다. Fluckiger는 단일 쐐기보다 바비네 보상기가 선호되도록 지정했다.
관련 편광계 분야의 일부 발명들은 엘립소미트리에서 직면된 동일한 과제들을 해결하고자 했다. 편광계들은 전자기 방사선의 빔의 편광 상태, 때로는 스펙트럼 특성들을 측정하는 데 사용되는 기기이다. 유사하게, 엘립소미트리에서 샘플과 상호작용하기 전후의 빔의 상태에 대한 지식은 샘플의 광학적 특성들 및 물리적 구조의 결정을 가능하게 한다. 샘플에 대한 추가 정보를 결정하기 위해, 샘플과 상호작용한 후 전자기 방사선 빔의 편광 상태를 완전히 특성화할 수 있는 것이 유리하다. 그러나, 편광계들은 전자기 방사선 소스, 편광 상태 발생기, 또는 측정된 편광 정보로부터 샘플 파라미터들을 직접 추출할 수 있는 능력이 없기 때문에 엘립소미터들이 아니다. 편광계들은 전통적으로 빔을 분석하기 위해 시간에 따라 가변하는 요소들을 사용하지만, 일부 최근의 발명자들은 고정 요소들을 갖는 편광계들을 만들려고 노력했다.
Thoma 등의 미국 특허 No.6850326B2 (2002)는 그의 엘립소미터에서 Fluckiger에 의해 사용된 것과 동일하지만 분광학적으로 측정할 수 있는 능력이 없는 단일-쐐기 편광계의 특허를 보유하고 있다. 또한, 그는 빔의 편광 상태에 대한 더 많은 정보를 결정하기 위해 경사 방향들이 상이한 2개의 쐐기들의 사용을 주장한다. 쐐기들을 상이한 방향들로 배향함으로써 가변 지연이 두 축들에 독립적으로 적용되어 단순화된 데이터 분석을 가능하게 하지만 분석을 위해 검출기 상에서 2차원들을 필요로 한다.
Oka 등의 미국 특허 No. 7336360B2 (2006)는 Thoma에 의해 기재된 진보의 이미징 버전의 특허를 가지며, 2개의 쐐기들은 검출기의 상이한 축 상으로 각각의 지연 변조를 분리하기 위해 상이한 경사 방향들로 유사하게 배향된다. 지연 변동률은 많은 차수들의 변조가 캡처되고 빔의 두 차원들에 걸쳐 많은 지점들에서 데이터가 독립적으로 결정될 수 있을 정도로 높다.
Sparks의 미국 특허 No.9097585B2 (2012) 또한 Fluckiger에 의해 기재된 편광계의 특허를 가지나 입구 슬릿을 갖는 포인트-앤-슛(point-and-shoot) 분광편광계의 형태를 갖는다. 또한, 이는 제 2 광학소자의 지연의 경사도는 제 1 광학소자와 상이한 각도 및 강도를 갖는다는 요구사항과 함께 2개의 쐐기 세트들을 사용하여 측정 빔을 완전히 특성화할 수 있는 가능성에 대해 설명한다. 청구 범위는 경사도들의 강도 차는 쐐기들의 상이한 복굴절에 기인함을 의미하는, 제 2 쐐기가 "상기 제 1 복굴절 쐐기와 평행하거나 반평행하며, 상기 제 1 복굴절 쐐기의 두 배의 복굴절을 갖는다"는 것을 나타낸다. 이전에 언급되었듯이 Sparks 시스템은 쐐기 쌍(들) 바로 옆에 입구 슬릿이 필요한 분광편광계이다.
Ansley 등에 의한 미국 특허 No. 7038776B1 (2005)은 3개의 편광 필터들이 중첩된 검출기 상에 집속된 입력 슬릿을 갖는 편광계를 기재한다. 초기 엘립소미터들과 마찬가지로 편광 필터들만 사용하면 장치가 원형 편광의 회전 방향을 특성화할 수 없다.
Abraham 등의 미국 특허 No.6275291B1 (1999)은 사용된 전자기 방사선의 파장보다 작은 간격들을 갖는 증착된 유전체 격자 구조들로 이루어진 공간적으로 가변하는 지연기 어레이의 특정한 유형을 사용하는 편광계의 특허를 가진다. 이러한 광학소자는 재료의 복굴절 대신에 빔과 소자의 격자 구조와의 상호작용으로 인해 지연을 발생시킨다. 이러한 변조는 빔의 편광 상태를 결정하기 위해 편광계에서 사용된다. 또한, Abraham은 그의 편광계의 두 가지 구체적인 용도들에 대해 기재한다. 먼저, 반사된 전자기 방사선 현미경에서 이미징 엘립소미터를 형성한다. 이러한 용도에서, 광학소자 및 편광 필름은 검출기 상으로 오버레이된다. 둘째, 레이저 소스를 갖는 보다 종래의 엘립소미터에서 사용된다.
Alonso 등의 미국 특허 No. 9793178B2 (2015)는 샘플 위에 수직으로 위치된 소스로부터 조사될 샘플 상으로 집속 빔을 제공하는 집속 빔 스캐터로메트리 장치를 기재한다. 상기 시스템은 집속 빔이 공간적으로 가변하는 편광 상태들을 나타내나 이러한 공간적으로 가변하는 편광 상태를 부과하는 검출기 측 상에 요소가 없도록, 조사되는 샘플에 앞서 빔 스플리터 및 집속 렌즈를 포함한다. 빔은 샘플에 수직인 궤적에서 입사하고 입사 빔 경로를 따라 다시 반사된다.
Lee의 미국 특허 No. 7489399B1 (2004)은 Fluckiger와 Abraham에 의해 기재된 엘립소미터들의 발전을 기재한다. 즉, Lee는 편광 빔 스플리터 및 오목 거울을 갖는 역반사 경로 설계를 사용하여 장치를 더 컴팩트하게 만든다.
공지된 선행 기술을 고려하더라도, 엘립소미트리 및 편광계 영역들의 발전이 여전히 필요하다.
본 발명은 부분적으로 다음을 포함하는 엘립소미터이다:
a) 전자기 방사선 빔의 소스(2);
b) 편광 상태 발생기(4);
c) 시준된 또는 비시준된 전자기 방사선 빔(3)이 공지된 입사각에서 샘플(5)과 상호작용하게 하는 수단;
d) 편광 상태 분석기(6); 및
e) 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8).
사용시, 상기 전자기 방사선 빔(3)은 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 생성되고, 상기 편광 상태 발생기(4), 상기 샘플(5), 상기 편광 상태 분석기(6), 및 상기 다중-요소 검출기(8)와 상호작용하게 된다. 상기 편광 상태 발생기(4) 및/또는 상기 편광 상태 분석기(6)는,
서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들(16)의 조합; 및
측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않은 지연 요소들(13)(14)의 어레이의 공간적으로 가변하는 보상기들(10) 중 적어도 하나를 더 포함한다.
상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 상기 빔의 단면적에 걸친 강도들의 공간 분포가 발생하도록 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들을 부여하는 기능을 하며, 상기 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들은 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용한 후 상기 검출기(8)에서 대응하는 복수의 공간적으로 분포된 요소들에 의해 대응하는 복수의 위치들에서 검출되며, 상기 검출된 편광 상태들은 분석되어 샘플 특성들을 결정할 수 있다.
상기 엘립소미터는 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 상기 검출기(8) 상의 특정한 지점들 간의 대응관계에 관한 해상도를 향상시키도록 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 상기 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는 적어도 하나의 이미징 요소를 더 포함할 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공된 상기 빔은 다수의 파장들을 포함할 수 있으며, 상기 검출기(8)는 2차원적일 수 있으며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사된 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)는,
평면 또는 만곡된 회절 격자;
분산 프리즘; 및
그의 상이한 위치들에서 상이한 파장들을 투과, 차단, 또는 반사시키는 감쇠 또는 반사 필터 요소로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 적어도 하나의 추가적인 집속 광학소자(12)는 상기 파장 분리 요소(7)에 의해 야기된 스펙트럼 변동을 상기 검출기(8)의 일차원 상으로 해상할 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는,
광대역 또는 단색 레이저;
광대역 또는 협대역 LED;
모노크로메이터;
광대역 소스;
FTIR 소스;
글로바 소스;
백열성 소스; 및
아크 램프로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 전자기 방사선 빔의 다수의 소스들(2)이 보다 넓은 또는 보다 유리한 스펙트럼을 제공하기 위해 조합되어 사용될 수 있다.
상기 엘립소미터는 빔 분할 요소를 추가로 포함할 수 있으며, 데이터 품질을 향상시키거나 빔 프로파일 또는 샘플 표면의 이미지를 제공하기 위해 두 결과적인 빔들의 강도 프로파일들이 검출된다.
상기 엘립소미터에서, 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 상기 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재할 수 있으며, 상기 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 및/또는 저 발산 조명을 사용하여 공지된 관계로 광학적으로 오버레이될 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 공간적으로 가변하는 보상기들은 확대 광학소자들, 공간적으로 가변하는 보상기 특성들의 변동들, 및/또는 조명을 수렴 또는 확장시키는 것을 통해 상기 검출기 상에 상이한 유효 변조 주파수들을 부여할 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 편광 상태 분석기 및 상기 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비로 이미징될 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 샘플의 표면에 대한 상기 전자기 빔의 입사각이 상기 샘플에 대해 상기 엘립소미터의 광학소자들의 일부 또는 전부를 이동시키는 메커니즘을 통해 조정가능할 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 모노크로메이터, 광섬유, 또는 핀홀로부터의 출력일 수 있으며, 이로써 상기 빔은 양호한 스펙트럼 또는 공간 특성들을 가질 수 있다.
상기 엘립소미터에서, 상기 전자기 방사선 빔 소스(2)에 의해 제공된 상기 전자기 방사선 빔은 그에 수직 또는 실질적으로 수직인 궤적을 따라 샘플 표면에 접근하지 않을 수 있다.
상기 엘립소미터는,
상기 소스는 하나 이상의 레이저들을 포함하지 않는 특징; 및
상기 소스와 상기 샘플 사이에 슬릿 및 쐐기형 보상기 요소의 직렬 조합이 없는 특징 중 적어도 하나의 특징을 가질 수 있다.
샘플을 특성화하기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a) 기재된 바와 같은 엘립소미터를 제공하는 단계;
b) 상기 전자기 방사선 입력에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공되는 데이터에 접근하는 단계; 및
c) 상기 샘플(5)을 특성화하도록 상기 데이터를 분석하는 단계.
본 발명은 대안적으로 다음을 포함하는 엘립소미터로서 인용된다:
a) 전자기 방사선 빔의 소스(2);
b) 편광 상태 발생기(4);
c) 상기 샘플이 상기 빔과 공지된 입사각에서 상호작용하게 하는 수 단;
d) 편광 상태 분석기(6); 및
e) 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8).
상기 엘립소미터에서, 상기 편광 상태 발생기(4) 및 상기 편광 상태 분석기(6) 모두는 복수의 위치들(13)(14)을 갖는 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 요소 위치들 각각은 상기 빔 단면적의 일부가 그 내부의 상기 위치들 중 적어도 하나와 상호작용하는 방법에 의존하는 빔 편광 특성들에 영향을 미친다.
사용시 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 생성된 상기 전자기 방사선 빔은 상기 편광 상태 발생기(4), 상기 샘플(5), 및 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용하도록 되며, 이로써, 상기 빔의 단면에 걸친 공간 강도 분포 결과들 및 상기 빔 단면의 대응하는 복수의 위치들이 상기 다중-요소 검출기(8)에 의해 실질적으로 동시에 검출된다. 사용시, 상기 강도 프로파일은 상기 샘플(5)의 특성들을 특성화하기 위해 상기 편광 상태 발생기(4) 및 상기 편광 상태 분석기(6)의 특성들의 지식을 사용하여 분석될 수 있다.
샘플을 특성화하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
a) 기재된 바와 같은 엘립소미터를 제공하는 단계;
b) 상기 전자기 방사선 입력에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공되는 데이터에 접근하는 단계; 및
c) 상기 샘플(5)을 특성화하도록 상기 데이터를 분석하는 단계.
본 발명은 또한 다음을 포함하는 분광편광계이다:
a) 전자기 방사선 빔을 캡처하기 위한 수단;
b) 편광 상태 분석기(4);
c) 파장 분리 요소(7); 및
d) 상기 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8).
사용시, 상기 캡처된 전자기 방사선 빔은 상기 분광편광계로 진입하며 상기 편광 상태 분석기(6), 파장 분리 요소, 및 상기 다중-요소 검출기(8)와 상호작용하게 된다.
상기 편광 상태 분석기(6)는,
서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들의 조합; 및
측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않은 지연 요소들의 어레이의 공간적으로 가변하는 보상기들(10) 중 적어도 하나를 포함하며;
상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 상기 편광 상태 분석기(6)와의 상호작용에 의해 상기 빔의 단면에 걸쳐 강도들의 공간 분포를 초래하는 복수의 편광 상태들을 부여하는 기능을 한다.
사용시, 상기 검출기(8)의 대응하는 복수의 요소들에 의해 상기 그의 분포에서 다수의 위치들에서 강도들이 검출되고 파장들의 범위에 대한 상기 빔의 상기 편광 상태를 결정하도록 분석된다.
전자기 방사선 빔의 편광 상태를 특성화하는 방법은 다음을 포함한다:
a) 기재된 바와 같은 시스템을 제공하는 단계;
b) 날짜가 상기 검출기(8)에 의해 생성되도록 전자기 방사선의 빔에 접근하는 단계;
c) 상기 접근된 전자기 방사선의 빔 입력에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공된 데이터에 접근하는 단계; 및
d) 상기 빔을 특성화하기 위해 상기 데이터를 분석하는 단계.
본 발명은 도면들과 함께 본 명세서의 상세한 설명 섹션을 참조하여 더 잘 이해 될 것이다.
본 발명의 목적은 값들의 임의의 범위에서 샘플 파라미터들 프사이 및 델타의 완전한 감도를 갖는 단일 프레임 캡처에서 샘플을 특성화할 수 있는 스냅샷 엘립소미터를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 공간적으로 가변하는 편광 요소들의 새로운 배열들이 개발되었다. 종래 기술의 엘립소미터들은 측정 빔의 편광 상태를 공간적으로 변조하기 위해 쐐기형 복굴절 결정들 및 바비네 보상기들을 사용하였다. 이러한 방법은 스냅샷 측정들을 가능하게 하지만 샘플을 완전히 특성화할 수는 없다. 본 발명의 새로운 특징은 측정 빔의 편광 상태를 공간적으로 변조하기 위해 비스듬히 배향된 결정 축들을 갖는 2개의 그러한 쐐기들을 사용하는 것이다.
요구되는 공간 변조를 제공하기 위해 다수의 결정 배향들을 갖는 액정 지연 요소들의 어레이를 사용하는 것이 본 발명의 또 다른 신규한 특징이다.
측정 빔이 샘플과 상호작용하기 전후 모두에 공간적으로 가변하는 편광 요소와 상호작용하도록 하여 샘플에 대한 추가 정보를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 새로운 특징이다. 샘플의 각 측 상의 가변-방위각 지연기 어레이와 같은, 공간적으로 가변하는 편광 요소들의 일부 조합들은 샘플을 특징짓는 완전한 뮬러 매트릭스를 측정할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예의 정면도 및 평면도를 도시한다.
도 2는 어레이에 걸쳐 선형으로 가변하는 보상기 방위각 위치를 갖도록 설계된 지연기 어레이를 나타낸다. 각 위치에서 빠른 축 방향은 하위-요소의 면을 가로지르는 선으로 도시된다.
도 3a는 단일 복굴절 쐐기를 도시한다. 빠른 축은 쐐기의 면을 가로지르는 선으로 도시된다.
도 3b는 바비네 보상기(Babinet compensator)가 수학적으로 단일 쐐기와 동일하지만 더 낮은 차수 지연을 제공함을 도시한다.
도 3c는 이중 바비네 보상기를 도시한다.
도 3d는 서로 비스듬히 배향된 결정 축들을 갖는 쐐기 쌍을 도시한다.
도 3e는 완전한 샘플 감도를 제공하며 저차 지연기인, 신규한 화합물 프리즘을 도시한다. 각 복굴절 요소의 빠른 축 방향은 광학소자의 면을 가로지르는 선으로 도시된다.
도 4a 및 도 4b는 소스(2) 및 검출기(8) 측 상에서 공간적으로 가변하는 보상기들(10) 및 샘플(5) 상의 빔의 크기를 감소시키고 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 검출기(8) 상으로 이미징하기 위해 사용되는 부가적인 이미징 광학소자들(12)을 구현하는 엘립소미터 시스템의 정면도 및 측면도를 각각 도시한다.
도 5는 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에서 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 가지며, 공간적으로 가변하는 보상기들(10)의 확대 및 해상도를 달성하기 위해 이미징 광학소자들을 필요로 하지 않는 간단한 엘립소미터이다.
도 6은 반사 모드 대신 투과 상태에서 샘플(5)을 측정하도록 배열된 또 다른 실시예이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 편광계의 정면 및 대안(펼친 상면)도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 엘립소미터(1)의 바람직한 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 바람직한 실시예는 전자기 방사선 빔(3)을 생성하는 소스(2)를 포함한다. 상기 전자기 방사선 빔(3)은 샘플(5)과 상호작용하기 전에 공지된 편광 상태를 생성하기 위해, 적어도 단일 편광자(9)로 구성된 편광 상태 발생기(4)와 상호작용한다. 이어서, 빔은 공간적으로 가변하는 보상기(10) 및 빔이 1차원을 따라 강도의 공간 분포를 갖도록 하는 분석기(11)로 구성된 편광 상태 분석기(6)와 상호작용한다. (참고로, 분석기들 및 편광기들은 요소들의 유형과 동일하며, 각각 엘립소미터에서 샘플의 검출기 및 소스 측들 상에 배치된다는 차이점이 있다). 분산 프리즘 또는 회절 격자와 같은 파장 분리 요소(7)는 직교 치수를 따라 개별 파장들을 분리하는 역할을 한다. 다중-요소 검출기(8)는 단일 프레임에서 상기 파장 의존 강도 프로파일의 일부를 캡처한다. 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6)의 편광 효과들에 대한 지식은 전자기 방사선 빔의 강도 프로파일에 기초하여 파장 의존 샘플 파라미터들의 계산을 가능하게 한다. 빔을 조작하고 필요한 치수들의 해상도를 제공하는 추가 이미징 광학소자들(12)이 존재한다. 공간적으로 가변하는 보상기(10)의 선형 변화는 검출기(8)의 1차원 상에 이미지화되고, 파장 분리 요소(7)에 의해 야기된 스펙트럼 분리는 직교 치수 상에 이미징된다. 스펙트럼 해상도는 빔의 발산에 의해 좌우되며 검출기 측 상에 추가 슬릿을 필요하지 않는다.
본 발명은 스냅샷 엘립소미터들에 사용하기 위한 2가지 유형들의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)의 용도를 개시한다. 둘 다 등방성 샘플을 완전히 특성화하기 위해 빔의 편광 상태를 적절히 변조한다. 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 다음과 같다:
a) 서로 비스듬한 결정 축들을 갖는 둘 이상의 쐐기 복굴절 광학소자들(16)의 조합; 및
b) 측정 빔에 존재하는 파장(들)의 순서로 구조화되지 않은 지연 요소들(13)(14)의 어레이.
도 2를 참조하면, 마이크로지연기 어레이(13)의 다이어그램이 개별 보상기 요소들(14)의 확대도와 도시되어 있다. 각각의 지연기 요소의 고속 축 방위각은 수평 치수
Figure 112020070578586-pct00029
를 따라 선형으로 가변하는 것으로 도시되어 있으나, 수직으로 변화가 없다. 이러한 패턴은 수평 치수를 따라 데이터 추출을 단순화하고 수직 치수에서 파장 분리를 가능하게 한다.
뮬러-스토크스 형식은 개시된 지연기 어레이(13)를 수학적으로 기재하는 데 사용될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00030
뮬러-스토크스 형식을 사용하여, 엘립소미터(1)의 검출기(8)에서의 이론적 신호 강도는 공간 위치 x의 함수로 표현될 수 있다.
Figure 112020070578586-pct00031
가변 방위각, 편광자 방위각이 45°, 분석기 방위각이 0°로 설정된 1/4 파장 지연기 어레이를 가정하면, 등방성 샘플에 대해 다음과 같은 강도 공식이 주어진다:
Figure 112020070578586-pct00032
기재된 지연기 어레이에 대한 공간적으로 가변하는 강도는 회전 보상기 시스템의 시간적 변화와 유사하다는 것이 명백하다. 신호의 푸리에 변환은 상이한 공간 주파수들에서 발생하는 성분들로 표현을 분해한다.
Figure 112020070578586-pct00033
푸리에 계수들(αk,βk)은 광학소자의 기하학과 관련된 특정 주파수들 k에서 0이 아니다. 이론적 강도 표현의 푸리에 변환은 보상기 변동의 공간 주파수의 2배 및 4배에서 고조파 주파수들을 식별한다.
2ω 및 4ω 고조파들은 단일 측정에서 3가지 샘플 파라미터들(N, C, 및 S)에 대한 정보를 제공한다. 변수 ω는 이제 rad/s 대신 rad/mm 단위를 갖는다. 이론적 푸리에 계수들은 다음과 같이 샘플 파라미터들과 관련된다:
Figure 112020070578586-pct00034
Figure 112020070578586-pct00035
Figure 112020070578586-pct00036
Figure 112020070578586-pct00037
Figure 112020070578586-pct00038
따라서 푸리에 계수들과 샘플 파라미터들 간의 이론적 관계는 회전 보상기 장치와 동일하다. 이것은 편광자 또는 분석기 위치가 사용되는 일반적인 경우에 유효하다. 이를 유효하게 하기 위한 주요 요구사항은 지연기 어레이의 지연이 모든 픽셀들에서 일정해야 한다는 것이다.
도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 공간적으로 가변하는 보상기들로서 사용될 수 있는 일부 복굴절성 쐐기들 및 복합 프리즘들이 도시되어 있다. 요소들은 분해도로 분리되어 도시되지만 이상적인 성능을 위해 함께 부착될 수 있다. 도 3a는 지연의 공간 변동을 제공하는 단일 복굴절 쐐기(15)를 도시한다. 요소의 빠른 축은 광학소자의 면 상의 선으로 도시된다. 도 3b는 바비네 보정기(16)를 도시하며, 이는 직교 고속 축들과 같이 부착된 2개의 복굴절 쐐기들로 구성된다. 이러한 조합은 낮은-차수 지연 및 감소된 빔 편차를 제공한다. 도 3c는 상이한 결정 배향들을 갖는 2개의 바비네 보상기들(16)의 조합을 도시한다. 쐐기 방향들이 정렬되기 때문에 지연은 수직 방향을 따라서만 가변한다. 여러 개의 빠른 축들을 조합하면 샘플에 대한 추가 정보가 제공되지만 실제로 4개의 개별 쐐기들을 정렬하는 것은 어렵다. 두 바비네 보정기들의 쐐기 기울기들은 동일하여 단일 공간 주파수에서 데이터 추출이 가능하게 하거나, 상이하여 각각의 쐐기의 변조가 별도의 공간 주파수에서 추출될 수 있게 한다. 도 3d는 비스듬한(직교 또는 평행이 아닌) 결정 축들을 갖는 복굴절 쐐기 쌍(17)을 도시한다. 이러한 광학소자는 완전한 등방성 샘플 특성화에 필요한 빔 변조를 제공한다. 이러한 광학소자들의 조합은 엘립소미트리에서 사용하기에 참신하지만 다중-차수 지연을 나타낸다. 도 3e는 추가 평행 평행 지연 플레이트들(18)이 쐐기 쌍(17)의 각 측에 부착된, 전술한 광학소자들에 대한 새로운 발전을 도시한다. 플레이트 지연기들 각각은 쐐기들 중 하나에 직교하는 광학 축 및 유사한 지연을 갖기 때문에, 각 쐐기-플레이트 쌍에 대한 효과적인 지연은 낮은-차수이다. 또한 하나의 쐐기 쌍만 사용하면 빔 편차가 줄어들고 정렬이 간단해진다. 필요한 변조를 생성하고 실제로 기재된 바와 같은 동일한 목적을 제공하는 많은 복합 쐐기들이 개념화될 수 있다. 비스듬한 빠른 축들 및 1차원을 따른 두께 변동을 갖는 적어도 2개의 복굴절 결정들의 사용은 완전한 샘플 특성화를 가능하게 하는 새로운 양상이다. 각각의 쐐기(W1, W2)의 결정 축 배향들을 갖는 도 3c, 도 3d, 및 도 3e에 기재된 광학소자들에 대해, 엘립소미터(1)에 대한 이론적 신호 강도는 다음의 행렬 곱셈에 의해 표현될 수 있다:
Figure 112020070578586-pct00039
편광자 및 분석기는 각 측정에 대해 쐐기들의 고유분극화 상태들에 있지 않다. 등방성 샘플, 45°의 편광자 방위각, 제 1 쐐기의 경우 0° 및 제 2 쐐기의 경우 90°의 빠른 축, 분석기의 방위각 0°, 및 이론적 신호 강도인 두 쐐기들에 대해 동일하지만 역인 지연율 변동을 가정하면, 다음과 같은 형태를 취한다:
Figure 112020070578586-pct00040
신호의 푸리에 변환은 상이한 공간 주파수들에서 발생하는 성분들로 표현을 분해한다.
Figure 112020070578586-pct00041
푸리에 계수들(αk,βk)은 보정기들의 배향 및 공간 변동과 관련된 특정 공간 주파수들 k에서 0이 아니다. 이론적 강도 표현의 푸리에 변환은 쐐기들의 지연 지연율과 DC 항과 관련된 고조파 주파수들을 식별한다. 각 주파수 성분은 실제 및 가상 성분으로 구성된다. 이론적 푸리에 계수들은 다음과 같이 샘플 파라미터들과 관련된다:
Figure 112020070578586-pct00042
Figure 112020070578586-pct00043
Figure 112020070578586-pct00044
Figure 112020070578586-pct00045
Figure 112020070578586-pct00046
푸리에 계수들에 대한 이론적 표현들을 사용하여 샘플 파라미터들을 풀면, 공간적으로 가변하는 2개의 요소들로 구성된 스냅샷 엘립소미터는 샘플에 대한 다음의 뮬러 매트릭스 설명에 도시된 바와 같이 단일 측정에서 3개의 샘플 파라미터들을 측정할 수 있음이 분명하다. X는 파라미터에 대한 감도를 나타낸다.
Figure 112020070578586-pct00047
따라서, 기재된 공간적으로 가변하는 지연기 어레이 또는 이중 쐐기 보상기로 구성된 스냅샷 엘립소미터는 적어도 3개의 샘플 파라미터들에 민감하고, 임의의 범위의 값들에서 프사이 및 델타를 측정할 수 있다.
전술한 일반적인 레이아웃에 추가하여, 시스템의 기능성을 향상시키기 위해 일부 바람직한 실시예의 수정들이 가능하다. 이들 중 다수가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다.
샘플에 입사되는 전자기 방사선 빔은, 빔이 샘플에서 더 작은 단면적을 갖도록 추가적인 이미징 광학소자들에 의해 집속될 수 있다. 이러한 수정은 샘플 오정렬 및 불균일성이 데이터 품질에 미치는 영향들을 줄인다.
편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에서 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 사용함으로써, 샘플을 설명하는 풀 뮬러 매트릭스(full Mueller Matrix)가 측정될 수 있다. 각각의 공간적으로 가변하는 보상기(10)가 검출기(8) 상에서 상이한 공간 주파수에 영향을 미치는 경우, 파라미터들은 이러한 주파수들의 합산들 및 차이들뿐만 아니라 성분 주파수들 각각에서 추출될 수 있다. 이는 상이한 공간 주파수들을 갖는 2개의 SVC들을 사용하거나 검출기 상으로 각각 상이하게 확대함으로써 달성될 수 있다.
검출기(8) 상에서 발생하는 강도 프로파일은 공간적으로 가변하는 보상기들(10)의 공간 변화에 의해 영향을 받기 때문에, 두 성분들 사이에서 적절한 해상도를 달성하는 것이 중요하다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 공간적으로 가변하는 보상기들(10)의 이미지 평면들이 서로 중첩되어 검출기(8)에 진입하는 것을 보장하기 위해 추가적인 이미징 광학소자들(12)이 도시되고 사용된다. 도 4a 및 도 4b에서, 샘플(5) 근처의 추가적인 이미징 광학소자들(12)은 샘플(5) 상에 빔을 집속시키고 샘플(5)과 상호작용한 후 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 이미징하는 데 사용된다. 공간적으로 변하는 보상기(10)가 1차원의 변동만을 갖는 경우, 검출기(8) 상으로 변동 축을 이미징하는 것만이 필요하며, 이는 원통형 광학소자들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 슬릿이 이용될 수 있지만, 이는 검출기의 입구에서 슬릿을 사용하는 대신 수행된다. 편광 상태 분석기(6) 이후의 원통형 광학소자 및 파장 분리 요소(7) 이후의 구형 광학소자가 검출기(8)의 1차원 상으로의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)의 변동 및 직교 치수 상으로의 파장 분리를 이미징하는 역할을 한다.
2개의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 포함하는 시스템에서 적절한 해상도와 적절한 배율을 보장하는 가장 간단한 방법이 도 5에 도시된다. 이러한 예에서 사용된 빔은 광섬유 또는 핀홀의 출력과 같은 점과 같은 소스로 작동한다. 섬유는 빔을 균질화하고 레이아웃 유연성을 제공하는 역할을 한다.
전자기 방사선 빔의 점과 같은 소스(2)는, 핀홀 카메라의 기능과 유사하게, 공간적으로 가변하는 보상기 요소들(10)이 추가적인 광학소자들없이 검출기(8) 상으로 적절히 해상되도록 보장한다. 빔의 확장 특성은 서로에 대해 공간적으로 가변하는 보상기들(10)을 확대시켜서, 검출기(8) 상에서 상이한 공간 주파수를 갖는 각각의 공간적으로 가변하는 보상기(10)의 변조를 야기하고 신호들의 분리를 가능하게 한다.
도 6의 시스템 레이아웃은 도 1의 시스템 레이아웃과 동일하지만 이제 샘플이 반사 대신 투과되어 측정된다. 이것은 특정 샘플들에 유리할 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 레이아웃은 전술한 바와 같이 편광 상태 분석기(6), 파장 분리 요소(7), 및 검출기(8)로 구성되는, 전자기 방사선의 빔을 측정하는데 사용될 수 있는 분광편광계를 도시한다. 편광 상태 분석기(6)는 빔의 편광 정보를 완전히 특성화하기 위해 공간적으로 가변하는 보상기(10) 및 분석기(11)를 포함한다. 파장 분리 요소(7)는 완전한 편광 상태가 다수의 광 파장들에 대해 특성화될 수 있게 한다. 추가적인 이미징 광학소자는 공간적으로 가변하는 보상기(10)의 변동 축과 검출기(8) 간의 해상도를 보장한다. 파장 분리 요소(7)는 만곡된 회절 격자로서 도시되며, 이는 빔의 스펙트럼 정보를 해결하기 위해 추가적인 광학소자들을 필요로 하지 않는다. 상기 빔은 핀홀들, 슬릿들, 및 광섬유들의 사용을 통해 필터링 또는 균질화되어 편광계들의 표준과 마찬가지로 데이터 정확성을 보장할 수 있다.
상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 청구항에 의해 배제되지 않는 경우, 다음으로 구성된 그룹으로부터의 선택될 수 있다:
레이저;
LED;
광 대역 소스;
FTIR 소스;
글로바 소스;
백열성 소스; 및
아크 램프.
또한, 보다 유리한 스펙트럼 특성들을 갖는 전자기 방사선 빔의 단일 소스(2)로서 기능하기 위해 다수의 전자기 방사선 소스들이 이용될 수 있고 그들의 광학 신호들이 결합될 수 있다. 예를 들어, 여러 LED들 및 레이저들로부터의 전자기 방사선은 광 대역 빔을 생성하기 위해 핫/콜드 거울들, 빔-스플리터들, 분기 광섬유들, 또는 기타 방법들을 사용하여 공동-시준될 수 있다.
또한, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 하나의 광학 파장만을 제공하는 모노크로메이터의 출력일 수 있다. 또한, 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 점과 같은 소스로서 작용하고 빔을 균질화하기 위해 전자기 방사선이 전송되는 광섬유 또는 핀홀의 출력으로서 제공될 수 있다.
상기 공간적으로 가변하는 보상기(들)(10)는, 청구항에 의해 배제되지 않는 경우, 다음으로 구성된 그룹으로부터의 선택될 수 있다:
존재하는 광 파장들의 스케일로 구조화되지 않은 지연기 요소들(14)의 어레이(13); 및
서로 비스듬히 배향된 결정 축들을 갖는 적어도 2개의 복굴절성 쐐기들(16)의 조합.
바람직한 실시예들에서, 공간적으로 가변하는 보상기(들)(10)에 의해 생성된 변조는 단지 1차원에 있고, 사용된 소스(2)는 다수의 광 파장들을 갖는 빔을 추가로 생성한다. 분산 프리즘 또는 회절 격자(예를 들어,(7))와 같은 파장 분리 요소는 2차원 검출기(8)의 다른 치수를 따라 개별 파장들을 분리하기 위해 사용된다. 이것은 샘플 파라미터들이 각 파장에 대해 독립적으로 결정되도록 한다.
상기 파장 분리 요소(7)는, 청구항에 의해 배제되지 않는 경우, 빔 내에 존재하는 상이한 파장들의 분리 또는 선택을 가능하게 하는 임의의 요소 또는 요소들의 임의의 조합일 수 있으며, 다음을 포함한다:
평평한 또는 만곡된 회절 격자;
분산 프리즘; 및
그들의 상이한 위치들에서 상이한 파장들을 투과, 감쇠, 또는 반사시키는 필터 소자.
지연기 어레이는 순차적 또는 비순차적 방식으로 지연 및/또는 빠른 축 배향을 공간적으로 가변시키도록 설계될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예는 각각의 보상기 요소의 방위각 배향이 광학 설계 또는 데이터 조작을 통해 순차적인 방식으로 가변되는 지연기 어레이를 기재한다. 이러한 방법은 수학적으로 회전 보상기 엘립소미터와 유사하지만, 방위각 회전 매트릭스는 시간 의존성이 아니라 공간 의존성을 갖는다. 지연 요소들의 배열의 경우, 샘플을 특성화하기 위해 적절한 방위각들 또는 지연들이 존재하는 한, 개별 요소들 또는 구역들은 임의의 패턴일 수 있다. 요소들이 방위각에서 선형적으로 가변하고 지연이 일정하다면, 상기 푸리에 분석은 데이터 추출을 위해 사용될 수 있다. 다른 패턴들 또는 요소들의 값들에 대해서는 대체 분석 방법들이 사용될 수 있다.
종래 기술은 샘플과 상호작용한 후 전자기 방사선의 빔을 분석하기 위해 단일-쐐기 시스템들 및 패턴화된 유전체 격자 지연기들을 사용하는 것을 개시하는 반면, 편광 상태 발생기(4)에서 임의의 유형의 공간적으로 가변하는 편광 요소로 인해 그 안에 여러 공간 위치들에 존재하는 다수의 편광 상태들을 갖는 전자기 방사선의 빔으로 샘플을 탐침하는 것이 엘립소미트리의 새로운 방법이다.
이방성 샘플들이 완전히 특성화될 수 있도록 편광 상태 분석기(6)에서 공간적으로 가변하는 편광 요소와 함께 존재하는 편광 상태들을 동시에 분석하면서, 편광 상태 발생기(4)에서 임의의 유형의 공간적으로 가변하는 편광 요소로 인해 그 안에 여러 공간 위치들에 존재하는 다수의 편광 상태들을 갖는 전자기 방사선의 빔으로 샘플을 탐침하기 위해 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에서 공간적으로 가변하는 편광 요소를 사용하는 것도 신규하다.
명확성 및 단순성을 위해, 예시적인 시스템들은 전반적으로 굴절 광학소자들을 사용하는 것으로 도시되고 기재되었지만, 당업자는 굴절, 반사, 및 회절 광학소자들이 모두 기재된 요소들과 동일한 기능들을 달성하기 위해 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 측정 빔은 샘플과 상호작용하여 반사되는 것으로 도시되나, 샘플을 통해 전송된 전자기 방사선은 또한 샘플 특성을 가능하게 할 수 있다.
푸리에 변환은 샘플 파라미터들을 추출하기 위한 하나의 신호 처리 기술로서 기재되었음이 또한 주목된다. 당업자는 측정된 강도 프로파일들로부터 샘플 파라미터들을 추출할 수 있는 다른 신호 처리 기술들을 인식할 것이다.
빔 전파 방향은 임의의 빔에 대해 규정될 수 있고, 시준 또는 집속되거나 그렇지 않을 수 있음이 주목된다. 이것이 임의의 특정한 경우에 실제로 어떻게 수행되는지에 관한 것이 본 발명에 중요하지 않지만, 용어 "빔"은 본 발명의 목적들 상 유한 단면적을 갖는 전자기 방사선의 전파 방향에 의해 특징되는 것으로 이해되어야 한다. 빔의 단면적은 빔 내부의 상이한 위치들이 각각 별개의 빔으로서 식별될 수 있게 하는 빔의 임의의 편리한 2차원 측정을 지칭한다. 즉, 본 발명은 전자기 방사선 빔이 다른 유사하며 효과적으로 "독립적인” 빔들이 어떻게 영향을 받는지에 대해 실질적으로 독립적인, 상이하게 영향을 받을 수 있는 많은 개별적인 "분리된” 빔들의 효과적인 조합인 것으로 간주한다.
"원통형” 및 "구형"이라는 용어들은 때때로 만곡된 거울들 및 렌즈들과 같은 이미징 요소들을 지칭하기 위해 사용된다. 이러한 용어들은 광학소자 표면들의 정확한 형상을 기재하기 위해 사용되지 않고, 단지 광학소자가 실린더의 단면으로서 단지 1차원에서 곡률을 갖는지; 또는 구의 단면으로서 두 차원들에서 곡률을 갖는지를 식별하기 위해 사용된다. 포물선, 타원, 및 비구면 형상들의 다른 단면들이 포함되는 것으로 이해된다.
인용된 부정적인 제한들은 종래 기술의 참조들을 피하기 위해 청구항에 포함될 수 있지만, 부정적인 제한이 청구항에 포함되지 않는 경우, 상기 요소의 부재는 상기 요소가 본 발명의 시스템에서 그의 내부 적어도 하나의 위치에 존재하지 않음을 나타내지 않음이 이해되어야 하며, 청구항은 "포함하는" 것으로 전제된다.
또한, 신규성을 제공하기 위해 의존하지 않는 다양한 요소들은 본 출원에서 언급되나 도면들에 구체적으로 제시되지는 않음이 주목된다. 예들은 전자기 방사선의 빔의 소스의 일부인 파장 필터들, 빔 스플리터들, 전자기 방사선의 빔의 소스의 일부로서의 슬릿들 및 광섬유들, 원통형 광학소자들, 검출기에서 빔 해상도에 적용되는 구형 광학소자들, 평면 격자들, 및 레이저, LED, 광 대역, FTIR, 글로바, 백열성 아크 램프 등의 다양한 소스 유형들이다. 이러한 요소들은 당 업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들어, PTO 웹사이트 상에서 확인되고 이용가능한 J.A. Woollam Co., Inc.에 할당된 특허들에서 개시되고 기재될 수 있다. 현재 약 195개의 이러한 특허들이 있으며, 이들은 모두 본원에 참고로 포함된다. 출원인은 식별된 특허들에서 낸용을 가져올 권리가 있다.
이에 의해 본 발명의 주제를 개시한 후에, 교시의 관점에서 본 발명의 많은 수정들, 대체들, 및 변형들이 가능하다는 것이 명백해야 한다. 그러므로 본 발명은 구체적으로 기재된 것과 다르게 실시될 수 있으며, 청구 범위에 의해서만 너비 및 범위가 제한되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (25)

  1. 엘립소미터로서,
    a) 전자기 방사선 빔의 소스(2);
    b) 편광 상태 발생기(4);
    c) 시준된 또는 비시준된 전자기 방사선 빔(3)이 알려진 입사각으로 샘플(5)과 상호작용하도록 하는 수단;
    d) 편광 상태 분석기(6); 및
    e) 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하며,
    사용시, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 전자기 방사선 빔(3)이 생성되고, 상기 전자기 방사선 빔(3)은 상기 편광 상태 발생기(4), 샘플(5), 편광 상태 분석기(6), 및 다중-요소 검출기(8)와 상호작용하게 되며,
    상기 편광 상태 발생기(4) 및/또는 편광 상태 분석기(6)는,
    서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들(16)의 조합; 및
    측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않고, 동일한 지연을 나타내나 독립적인 광학 축들을 가지는 다수의 구역으로서 그중 적어도 두 개는 서로에 대해 회전되어 있는 다수의 구역을 가지는 공간 어레이를 포함하는 보상 광학소자(13)(14);로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)로 구성되고,
    상기 적어도 하나의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들을 부여하는 기능을 하여, 상기 빔의 단면적에 걸친 강도들의 공간 분포가 발생하도록 하며, 상기 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들은 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용한 후 상기 검출기(8)에서 대응하는 복수의 공간적으로 분포된 요소들에 의해 대응하는 복수의 위치들에서 검출되며,
    상기 검출된 편광 상태들은 분석되어 샘플 특성들을 결정할 수 있는, 엘립소미터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 검출기(8) 상의 특정한 지점들 간의 대응관계에 관한 해상도를 향상시키도록, 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는 적어도 하나의 이미징 요소를 더 포함하는, 엘립소미터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공되는 빔은 다수의 파장들을 포함하고,
    상기 검출기(8)는 2차원적이며,
    상기 엘립소미터는 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하여, 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사되는 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있는, 엘립소미터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)는,
    평면 또는 만곡된 회절 격자;
    분산 프리즘; 및
    상이한 위치들에서 상이한 파장들을 투과, 차단, 또는 반사시키는 감쇠 또는 반사 필터 요소;로 이루어진 군으로부터 선택되는, 엘립소미터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가적인 집속 광학소자는, 상기 파장 분리 요소(7)에 의해 야기된 스펙트럼 변동을 상기 검출기(8)의 일차원 상으로 해상하고(resolve), 상기 적어도 하나의 집속 광학소자는 분석기(11)와 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는, 엘립소미터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는,
    광대역 또는 단색 레이저;
    광대역 또는 협대역 LED;
    모노크로메이터;
    광대역 소스;
    FTIR 소스;
    글로바 소스;
    백열성 소스; 및
    아크 램프;로 이루어진 군에서 선택되는, 엘립소미터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전자기 방사선 빔의 다수의 소스(2)들이 파장 범위를 확장시키거나 측정된 전자기 스펙트럼에 걸쳐 보다 균일한 강도 프로파일을 제공하기 위해 조합되어 사용되는, 엘립소미터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    빔 분할 요소를 추가로 포함하고,
    데이터 품질을 향상시키거나 빔 프로파일 또는 샘플 표면의 이미지를 제공하기 위해 두 결과적인 빔들의 강도 프로파일들이 검출되는, 엘립소미터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하며,
    상기 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 및/또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는, 엘립소미터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공간적으로 가변하는 보상기들은, 확대 광학소자들, 공간적으로 가변하는 보상기 특성들의 변동들, 및/또는 조명을 수렴 또는 확장시키는 것을 통해 상기 검출기 상에 상이한 유효 변조 주파수들을 부여하는, 엘립소미터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비로 검출기(8)로 이미징되는, 엘립소미터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플의 표면에 대한 전자기 빔의 입사각이 조정가능한, 엘립소미터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 모노크로메이터, 광섬유, 또는 핀홀로부터의 출력이어서, 상기 빔은 양호한 스펙트럼 또는 공간 특성들을 갖는, 엘립소미터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선 빔 소스(2)에 의해 제공된 전자기 방사선 빔은, 수직 또는 실질적으로 수직인 궤적을 따라 샘플 표면에 접근하지 않는, 엘립소미터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스는 하나 이상의 레이저를 포함하지 않는 특징; 및
    상기 소스와 상기 샘플 사이에 슬릿 및 쐐기형 보상기 요소의 직렬 조합이 없는 특징; 중 적어도 하나의 특징을 갖는, 엘립소미터.
  16. 엘립소미터로서,
    a) 전자기 방사선 빔의 소스(2);
    b) 편광 상태 발생기(4);
    c) 샘플이 상기 빔과 알려진 입사각으로 상호작용하게 하는 수단;
    d) 편광 상태 분석기(6); 및
    e) 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하며,
    상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6)는 복수의 방위각 설정 위치들(13)(14)을 갖는 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들로서 그 중 둘 이상은 서로 비스듬한 결정 축들과 공간 두께 변화를 가지는 복굴절 광학소자들인 복수의 요소들, 또는 이들의 조합을 포함하며, 각각의 요소 위치는 상기 빔 단면적의 일부가 내부의 상기 위치들 중 적어도 하나와 상호작용하는 방법에 의존하는 빔 편광 특성들에 영향을 미치며;
    사용시, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 생성된 전자기 방사선 빔은 상기 편광 상태 발생기(4), 샘플(5), 및 편광 상태 분석기(6)와 상호작용하도록 되어, 상기 빔의 단면에 걸친 공간 강도 분포 결과들 및 상기 빔 단면의 대응하는 복수의 위치들이 상기 다중-요소 검출기(8)에 의해 실질적으로 동시에 검출되며;
    사용시, 상기 강도 프로파일은 상기 샘플(5)의 특성들을 특성화하기 위해 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6)의 특성들의 지식을 사용하여 분석되는, 엘립소미터.
  17. 분광편광계로서,
    a) 빔을 캡처하기 위한 수단;
    b) 편광 상태 분석기(4);
    c) 파장 분리 요소(7); 및
    d) 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하며,
    상기 편광 상태 분석기(6)는 다음의 공간적으로 가변하는 보상기들(10) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 편광 상태 발생기(4) 및/또는 편광 상태 분석기(6)는,
    서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들(16)의 조합; 및
    측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않고, 동일한 지연을 나타내나 독립적인 광학 축들을 가지는 다수의 구역으로서 그중 적어도 두 개는 서로에 대해 회전되어 있는 다수의 구역을 가지는 공간 어레이를 포함하는 보상 광학소자(13)(14);로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)로 구성되고,
    상기 분광편광계는, 사용시, 상기 검출기(8)의 대응하는 복수의 요소들에 의해 강도들의 공간 분포의 다수의 위치들에서 강도들이 검출되고, 파장들의 범위에 대한 상기 빔의 편광 상태를 결정하도록 분석되는 것을 특징으로 하는, 분광편광계.
  18. 샘플(5)을 특성화하기 위한 방법으로서,
    a) 엘립소미터를 제공하는 단계로서, 상기 엘립소미터는,
    a') 전자기 방사선 빔의 소스(2);
    b') 편광 상태 발생기(4);
    c') 시준되거나 집속된 전자기 방사선 빔(3)이 알려진 입사각으로 샘플과 상호작용하게 하는 수단;
    d') 편광 상태 분석기(6); 및
    e') 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하고,
    사용시, 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 전자기 방사선 빔(3)이 생성되고, 상기 전자기 방사선 빔(3)은 상기 편광 상태 발생기(4), 샘플(5), 편광 상태 분석기(6), 및 다중-요소 검출기(8)와 상호작용하게 되며,
    상기 편광 상태 발생기(4) 및/또는 편광 상태 분석기(6)는,
    서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들(16)의 조합; 및
    측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않고, 동일한 지연을 나타내나 독립적인 광학 축들을 가지는 다수의 구역으로서 그중 적어도 두 개는 서로에 대해 회전되어 있는 다수의 구역을 가지는 공간 어레이를 포함하는 보상 광학소자(13)(14);로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 공간적으로 가변하는 보상기들(10)로 구성되고,
    상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 상기 빔의 단면적에 걸친 강도들의 공간 분포가 발생하도록 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들을 부여하는 기능을 하며, 상기 복수의 공간적으로 분리된 편광 상태들은 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용한 후 상기 검출기(8)에서 대응하는 복수의 공간적으로 분포된 요소들에 의해 대응하는 복수의 위치들에서 검출되고, 샘플 특성들을 결정하기 위하여 분석될 수 있는,
    상기 엘립소미터를 제공하는 단계;
    b) 상기 전자기 방사선 빔 소스(2)가 전자기 방사선 빔(3)을 제공하도록 하는 단계로서, 상기 편광 상태 발생기(4)와 상호작용하고, 알려진 입사각에서 샘플과 상호작용하도록 시준된 또는 비시준된 전자기 방사선 빔(3)을 야기하기 위한 상기 수단을 통해 접근된 샘플(5)과 상호작용하고, 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용하고, 상기 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8)에 진입하도록 지시되는, 전자기 방사선 빔(3)을 제공하도록 하는 단계;
    c) 전자기 방사선 입력에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공된 데이터에 접근하는 단계; 및
    d) 상기 샘플(5)을 특성화하도록 상기 데이터를 분석하는 단계;를 포함하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    l) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공된 빔이 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사된 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하는 특징;
    2) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공된 빔이 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사된 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)는,
    평면 또는 만곡된 회절 격자;
    분산 프리즘; 및
    상이한 위치들에서 상이한 파장들을 투과, 차단, 또는 반사시키 는 감쇠 또는 반사 필터 요소;로 이루어진 군으로부터 선택되는 특징;
    3) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는,
    광대역 또는 단색 레이저;
    광대역 또는 협대역 LED;
    모노크로메이터;
    광대역 소스;
    FTIR 소스;
    글로바 소스;
    백열성 소스; 및
    아크 램프로 이루어진 군으로부터 선택되는 특징;
    4) 전자기 방사선 빔의 다수의 소스들(2)이 조합되어 사용되는 특징;
    5) 상기 샘플의 표면에 대한 전자기 빔의 입사각이 조정가능한 특징;
    6) 상기 전자기 방사선 빔 소스(2)에 의해 제공되는 전자기 방사선 빔은 수직 또는 실질적으로 수직인 궤적을 따라 샘플 표면에 접근하지 않는 특징;
    7) 상기 엘립소미터에서, 상기 소스는 하나 이상의 레이저들을 포함하지 않거나, 상기 소스와 샘플 사이에 슬릿 및 쐐기형 보상기 요소의 직렬 조합이 없는 것 중 하나 이상 선택된 특징;
    중 적어도 하나의 특징을 갖는, 방법.
  20. 샘플(5)을 특성화하기 위한 방법으로서,
    a) 엘립소미터를 제공하는 단계로서, 상기 엘립소미터는,
    a') 전자기 방사선 빔의 소스(2);
    b') 편광 상태 발생기(4);
    c') 빔이 샘플과 알려진 입사각에서 상호작용하게 하는 수 단;
    d') 편광 상태 분석기(6); 및
    e') 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하며,
    상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6)는 복수의 위치들(13)(14)을 갖는 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합을 포함하며, 각각의 요소 위치는 상기 빔 단면적의 일부가 내부의 상기 위치들 중 적어도 하나와 상호작용하는 방법에 의존하는 빔 편광 특성들에 영향을 미치며,
    사용시 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 생성된 전자기 방사선 빔은, 상기 편광 상태 발생기(4), 샘플(5), 및 편광 상태 분석기(6)와 상호작용하도록 되고, 상기 빔의 단면에 걸친 공간 강도 분포 결과들 및 상기 빔 단면의 대응하는 복수의 위치들이 상기 다중-요소 검출기(8)에 의해 실질적으로 동시에 검출되며,
    사용시, 상기 강도 프로파일은 상기 샘플(5)의 특성들을 특성화하기 위해 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6)의 특성들의 지식을 사용하여 분석되는,
    상기 엘립소미터를 제공하는 단계;
    b) 상기 전자기 방사선 빔 소스(2)가 전자기 방사선 빔(3)을 제공하도록 하는 단계로서, 상기 편광 상태 발생기(4)와 상호작용하고, 상기 샘플과 알려진 입사각에서 상호작용하도록 시준된 또는 비시준된 전자기 방사선 빔(3)을 야기하기 위한 수단을 통해 접근된 샘플(5)과 상호작용하고, 상기 편광 상태 분석기(6)와 상호작용하고, 상기 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8)에 진입하도록 지시되는, 전자기 방사선 빔(3)을 제공하도록 하는 단계;를 포함하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    1) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공된 빔이 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사된 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하는 특징;
    2) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공된 빔이 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사된 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)는,
    평면 또는 만곡된 회절 격자;
    분산 프리즘; 및
    상이한 위치들에서 상이한 파장들을 투과, 차단, 또는 반사시키 는 감쇠 또는 반사 필터 요소;로 이루어진 군으로부터 선택되는 특징;
    3) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는,
    광대역 또는 단색 레이저;
    광대역 또는 협대역 LED;
    모노크로메이터;
    광대역 소스;
    FTIR 소스;
    글로바 소스;
    백열성 소스; 및
    아크 램프로 이루어진 군으로부터 선택되는 특징;
    4) 상기 샘플의 표면에 대한 전자기 빔의 입사각이 조정가능한 특징;
    5) 상기 전자기 방사선 빔 소스(2)에 의해 제공되는 전자기 방사선 빔은 수직 또는 실질적으로 수직인 궤적을 따라 샘플 표면에 접근하지 않는 특징;
    6) 상기 엘립소미터에서, 상기 소스는 하나 이상의 레이저들을 포함하지 않거나, 상기 소스와 샘플 사이에 슬릿 및 쐐기형 보상기 요소의 직렬 조합이 없는 것 중 하나 이상 선택된 특징;
    중 적어도 하나의 특징을 갖는, 방법.
  22. 파장들의 범위에 대한 전자기 방사선 빔의 편광 상태를 결정하는 방법으로서,
    a) 분광편광계를 제공하는 단계로서, 상기 분광편광계는,
    a') 빔을 캡처하기 위한 수단;
    b') 편광 상태 분석기(4);
    c') 파장 분리 요소(7); 및
    d') 전자기 방사선의 다중-요소 검출기(8);를 포함하며,
    사용시, 상기 전자기 방사선 빔은, 상기 분광편광계로 진입하고 상기 편광 상태 분석기(6), 파장 분리 요소, 및 다중-요소 검출기(8)와 상호작용하게 되며;
    상기 편광 상태 분석기(6)는,
    서로 비스듬한 결정 축들 및 공간적 두께 변동을 갖는 둘 이상의 복굴절 광학소자들의 조합; 및
    측정된 파장(들)의 순서로 구조화되지 않은 지연 요소들의 어레이;의 공간적으로 가변하는 보상기들(10) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)은 상기 편광 상태 분석기(6)와의 상호작용에 의해 상기 빔의 단면에 걸쳐 강도들의 공간 분포를 초래하는 복수의 편광 상태들을 부여하는 기능을 하며;
    상기 분광편광계는, 사용시, 상기 검출기(8)의 대응하는 복수의 요소들에 의해 상기 분포의 다수의 위치들에서 강도들이 검출되고 파장들의 범위에 대한 상기 빔의 편광 상태를 결정하도록 분석되는 것을 특징으로 하는,
    상기 분광편광계를 제공하는 단계;
    b) 상기 전자기 방사선 빔에 접근하는 단계;
    c) 전자기 방사선 입력의 접근된 빔에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공된 데이터에 접근하는 단계; 및
    d) 샘플(5)을 특성화하도록 상기 데이터를 분석하는 단계;를 포함하는, 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    l) 상기 엘립소미터가, 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 검출기(8) 상의 특정한 지점들 간의 대응관계에 관한 해상도를 향상시키도록 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 상기 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는 적어도 하나의 이미징 요소를 더 포함하는 특징;
    2) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공되는 빔은 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사되는 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하고, 상기 파장 분리 요소(7)에 의해 야기되는 스펙트럼 변동을 상기 검출기(8)의 일차원 상으로 해상하는 적어도 하나의 추가적인 집속 광학소자가 존재하는 특징;
    3) 전자기 방사선 빔의 다수의 소스들(2)이 더 넓거나 더 유리한 스펙트럼을 제공하기 위해 조합되어 사용되는 특징;
    4) 상기 엘립소미터는 빔 분할 요소를 추가로 포함하고, 데이터 품질을 향상시키거나 빔 프로파일 또는 샘플 표면의 이미지를 제공하기 위해 두 결과적인 빔들의 강도 프로파일들이 검출되는 특징;
    5) 상기 엘립소미터는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하는 공간적으로 가변하는 보상기(10)를 포함하며, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    6) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하는 특징;
    7) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;
    8) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 모노크로메이터, 광섬유, 또는 핀홀로부터의 출력이어서, 상기 빔은 양호한 스펙트럼 또는 공간 특성들을 갖는 특징;
    9) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    10) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 공간적으로 가변하는 보상기들은 확대 광학소자들, 공간적으로 가변하는 보상기 특성들의 변동들, 또는 조명을 수렴 또는 확장시키는 것을 통해 상기 검출기 상에 상이한 유효 변조 주파수들을 부여하는 특징;
    11) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;
    중 적어도 하나의 특징을 갖는, 엘립소미터.
  24. 제 19 항에 있어서,
    l) 상기 엘립소미터가, 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 검출기(8) 상의 특정한 지점들 간의 대응관계에 관한 해상도를 향상시키도록 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 상기 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는 적어도 하나의 이미징 요소를 더 포함하는 특징;
    2) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공되는 빔은 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사되는 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하고, 상기 파장 분리 요소(7)에 의해 야기되는 스펙트럼 변동을 상기 검출기(8)의 일차원 상으로 해상하는 적어도 하나의 추가적인 집속 광학소자가 존재하는 특징;
    3) 전자기 방사선 빔의 다수의 소스들(2)이 더 넓거나 더 유리한 스펙트럼을 제공하기 위해 조합되어 사용되는 특징;
    4) 상기 엘립소미터는 빔 분할 요소를 추가로 포함하고, 데이터 품질을 향상시키거나 빔 프로파일 또는 샘플 표면의 이미지를 제공하기 위해 두 결과적인 빔들의 강도 프로파일들이 검출되는 특징;
    5) 상기 엘립소미터는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하는 공간적으로 가변하는 보상기(10)를 포함하며, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    6) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하는 특징;
    7) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;
    8) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 모노크로메이터, 광섬유, 또는 핀홀로부터의 출력이어서, 상기 빔은 양호한 스펙트럼 또는 공간 특성들을 갖는 특징;
    9) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    10) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 공간적으로 가변하는 보상기들은 확대 광학소자들, 공간적으로 가변하는 보상기 특성들의 변동들, 또는 조명을 수렴 또는 확장시키는 것을 통해 상기 검출기 상에 상이한 유효 변조 주파수들을 부여하는 특징;
    11) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;
    중 적어도 하나의 특징을 갖는, 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    a) 상기 엘립소미터는,
    l) 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 검출기(8) 상의 특정한 지점들 간의 대응관계에 관한 해상도를 향상시키도록 상기 공간적으로 가변하는 보상기들(10)과 상기 다중-요소 검출기(8) 사이에 존재하는 적어도 하나의 이미징 요소를 더 포함하는 특징;
    2) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)에 의해 제공되는 빔은 다수의 파장들을 포함하고, 상기 검출기(8)는 2차원적이며, 상기 엘립소미터는 사용시 상기 샘플의 편광 효과들이 조사되는 샘플의 각 위치에서 다수의 파장들에 대해 결정될 수 있도록 상기 검출기(8) 이전에 상기 적어도 하나의 파장 분리 요소(7)를 더 포함하고, 상기 파장 분리 요소(7)에 의해 야기되는 스펙트럼 변동을 상기 검출기(8)의 일차원 상으로 해상하는 적어도 하나의 추가적인 집속 광학소자가 존재하는 특징;
    3) 전자기 방사선 빔의 다수의 소스들(2)이 더 넓거나 더 유리한 스펙트럼을 제공하기 위해 조합되어 사용되는 특징;
    4) 상기 엘립소미터는 빔 분할 요소를 추가로 포함하고, 데이터 품질을 향상시키거나 빔 프로파일 또는 샘플 표면의 이미지를 제공하기 위해 두 결과적인 빔들의 강도 프로파일들이 검출되는 특징;
    5) 상기 엘립소미터는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하는 공간적으로 가변하는 보상기(10)를 포함하며, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    6) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하는 특징;
    7) 복수의 위치들(13)을 갖는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 각각에서의 상기 적어도 하나의 요소, 또는 각각 적어도 하나의 위치(16)를 갖는 복수의 요소들, 또는 이들의 조합은, 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 상기 두 요소들의 공간 변조를 제공하며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;
    8) 상기 전자기 방사선 빔의 소스(2)는 모노크로메이터, 광섬유, 또는 핀홀로부터의 출력이어서, 상기 빔은 양호한 스펙트럼 또는 공간 특성들을 갖는 특징;
    9) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되는 특징;
    10) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 공간적으로 가변하는 보상기들은 확대 광학소자들, 공간적으로 가변하는 보상기 특성들의 변동들, 또는 조명을 수렴 또는 확장시키는 것을 통해 상기 검출기 상에 상이한 유효 변조 주파수들을 부여하는 특징;
    11) 상기 공간적으로 가변하는 보상기(10)는 상기 편광 상태 발생기(4) 및 편광 상태 분석기(6) 모두에 존재하고, 두 요소들의 공간 변조는 이미징 광학소자들 또는 저발산 조명을 사용하여 알려진 관계로 광학적으로 오버레이되며, 상기 편광 상태 분석기 및 편광 상태 발생기의 유효 공간 변조 주파수들은 1:3, 3:1, 1:5, 5:1, 3:5, 또는 5:3의 비인 특징;중 적어도 하나의 특징을 가지고,
    b) 전자기 방사선 입력에 응답하여 상기 검출기(8)에 의해 제공된 데이터에 접근하는 단계; 및
    d) 상기 샘플(5)을 특성화하도록 상기 데이터를 분석하는 단계;를 포함하는, 방법.
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