KR102515267B1 - High-aspect-ratio sample inspection apparatus based on a near-normal-incidence ellipsometer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 10°이하의 준 수직입사광을 시료로 투사하고 그 반사광을 이용하여 시료의 표면 및 박막 상태를 검사하는 것으로, 특히 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조를 통해 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 및 박막 상태를 검사할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원의 하측에 배치되어 광원에서 발생된 광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 사료측으로 집속시켜 출력하는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 일측 영역에서는 집속 렌즈로부터 출력되는 입사광을 편광상태로 편광시켜 출력하고, 타측 영역에서는 위상지연자로부터 출력되는 반사광 중 특정 편광만을 출력하는 편광자, 상기 편광자의 하측에 배치되어 편광자의 일측 영역으로 인가되는 입사광의 방위각을 가변하여 시료측으로 투사함과 더불어, 시료측으로부터 인가되는 반사광의 방위각을 가변하여 편광자의 타측 영역으로 출력하는 위상지연자 및, 위상지연자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
The present invention projects quasi-normal incident light of 10° or less onto a sample and uses the reflected light to inspect the surface and thin film state of the sample. It relates to a technique capable of inspecting the surface and thin film state of a sample having a high aspect ratio through an ellipsoidal structure.
A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer according to the present invention includes a light source that generates light, and is disposed below the light source to focus the light generated from the light source to a feed side to have a quasi-normal incidence angle of 10 ° or less. A focusing lens disposed below the focusing lens to polarize the incident light output from the focusing lens into a polarized state in one area and outputting only a specific polarization among the reflected light output from the phase retarder in the other area. A phase retarder disposed below the polarizer, varying the azimuth angle of the incident light applied to one side of the polarizer and projecting it toward the sample side, and varying the azimuth angle of the reflected light applied from the sample side and outputting it to the other side of the polarizer, and Calculate the elliptic constant for measuring the thin film state of the sample using the intensity of the reflected light output from the retarder, but calculate the amplitude ratio (ψ) and phase difference (Δ) from the intensity of the reflected light corresponding to the combination of the polarizer azimuth angle and the phase retarder azimuth angle. It is characterized in that it is configured to include an inspection unit for determining the surface and thin film state of the sample by calculating the elliptic constant.

Description

준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치{High-aspect-ratio sample inspection apparatus based on a near-normal-incidence ellipsometer}High-aspect-ratio sample inspection apparatus based on a near-normal-incidence ellipsometer

본 발명은 10°이하의 준 수직입사광을 시료로 투사하고 그 반사광을 이용하여 시료의 표면 및 박막 상태를 검사하는 것으로, 특히 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조를 통해 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 및 박막 상태를 검사할 수 있는 기술에 관한 것이다. The present invention projects quasi-normal incident light of 10° or less onto a sample and uses the reflected light to inspect the surface and thin film state of the sample. It relates to a technique capable of inspecting the surface and thin film state of a sample having a high aspect ratio through an ellipsoidal structure.

타원법(Ellipsometry)은 다양한 박막을 사용하는 산업 분야에서 비 파괴적 측정 방법으로 다양하게 사용되고 있고, 특히 반도체 분야에서 박막의 두께를 비파괴적으로 측정하는데 매우 유용하게 사용되고 있다.Ellipsometry is widely used as a non-destructive measurement method in industrial fields using various thin films, and is particularly useful for non-destructively measuring the thickness of thin films in the semiconductor field.

타원법은 특정 편광상태를 갖는 빛을 시료에 입사시킨 후 반사광의 변화된 편광상태를 측정 및 분석하여 편광을 변화시킨 요인인 조밀도 변화, 광학적인 두께, 복소굴절율 등을 구하는 방법으로서, 이를 위한 장치를 타원계(ellipsometer)라 칭한다.The elliptic method is a method for determining factors such as density change, optical thickness, and complex refractive index, which are factors that change polarization, by injecting light having a specific polarization state into a sample and then measuring and analyzing the changed polarization state of the reflected light. is called an ellipsometer.

도1은 종래의 타원계를 도시한 구성도로서, 타원계는 일반적으로 광원(1), 편광자 모듈(2), 검광자 모듈(5), 광 검출기(6)를 포함하여 구성된다.1 is a configuration diagram showing a conventional ellipsometer, which generally includes a light source 1, a polarizer module 2, an analyzer module 5, and a photodetector 6.

종래의 타원계는 시료(10)에 입사되는 입사광 또는 시료(10)에서 반사되는 반사광을 집속하는 집속광학 모듈(3, 4)을 더 포함할 수 있고, 구동 펄스가 인가될 때 마다 단위 각도 만큼씩 회전하여 편광자 모듈(2)을 단위 각도씩 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.The conventional ellipsometer may further include focusing optical modules 3 and 4 for focusing incident light incident on the sample 10 or reflected light reflected from the sample 10, and each time a driving pulse is applied, a unit angle It may include a motor that rotates the polarizer module 2 by unit angle by rotating each.

이러한 구성에 따르면, 광원(1)에서 발생한 광은 편광자 모듈(2)에서 편광 제어된 상태로 시료(10)에 입사되고, 시료(10)에서 반사된 광은 검광자 모듈(5)로 입사되며, 검광자 모듈(5)은 편광 상태를 감지하게 되고, 검광자 모듈(5)을 통과한 광은 광 검출기(6)에 입사되어 입사된 광의 세기를 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 측정하게 된다.According to this configuration, the light generated from the light source 1 is incident on the sample 10 in a polarization controlled state in the polarizer module 2, and the light reflected from the sample 10 is incident on the analyzer module 5, , the analyzer module 5 detects the polarization state, and the light passing through the analyzer module 5 is incident on the photodetector 6, and the intensity of the incident light is measured as an electrical signal such as voltage or current. .

그리고, 광 검출기(6)는 반사광 즉, 측정광의 세기를 컴퓨터로 전송하며 컴퓨터는 분석 프로그램을 이용하여 이 측정광의 세기 정보로부터 편광상태의 변화를 분석하여 타원상수를 결정하고, 결정된 타원상수를 이용하여 시료(10)의 표면 구조나 박막 두께 등의 상태를 판단한다.Then, the photodetector 6 transmits the reflected light, that is, the intensity of the measurement light to a computer, and the computer analyzes the change in polarization state from the intensity information of the measurement light using an analysis program to determine an ellipse constant, and uses the determined ellipse constant. Thus, the state of the surface structure or thin film thickness of the sample 10 is determined.

이때, 시료(10)로 입사되는 광의 입사각(θ)과 반사각(θ')은 동일하며, 일반적으로 시료(10) 표면에 형성된 미세 패턴의 높이 및 박막층 두께에 따라 입사각(θ)을 다르게 설정하는데, 통상 60°내외의 범위로 설정된다.At this time, the angle of incidence (θ) and the angle of reflection (θ′) of the light incident on the sample 10 are the same, and in general, the angle of incidence (θ) is set differently according to the height of the fine pattern formed on the surface of the sample 10 and the thickness of the thin film layer. , usually set within the range of around 60°.

한편, 반도체 산업체에서는 소자들의 집적도가 증가함에 따라 패턴의 미세화와 초박막화가 지속적으로 이루어지고 있어 타원계의 유용성이 또한 이에 비례하여 증가하고 있다. 이러한 타원계는 초기에는 단일 파장을 사용하여 단층 박막의 두께 측정에 제한적으로 사용되었으나, 여러 파장에서 측정하는 분광타원계가 개발되고 모델링 분석법이 도입됨에 따라 다층박막 시료의 구조와 광학상수의 고정밀 정량분석이 용이해졌다.On the other hand, in the semiconductor industry, as the degree of integration of devices increases, miniaturization and ultra-thinning of patterns are continuously performed, and the usefulness of the ellipsoid is also increasing in proportion to this. These ellipsometers were initially used limitedly for measuring the thickness of single-layer thin films using a single wavelength, but with the development of spectroscopic ellipsometers that measure at multiple wavelengths and the introduction of modeling analysis methods, high-precision quantitative analysis of the structure and optical constants of multi-layer thin film samples this has become easier

분광 타원계(spectroscopic ellipsometer, SE)는 기본적으로 편광자-시료-검광자(PSA)의 배치구조를 갖는 것으로, 회전검광자 방식으로 구동하는 RAE 타원계와 회전 편광자 방식으로 구동되는 RPE 타원계로 구분되나, 이러한 RAE 타원계와 RPE 타원계는 모두 위상각(Δ)의 부호를 결정하지 못하거나 sinΔ가 "0" 근방인 유전영역에서 위상각(Δ) 측정 오차가 커지는 단점을 갖는다.A spectroscopic ellipsometer (SE) basically has a polarizer-sample-analyzer (PSA) arrangement structure, and is divided into a RAE ellipsometer driven by a rotating analyzer method and an RPE ellipsometer driven by a rotating polarizer method. , Both of these RAE ellipsometers and RPE ellipsometers have disadvantages in that the sign of the phase angle (Δ) cannot be determined or the phase angle (Δ) measurement error increases in the dielectric region where sinΔ is near “0”.

또한, 입사각이 60° 내외인 일반적인 분광타원계는 파장 대비 패턴의 폭이 작아질수록 구조 결함에 대한 민감도가 떨어지며, 특히 3D NAND에서와 같이 수십개의 적층 구조상에서 높은 종횡비를 갖는 기둥, 깊은 구멍, 홈 등의 시료의 하부층 구조결함을 검출하는 데에는 무리가 있다. In addition, general spectroscopic ellipsometers with incident angles of around 60° have lower sensitivity to structural defects as the width of the pattern relative to the wavelength decreases. It is unreasonable to detect structural defects in the lower layer of the sample, such as grooves.

이에, 시료(10)로 투사되는 광의 입사각을 보다 작게 설정하여 높은 종횡비를 갖는 시료의 상태를 분석하는 방법이 있을 수 있으나, 도1과 같이 광학소자들이 시료를 기준으로 상호 대칭되게 배치되는 형태의 분광계 구조에서 일정 크기를 갖는 광학소자들의 공간 배치에 한계가 있기 때문에, 일정 이하의 입사각 설정이 불가능한 단점이 있다.Therefore, there may be a method of analyzing the state of a sample having a high aspect ratio by setting the angle of incidence of light projected onto the sample 10 to be smaller, but as shown in FIG. Since there is a limit to the spatial arrangement of optical elements having a certain size in the spectrometer structure, there is a disadvantage in that it is impossible to set an incident angle below a certain level.

1. 한국등록특허 제1936792호 (명칭 : 간섭계와 타원계측기 기반의 박막 구조물 측정을 위한 광계측기)1. Korean Patent Registration No. 1936792 (Name: Optical measuring instrument for measuring thin film structures based on interferometer and ellipsometer) 2. 한국공개특허 제2017-0055661호 (명칭 : 대면적 실시간 박막 측정 분광 영상 타원계측 장치)2. Korean Patent Publication No. 2017-0055661 (Name: Large-area real-time thin-film measurement spectroscopic image ellipsometry device)

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 구조의 타원계를 이용하여 10°이하의 준 수직입사광을 시료에 투사하고 그 반사광의 타원상수를 획득함으로써, 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 구조 및 박막 두께를 보다 신뢰성 있게 검사할 수 있도록 해 주는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다. Therefore, the present invention was created in view of the above circumstances, and projects quasi-normally incident light of 10° or less onto a sample using an ellipsometer having a structure in which incident light and reflected light share one polarizer and one phase retardant, and Its technical purpose is to provide a quasi-normal incidence ellipsometer-based high-aspect-ratio sample inspection device that can more reliably inspect the surface structure and thin film thickness of a high-aspect-ratio sample by acquiring the elliptic constant of the reflected light.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 시료를 향해 입사광을 조사하는 광원과, 상기 광원의 하측에 배치되어 상기 입사광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 집속시키는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 상기 집속 렌즈를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시키는 편광자, 상기 편광자의 하측에 배치되어 상기 편광자를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광의 위상각을 가변시키는 위상지연자 및, 상기 편광자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a light source for irradiating incident light toward a sample, a focusing lens disposed below the light source and focusing the incident light to have a quasi-normal incidence angle of 10 ° or less, the focusing lens A polarizer disposed below the lens to polarize the incident light passing through the focusing lens and the reflected light reflected from the sample into linearly polarized light, disposed below the polarizer to polarize the incident light passing through the polarizer and the reflected light reflected from the sample Calculate the elliptic constant for measuring the thin film state of the sample using the phase retarder for varying the phase angle of and the intensity of the reflected light output from the polarizer, but the intensity of the reflected light corresponding to the combination of the polarizer azimuth angle and the phase retarder azimuth angle A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer is provided, characterized in that it comprises an inspection unit for determining the surface and thin film state of the sample by calculating the elliptic constant of the amplitude ratio (ψ) and the phase difference (Δ) from .

또한, 상기 집속 렌즈는 편광자로부터 출력되는 반사광을 집속시켜 출력하고, 상기 집속 렌즈의 상측에는 반사광의 경로를 상기 검사부로 변경하는 미러가 추가로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.In addition, the focusing lens focuses and outputs the reflected light output from the polarizer, and a mirror for changing the path of the reflected light to the inspection unit is additionally disposed on the upper side of the focusing lens. A high aspect ratio sample inspection device is provided.

또한, 상기 광원의 하측에는 광원에서 발생된 광의 입사각을 가변시키는 입사각 가변기가 배치되고, 상기 입사각 가변기는 상면과 하면이 개방된 구조의 케이스 내부에서 일정 크기의 관통공을 갖는 입사각 가변판이 이동가능하게 체결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.In addition, an incident angle variator for varying the incident angle of light generated from the light source is disposed below the light source, and the incident angle variator is capable of moving an incident angle variable plate having a through hole of a predetermined size inside a case having an open top and bottom surface. A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsoid is provided, characterized in that it is fastened and configured.

또한, 상기 검사부는 편광자의 8개 방위각(P)

Figure 112021080126903-pat00001
와 위상지연자의 16개 방위각(C)
Figure 112021080126903-pat00002
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 반사광 세기로부터 타원상수를 산출하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.In addition, the inspection unit has 8 azimuth angles (P) of the polarizer
Figure 112021080126903-pat00001
and 16 azimuths of the phase retarder (C)
Figure 112021080126903-pat00002
A quasi-normal incidence ellipsometer-based high aspect ratio sample inspection device is provided, characterized in that the elliptic constant is calculated from the reflected light intensity under the azimuth combination (P, C) condition consisting of.

또한, 상기 검사부는 제1 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여

Figure 112021080126903-pat00003
,
Figure 112021080126903-pat00004
를 포함한 제1 측정값을 산출하여 tanψ 값을 결정하고, tanψ가 결정된 상태에서 제2 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여
Figure 112021080126903-pat00005
또는
Figure 112021080126903-pat00006
의 제2 측정값을 산출하여 cosΔ값을 결정함으로써, 타원상수 ψ와 Δ를 획득하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.In addition, the inspection unit uses the reflected light intensity in the first azimuth combination condition
Figure 112021080126903-pat00003
,
Figure 112021080126903-pat00004
A first measurement value including
Figure 112021080126903-pat00005
or
Figure 112021080126903-pat00006
A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer is provided, characterized in that ellipticity constants ψ and Δ are obtained by calculating the second measurement value of and determining the cosΔ value.

또한, 상기 검사부는 제3 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여

Figure 112021080126903-pat00007
또는
Figure 112021080126903-pat00008
의 제3 측정값을 산출하여
Figure 112021080126903-pat00009
또는
Figure 112021080126903-pat00010
를 결정함으로써, 상기 cosΔ의 "Δ" 부호를 획득하여 적용하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다. In addition, the inspection unit uses the reflected light intensity in the third azimuth combination condition
Figure 112021080126903-pat00007
or
Figure 112021080126903-pat00008
By calculating the third measured value of
Figure 112021080126903-pat00009
or
Figure 112021080126903-pat00010
A quasi-normal incidence ellipsometer-based high aspect ratio sample inspection apparatus is provided, characterized in that by determining, obtaining and applying the “Δ” sign of the cosΔ.

본 발명에 의하면, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조에서 편광자의 8개 방위각

Figure 112021080126903-pat00011
각각에 대한 위상자의 16개 방위각
Figure 112021080126903-pat00012
Figure 112021080126903-pat00013
Figure 112021080126903-pat00014
Figure 112021080126903-pat00015
각각에서 측정한 128개의 빛(반사광)의 세기들로부터 타원상수인 Δ(위상차)와 ψ(진폭차)를 용이하게 산출함으로써, 높은 종횡비를 가지는 미세 패턴 시료의 하부층 구조결함을 보다 신뢰성 있게 검사할 수 있다. According to the present invention, in a quasi-normal incidence ellipsoid structure in which incident light and reflected light share one polarizer and one phase retardant, eight azimuth angles of the polarizer
Figure 112021080126903-pat00011
16 azimuth angles of the phasor for each
Figure 112021080126903-pat00012
Figure 112021080126903-pat00013
Figure 112021080126903-pat00014
Figure 112021080126903-pat00015
By easily calculating Δ (phase difference) and ψ (amplitude difference), which are elliptic constants, from the intensities of 128 light (reflected light) measured at each, it is possible to more reliably inspect structural defects in the lower layer of a micro-pattern sample having a high aspect ratio. can

또한, 본 발명은 이상적이지 않은 4분파장 위상지연자를 사용하는 준 수직입사 분광타원계로도 확대 적용가능함은 물론, 이러한 장점으로 인하여 이 준 수직입사 타원법은 높은 종횡비를 가지는 3D NAND의 검사/측정에서 기존 SE 기반 OCD 측정 장비의 한계를 극복할 수 있다. In addition, the present invention can be extended and applied to a quasi-normal incidence spectroscopic ellipsometer using a non-ideal quarter-wavelength phase retarder. can overcome the limitations of existing SE-based OCD measurement equipment.

도1은 종래의 타원계를 도시한 구성도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도3은 도2에 도시된 입사각 가변기(700)의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 타원상수 획득을 위한 서로 다른 편광자(300)와 위상지연자(400)의 방위각 조합 그룹을 나타낸 도면.
1 is a configuration diagram showing a conventional ellipsometer;
2 is a diagram showing a schematic configuration of a high aspect ratio sample inspection apparatus based on a quasi-normal incidence ellipsometer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining the configuration of the incident angle variable device 700 shown in FIG. 2;
4 is a diagram showing azimuth combination groups of different polarizers 300 and phase retarders 400 for acquiring elliptic constants.

본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The embodiments described in the present invention and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so the scope of the present invention is limited to the embodiments and drawings described in the text. should not be construed as being limited by That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as being consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings that are not clearly defined in the present invention.

도1은 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer according to a first embodiment of the present invention.

도1을 참조하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치는, 광원(100)과, 집속 렌즈(200), 편광자(300), 위상지연자(400), 미러(500) 및, 검사부(600)를 포함하여 구성되고, 상기 광원(100)과 집속 렌즈(200) 사이에 입사각 가변기(700)를 추가로 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a quasi-normal incidence ellipsometer-based high aspect ratio sample inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention includes a light source 100, a focusing lens 200, a polarizer 300, and a phase retarder 400. ), a mirror 500, and an inspection unit 600, and an incident angle variable device 700 is further provided between the light source 100 and the focusing lens 200.

여기서, 상기 광원(100)과 집속 렌즈(200), 편광자(300) 및 위상지연자(400)는 검사 대상 시료(10)의 상측에 시료(10) 표면과 수직하는 축(C)을 갖도록 순차로 배치되어 시료(10)를 기준으로 입사광과 반사광이 하나의 편광자(300)와 하나의 위상지연자(400)를 통과하도록 배치된다.Here, the light source 100, the focusing lens 200, the polarizer 300, and the phase retarder 400 are sequentially arranged to have an axis C perpendicular to the surface of the sample 10 on the upper side of the sample 10 to be inspected. It is arranged so that incident light and reflected light pass through one polarizer 300 and one phase retarder 400 based on the sample 10.

즉, 편광자(300)와 위상지연자(400)는 시료(10)의 상측에 배치되어 상기 시료(10)의 일측에서 발생된 편광을 시료(10)측으로 투사하고, 시료(10)의 타측에서 시료(10)의 표면에서 반사되는 빛을 측정광으로 출력하는 타원계 구조를 갖는다. 이때, 시료(10)측으로 입사되는 입사광과 시료(10)에서 출력되는 반사광은 수직축(C)을 기준으로 3°~ 10°범위로, 수직에 준하는 즉, 준 수직의 입사각(θ)을 갖는다.That is, the polarizer 300 and the phase retarder 400 are disposed on the upper side of the sample 10 to project the polarized light generated on one side of the sample 10 to the sample 10 side, and to the other side of the sample 10. It has an ellipsoidal structure that outputs light reflected from the surface of the sample 10 as measurement light. At this time, the incident light incident toward the sample 10 and the reflected light output from the sample 10 have an incident angle θ of 3 ° to 10 ° relative to the vertical axis C, which is equivalent to the vertical, that is, quasi-normal.

상기 광원(100)은 시료(10)를 향해 입사광을 조사하는 광 발생장치로서, 자외선(deep ultra violet; DUV)에서부터 근적외선에 걸친 다양한 파장대역의 광, 즉 백색광을 발생한다. The light source 100 is a light generating device that irradiates incident light toward the sample 10, and generates light of various wavelength bands from deep ultra violet (DUV) to near infrared, that is, white light.

집속 렌즈(200)는 광원(100)의 하측에 배치되어 광원(100)으로부터 출력되는 광을 편광자(300)측으로 집속시킴과 더불어, 편광자(300)로부터 인가되는 반사광을 미러(500)측으로 집속시킨다. 이때, 집속 렌즈(200)는 광원(100)에서 발생된 광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 시료(10)측으로 집속시켜 출력한다. The focusing lens 200 is disposed below the light source 100 to focus the light output from the light source 100 toward the polarizer 300 and to focus the reflected light applied from the polarizer 300 toward the mirror 500. . At this time, the focusing lens 200 focuses the light generated from the light source 100 toward the specimen 10 to have a quasi-normal incident angle of 10° or less, and outputs the focused light.

편광자(300)는 집속 렌즈(200)의 하측에 배치되어 집속 렌즈(200)를 통과한 입사광과 시료(10)로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시킨다. 즉, 편광자(300)의 일측 영역에서는 집속 렌즈(200)를 통해 인가되는 광을 직선편광상태로 편광시켜 위상지연자(400)로 출력하고, 타측 영역에서는 위상지연자(400)로부터 출력되는 반사광중 특정 편광만을 집속 렌즈(200)로 출력한다. 이때, 편광자(300)는 수직축(C)을 기준으로 일측의 제1 영역은 광원(100)으로부터 인가되는 광을 편광시키는 편광영역으로 설정되고, 타측의 제2 영역은 시료(10)에서 반사된 반사광 중 특정 편광만을 통과시키는 검광영역으로 설정된다. The polarizer 300 is disposed below the focusing lens 200 and polarizes the incident light passing through the focusing lens 200 and the reflected light reflected from the sample 10 into linearly polarized light. That is, in one area of the polarizer 300, the light applied through the focusing lens 200 is polarized in a linearly polarized state and output to the phase retarder 400, and in the other area, the reflected light output from the phase retarder 400 is polarized. Among them, only specific polarized light is output to the focusing lens 200 . At this time, in the polarizer 300, a first area on one side of the vertical axis C is set as a polarization area for polarizing light applied from the light source 100, and a second area on the other side is set as a polarization area for polarizing light applied from the sample 10. It is set as an inspection area that passes only a specific polarized light among reflected light.

그리고, 광원(100)에서 발생한 광은 일반적으로 특정 편광상태로 나타낼 수 없는 무 편광으로 나타나는데, 편광자(300)가 모터에 의해 일정 각도(편광 각도)단위로 회전함으로써, 편광자(300)를 통과하는 직선편광(입사광) 및 반사광의 방위각을 변화시킨다.In addition, the light generated from the light source 100 generally appears as non-polarized light that cannot be expressed as a specific polarization state, and the polarizer 300 rotates by a certain angle (polarization angle) unit by a motor to pass through the polarizer 300. It changes the azimuth angle of linearly polarized light (incident light) and reflected light.

위상지연자(400)는 편광자(300)의 하측에 배치되어, 편광자(300)의 일측 영역으로 인가되는 입사광의 방위각을 가변하여 시료(10)측으로 투사함과 더불어, 시료(10)측으로부터 인가되는 반사광의 방위각을 가변하여 편광자(300)의 타측 영역으로 출력한다. The phase retarder 400 is disposed below the polarizer 300, changes the azimuth angle of the incident light applied to one side of the polarizer 300, projects it toward the sample 10, and applies it from the sample 10 side. The azimuth angle of the reflected light is varied and output to the other area of the polarizer 300.

이때, 시료(10)로 입사된 광의 편광상태는 시료(10)의 복소 굴절률, 두께와 같은 광학적, 구조적 특징에 따라 변형된 형태로 반사되어 출력된다.At this time, the polarization state of the light incident on the sample 10 is reflected and output in a deformed form according to optical and structural characteristics such as the complex refractive index and thickness of the sample 10 .

미러(500)는 집속 렌즈(200)의 상측에 배치되어, 집속 렌즈(200)를 통해 출력되는 반사광의 경로를 변경하여 검사부(600)측으로 출력하는 것으로, 집속 렌즈(200)로부터 유입되는 반사광을 시료(10)와 수평한 방향으로 출력하도록 일정 경사각을 갖도록 배치된다.The mirror 500 is disposed above the focusing lens 200, changes the path of the reflected light output through the focusing lens 200, and outputs the reflected light to the inspection unit 600. It is arranged to have a certain inclination angle so as to output in a direction parallel to the sample 10 .

검사부(600)는 미러(500)를 통해 입력되는 반사광을 측정광으로 수집하고, 측정광을 분석하여 편광의 진폭비(ψ)와 위상차(Δ)에 해당하는 타원상수를 산출하며, 이 타원상수를 기 설정된 수학적 알고리즘에 적용하여 타원상수를 만족하는 값을 시료(100)의 표면 높이나 깊이값 또는 박막의 두께값 등으로 결정함으로써, 해당 시료(10)의 표면 구조 및 박막 상태를 검사한다. 이때, 타원상수를 이용하여 시료(100)의 상태값을 산출하는 수학적 알고리즘은 공지의 수학적 함수로 설정될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. The inspection unit 600 collects reflected light input through the mirror 500 as measurement light, analyzes the measurement light, and calculates an ellipse constant corresponding to an amplitude ratio (ψ) and a phase difference (Δ) of polarization, and calculates the ellipse constant By applying a predetermined mathematical algorithm to determine a value satisfying the ellipticity constant as the surface height or depth value of the sample 100 or the thickness value of the thin film, the surface structure and thin film state of the sample 10 are inspected. At this time, a mathematical algorithm for calculating the state value of the specimen 100 using an elliptic constant may be set as a known mathematical function, and a detailed description thereof will be omitted.

입사각 가변기(700)는 시료(10)측으로 투사되는 광원(10)의 입사각을 가변시키기 위한 것으로, 시료(10)측으로 10°이하 범위의 입사각(θ)을 갖도록 시료(10)측으로의 입사광 경로를 설정한다. The incident angle variable unit 700 is for varying the incident angle of the light source 10 projected toward the specimen 10, and the incident light path toward the specimen 10 has an incident angle θ in the range of 10° or less toward the specimen 10. set

이러한 입사각 가변기(700)는 도3에 도시된 바와 같이, 상면과 하면에 개방면(711,712)이 형성된 케이스(710)와, 이 케이스(710)의 일측면을 관통하여 배치되면서 일정 위치에 관통공(721)이 형성된 입사각 가변판(720)을 포함하여 구성되고, 입사각 가변판(720)은 케이스(710) 내부에서 이동 가능하게 체결되어 입사각 가변판(720)의 위치에 따라 관통공(721)을 통해 시료(10)측으로 출력되는 광의 입사각을 가변시킨다. As shown in FIG. 3, such an angle of incidence variable device 700 penetrates a case 710 having open surfaces 711 and 712 formed on the top and bottom surfaces and one side of the case 710 while being disposed at a predetermined position. It is configured to include a variable incidence angle plate 720 on which a ball 721 is formed, and the variable incidence angle plate 720 is movably fastened inside the case 710, and the through hole 721 is movable according to the position of the variable incidence angle plate 720. ) to change the incident angle of the light output to the sample 10 side.

즉, 도3 (A)과 (C)에 도시된 바와 같이 입사각 가변판(720)의 관통공(721)과 광축(C)간의 이격거리(d1,d2)에 대응되게 시료(10)로 입사되는 광(So)의 입사각이 다르게 설정되고, 관통공(721)의 이동범위는 시료(10)의 입사각이 3~10°인 범위로 설정된다. That is, as shown in FIGS. 3 (A) and (C), the incidence is incident on the sample 10 corresponding to the distances d1 and d2 between the through hole 721 of the variable incidence angle plate 720 and the optical axis C. The angle of incidence of the light So is set differently, and the movement range of the through hole 721 is set to a range in which the angle of incidence of the sample 10 is 3 to 10°.

즉, 본 발명은 입사각과 반사각이 10°이하로 매우 작아 광원(100)을 포함한 광 검출수단을 도1과 같은 일반적인 타원계 구조로 배치하는데 어려움이 있는 바, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하도록 구성함으로써, 광학소자들의 공간 배치 제약을 극복한 준 수직입사 타원계를 구현한 것이다. That is, the present invention has difficulty in arranging the light detection means including the light source 100 in a general elliptical structure as shown in FIG. By configuring the incident light and the reflected light to be shared, a quasi-normal incidence ellipsoid that overcomes the spatial arrangement restrictions of optical elements is realized.

이어, 검사부(600)에서 측정광을 이용하여 타원상수 ψ와, Δ를 산출하는 과정을 설명한다. 여기서, ψ는 편광의 진폭비에 대응되는 각도이고, Δ는 편광의 위상차에 대응되는 각도이다. Next, a process of calculating the elliptic constant ψ and Δ using the measurement light in the inspection unit 600 will be described. Here, ψ is an angle corresponding to the polarization amplitude ratio, and Δ is an angle corresponding to the polarization phase difference.

먼저, 본 발명에서는 도2에 도시된 바와 같이 광원(100)에서 방출된 광은 입사각 가변기(700)를 통해 10°이내의 매우 작은 입사각으로 시료(10)면을 향해 투사되고, 이 입사광은 편광자(300)와 위상지연자(400)를 순차로 통과한 다음 시료(10)면에서 반사되며, 시료(10)면에서 반사된 반사광은 위상지연자(400)와 편광자(300)를 다시 순차적으로 통과한 후, 미러(500)를 통해 광 경로가 변경되어 검사부(600)로 인가된다. First, in the present invention, as shown in FIG. 2, the light emitted from the light source 100 is projected toward the surface of the sample 10 at a very small incident angle within 10 ° through the incident angle variator 700, and the incident light is After sequentially passing through the polarizer 300 and the phase retarder 400, it is reflected on the surface of the sample 10, and the reflected light reflected from the surface of the sample 10 passes through the phase retarder 400 and the polarizer 300 sequentially. After passing through, the light path is changed through the mirror 500 and applied to the inspection unit 600.

즉, 본 발명은 편광자-보정기(위상지연자)-시료-보정기(위상지연자)-검광자의 배치를 가지는

Figure 112021080126903-pat00016
타원계 구조를 갖는 것으로, 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터는 하기 수학식1로 표현된다. 이때, 본 발명에서는 하나의 편광자(300)를 입사광과 반사광이 공유하는 구조인 바, 이하에서는 입사광이 통과하는 위치의 편광자(300) 영역은 편광자로, 반사광이 통과하는 위치의 편광자(300) 영역은 검광자로 구분하여 설명한다. That is, the present invention has a polarizer-corrector (phase retarder)-sample-corrector (phase retarder)-analyzer arrangement
Figure 112021080126903-pat00016
It has an elliptical structure, and the Jones vector of light passing through the analyzer is expressed by Equation 1 below. At this time, in the present invention, a structure in which incident light and reflected light share one polarizer 300, hereinafter, the area of the polarizer 300 where the incident light passes is a polarizer, and the area of the polarizer 300 where the reflected light passes is explained separately as an analyzer.

Figure 112021080126903-pat00017
Figure 112021080126903-pat00017

여기서, 존스 벡터와 존스 행렬들의 표현은 Azzam의 표현을 따르는 것으로,

Figure 112021080126903-pat00018
Figure 112021080126903-pat00019
는 각각 투과축-소거축 좌표상에서 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터와 검광자의 존스 행렬,
Figure 112021080126903-pat00020
는 회전각도가
Figure 112021080126903-pat00021
인 회전 존스 행렬,
Figure 112021080126903-pat00022
는 빠른축-느린축 좌표상에서 위상지연자의 존스 행렬,
Figure 112021080126903-pat00023
는 x-y 직교좌표축 상에서 등방성 시료의 반사를 나타내는 존스 행렬이고,
Figure 112021080126903-pat00024
는 투과축-소거축 좌표상에서 편광자를 통과한 빛의 존스벡터이다.Here, the expression of the Jones vector and the Jones matrix follow Azzam's expression,
Figure 112021080126903-pat00018
and
Figure 112021080126903-pat00019
are the Jones vector of the light passing through the analyzer and the Jones matrix of the analyzer, respectively, on the transmission axis-elimination axis coordinates,
Figure 112021080126903-pat00020
is the rotation angle
Figure 112021080126903-pat00021
is the rotated Jones matrix,
Figure 112021080126903-pat00022
Is the Jones matrix of the phase retarder on the fast axis-slow axis coordinates,
Figure 112021080126903-pat00023
Is a Jones matrix representing the reflection of an isotropic sample on the xy Cartesian coordinate axis,
Figure 112021080126903-pat00024
Is the Jones vector of light passing through the polarizer on the transmission axis-elimination axis coordinates.

본 발명에서는 입사광과 반사광이 편광자(300)와 위상지연자(400)를 공유하기 때문에 편광자의 방위각

Figure 112021080126903-pat00025
와 검광자의 방위각
Figure 112021080126903-pat00026
Figure 112021080126903-pat00027
의 관계를 가지며, 입사광에 대한 위상지연자의 방위각(C1)과 반사광에 대한 위상지연자의 방위각(C2)은
Figure 112021080126903-pat00028
와 같은 관계를 갖는다.In the present invention, since incident light and reflected light share the polarizer 300 and the phase retarder 400, the azimuth angle of the polarizer
Figure 112021080126903-pat00025
and the azimuth of the analyzer
Figure 112021080126903-pat00026
Is
Figure 112021080126903-pat00027
, and the azimuth angle of the phase retarder for incident light (C 1 ) and the azimuth angle of the phase retarder for reflected light (C 2 ) are
Figure 112021080126903-pat00028
have the same relationship as

이에,

Figure 112021080126903-pat00029
,
Figure 112021080126903-pat00030
를 상기 수학식 1에 대입하면 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터는 하기 수학식 2와 같다.Therefore,
Figure 112021080126903-pat00029
,
Figure 112021080126903-pat00030
When Equation 1 is substituted into Equation 1, the Jones vector of the light passing through the analyzer is equal to Equation 2 below.

Figure 112021080126903-pat00031
Figure 112021080126903-pat00031

그리고, 측정되는 빛의 세기 정보로부터 타원상수를 구하는 기본식들을 구하기 위해 상기 수학식 2를 풀면 수학식 3과 같은 전기장의 표현을 얻을 수 있다. In addition, by solving Equation 2 to obtain the basic equations for obtaining the elliptic constant from the measured light intensity information, an expression of the electric field as in Equation 3 can be obtained.

Figure 112021080126903-pat00032
Figure 112021080126903-pat00032

검사부(600)는 수치해석적인 방법을 통해 3개 이상의 독립적인 방위각(P,C)의 조합에 대응되는 빛의 세기로부터 타원상수 Δ,ψ 를 획득한다. 여기서, P 는 편광자(300) 방위각이고, C는 위상지연자(400)의 방위각이다.The inspection unit 600 obtains the ellipticity constants Δ, ψ from the intensity of light corresponding to a combination of three or more independent azimuth angles (P, C) through a numerical analysis method. Here, P is the azimuth angle of the polarizer 300, and C is the azimuth angle of the phase retarder 400.

먼저,

Figure 112021080126903-pat00033
(또는
Figure 112021080126903-pat00034
) 이거나
Figure 112021080126903-pat00035
(또는
Figure 112021080126903-pat00036
) 인 경우 전기장의 표현은 다음과 같다.first,
Figure 112021080126903-pat00033
(or
Figure 112021080126903-pat00034
) or
Figure 112021080126903-pat00035
(or
Figure 112021080126903-pat00036
), the expression of the electric field is

Figure 112021080126903-pat00037
Figure 112021080126903-pat00037

이때, 상기 수학식 4의 전기장은 주기가

Figure 112021080126903-pat00038
로서
Figure 112021080126903-pat00039
하여도 달라지지 않으며,
Figure 112021080126903-pat00040
또는
Figure 112021080126903-pat00041
를 중심으로 좌우 대칭인 특성을 갖는다.At this time, the electric field in Equation 4 has a period
Figure 112021080126903-pat00038
as
Figure 112021080126903-pat00039
does not change,
Figure 112021080126903-pat00040
or
Figure 112021080126903-pat00041
It has a left-right symmetrical characteristic centered on .

그리고, 몇가지 특수한

Figure 112021080126903-pat00042
의 값에 대한 전기장의 표현은 표1과 같다.And, some special
Figure 112021080126903-pat00042
The expression of the electric field for the value of is shown in Table 1.

Figure 112021080126903-pat00043
Figure 112021080126903-pat00043

여기서,

Figure 112021080126903-pat00044
이고,
Figure 112021080126903-pat00045
,
Figure 112021080126903-pat00046
,
Figure 112021080126903-pat00047
이다.here,
Figure 112021080126903-pat00044
ego,
Figure 112021080126903-pat00045
,
Figure 112021080126903-pat00046
,
Figure 112021080126903-pat00047
am.

또한,

Figure 112021080126903-pat00048
(또는
Figure 112021080126903-pat00049
) 이거나
Figure 112021080126903-pat00050
(또는
Figure 112021080126903-pat00051
) 인 경우 전기장의 표현은 수학식 5와 같다.also,
Figure 112021080126903-pat00048
(or
Figure 112021080126903-pat00049
) or
Figure 112021080126903-pat00050
(or
Figure 112021080126903-pat00051
), the expression of the electric field is as shown in Equation 5.

Figure 112021080126903-pat00052
Figure 112021080126903-pat00052

여기서,

Figure 112021080126903-pat00053
이고,
Figure 112021080126903-pat00054
이다.here,
Figure 112021080126903-pat00053
ego,
Figure 112021080126903-pat00054
am.

상기 수학식 5는 상기 수학식 4와 마찬가지로

Figure 112021080126903-pat00055
의 주기를 갖기 때문에
Figure 112021080126903-pat00056
로 하여도 바뀌지 않지만,
Figure 112021080126903-pat00057
또는
Figure 112021080126903-pat00058
주위의 대칭성은 없다. 몇가지
Figure 112021080126903-pat00059
에 대한 전기장 표현은 하기 표2와 같다.Equation 5 is the same as Equation 4 above.
Figure 112021080126903-pat00055
because it has a cycle of
Figure 112021080126903-pat00056
does not change even if
Figure 112021080126903-pat00057
or
Figure 112021080126903-pat00058
There is no symmetry around. a few
Figure 112021080126903-pat00059
The electric field expression for is shown in Table 2 below.

Figure 112021080126903-pat00060
Figure 112021080126903-pat00060

상기한 표1 과 표2의 결과를 하나의 표로 정리하면 표3과 같다.The results of Table 1 and Table 2 above are summarized in Table 3.

Figure 112021080126903-pat00061
Figure 112021080126903-pat00061

상기 표 3은 서로 다른 방위각(C,P)조합에 따른 전기장 표현으로,

Figure 112021080126903-pat00062
,
Figure 112021080126903-pat00063
이다. Table 3 is an expression of the electric field according to different combinations of azimuth angles (C, P),
Figure 112021080126903-pat00062
,
Figure 112021080126903-pat00063
am.

즉, 상기 표 3의 전기장 표현으로부터 빛의 세기 표현을 구하고, 방위각(P,C) 조합별 빛의 세기들로부터 타원상수 Δ와 ψ를 산출할 수 있다.That is, an expression of light intensity can be obtained from the expression of the electric field in Table 3, and ellipticity constants Δ and ψ can be calculated from light intensities for each combination of azimuth angles (P, C).

예컨대,

Figure 112021080126903-pat00064
일 때의 빛의 세기를
Figure 112021080126903-pat00065
로 정의하고,
Figure 112021080126903-pat00066
이고
Figure 112021080126903-pat00067
또는
Figure 112021080126903-pat00068
일 때의 빛의 세기를 각각
Figure 112021080126903-pat00069
,
Figure 112021080126903-pat00070
,
Figure 112021080126903-pat00071
,
Figure 112021080126903-pat00072
와 같이 정의하여, 일련의 유도과정을 거치게 되면 수학식6과 같은 타원상수 표현들을 획득할 수 있다.for example,
Figure 112021080126903-pat00064
the intensity of light at a time
Figure 112021080126903-pat00065
defined as,
Figure 112021080126903-pat00066
ego
Figure 112021080126903-pat00067
or
Figure 112021080126903-pat00068
The intensity of light at the time of day
Figure 112021080126903-pat00069
,
Figure 112021080126903-pat00070
,
Figure 112021080126903-pat00071
,
Figure 112021080126903-pat00072
By defining as, when a series of derivation processes are performed, elliptic constant expressions such as Equation 6 can be obtained.

Figure 112021080126903-pat00073
Figure 112021080126903-pat00073

여기서,

Figure 112021080126903-pat00074
이다.here,
Figure 112021080126903-pat00074
am.

한편, 방위각(P,C) 조합이 독립적이 아니면 그 조합에 따라 구해지는 상수들이 달라지는데, 도4 (A)는 이를 그룹별로 분류하여 나타낸 것이다. 도4 (A)에서 가로축은 편광자의 방위각

Figure 112021080126903-pat00075
, 세로축은 위상자의 방위각
Figure 112021080126903-pat00076
를 나타내며 단위는 모두
Figure 112021080126903-pat00077
이다. 빛의 세기 측정 기준값은 속이 찬 원으로 표시된
Figure 112021080126903-pat00078
의 방위각 조합에서 측정한 값이다. On the other hand, if the azimuth (P, C) combination is not independent, the obtained constants are different depending on the combination, and FIG. 4 (A) shows them classified by group. In FIG. 4 (A), the horizontal axis is the azimuth angle of the polarizer.
Figure 112021080126903-pat00075
, the vertical axis is the azimuth of the phasor
Figure 112021080126903-pat00076
, and units are all
Figure 112021080126903-pat00077
am. The reference value for measuring the light intensity is indicated by a solid circle.
Figure 112021080126903-pat00078
It is a value measured from the azimuth combination of

즉,

Figure 112021080126903-pat00079
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00080
,
Figure 112021080126903-pat00081
,
Figure 112021080126903-pat00082
,
Figure 112021080126903-pat00083
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을
Figure 112021080126903-pat00084
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00085
,
Figure 112021080126903-pat00086
,
Figure 112021080126903-pat00087
,
Figure 112021080126903-pat00088
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값은
Figure 112021080126903-pat00089
의 측정값이 되며,
Figure 112021080126903-pat00090
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00091
,
Figure 112021080126903-pat00092
,
Figure 112021080126903-pat00093
,
Figure 112021080126903-pat00094
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을
Figure 112021080126903-pat00095
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00096
,
Figure 112021080126903-pat00097
,
Figure 112021080126903-pat00098
,
Figure 112021080126903-pat00099
인 곳에서 측정(또는 이들의 평균)한 값으로 나눈 값은
Figure 112021080126903-pat00100
의 측정값이 된다. 또한,
Figure 112021080126903-pat00101
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00102
,
Figure 112021080126903-pat00103
,
Figure 112021080126903-pat00104
,
Figure 112021080126903-pat00105
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을
Figure 112021080126903-pat00106
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00107
,
Figure 112021080126903-pat00108
,
Figure 112021080126903-pat00109
,
Figure 112021080126903-pat00110
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값은
Figure 112021080126903-pat00111
의 측정값이 된다.in other words,
Figure 112021080126903-pat00079
the combination of
Figure 112021080126903-pat00080
,
Figure 112021080126903-pat00081
,
Figure 112021080126903-pat00082
,
Figure 112021080126903-pat00083
The value measured (or averaged) at
Figure 112021080126903-pat00084
the combination of
Figure 112021080126903-pat00085
,
Figure 112021080126903-pat00086
,
Figure 112021080126903-pat00087
,
Figure 112021080126903-pat00088
The value divided by the value measured (or the average of them) at
Figure 112021080126903-pat00089
is the measured value of
Figure 112021080126903-pat00090
the combination of
Figure 112021080126903-pat00091
,
Figure 112021080126903-pat00092
,
Figure 112021080126903-pat00093
,
Figure 112021080126903-pat00094
The value measured (or averaged) at
Figure 112021080126903-pat00095
the combination of
Figure 112021080126903-pat00096
,
Figure 112021080126903-pat00097
,
Figure 112021080126903-pat00098
,
Figure 112021080126903-pat00099
The value divided by the value measured (or the average of them) at
Figure 112021080126903-pat00100
is the measured value of also,
Figure 112021080126903-pat00101
the combination of
Figure 112021080126903-pat00102
,
Figure 112021080126903-pat00103
,
Figure 112021080126903-pat00104
,
Figure 112021080126903-pat00105
The value measured (or averaged) at
Figure 112021080126903-pat00106
the combination of
Figure 112021080126903-pat00107
,
Figure 112021080126903-pat00108
,
Figure 112021080126903-pat00109
,
Figure 112021080126903-pat00110
The value divided by the value measured (or the average of them) at
Figure 112021080126903-pat00111
is the measured value of

이와 같이, 빛의 세기 측정 기준값을 분모로 하고 측정값의 세기를 분자로 하여

Figure 112021080126903-pat00112
,
Figure 112021080126903-pat00113
등의 측정값을 구할 수 있으며, 이로부터
Figure 112021080126903-pat00114
가 결정될 수 있다.In this way, with the reference value for measuring the light intensity as the denominator and the intensity of the measured value as the numerator,
Figure 112021080126903-pat00112
,
Figure 112021080126903-pat00113
etc. can be obtained, from which
Figure 112021080126903-pat00114
can be determined.

Figure 112021080126903-pat00115
가 결정된 상태에서
Figure 112021080126903-pat00116
의 측정값을 산출하는 방법은 다음과 같다.
Figure 112021080126903-pat00115
is determined
Figure 112021080126903-pat00116
The method for calculating the measured value of is as follows.

즉,

Figure 112021080126903-pat00117
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00118
,
Figure 112021080126903-pat00119
,
Figure 112021080126903-pat00120
,
Figure 112021080126903-pat00121
,
Figure 112021080126903-pat00122
,
Figure 112021080126903-pat00123
,
Figure 112021080126903-pat00124
,
Figure 112021080126903-pat00125
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을
Figure 112021080126903-pat00126
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00127
,
Figure 112021080126903-pat00128
,
Figure 112021080126903-pat00129
,
Figure 112021080126903-pat00130
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값이
Figure 112021080126903-pat00131
이 되며,
Figure 112021080126903-pat00132
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00133
,
Figure 112021080126903-pat00134
,
Figure 112021080126903-pat00135
,
Figure 112021080126903-pat00136
,
Figure 112021080126903-pat00137
,
Figure 112021080126903-pat00138
,
Figure 112021080126903-pat00139
,
Figure 112021080126903-pat00140
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을
Figure 112021080126903-pat00141
의 조합이
Figure 112021080126903-pat00142
,
Figure 112021080126903-pat00143
,
Figure 112021080126903-pat00144
,
Figure 112021080126903-pat00145
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값이
Figure 112021080126903-pat00146
의 측정값이 된다.in other words,
Figure 112021080126903-pat00117
the combination of
Figure 112021080126903-pat00118
,
Figure 112021080126903-pat00119
,
Figure 112021080126903-pat00120
,
Figure 112021080126903-pat00121
,
Figure 112021080126903-pat00122
,
Figure 112021080126903-pat00123
,
Figure 112021080126903-pat00124
,
Figure 112021080126903-pat00125
The value measured (or averaged) at
Figure 112021080126903-pat00126
the combination of
Figure 112021080126903-pat00127
,
Figure 112021080126903-pat00128
,
Figure 112021080126903-pat00129
,
Figure 112021080126903-pat00130
The value divided by the value measured (or the average of them) at
Figure 112021080126903-pat00131
becomes,
Figure 112021080126903-pat00132
the combination of
Figure 112021080126903-pat00133
,
Figure 112021080126903-pat00134
,
Figure 112021080126903-pat00135
,
Figure 112021080126903-pat00136
,
Figure 112021080126903-pat00137
,
Figure 112021080126903-pat00138
,
Figure 112021080126903-pat00139
,
Figure 112021080126903-pat00140
The value measured (or averaged) at
Figure 112021080126903-pat00141
the combination of
Figure 112021080126903-pat00142
,
Figure 112021080126903-pat00143
,
Figure 112021080126903-pat00144
,
Figure 112021080126903-pat00145
The value divided by the value measured (or the average of them) at
Figure 112021080126903-pat00146
is the measured value of

도4 (B)는

Figure 112021080126903-pat00147
또는
Figure 112021080126903-pat00148
의 측정값을 결정할 수 있는
Figure 112021080126903-pat00149
의 조합을 보여준다. 여기에서 속이 찬 원은
Figure 112021080126903-pat00150
를 구하는
Figure 112021080126903-pat00151
의 조합을 나타내며 속이 빈 원은
Figure 112021080126903-pat00152
를 구하는
Figure 112021080126903-pat00153
의 조합을 나타낸다. Figure 4 (B) is
Figure 112021080126903-pat00147
or
Figure 112021080126903-pat00148
can determine the measured value of
Figure 112021080126903-pat00149
shows the combination of The hollow circle here
Figure 112021080126903-pat00150
to get
Figure 112021080126903-pat00151
Represents a combination of and the hollow circle is
Figure 112021080126903-pat00152
to get
Figure 112021080126903-pat00153
represents a combination of

이와 같이

Figure 112021080126903-pat00154
가 결정된 상태에서 도4 (B)의 방위각 조합을 이용하여
Figure 112021080126903-pat00155
를 결정할 수 있다.like this
Figure 112021080126903-pat00154
In the state where is determined, using the azimuth combination of FIG. 4 (B)
Figure 112021080126903-pat00155
can decide

그러나, 상기한

Figure 112021080126903-pat00156
측정 방식은 Δ의 부호를 결정하지 못하여
Figure 112021080126903-pat00157
근방인 영역에서는
Figure 112021080126903-pat00158
의 측정오차가 커지는 단점이 있다.However, the above
Figure 112021080126903-pat00156
The measurement method cannot determine the sign of Δ,
Figure 112021080126903-pat00157
In the neighboring area
Figure 112021080126903-pat00158
There is a disadvantage that the measurement error of is large.

이에 본 발명에서는

Figure 112021080126903-pat00159
또는
Figure 112021080126903-pat00160
의 측정값과
Figure 112021080126903-pat00161
측정값을 이용하여 Δ의 부호를 결정함으로써, 정확한 Δ를 결정할 수 있다. Therefore, in the present invention
Figure 112021080126903-pat00159
or
Figure 112021080126903-pat00160
and the measurement of
Figure 112021080126903-pat00161
By determining the sign of Δ using the measured values, the exact Δ can be determined.

도4 (C)는

Figure 112021080126903-pat00162
또는
Figure 112021080126903-pat00163
를 결정하기 위한
Figure 112021080126903-pat00164
Figure 112021080126903-pat00165
를 구하는
Figure 112021080126903-pat00166
의 조합을 나타낸다. 여기서, 속이 찬 원은
Figure 112021080126903-pat00167
를 구하는
Figure 112021080126903-pat00168
의 조합을, 속이 빈 원은
Figure 112021080126903-pat00169
를 구하는
Figure 112021080126903-pat00170
의 조합을 나타낸다.Figure 4 (C) is
Figure 112021080126903-pat00162
or
Figure 112021080126903-pat00163
to determine
Figure 112021080126903-pat00164
and
Figure 112021080126903-pat00165
to get
Figure 112021080126903-pat00166
represents a combination of Here, the hollow circle is
Figure 112021080126903-pat00167
to get
Figure 112021080126903-pat00168
, the hollow circle is
Figure 112021080126903-pat00169
to get
Figure 112021080126903-pat00170
represents a combination of

즉, 검사부(600)는 편광자의 8개 방위각(P)

Figure 112021080126903-pat00171
와 위상지연자의 16개 방위각(C)
Figure 112021080126903-pat00172
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 빛의 세기 기준값과 빛의 세기 측정값을 이용하여 tanψ 값을 결정하기 위한
Figure 112021080126903-pat00173
,
Figure 112021080126903-pat00174
를 포함한 제1 측정값과, cosΔ값을 결정하기 위한
Figure 112021080126903-pat00175
또는
Figure 112021080126903-pat00176
의 제2 측정값 및, cosΔ에서 "Δ"의 부호를 결정하기 위한
Figure 112021080126903-pat00177
또는
Figure 112021080126903-pat00178
의 제3 측정값을 산출하고, 이를 통해 타원상수 ψ 와 Δ를 획득한다.That is, the inspection unit 600 determines the 8 azimuth angles (P) of the polarizer.
Figure 112021080126903-pat00171
and 16 azimuths of the phase retarder (C)
Figure 112021080126903-pat00172
For determining the tanψ value using the light intensity reference value and the light intensity measurement value in the azimuth combination (P, C) condition consisting of
Figure 112021080126903-pat00173
,
Figure 112021080126903-pat00174
For determining the first measured value and the cosΔ value including
Figure 112021080126903-pat00175
or
Figure 112021080126903-pat00176
For determining the second measured value of and the sign of “Δ” in cosΔ
Figure 112021080126903-pat00177
or
Figure 112021080126903-pat00178
Calculate the third measured value of , and obtain ellipticity constants ψ and Δ through this.

한편, 본 발명에서는 광원이나 광량 측정장치가 편광의존성을 보인다면 편광자의 방위각을 고정하고 보정기(위상지연자)의 방위각 만을 달리하여 측정한 빛의 세기들로부터 타원상수를 결정하는 것이 바람직하다. 렌즈나 미러 등에 의한 편광상태 변화가 우려될 경우에는 편광자의 방위각을 고정하여 타원상수를 결정하는 것이 더욱 바람직하다. On the other hand, in the present invention, if the light source or the light quantity measuring device shows polarization dependence, it is preferable to determine the ellipticity constant from the measured light intensities by fixing the azimuth angle of the polarizer and varying only the azimuth angle of the compensator (phase retarder). When a change in polarization state due to a lens or mirror is concerned, it is more preferable to determine the ellipticity constant by fixing the azimuth angle of the polarizer.

이때, 렌즈나 미러 등에 의한 영향을 포함하여 광원이나 광량 측정장치의 편광의존성을 보정하면

Figure 112021080126903-pat00179
의 조합을 자유롭게 사용할 수 있지만 측정하는 타원상수의 정확도가 이 소자들에 의한 편광의존성 보정 정도에 크게 의존하므로 신중한 접근이 요구되는데 이 소자들에 의한 편광의존성은 편광자를 회전시키면서 등방성 표준시료에 대해 측정한 빛의 세기를 이론적으로 도출한 빛의 세기와 비교하여 수치해석적으로 분석하면 한꺼번에 통합, 보정할 수 있다.At this time, if the polarization dependence of the light source or light quantity measuring device is corrected, including the influence of the lens or mirror, etc.
Figure 112021080126903-pat00179
Combinations of can be used freely, but since the accuracy of the ellipticity constant to be measured is highly dependent on the degree of polarization dependence correction by these elements, a careful approach is required. The polarization dependence by these elements is measured for an isotropic standard sample while rotating the polarizer. Comparing the light intensity with the theoretically derived light intensity and analyzing it numerically, it can be integrated and corrected at once.

또한, 본 발명에서는 사용하는 빛의 파장에 대한 제약을 가지고 있지 않으므로 준 수직입사 분광타원계(near normal incidence spectroscopic ellipsometer)로 간편하게 확대 적용할 수 있다. 특히 이 준 수직입사 타원법은 이상적이지 않은 4분파장 위상지연자 즉

Figure 112021080126903-pat00180
이고,
Figure 112021080126903-pat00181
인 위상지연자를 보정기로 사용할 때에도 타원상수들을 정확하게 결정할 수 있게 하므로 파장의존성 위상지연자를 사용하더라도 DUV에서 NIR에 이르는 넓은 파장대역에 걸쳐 분광타원계를 정상적으로 작동할 수 있다. In addition, since the present invention does not have restrictions on the wavelength of light used, it can be easily applied to a near normal incidence spectroscopic ellipsometer. In particular, this quasi-normal incidence elliptic method has a non-ideal quarter-wavelength phase retarder, that is,
Figure 112021080126903-pat00180
ego,
Figure 112021080126903-pat00181
Since the ellipsoidal constants can be accurately determined even when using the phosphorus phase retarder as a compensator, the spectroscopic ellipsometer can operate normally over a wide wavelength band from DUV to NIR even when using the wavelength dependent phase retarder.

100 : 광원, 200 : 집속 렌즈,
300 : 편광자, 400 : 위상지연자,
500 : 미러, 600 : 검사부,
700 : 입사각 가변기,
10 : 시료.
100: light source, 200: focusing lens,
300: polarizer, 400: phase retarder,
500: mirror, 600: inspection unit,
700: angle of incidence variable,
10: sample.

Claims (6)

시료를 향해 입사광을 조사하는 광원과,
상기 광원의 하측에 배치되어 상기 입사광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 집속시키는 집속 렌즈,
상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 상기 집속 렌즈를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시키는 편광자,
상기 편광자의 하측에 배치되어 상기 편광자를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광의 위상각을 가변시키는 위상지연자 및,
상기 편광자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
A light source for irradiating incident light toward the sample;
A focusing lens disposed below the light source to focus the incident light to have a quasi-normal incidence angle of 10° or less;
A polarizer disposed below the focusing lens to polarize the incident light passing through the focusing lens and the reflected light reflected from the sample into linearly polarized light;
A phase retarder arranged below the polarizer to change the phase angle of the incident light passing through the polarizer and the reflected light reflected from the sample;
Calculate the ellipticity constant for measuring the thin film state of the sample using the intensity of the reflected light output from the polarizer, but calculate the amplitude ratio (ψ) and phase difference (Δ) from the intensity of the reflected light corresponding to the combination of the polarizer azimuth angle and the phase retarder azimuth angle A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer, characterized in that it comprises an inspection unit for determining the surface and thin film state of the sample by calculating the elliptic constant.
제1항에 있어서,
상기 집속 렌즈는 편광자로부터 출력되는 반사광을 집속시켜 출력하고,
상기 집속 렌즈의 상측에는 반사광의 경로를 상기 검사부로 변경하는 미러가 추가로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
According to claim 1,
The focusing lens focuses and outputs the reflected light output from the polarizer,
Quasi-normal incidence ellipsometer-based high aspect ratio sample inspection apparatus, characterized in that a mirror for changing the path of the reflected light to the inspection unit is additionally disposed on the upper side of the focusing lens.
제1항에 있어서,
상기 광원의 하측에는 광원에서 발생된 광의 입사각을 가변시키는 입사각 가변기가 배치되고,
상기 입사각 가변기는 상면과 하면이 개방된 구조의 케이스 내부에서 일정 크기의 관통공을 갖는 입사각 가변판이 이동가능하게 체결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
According to claim 1,
An incident angle variator for varying an incident angle of light generated from the light source is disposed below the light source,
The angle of incidence variable is a high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer, characterized in that the angle of incidence variable plate having a through hole of a predetermined size is movably fastened inside a case having a structure in which the upper and lower surfaces are open.
제1항에 있어서,
상기 검사부는 편광자의 8개 방위각(P)
Figure 112021080126903-pat00182
와 위상지연자의 16개 방위각(C)
Figure 112021080126903-pat00183
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 반사광 세기로부터 타원상수를 산출하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
According to claim 1,
The inspection unit has 8 azimuth angles (P) of the polarizer
Figure 112021080126903-pat00182
and 16 azimuths of the phase retarder (C)
Figure 112021080126903-pat00183
Quasi-normal incidence ellipsometer-based high aspect ratio sample inspection device, characterized in that for calculating the elliptic constant from the reflected light intensity under the azimuth combination (P, C) condition consisting of.
제4항에 있어서,
상기 검사부는 제1 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여
Figure 112021080126903-pat00184
,
Figure 112021080126903-pat00185
를 포함한 제1 측정값을 산출하여 tanψ 값을 결정하고,
tanψ가 결정된 상태에서 제2 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여
Figure 112021080126903-pat00186
또는
Figure 112021080126903-pat00187
의 제2 측정값을 산출하여 cosΔ값을 결정함으로써, 타원상수 ψ와 Δ를 획득하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
According to claim 4,
The inspection unit uses the reflected light intensity in the first azimuth combination condition
Figure 112021080126903-pat00184
,
Figure 112021080126903-pat00185
Determine the tan ψ value by calculating the first measured value including
With tanψ determined, using the reflected light intensity under the second azimuth combination condition
Figure 112021080126903-pat00186
or
Figure 112021080126903-pat00187
A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer, characterized in that by calculating the second measurement value of and determining the cosΔ value, elliptic constants ψ and Δ are obtained.
제5항에 있어서,
상기 검사부는 제3 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여
Figure 112021080126903-pat00188
또는
Figure 112021080126903-pat00189
의 제3 측정값을 산출하여
Figure 112021080126903-pat00190
또는
Figure 112021080126903-pat00191
를 결정함으로써, 상기 cosΔ의 "Δ" 부호를 획득하여 적용하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
According to claim 5,
The inspection unit uses the reflected light intensity in the third azimuth combination condition
Figure 112021080126903-pat00188
or
Figure 112021080126903-pat00189
By calculating the third measured value of
Figure 112021080126903-pat00190
or
Figure 112021080126903-pat00191
A high aspect ratio sample inspection device based on a quasi-normal incidence ellipsometer, characterized in that by determining, obtaining and applying the "Δ" sign of the cosΔ.
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