KR20030022292A

KR20030022292A - 고 공간 분해능 적외선 타원편광계

Info

Publication number: KR20030022292A
Application number: KR10-2003-7000770A
Authority: KR
Inventors: 스텔장-루이; 보에르피에르; 뤼트만미쉘
Original assignee: 쏘시에떼 드 프로딕시옹 에 드 리쉐르슈 아쁠리께
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-03-15
Also published as: US20040027571A1; AU2001276456A1; WO2002006780A1; KR20030026322A; JP2004504591A; US20040070760A1; AU2001270701A1; EP1301764A1; FR2811761A1; JP2004504590A; FR2811761B1; EP1301763A2; KR100846474B1; US7230701B2; US6819423B2; WO2002006779A2; WO2002006779A3

Abstract

본 발명은 적어도 적외선 레디에이션을 제공하는 소스(S), 시료 홀더(PE), 센서(D), 편광된 광 빔에 의한 경사 조명 하의 시료 홀더 상에 위치하는 시료를 조명하도록, 소스(S)와 시료 홀더(PE) 사이에 탑재되는 제1광학 시스템 및, 시료에 의해 반사되는 광을 집속하기 위해 시료 홀더(PE)와 센서(D) 사이에 탑재되는 제2광학 시스템을 구비하는 타원편광계에 관한 것이다. 타원편광계는 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 초점 평면 내 반사 경로 상에 탑재되며, 시료의 후면(FAR)으로부터 유도되는 기생 광(RP)을 차단하기에 적합하고, 시료의 전면(FAV)으로부터 유도되는 유용한 광선(RU)을 통과시켜 센서(D)로 향하는 것을 허용함으로써, 시료 전면 및 후면에 대해 분해능을 획득할 수 있는 차단 소자(F2)를 구비한다.

Description

고 공간 분해능 적외선 타원편광계{High spatial resolution infrared ellipsometer}

본 발명은 타원편광법이 사용되는 어떠한 분야든, 더욱 상세하게는 마이크로전자학, 시료의 광학적 특성화, 표면 처리의 광학적 조절, 또는 박막, 예를 들어 반도체 물질 및, 그 계면의 박막 성장 연구 분야에 일반적인 적용을 가진다. 본 발명은 또한 세정, 연마 및, 특히 표면 제작에 적용을 가진다.

타원편광 측정은 고정된 파장(단색 타원편광계) 또는 복수 파장(분광 타원편광계)에서 실행될 수 있다.

소스의 파장 영역에 따라: 자외선, 가시광선, 근적외선, 적외선 등, 층, 물질의 상이한 특성을 획득하거나 상이한 물질들을 탐구할 수 있다.

실제로, 적외선은 층 및 물질의 체적 특성을 획득하는데 있어 가시광선보다 일반적으로 더 적합하다.

일반적으로, 적외선에서 동작하는 타원편광계는

- 적어도 하나의 적외선 빔을 공급하는 광 레디에이션 소스;

- 설정진 두께의 시료를 운송하도록 의도되고, 전면 및 후면을 구비하는 시료 홀더;

- 검출기;

- 상기 소스와 상기 시료 홀더 사이에 탑재되고, 편광된 광 빔에 의한 경사 입사 하의 상기 시료 홀더 상에 위치하는 시료를 조명하도록 편광기와 포커싱 소자를 구비하는 제1광학 시스템; 및

- 상기 시료 홀더와 상기 검출기 사이에 탑재되고, 시료에 의해 반사된 광을 집속하도록 포커싱 소자와 분석기를 구비하는 제2광학 시스템;을 구비한다.

반도체의 제조에 있어 매우 엄격한 조건 때문에 고 공간 분해능과 최고의 측정 정확성을 가지는 타원편광계를 필요로 한다.

실리콘과 같은 주어진 두께의 투명 또는 반투명 시료로, 시료의 후면은 유용한 신호의 검출 및 처리를 오염시키는 빗나간(stray) 레디에이션을 반사시킴으로써 타원편광 측정을 방해할 수 있다.

상기 오염은, 실리콘 기판의 후면의 반사 계수가 항상 공지된 것은 아니므로 처리하기가 어렵다. 기판의 흡수 계수(k)도 또한 항상 공지된 것은 아니다. 계면 현상은 상기 후면에서도 일어날 수 있다. 유사하게, 적외선의 확산 및/또는 굴절(n) 현상은 상기 후면 상에서도 일어날 수 있다. 게다가 후면은 전면에 평행하지 아니할 수 있으며, 이것은 전면의 측정만이 사용자에게 적절하기 때문에 부가적이고 불필요한 계산을 초래할 수 있다.

공지된 해법이 시료의 후면에 의해 유발되는 유해한 효과의 제거를 위해 존재하며, 후면을 둔화시키기 위한 수단과 같이 특히 후면에 의해 방출되는 거울 반사를 무시하게 만드는, 기계적 수단의 사용이 있다.

시료가 비교적 큰 두께를 가질 때, 전면에 의해 방출되는 레디에이션과 후면에 의해 방출되는 레디에이션을 분리할 수 있다. 하지만, 그런 해결책은 큰 두께의 시료에 대해서만 달성될 수 있어서, 그 적용을 제한한다.

다른 공지된 해결책은 흡수 시료(즉 고 도핑된 실리콘과 같은 불투명 시료)를 취하는 것으로 이루어지지만, 이것도 또한 그 해결책의 적용을 제한한다.

본 발명은 타원편광계 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선에서 작동하는 타원편광계에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특성 및 장점은 다음 상세한 설명 및 도면의 관점에서 명백할 것이다.

- 도 1은 본 발명에 따른 적외선에서 작동하는 타원편광계의 일반적인 다이어그램; 및

- 도 2는 본 발명에 따른 차단소자의 분리 파워를 광 빔에 대한 그 위치의 함수로 나타낸 도면;이다.

본 발명의 목적은 이러한 단점을 제거하고 적외선에서 동작하며 시료의 후면 때문에 빗나간 반사가 제거되는 고 분해능 타원편광계를 제안하는 것이다.

본 발명은 타원편광계 소자 형태에 관한 것으로서,

- 적어도 하나의 적외선 빔을 공급하는 광 레디에이션의 소스;

- 설정진 두께의 시료를 운송하도록 의도되고, 전면 및 후면을 구비하는 시료홀더;

- 검출기;

- 상기 소스와 상기 시료 홀더 사이에 탑재되고, 편광된 광빔에 의한 경사 입사각 하의 시료 홀더 상에 위치하는 시료를 조명하도록 편광기 및 포커싱 소자를 구비하는 제1광학 시스템; 및

- 상기 시료 홀더와 상기 검출기 사이에 탑재되고, 상기 시료에 의해 반사되는 광을 집속하도록 포커싱 소자와 분석기를 구비하는 제2광학 시스템;을 구비한다.

본 발명의 일반적인 정의에 따르면, 타원편광계는 제2광학 시스템의 포커싱 소자의 초점 평면 내 반사 경로 상에 탑재되고 시료에 후면에 의해 방출되는 빗나간 레디에이션을 차단할 수 있고 시료의 전면에 의해 방출되는 유용한 레디에이션이 검출기를 향해 통과하는 것을 허용하는 차단 소자를 더 구비하며, 이것은 시료의 전면 및 후면에 대해 분리 파워를 획득하는 것을 가능하게 한다.

예를 들어, 차단 소자는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형의 소자이다.

본 발명의 제1바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 타원편광계 소자는 조명 경로 상에 탑재되는 확장 소자를 더 구비하며, 제1시스템의 포커싱 소자 상에 조명 빔을 확장시킬 수 있고, 제2광학 시스템의 포커싱 소자 상에 반사 빔을 확장시킬 수 있다.

예를 들어, 확장 소자는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 발산 렌즈, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형의 소자이다.

제1광학 시스템의 포커싱 소자의 개구수는 시료 상 작은 크기의 조명 빔을 획득하도록 바람직하게 선택된다. 예를 들어 시료 상 조명 빔의 크기는 레이저 형의 광 소스의 경우 40 마이크론 × 40 마이크론보다 작다.

예를 들어, 제2광학 시스템 뿐만 아니라 제1광학 시스템도 오목 거울(예를 들어, 타원, 포물, 구면, 등)에 의해 형성되는 군에 속하는 적어도 하나의 광학 소자를 구비한다.

제2광학 시스템의 포커싱 소자의 개구수는 시료의 전면 및 후면에 의해 반사되는 빔을 분리하도록 선택된다.

본 발명의 제2바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 타원편광계 소자는 입사각용 선택 소자를 더 구비하는데, 이것은 광의 전파 방향에 따른 차단 소자의 하류의 반사 경로 상에 탑재되고, 검출기에 의한 측정을 위해, 소정 범위의 입사각 내 경사 입사 하의 시료에 의해 반사되는 레디에이션만을 선택할 수 있다.

선택 소자는 바람직하게는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형의 소자이다.

실제로, 광 소스는 테라헤르쯔 진동수에서 동작하는 레이저 유형 또는, 실리콘 카바이드 소스, 필라멘트, 플라즈마, 또는 유사한 것이다.

제1광학 시스템의 편광기는 바람직하게는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않은 단일 그리드를 가지는 유형, 그리드들을 가지는 수 개의 편광기를 가지는 조립체, 또는 유사한 것이다.

유사하게, 제2광학 시스템의 분석기는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않은 단일 그리드의 유형, 그리드들을 가지는 두 개의 편광기를 가지는 조립체, 또는 유사한 것이다.

예를 들어, 검출기는 수은-카드뮴(mercury-cadmium) 및/또는 텔루리움(tellurium) 셀, 액체 질소, 또는 유사한 것에 의해 이루어지는 유형이다.

실제로, 시료 홀더는 XYZ 및/또는 회전 구동가능한 테이블의 유형, 현수된 시료 홀더, 또는 유사한 것이다.

도 1을 참조하면, 광 소스(S)는 적외선 스펙트럼 내 레디에이션을 공급한다.

예를 들어, 소스(S)는 1200˚K 에서 실리콘 카바이드 유형이다. 그 스펙트럼 범위는 1.44로부터 18 마이크론까지이다.

변형예로서, 광 소스는 테트라헤르쯔 진동수에서 작동하는 레이저, 필라멘트를 가지는 소스, 플라즈마, 또는 유사한 것에 의해 이루어지는 유형이다.

분광 타원편광계에서, 조명 시스템은 장치의 스펙트럼 범위를 주사하도록 소스 후방 및 편광기 전방에 탑재되는 마이켈슨(Michelson) 유형의 간섭계를 포함한다.

시료 홀더(PE)는 설정된 두께의 시료(ECH)를 운반하도록 의도되고 전면(FAV)과 후면(FAR)을 구비한다.

시료는 예를 들어 400 내지 700 마이크론 정도의 두께를 가지는 실리콘 기판이다. 시료 홀더는 XYZ 구동가능 및/또는 회전 구동 가능한 테이블일 수 있다.

시료 홀더는 현수된 시료 홀더로 동일할 수 있다.

소스(S)와 시료 홀더(PE)의 사이에 편광기(P)와 포커싱 소자(M1)을 구비하는 제1광학 시스템이 제공된다. 상기 제1광학 시스템은 편광된 광빔에 의한 경사 입사 하의 시료 홀더(PE) 상에 위치하는 시료(ECH)를 조명하는 것이 가능하다.

확대 소자(F1)은 유리하게 조명 경로상에 탑재된다. 그것은 광의 전파 방향에 따라 편광기의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다. 상기 확대 소자는 미러(M1) 상에 조명 빔을 확대한다.

실제로, 확대 소자(F1)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 발산 렌즈, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형이다.

실제로, 미러(M1)의 개구수는 시료 상 작은 크기의 조명 빔을 획득하도록 선택된다.

예를 들어, 시료 상 조명 빔의 크기는 레이저 소스의 구조 내에서 40 마이크론 ×40 마이크론 미만이다.

실제로, 제1광학 시스템의 포커싱 소자를 이루는 미러(M1)는 타원 미러이다.

변형예로서, 상기 요소(M1)는 포물 미러, 구면 미러, 렌즈 또는 심지어 굴절, 반굴절 광학 유니트, 또는 유사한 것일 수 있다.

편광기(P)는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않은 그리드로 이루어지는 유형이다. 변형예로서, 상기 편광기는 그리드, 또는 유사한 것을 가지는 두 편광기를 가지는 조립체를 구비할 수 있다.

제2광학 시스템은 시료 홀더(PE)와 검출기(D) 사이에 탑재된다. 상기 제2광학 시스템은 시료에 의해 반사되는 광을 집속하도록 포커싱 소자(M2) 및 분석기(A)를 구비한다.

제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 개구수는 시료의 전면(FAV)과 후면(FAR)에 의해 반사되는 빔을 분리하도록 선택된다.

제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)는 오목 미러(타원, 포물, 또는 구면), 렌즈 및 굴절 또는 반굴절 광학 유니트, 또는 유사한 것에 의해 형성되는 군에 속하는 광학 소자를 구비한다.

예를 들어, 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 효과적인 개구수는 2.5°정도이다.

광학 시스템의 분석기(A)는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않는 그리드를 가지는 편광기, 그리드를 가지는 두 편광기를 가지는 조립체, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형이다. 상기 분석기(A)는 제2미러(M2)의 반사 경로 하부 상에 배치된다.

검출기(D)는 수은-카드뮴-텔루리움 셀, 액체 질소, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형이다. 검출기는 적외선에서 작동하기에 적합하다.

미러(M2)와 검출기(D) 사이에, 검출기 상에 반사빔을 포커싱할 수 있는 또 다른 미러(M3)가 유리하게 제공된다. 미러(M3)는 미러(M2)와 동일한 유형일 수 있다.

입사각도용 선택 소자(F3)는 미러(M3)와 유리하게 결합된다. 상기 선택 소자(F3)는 검출기(D)에 의한 측정을 위해 소정 범위의 입사각 내 경사 입사 하의시료에 의해 반사되는 레디에이션 만을 선택하는 것이 가능하다.

예를 들어, 선택 소자(F3)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형이다.

본 발명에 따르면, 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 초점 평면 내 반사 경로 상에 탑재되는 차단 소자(F2)가 제공된다. 상기 차단 소자(F2)는 시료의 후면(FAR)에 의해 방출되는 빗나간 레디에이션(RP)를 차단할 수 있고 시료의 전면(FAV)에 의해 방출되는 유용한 레디에이션(RU)이 검출기(D)를 향해 통과하는 것을 허용할 수 있다.

그런 차단 소자(F2)는 시료의 전면 및 후면(FAV 및 FAR)에 대해 분리 파워를 획득하는 것을 가능하게 한다.

차단 소자(F2)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형이다.

선택 소자(F3)는, 만약 그것이 미러(M2)의 전방에 위치한다면, 선택 소자(F3)로 인한 회절이 본 발명에 따른 차단 소자의 분리 파워를 저하시킬 수 있기 때문에, 미러(M3)의 전방에 유리하게 위치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 광섬유는 소스(S)와 제1광학 시스템(P) 사이에 배치된다. 유사하게 다른 광섬유도 제2광학 시스템(M3)과 검출기(D) 사이에 배치된다.

도 2는 빔의 강도 커브(C1)과 강도 미분 커브(C2)를 빔의 법선에 대한 커터(F2)의 위치 함수로서 보인다.

커브(C1 및 C2)는 시료의 전면과 후면으로부터 빔의 효과적인 분리를 설명한다.

본 출원인은 도 1에 도시된 다이어그램에 따른 타원편광계가 사용될 때, 타원편광계는 실리콘과 같은 반도체 물질 상 적외선 내 타원편광 측정을 실행하도록 완전히 만족한 값을 가지는 시료의 전면 및 후면에 대한 분리 파워를 가진다는 것을 관찰하였다.

예를 들어, 분리 파워는, 12 마이크론 정도의 파장을 가지는 광원, 500마이크론 정도의 두께를 가지는 실리콘 기판, 2.5°의 효과적인 개구수를 가지는 미러(M1), 2.5°정도의 효과적인 개구수를 가지는 미러(M2) 및, 300 마이크론의 정도의 슬롯(F1)의 이미지를 가지면, 400 마이크론 정도이다.

실제로, 본 발명의 수행은 여기에서 스폿의 크기, 광학계의 질, 실리콘 기판의 두께 및 입사각에 의존한다. 예를 들어, 70°의 입사각에서, 차단 소자의 분리 파워는 4.21 확대 인자를 가지는 미러(M2)를 가지면, 600 마이크론 정도이다.

Claims

-적어도 하나의 적외선 빔을 공급하는 광 레디에이션 소스(S)

-설정된 두께의 투명 또는 반투명 시료(ECH)를 운반하도록 의도되고 전면 및 배면(FAV 및 FAR)을 구비하는 시료 홀더(PE),

-검출기(D),

-상기 소스(S) 및 상기 시료 홀더(PE) 사이에 탑재되고, 편광된 광 빔에 의한 경사 입사 하의 상기 시료 홀더 상에 위치된 시료를 조명하도록 편광기(P) 및 포커싱 소자(M1)를 구비하는 제1광학 시스템,

-상기 시료 홀더(PE)와 상기 검출기(D) 사이에 탑재되고, 상기 시료에 의해 반사되는 광을 집속하는 포커싱 장치(M2) 및 분석기(A)를 구비하는 제2광학 시스템을 구비하며,

상기 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 초점 평면 내 반사 경로상에 탑재되는 차단 소자(F2)를 더 구비하고, 상기 시료의 후면(FAR)에 의해 방출되는 빗나간 레디에이션을 차단할 수 있으며, 상기 시료의 전면(FAV)에 의해 방출되는 유용한 레디에이션(RU)이 검출기(D)를 향해 통과시키는 것을 허용하며, 상기 시료의 전면 및 후면에 대해 분리 파워를 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 유형의 타원편광계 소자.
제1항에 있어서,

상기 광의 전파 방향에 따라 상기 차단 소자의 하류의 반사 경로 상에 탑재되고, 검출기에 의한 측정을 위해, 소정 범위의 입사각 내 경사 입사 하의 시료에 의해 반사되는 레디에이션만을 선택할 수 있는 입사각용 선택 소자(M3, F3)을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제2항에 있어서,

상기 선택 소자(M3, F3)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 차단 소자(F2)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 조명 경로 상에 탑재되고, 상기 제1광학 시스템의 포커싱 소자(M1) 상에 조명 빔을 확대할 수 있으며, 상기 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2) 상에 반사빔을 확대할 수 있는 확대 소자(F1)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제5항에 있어서,

상기 확대 소자(F1)는 조절가능한 디멘젼을 가지는 슬롯, 조절가능한 에지를 가지는 커터, 발산 렌즈, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1광학 시스템의 포커싱 소자(M1)의 개구수는 시료 상 작은 크기의 조명 빔을 획득하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 소자.
제7항에 있어서,

상기 시료 상 조명 빔의 크기는 40 마이크론 ×40 마이크론 미만인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1광학 시스템의 포커싱 소자(M1)은 오목 미러, 구면 미러, 렌즈, 굴절 또는 반굴절 광학 유니트, 또는 유사한 것으로 형성되는 군에 속하는 적어도 하나의 광학 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 개구수는 상기 시료의 전면 및 후면에 의해 반사되는 빔을 분리하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2광학 시스템의 상기 포커싱 소자(M2)는 오목 미러, 렌즈, 굴절 또는 반굴절 광학 유니트, 또는 유사한 것으로 형성되는 군에 속하는 적어도 하나의 광학 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제8항에 있어서,

상기 제2광학 시스템의 포커싱 소자(M2)의 효과 개구수는 2.5°정도인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 광 소스(S)는 레이저, 테트라헤르쯔, 글로발, 필라멘트, 플라즈마, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제1광학 시스템의 편광기(P)는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않는 단일 그리드를 가지는 단일 편광기, 그리드들을 가지는 두 편광기를 가지는 조립체, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2광학 시스템의 분석기(A)는 회전 보상기를 가지거나 가지지 않는 단일 그리드를 가지는 단일 편광기, 그리드들을 가지는 두 편광기를 가지는 조립체, 또는 유사한 것으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 검출기(D)는 상기 MCT 유형, 또는 유사한 것인 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 시료 홀더(PE)는 XYZ 및/또는 회전 구동 가능한 테이블, 현수된 시료 홀더, 또는 유사한 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 소스(S)와 상기 제1광학 시스템 사이에 광 섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 제2광학 시스템과 상기 검출기(D) 사이에 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
제1항에 있어서,

상기 시료(ECH)는 실리콘과 같은 반도체 물질로부터 제조되는 기판으로 이루어지는 유형인 것을 특징으로 하는 소자.