KR20060011938A

KR20060011938A - 핀홀 어레이 빔-스플리터가 삽입된 간섭계 공초점 현미경

Info

Publication number: KR20060011938A
Application number: KR1020057013865A
Authority: KR
Inventors: 헨리 알렌 힐
Original assignee: 제테틱 인스티튜트
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2006-02-06
Also published as: KR20050114611A; WO2004068186A2; US20080180682A1; US20040257577A1; EP1588119A4; US7495769B2; JP2006516763A; EP1588119A2; JP2006518854A; WO2004068187A3; WO2004068186A3; WO2004068187A2; EP1588120A4; EP1588120A2

Abstract

물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템은 소스 빔을 수신하고, 핀홀 어레이 내의 각 핀홀에 대해, 상기 소스 빔을 핀홀 어레이의 한 측면 상의 대응하는 참조 빔과 핀홀 어레이의 다른 측면 상의 대응하는 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀 어레이; 핀홀 어레이의 각 핀홀에 대한 대응하는 측정 빔이 스팟 어레이의 상이한 대응 스팟으로 향하고, 그 스팟에 대해 대응 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 어레이 상으로 핀홀 어레이를 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템 - 상기 제1 이미징 시스템은 또한 스팟 어레이의 각 스팟으로부터의 대응 귀환 측정 빔이 핀홀 어레이 내의 대응하는 상이한 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 어레이 상으로 스팟 어레이를 이미징하도록 배열되고, 각 핀홀에 대해, 핀홀 어레이는 대응하는 결합된 빔을 생성하기 위해 그 핀홀에 대한 귀환 측정 빔과 참조 빔을 결합함-; 및 각 핀홀에 대한 대응하는 결합된 빔이 검출기 소자 어레이의 상이한 대응 검출기 소자로 향하도록 핀홀 어레이와 얼라인된 검출기 소자 어레이를 포함하는 검출기 조립체를 포함한다.

핀홀 어레이, 빔 스플리터, 참조 빔, 측정 빔, 이미징 시스템, 검출기, 반사면, 굴절면

Description

핀홀 어레이 빔-스플리터가 삽입된 간섭계 공초점 현미경{INTERFEROMETRIC CONFOCAL MICROSCOPY INCORPORATING A PINHOLE ARRAY BEAM-SPLITTER}

본 발명은 간섭계 공초점 현미경에 관한 것이다.

본 출원은 2003년 1월 27일자로 출원된 미합중국 가출원 제60/442,858호(ZI-47); 및 2003년 1월 28일자로 출원된 미합중국 가출원 제60/442,892호(ZI-45)의 우선권을 주장하는 것으로, 이 2개의 가출원은 본 발명에서 참조로 사용된다.

본 출원은 또한 "Apparatus And Method For Joint Measurements Of Conjugated Quadratures Of Fields Of Reflected/Scattered And Transmitted Beams By An Object In Interferometry"란 발명의 명칭으로 2004년 1월 27일자로 출원된 미합중국 특허 출원(ZI-47)을 참조로 사용한다.

간섭계 현미경 분야에서는, 입력 빔으로부터 참조 및 측정 빔을 생성한 다음에, 이어서 측정 빔과 참조 빔을 결합하여, 출력 빔을 생성하기 위해, 예를 들어 박막 기술에 기초하여 빔 스플리터를 사용하는 것이 공지되어 있다. 출력 빔은 전기 간섭 신호의 어레이를 생성하기 위해 검출된다.

일반적으로, 한 실시양상에 있어서, 본 발명은 간섭계 공초점 현미경 시스템에서 참조 빔과 측정 빔을 생성하여 결합하기 위해 빔 스플리터로서의 핀홀 어레이의 사용을 필요로 한다. 핀홀 어레이 빔 스플리터는 또한 종래의 공액 공초점 핀홀 어레이로서도 기능한다.

입력 빔은 핀홀 어레이 상에 입사되는데, 입력 빔의 제1 부분은 출력 빔의 성분을 구성하는 참조 빔의 어레이로서 투과되고, 제2 부분은 측정 빔의 어레이로서 산란된다. 입력 빔의 제3 부분은 반사되어, 입력 빔의 파면성(wavefront properties)을 대체로 유지한다. 핀홀 어레이는 입력 빔 파장의 차수의 고유 크기(characteristic dimensions)를 갖는 애퍼추어를 포함하고, 그 결과, 제2 부분은 산란각에 대해 큰 평균 제곱근 값을 갖는다. 입력 빔 및 입력 빔의 제3 부분은 대응하는 빔 발산에 대해 비교적 작은 평균 제곱근 값을 갖는다. 제2 부분과 제3 부분의 발산의 차이는 빔 검출 다운스트림 어레이로부터 제3 부분을 제거하기 위해 사용된다.

이때, 핀홀 어레이는 참조 빔 어레이 및 대응하는 측정 빔 어레이를 입력 빔으로부터 생성하기 위한 빔 스플리터로서 작용했다. 핀홀 어레이는 또한 공초점 현미경 이미징 시스템의 제1의 종래의 핀홀 어레이의 기능을 했다. 측정 빔의 어레이는 다음에, 핀홀 어레이 빔 스플리터의 핀홀에 결합하는 기판 내의 또는 기판 상의 인-포커스 스팟(in-focus spots)의 어레이로서 기판 상에 입사되고, 그 일부는 대응하는 귀환 측정 빔 어레이를 생성하기 위해 반사 및/또는 산란된다. 귀환 측정 빔 어레이는 다음에, 기판 내의 또는 기판 상의 인-포커스 스팟에 결합하는 인-포커스 스팟 어레이로서 핀홀 어레이 빔 스플리터로 향하게 되고, 그 일부는 출력 빔의 귀환 측정 빔 성분으로서 투과된다. 그러므로, 출력 빔은 참조 빔 어레이, 및 대략 동일한 발산 특성을 갖는 중첩된 귀환 측정 빔 어레이를 포함한다. 출력 빔의 중첩 빔 어레이는 전기 간섭 신호의 어레이를 생성하기 위해 검출기 어레이 또는 검출기 소자에 의해 검출된다.

측정 빔에 의한 핀홀 어레이로의 귀환 통과시, 또는 핀홀 어레이로의 귀환 측정 빔의 통과시에, 핀홀 어레이는 다시 빔 스플리터로서 작용하고, 또한 공초점 현미경 이미징 시스템의 제2의 종래의 핀홀 어레이의 기능을 한다. 귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처(conjugated quadratures)는 호모다인(homodyne) 검출 방법을 사용하여 결정된다. 호모다인 검출 방법은 싱글(single)-, 더블(double)-, 바이(bi)-, 또는 쿼드(quad)-호모다인 검출 방법을 포함할 수 있다. 귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치는 "단일" 또는 "다중" 파장 조작에 대해 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법을 사용할 때 얻어지는데, 단일 또는 다중 파장은 입력 빔의 대응하는 주파수 성분들의 주파수 차이들의 크기를 칭하는 것이다. 결합 측정치는 시공간적으로 동일하게 걸쳐 퍼지는 측정 빔에 대응하고, 시공간적으로 동일하게 걸쳐 퍼지는 대응하는 참조 빔에 대응하며, 그 각각의 전기 간섭 신호 값은 측정된 필드의 공액 쿼드러처의 2개의 성분들 각각으로부터의 기여도를 포함한다. 귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치는 또한 귀환 측정 빔에 대해 얻어질 수 있는데, 이때 추가 빔의 입사 시간과 측정 빔의 입사 시간 사이에 선정된 시간 차를 갖고 기판 상에 입사되는 추가 빔이 있다.

일반적으로, 한 실시양상에서, 본 발명은 물체의 간섭계 측정을 하는 공초점 간섭계 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은 소스 빔을 수신하고, 핀홀 어레이 내의 각 핀홀에 대해, 소스 빔을 핀홀 어레이의 한 측면 상의 대응하는 참조 빔과 핀홀 어레이의 다른 측면 상의 대응하는 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀 어레이; 핀홀 어레이의 각 핀홀에 대한 대응하는 측정 빔이 스팟(spot) 어레이의 상이한 대응 스팟으로 향하고, 그 스팟에 대해 대응하는 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 어레이 상으로 핀홀 어레이를 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템 - 상기 제1 이미징 시스템은 또한 스팟 어레이의 각 스팟으로부터의 대응하는 귀환 측정 빔이 핀홀 어레이 내의 대응하는 상이한 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 어레이 상으로 스팟 어레이를 이미징하도록 배열되고, 각 핀홀에 대해, 핀홀 어레이는 대응하는 결합된 빔을 생성하기 위해 상기 핀홀에 대한 귀환 측정 빔과 참조 빔을 결합함-; 및 각 핀홀에 대한 대응하는 결합된 빔이 검출기 소자 어레이의 상이한 대응 검출기 소자로 향하도록 핀홀 어레이와 얼라인된 검출기 소자 어레이를 포함하는 검출기 조립체를 포함한다.

다른 실시예는 다음 특징 중의 하나 이상을 포함한다. 공초점 간섭계 시스템은 또한 핀홀 어레이를 검출기 소자 어레이 상으로 이미징하는 제2 이미징 시스템을 포함한다. 제1 이미징 시스템은 각 핀홀에 대해, 대응하는 측정 빔을 수신하고, 그 대응하는 측정 빔을 투과부와 반사부로 분리하도록 위치설정된 빔 스플리터; 및 빔 스플리터를 통해 물체 상의 또는 물체 내의 대응하는 스팟 상으로 핀홀 어레이의 각 핀홀을 이미징함으로써, 측정 빔을 그 핀홀로부터 상기 대응하는 스팟 상으로 향하게 하도록 위치설정된 반사면을 포함한다. 반사면은 실질적으로 물체 상의 한 점과 동일한 중심을 갖는다. 제1 이미징 시스템은 또한 물체로부터 광선을 수신하기 위해 물체와 빔 스플리터 사이에 위치설정된 굴절면을 포함한다. 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 제1 반경은 제2 반경보다 크다. 또한, 반사면 및 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는다.

다른 실시예에서, 제1 이미징 시스템은 제1의 언급된 반사면과는 다른 빔 스플리터의 다른 측면 상에 있는 제2 반사면을 더 포함하는데, 제2 반사면은 빔 스플리터를 통해 물체 상의 또는 물체 내의 그 대응하는 스팟 상으로 핀홀 어레이의 각 핀홀을 이미징하도록 위치설정된다. 이들 경우에, 제1의 언급된 반사면은 실질적으로 물체 상의 한 점과 동일한 중심을 갖고, 제2 반사면은 실질적으로 핀홀 어레이 상의 이미지 점과 동일한 중심을 갖는다. 또한, 제1 이미징 시스템은 물체로부터 광선을 수신하기 위해 물체와 빔 스플리터 사이에 위치설정된 제1 굴절면, 및 반사면에 의해 초점이 맞춰진 광선을 수신하기 위해 빔 스플리터와 핀홀 어레이 사이에 위치설정된 제2 굴절면을 포함한다. 제1의 언급된 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 제1 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 제1 반경은 상기 제2 반경보다 크고, 제1의 언급된 반사면 및 제1 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는다. 이와 마찬가지로, 제2 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 제2 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 제1 반경은 제2 반경보다 크고, 제2 반사면 및 제2 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는다. 또한, 제1의 언급된 반사면 및 제2 반사면은 빔 스플리터에 관한 점들을 결합시키는 각각의 곡률 중심들을 갖는다.

여러 실시예에서, 핀홀 어레이는 동일한 간격으로 배치된 홀들로 이루어진 2차원 어레이이다.

일반적으로, 다른 실시양상에서, 본 발명은 물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은 소스 빔을 수신하고, 핀홀 어레이 내의 소정의 선택된 핀홀에 대해, 소스 빔을 핀홀 어레이의 한 측면 상의 대응하는 참조 빔과 핀홀 어레이의 다른 측면 상의 대응하는 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀 어레이; 소정의 선택된 핀홀에 대한 대응하는 측정 빔이 스팟 어레이의 대응하는 스팟으로 향하고, 그 스팟에 대해 대응하는 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 어레이 상으로 핀홀 어레이를 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템 - 상기 제1 이미징 시스템은 또한 주어진 스팟으로부터의 대응하는 귀환 측정 빔이 소정의 선택된 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 어레이 상으로 스팟 어레이를 이미징하도록 배열되고, 핀홀 어레이는 대응하는 결합된 빔을 생성하기 위해 대응하는 참조 빔과 귀환 측정 빔을 결합함-; 및 각 핀홀에 대한 대응하는 결합된 빔이 검출기 소자 어레이의 상이한 대응 검출기 소자로 향하도록 핀홀 어레이와 얼라인된 검출기 소자 어레이를 포함하는 검출기 조립체를 포함한다.

일반적으로, 또 다른 실시양상에서, 본 발명은 물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템을 특징으로 하는데, 이 시스템은 소스 빔을 수신하고, 소스 빔을 핀홀의 한 측면 상의 참조 빔과 핀홀의 다른 측면 상의 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀을 정하는 마스크; 측정 빔이 스팟으로 향하고, 그 스팟에 대해 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 상으로 핀홀을 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템 - 상기 제1 이미징 시스템은 또한 그 스팟으로부터의 귀환 측정 빔이 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 상으로 스팟을 이미징하도록 배열되고, 핀홀은 결합된 빔을 생성하기 위해 귀환 빔과 참조 빔을 결합함-; 및 결합된 빔을 수신하는 검출기 소자를 포함하는 검출기 시스템을 포함한다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 장점은 단일의 핀홀 어레이가 빔 스플리터로서, 및 공초점 현미경 시스템의 종래의 공액 공초점 핀홀 어레이 세트로서 여러 기능을 맡는다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 빔 스플리터의 기능과 공초점 현미경 시스템의 종래의 공액 공초점 핀홀 어레이의 기능의 2가지 기능을 하는 단일의 핀홀 어레이만 있음으로 인해, 공초점 현미경 시스템 내의 공액 공초점 핀홀의 종래의 중대한 얼라인먼트(alignment) 요구사항이 발생하지 않는다는 것, 즉 측정 빔 어레이를 생성하는 핀홀 어레이의 이미지로서 생성된 기판 내의 또는 기판 상의 이미지 어레이의 이미지와 검출기에서의 핀홀과의 레지스트레이션(registration)이 자동적이라는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 핀홀 어레이 빔 스플리터가 투과되고 산란된 빔들의 소정의 특성과 관련하여 명목상으로 색수차가 없을 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 이미지화되고 있는 기판에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처를 얻기 위해 싱글- 또는 더블-호모다인 검출 방법이 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 이미지화되고 있는 기판에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치를 얻기 위해 바이-호모다인 검출 방법이 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 이미지화되고 있는 기판에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치를 얻기 위해 쿼드-호모다인 검출 방법이 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 참조 및 측정 빔들의 어레이들 사이의 상대 위상 편이가 입력 빔 성분의 주파수를 변경함으로써 도입될 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 100 nm 정도의 가로 해상도 및 200 nm 정도의 세로 해상도를 갖는 기판의 이미징이 1 또는 그 이상의 mm 정도의 작동 거리로 얻어질 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 100 nm 정도의 가로 해상도 및 200 nm 정도의 세로 해상도를 갖는 기판 내부의 이미징이 1 또는 그 이상의 mm 정도의 작동 거리를 갖고, 최소한 3 미크론 정도의 기판 내의 깊이에 대해 얻어질 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 스캐닝 시스템의 부분으로서 동작하기 위해 간섭계 시스템의 다른 컴포넌트에 대해 이동될 수 있다는 것인데, 핀홀 어레이 빔 스플리터의 이동은 컴포넌트의 소정의 추가 얼라인먼트가 요구되지 않고 동시에 조작가능한 상태로 있는 공초점 핀홀로서의 대응하는 기능 및 빔 스플리터 핀홀로서의 기능을 갖는 핀홀에 결합하는 기판 상의 또는 기판 내의 이미지 스팟 어레이의 이동 또는 스캐닝을 야기한다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 기판에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치가 입력 빔의 2개의 펄스 또는 펄스 시퀀스로 얻어질 수 있다는 것이다.

본 발명의 최소한 한 실시예의 다른 장점은 입력 빔 성분의 위상이 필드의 측정된 공액 쿼드러처에 영향을 미치지 않는다는 것이다.

도 1a는 공초점 현미경 시스템의 개략도.

도 1b는 반사굴절(catadioptric) 이미징 시스템의 개략도.

도 1c는 공초점 현미경 시스템에서 사용된 핀홀 어레이의 개략도.

도 1d는 2개의 주파수 생성기 및 주파수-시프터에서 동작하도록 구성된 빔 조정기의 개략도.

도 2는 쿼드-호모다인 검출 방법의 변형을 사용하는 제3 실시예의 개략도.

도 3a는 저전력 현미경 및 색 선별(dichroic) 빔 스플리터를 이용하는 제4 실시예의 개략도.

도 3b는 저전력 현미경 및 분산 소자를 이용하는 제4 실시예의 변형을 도시한 개략도.

더욱 상세하게 후술되는 바와 같이, 단일 핀홀 어레이는 간섭계 공초점 현미경 시스템에서 참조 빔과 측정 빔을 생성하여 결합하기 위해 종래의 공초점 핀홀 어레이의 기능 및 빔 스플리터의 기능을 하도록 사용된다. 싱글-호모다인 및 더블-호모다인 검출 방법은 이미지화되고 있는 기판의 일부에 의해 반사된/산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처의 측정치를 얻기 위해 사용되고, 바이-호모다인 및 쿼드-호모다인검출 방법은 이미지화되고 있는 기판의 일부에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치를 얻기 위해 사용된다. 싱글-, 더블-, 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법은 단일 주파수 성분, 2개의 주파수 성분 및 4개의 주파수 성분을 포함하는 간섭계 공초점 현미경 시스템으로의 입력 빔을 사용하여 구현된다. 더블-, 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법의 주파수 성분들의 소정의 주파수 차이는 각 빔의 주파수의 일부, 또는 각 빔의 주파수의 차수의 일부만큼 클 수 있다. 시간 지연은 싱글-, 더블-, 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법에서 사용된 주파수 성분과 추가 주파수 성분에 대응하는 펄스들의 시간적 프로파일들 사이에 도입될 수 있고, 공액 쿼드러처는 싱글- 및 더블-호모다인 검출 방법의 경우에 얻어지며, 공동으로 측정된 공액 쿼드러처는 이미지화되고 있는 기판에 의해 반사 및/또는 산란된 빔 필드의 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법의 경우에 얻어진다.

사용된 간섭계 시스템은 도 1a에 개략적으로 도시되고, 본 발명의 실시예들에서 그것의 변형이 사용된다. 간섭계 시스템은 참조번호 10으로 표시된 제1 이미징 시스템, 핀홀 어레이 빔 스플리터(12), 검출기(70), 및 참조번호 110으로 표시 된 제2 이미징 시스템을 포함한다. 제2 이미징 시스템(110)은 큰 작동 거리를 갖는 저전력 현미경 대물렌즈, 예를 들어 Nikon ELWD 및 SLWD 대물렌즈 및 Olympus LWD, ULWD 및 ELWD 대물렌즈이다.

제1 이미징 시스템(10)은 도 1b에 개략적으로 도시된다. 이미징 시스템(10)은 "Catoptric and Catadioptric Imaging System"이란 명칭의 공동 소유된 미합중국 특허 번호 6,552,852 B1(ZI-38) 및 또한 "Catoptric and Catadioptric Imaging System"이란 명칭으로 2003년 2월 3일자로 출원된 미합중국 가특허출원 번호 10/366,651(ZI-43)(둘다 Henry A. Hill에 의한 것임)에 설명된 것과 같은 반사굴절 광학계(cataoptric system)이다.

반사굴절 이미징 시스템(10)은 반사굴절 소자(40 및 44), 빔 스플리터(48) 및 볼록 렌즈(50)를 포함한다. 표면(42A 및 46A)은 명목상 동일한 곡률 반경을 갖는 볼록 구면이고, 표면(42A 및 46A)의 각각의 곡률 중심은 빔 스플리터(48)에 관한 공액 점이다. 표면(42B 및 46B)은 명목상 동일한 곡률 반경을 갖는 오목 구면이다. 표면(42B 및 46B)의 곡률 중심은 각각 표면(46A 및 42A)의 곡률 중심과 동일하다. 볼록 렌즈(50)의 중심은 표면(42B 및 46A)의 곡률 중심과 동일하다. 표면(46B)의 곡률 반경은 이미징 시스템(10)의 효율 손실을 최소화하고, 이미징 시스템(10)이 최종 사용 애플리케이션을 위해 받아들일 수 있는 작동 거리를 생성하도록 선택된다. 볼록 렌즈(50)의 곡률 반경은 반사굴절 이미징 시스템(10)의 축외 수차(off-axis aberrations)가 보상되도록 선택된다. 소자(40 및 44)의 매질은 예를 들어 용융된 실리카, 또는 SF11과 같은 시판중인 유리일 수 있다. 볼록 렌즈 (50)의 매질은 예를 들어 용융된 실리카, YAG, 또는 SF11과 같은 시판중인 유리일 수 있다. 소자(40 및 44) 및 볼록 렌즈(50)의 매질 선택 시의 중요한 고려사항은 빔(24)의 주파수에 대한 투과성일 것이다.

볼록 렌즈(52)는 볼록 렌즈(50)의 곡률 중심과 동일한 곡률 중심을 갖는다. 볼록 렌즈(50 및 52)는 그들 사이의 핀홀 빔 스플리터(12)와 함께 접합된다. 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)는 도 1c에 도시된다. 핀홀 어레이 빔 스플리터 내의 핀홀의 패턴은 최종 사용 애플리케이션의 요구사항에 부합하도록 선택된다. 패턴의 예는 2개의 직교 방향으로 동일한 간격으로 배치된 핀홀의 2차원 어레이이다. 핀홀은 원형 애퍼추어, 직사각형 애퍼추어, 또는 그들의 조합을 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 Henry A.Hill 및 Kyle Ferrio에 의한 "Multiple-Source Arrays for Confocal and Near-field Microscopy"란 명칭의 2001년 7월 27일자 출원된 공동 소유의 미합중국 특허 출원 번호 09/917,402(ZI-15)에 설명되어 있으며, 그 내용은 전체적으로 여기에서 참조로 사용된다. 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)에 대한 핀홀 어레이의 비제한적인 예는 도 1c에 도시되는데, 핀홀들 사이의 간격이 b이고, 애퍼추어 크기가 a이다.

입력 빔(24)은 미러(54)에 의해 핀홀 빔 스플리터(12)로 반사되는데, 그것의 제1 부분은 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 참조 빔 성분으로서 투과되고, 제2 부분은 빔 성분(26A 및 26B)의 측정 빔 성분으로서 산란된다. 빔 성분(26A 및 26B)의 측정 빔 성분은 기판(60)의 상부, 기판의 바로 위, 또는 기판 내의 이미지 평면 내의 이미지 스팟 어레이에 빔 성분(28A 및 28B)의 측정 빔 성분으로서 이미지화된다. 기판(60) 상에 입사된 측정 빔 성분(28A 및 28B)의 일부는 빔 성분(28A 및 28B)의 귀환 측정 빔 성분으로서 반사 및/또는 산란된다. 빔 성분(28A 및 28B)의 귀환 측정 빔 성분은 핀홀 빔 스플리터(12)의 핀홀과 일치하는 스팟에 반사굴절 이미징 시스템(10)에 의해 이미지화되고, 그 일부는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 귀환 측정 빔 성분으로서 투과된다.

반사굴절 이미징 시스템(10)의 이미징 특성은 도 1b에 도시된 빔 성분(28A 및 28B)의 귀환 측정 빔 성분에 대해 설명된다. 빔 성분(26A 및 26B)의 측정 빔 성분에 대한 반사굴절 이미징 시스템(10)의 이미징 특성의 설명은 빔 성분(28A 및 28B)의 귀환 측정 빔 성분에 대해 주어진 설명의 대응하는 부분과 동일할 것이다. 빔 성분(28A 및 28B)의 귀환 측정 빔 성분은 각각 빔 성분(28C 및 28D)의 귀환 측정 빔 성분으로서 굴절면(46B)에 의해 투과된다. 빔 성분(28C)의 귀환 측정 빔 성분은 빔 스플리터(48) 상에 입사되고, 그것의 제1 및 제2 부분은 각각 빔 성분(26E 및 28E)의 각각의 귀환 측정 빔 성분으로서 각각 투과되고 반사된다. 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 각 부분은 그 후, 각각 빔 스플리터(48)로 향한 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 성분 부분으로서 각각 반사면(42A 및 46A)에 의해 반사된다. 빔 스플리터(48)로 향한 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 및 제2 부분은 각각 빔 성분(26C 및 28C)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 부분으로서 각각 반사되고 투과된다. 빔 스플리터(48)로 향한 빔 성분(28E)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 및 제2 성분 부분은 각각 빔 성분(26C 및 28C)의 귀환 측정 빔 성분의 제2 부분으로서 각각 투과되고 반사된다. 빔 성분(28D)의 귀환 측정 빔 성분의 대응하는 전달에 관한 설명은 빔 성분(28C)의 귀환 측정 빔 성분의 전달에 대해 주어진 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

빔 스플리터(48)쪽으로 전달되는 빔 성분(28C)의 귀환 측정 빔 성분의 대응하는 부분의 진폭에 대한, 빔 스플리터(48)에 의해 투과된 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 부분을 포함하는 빔 성분(26C)의 귀환 측정 빔 성분의 진폭 A는 다음 수학식에 의해 제공된다.

[수학식 1]

여기에서,

는 빔 스플리터(48)에 의해 투과된 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 부분의 빔 스플리터(48)에서의 입사각이고,

및

는 각각 복소 투과 및 반사 진폭 계수이며,

는 빔 스플리터(48)에 의해 투과된 빔 성분(26E 및 28E)의 귀환 측정 빔 성분의 제1 부분들 간의 상대 위상 편이이다. 진폭 A의 최대값은 반사면(42A 및 46A)의 상대 방사 위치가 다음 조건을 달성하기 위한 값으로 설정될 때 얻어진다.

[수학식 2]

반사굴절 이미징 시스템(10)은 계면의 이미징 특성과 기능적으로 동등한데, 계면의 양 측면 상에서의 굴절률은 빔 성분(26C 및 26D)의 귀환 측정 빔 성분 부분들 사이에 건설적 간섭이 있을 때에 각각 1과 -1이다. 측정 빔 성분들 사이에 건설적 간섭이 있을 때에, 동함수(pupil function)와 관련하여 그외의 무손실 등가 이미징 시스템에 의해 달성될 수 있는 진폭에 대한 간섭계 공액 이미지의 복소 진폭은 다음 수학식과 같다.

[수학식 3]

빔 성분(26C 및 26D)의 귀환 측정 빔 성분은 각각 빔 성분(26A 및 26B)의 귀환 측정 빔 성분으로서 굴절면(42B)에 의해 투과된다. 기판(60) 내의 스팟의 간섭계 공액 이미지를 형성하는 빔 성분(26A 및 26B)의 수렴하는 귀환 측정 빔 성분의 각 광선에 대한 반사와 투과의 결합은 이상적인 빔 스플리터 특성으로부터의 빔 스플리터(48) 특성의 편차를 상당히 보상한다. 보상은 수학식 3에 의해 증명된다. 함수

는

에서 최대값을 갖고,

로부터

의 변경에 의한 이차적인 종속만을 갖는다.

반사굴절 이미징 시스템(10)의 평균 강도 투과는 이미징 시스템(10)을 통해 2개의 다른 경로에 의해 형성된 빔들의 건설적인 간섭의 사용 결과로서 달리 얻어질 수 있는 것보다 수학식 3에 의해 증명된 바와 같이 2의 인자만큼 증가된다. 건설적 간섭은 반사굴절 이미징 시스템(10)의 제조시에 달성된다.

다음 단계는 전기 간섭 신호 어레이(72)를 생성하기 위해 CCD와 같은 멀티-픽셀 검출기의 픽셀과 일치하는 스팟 어레이로의, 이미징 시스템(10)에 의한 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 이미징이다. 전기 간섭 신호의 어레이는 후속적인 처리를 위해 신호 처리기 및 제어기(80)로 전송된다.

귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처는 여러가지 상이한 실시예에서 싱글-, 더블-, 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법에 의해 얻어진다. 각각의 호모다인 검출 방법에 대해, 전기 간섭 신호 어레이(72)의 4개의 측정치 세트가 형성된다. 전기 간섭 신호 어레이(72)의 4개의 측정치 각각에 대해, 공지된 위상 편이는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 각각의 귀환 측정 빔 성분과 참조 빔 성분 사이에 도입된다. 공지된 위상 편이 세트의 비제한적인 예는 0, π/4, π/2 및 3π/2 라디안, mod 2π를 포함한다.

입력 빔(24)은 싱글-호모다인 검출 방법을 위한 하나의 주파수 성분을 포함한다. 바이-호모다인 검출 방법의 경우에, 입력 빔(24)은 2개의 주파수 성분을 포함하고, 더블- 및 쿼드-호모다인 검출 방법의 경우에, 입력 빔(24)은 4개의 주파수 성분을 포함한다. 위상 편이는 공지된 주파수 값들 사이에서 입력 빔(24)의 주파수 성분의 주파수들을 편이시킴으로써 몇몇 실시예에서 발생된다. 간섭계(10) 내의 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 각각의 귀환 빔 성분과 참조 빔 성분의 광로 길이들 사이에 차이가 있다. 그 결과, 입력 빔(24)의 주파수 성분의 주파수 변경은 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 각각의 귀환 빔 성분과 대응하는 참조 빔 성분 사이에 상대 위상 편이를 발생시킬 것이다.

출력 빔 성분(30A 및 30B)의 각각의 귀환 측정 빔 성분과 참조 빔 성분의 광로 간의 광로 차 L의 경우에, 입력 빔(24)의 주파수 편이

에 대해, 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 참조 빔 성분과 귀환 측정 빔 사이에 대응하는 위상 편이

가 있을 수 있는데,

는 다음과 같고,

[수학식 4]

c는 자유 공간 광속이다. L은 물리적인 경로 길이 차가 아니고, 예를 들어 측정 빔 및 귀환 측정 빔 경로들의 굴절률의 가중 평균에 따라 좌우된다. 위상 편이

및 L=0.25m 값의 예에서, 대응하는 주파수 편이는

=600 MHz, 1.8 GHz, 3.0 GHz,...이다.

입력 빔(24) 성분의 주파수는 전자 처리기 및 제어기(80)에 의해 생성된 제어 신호(92 및 74)에 따라 소스(18) 및 빔 조정기(22)의 동작 모드에 의해 결정된다.

2가지 서로다른 동작 모드는 전기 간섭 신호 값의 4개의 어레이 획득에 대해 설명된다. 설명될 제1 모드는 단계적 응시 모드로서, 이 모드에서 기판(60)은 이미징 정보가 요구되는 고정 위치들 사이에서 단계적으로 된다. 제2 모드는 스캐닝 모드이다. 기판(60)의 1차원, 2차원 또는 3차원 이미지를 생성하는 단계적 응시 모드에서, 기판(60)은 스테이지(90)에 의해 이동되는데, 기판(60)은 웨이퍼 척(chuck)(84) 위에 장착되고, 웨이퍼 척(84)은 스테이지(90) 위에 장착된다. 스테이지(90)의 위치는 전자 처리기 및 제어기(80)로부터의 서보 제어 신호(78)에 따라 변환기(82)에 의해 제어된다. 스테이지(90)의 위치는 계측 시스템(88)에 의해 측정되고, 계측 시스템(88)에 의해 획득된 위치 정보는 전자 처리기 및 제어기(80)로 보내져서, 위치 제어 스테이지(90)에서 사용하기 위한 에러 신호를 생성한다. 계측 시스템(88)은 예를 들어 선형 변위 및 각도 변위 간섭계 및 캡 게이지(cap gauges)를 포함할 수 있다.

전자 처리기 및 제어기(80)는 스테이지(90)를 원하는 위치로 이동시킨 다음에, 4개의 위상 편이 세트 0, π/4, π/2, 및 3π/2 mod 2π에 대응하는 전기 간섭 신호 값의 4개의 어레이의 세트가 획득된다. 전기 간섭 신호 값의 4개 어레이의 세트를 획득한 후, 전자 처리기 및 제어기(80)는 그 다음에 스테이지(90)의 다음으로 원하는 위치에 대해 절차를 반복한다. 기판(60)의 고도 및 각도 방향은 변환기(86A 및 86B)에 의해 제어된다.

전기 간섭 신호 값의 4개 어레이의 세트 획득에 대한 2가지 모드 중의 두번째 모드가 다음에 설명되는데, 전기 간섭 신호 값의 4개 어레이의 세트는 하나 이상의 방향으로 계속 스캐닝되는 스테이지(90)의 위치를 갖고 얻어진다. 스캐닝 모드에서, 소스(18)는 신호 처리기 및 제어기(80)로부터의 신호(92)에 의해 제어된 시기에 펄스화된다. 소스(18)는 이미지 정보가 요구되는 기판 상의 및/또는 기판 내의 위치와 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)의 핀홀의 공액 이미지와의 레지스트레이션에 대응하는 시기에 펄스화된다.

펄스화 소스를 생성하는 다수의 상이한 방식이 있다[Chapter 11 entitled "Lasers", Handbook of Optics, 1, 1995(McGraw-Hill, New York) by W.Silfvast 참조]. 스캐닝 모드에서 사용된 연속적인 스캐닝 결과로서 소스(18)에 의해 생성된 빔 펄스

의 지속시간 또는 "펄스 폭"에 제한이 있을 것이다. 펄스 폭

은 스캔 방향의 공간적 해상도의 제한 값을 다음 수학식 5의 하한으로 부분적으로 제어하는 파라미터일 것이다.

[수학식 5]

여기에서, v는 스캔 속도이다. 예를 들어,

=50 nsec이고, 스캔 속도가 v=0.20 m/sec이면, 스캔 방향의 공간 해상도

의 제한 값은 다음과 같다.

[수학식 6]

입력 빔(24) 성분의 주파수는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 참조 및 귀환 측정 빔 성분들 사이의 4개의 위상 편이의 세트의 원하는 위상 편이를 생기게 할 4개 주파수의 세트로부터의 주파수들에 대응하기 위해 신호 처리기 및 제어기(80)로부 터의 신호(92 및 74)에 의해 제어된다. 전기 간섭 신호 값의 획득을 위한 제1 모드에서, 4개의 위상 편이 값의 세트에 대응하는 4개의 전기 간섭 신호 값의 어레이 세트로부터의 전기 간섭 신호 값의 4개 어레이의 각 세트는 싱글- 및 바이-호모다인 검출 방법을 위한 검출기(70)의 단일 픽셀에 의해, 쿼드-호모다인 검출 방법을 위한 검출기(70)의 2개의 픽셀에 의해, 그리고 더블-호모다인 검출 방법을 위한 검출기(70)의 4개의 픽셀에 의해 생성된다. 전기 간섭 신호 값의 획득을 위한 제2 모드에서, 4개의 전기 간섭 신호 값의 어레이 세트로부터의 4개의 전기 간섭 신호 값의 각각의 대응하는 세트는 4개의 호모다인 검출 방법 각각을 위한 검출기(70)의 4개의 상이한 픽셀의 공액 세트에 의해 생성된다. 그러므로, 제2 획득 모드에서, 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)의 픽셀 효율의 차이 및 핀홀 크기의 차이는 귀환 측정 빔 성분 필드의 공액 쿼드러처를 얻기 위해 신호 처리기 및 제어기(80)에 의한 신호 처리시에 보상될 필요가 있다.

제2 또는 스캐닝 모드의 장점은 전기 간섭 신호 값이 간섭계 공초점 현미경 시스템의 처리량을 증가시키는 스캐닝 모드에서 획득된다는 것이다.

소스(18) 및 빔 조정기(22)의 설명은 "Apparatus and Method for Joint Measurements of Conjugated Quadratures of Fields of Reflected/Scattered Beams by an Object in Interferometry"란 발명의 명칭으로 2003년 1월 27일자로 출원된 공동 소유의 미합중국 가출원 번호 60/442,858호(ZI-47); 및 "Apparatus and Method for Joint Measurements of Conjugated Quadratures of Fields of Reflected/Scattered and Transmitted Beams by an Object in Interferometry"란 발명의 명칭으로 2004년 1월 27일자로 출원된 미합중국 특허 출원(ZI-47)(둘다 Henry A. Hill에 의한 것임)에서 설명된 소스 및 빔 조정기에 대해 제공된 설명의 대응하는 부분과 동일하다. 인용된 미합중국 가특허출원 및 미합중국 특허출원의 내용은 둘다 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다.

도 1c를 참조하면, 빔 조정기(22)는 2개의 주파수 생성기 및 주파수-시프트로서 먼저 설명된다. 빔 조정기(22)는 주파수 편이된 단일의 주파수 성분 또는 2개의 주파수 편이된 성분을 갖는 빔(24)을 생성하도록 동작될 수 있다.

빔 조정기(22)는 음향-광학 변조기(1120, 1126, 1130, 1132, 1142, 1146, 1150, 1154, 1058 및 1062); 빔 스플리터(1168); 및 미러(1166)를 포함한다. 입력 빔(20)은 도 1c의 평면에 평행한 편광 평면을 갖는 음향-광학 변조기(1120)에 입사된다. 빔(20)의 제1 부분은 빔(1122)으로서 음향-광학 변조기(1120)에 의해 회절된 다음에, 도 1d의 평면에 평행한 편광을 갖는 빔(1128)으로서 음향-광학 변조기(1126)에 의해 회절된다. 빔(20)의 제2 부분은 도 1d의 평면에 평행한 편광 평면을 갖는 비 회절 빔(1124)으로서 투과된다. 빔(24)에 대해 주파수 편이된 단일의 주파수 성분을 생성하도록 동작된 빔 조정기(22)의 경우, 음향-광학 변조기(1120)로의 음향 전력은 2가지 상태 사이에서 전환된다. 한 상태는 회절 빔(1122)의 진폭이 0인 오프 상태이고, 온 상태에서는, 비회절 빔(1124)의 진폭이 명목상 0이다. 음향-광학 변조기(1120)의 온 또는 오프 상태는 전자 처리기 및 제어기(80)에 의해 생성된 신호(74)에 의해 제어된다.

음향-광학 변조기(1120 및 1126)는 비등방성 브랙(Bragg) 회절형 또는 등방 성 브랙 회절형일 수 있다. 음향-광학 변조기(1120 및 1126)에 의해 도입된 주파수 편이는 동일한 부호로 되고, 주파수 편이 Δf의 1/2과 같은데, 이것은 주파수 편이와 동일한 주파수 차를 갖는 참조빔과 측정빔 사이의 π/2 위상 차를 간섭계(10)에서 발생시킬 것이다. 빔(1128)의 전달 방향은 빔(1124)의 전달 방향과 평행하다.

계속 도 1d를 참조하면, 빔(1128)은 음향-광학 변조기(1132)에 입사되고, 음향-광학 변조기(1132)에 의해 빔(1134)으로서 회절되거나, 전자 처리기 및 제어기(80)로부터의 제어 신호(74)에 따라 빔(1136)으로서 음향-광학 변조기(1132)에 의해 투과된다(도 1 참조). 빔(1134)이 생성되면, 빔(1134)은 빔(1152)의 주파수 편이된 빔 성분으로서 음향-광학 변조기(1142, 1146 및 1150)에 의해 회절된다. 음향-광학 변조기(1132, 1142, 1146 및 1150)에 의해 도입된 주파수 편이는 모두 동일한 방향이고, 크기가 Δf/2와 같다. 그러므로, 음향-광학 변조기(1132, 1142, 1146 및 1150)에 의해 도입된 순수 주파수 편이는 ±2Δf이다. 음향-광학 변조기(1120, 1126, 1132, 1142, 1146 및 1150)에 의해 도입된 순수 주파수 편이는 Δf±2Δf이고, 간섭계(10) 내에서 각각의 참조 및 측정 빔들 사이에 π/2 및 π/2±π의 각각의 상대 주파수 편이를 생성할 것이다.

빔(1136)이 생성되면, 빔(1136)은 빔(1152)의 비주파수 편이 빔 성분으로서 전자 처리기 및 제어기(80)로부터의 제어 신호(74)에 따라 음향-광학 변조기(1150)에 의해 투과된다. 음향-광학 변조기(1120, 1126, 1132 및 1150)에 의해 도입된 순수 주파수 편이는 Δf이고, 이것은 간섭계(10) 내에서 각각의 참조 및 측정 빔들 사이에 π/2의 각각의 상대 주파수 편이를 생성할 것이다.

빔(1124)은 음향-광학 변조기(1130)에 입사되고, 음향-광학 변조기(1130)에 의해 빔(1140)으로서 회절되거나, 전자 처리기 및 제어기(80)로부터의 제어 신호(74)에 따라 빔(1138)으로서 음향-광학 변조기(1130)에 의해 투과된다. 빔(1140)이 생성되면, 빔(1140)은 빔(1164)의 주파수 편이된 빔 성분으로서 음향-광학 변조기(1154, 1158 및 1162)에 의해 회절된다. 음향-광학 변조기(1130, 1154, 1158 및 1162)에 의해 도입된 주파수 편이는 모두 동일한 방향이고, ±Δf/2와 같다. 그러므로, 음향-광학 변조기(1130, 1154, 1158 및 1162)에 의해 도입된 순수 주파수 편이는 ±2Δf이고, 간섭계(10)를 통해 통과할 때 각각의 참조 및 측정 빔들 사이에 π의 상대 주파수 편이를 생성할 것이다.다. 음향-광학 변조기(1120, 1130, 1154, 1158 및 1162)에 의해 도입된 순수 주파수 편이는 ±2Δf이고, 간섭계(10)를 통해 통과할 때 각각의 참조 및 측정 빔들 사이에 ±π의 각각의 상대 주파수 편이를 생성할 것이다.

빔(1138)이 생성되면, 빔(1138)은 빔(1164)의 비주파수 편이 빔 성분으로서 전자 처리기 및 제어기(80)로부터의 제어 신호(74)에 따라 음향-광학 변조기(1162)에 의해 투과된다. 음향-광학 변조기(1120, 1130 및 1162)에 의해 도입된 대응하는 주파수 편이는 0이고, 간섭계(10)를 통해 통과할 때 각각의 참조 및 측정 빔들 사이에 0의 각각의 상대 주파수 편이를 생성할 것이다.

다음에, 빔(1152 및 1164)이 빔 스플리터(1168)에 의해 결합되어 빔(24)을 형성한다. 음향-광학 변조기(1120, 1126, 1130, 1132, 1142, 1146, 1150, 1154, 1058 및 1062)는 비등방성 브랙 회절형 또는 드앙성 브랙 회절형일 수 있다. 빔(1152 및 1164)은 비등방성 브랙 회절형 또는 등방성 브랙 회절형의 경우에 도 1d의 평면에서 직교로 편광되고, 빔 스플리터(1168)는 비편광형으로 된다.

상이한 실시예들의 입력 빔 요구사항에 부합하기 위한 소스(18) 및 빔 조정기(22)를 구성하는 상이한 방식에 관한 설명을 계속하면, 소스(18)는 바람직하게 펄스화 소스로 구성될 것이다. 소스(18)의 각 펄스는 모드 로크드(locked) Q-스위치드 Nd:YAG 레이저에 의해 생성된 것과 같은 단일의 펄스 또는 펄스 열을 포함할 수 있다. 단일 펄스 열은 여기에서 펄스를 펄스 시퀀스 및 표현식으로서 언급되고, 펄스 시퀀스는 여기에서 교환가능하게 사용된다.

소스(18)는 "Tunable, Coherent Sources For High-Resolution VUV and XUV Spectroscopy" by B.P.Stoicheff, J.R.Banic, P.Herman, W.Jamroz, P.E.LaRocque, and R.H.Lipson in Laser Techniques for Extreme Ultraviolet Spectroscopy, T.J.McIlrath and R.R.Freeman, Eds.(American Institute of Physics) p 19(1982)의 검토 문헌에서 설명된 것과 같은 기술들에 의해 2개 또는 4개의 주파수를 생성하도록 소정의 실시예에서 구성될 수 있다. 이 기술들은 "Generation of Ultraviolet and Vacuum Ultraviolet Radiation" by S.E.Harris, J.F.Young, A.H.Kung, D.M.Bloon, and G.C.Bjorklund in Laser Spectroscopy I, R.G.Brewer and A.Mooradi, Eds.(Plenum Press, New York) p 59(1974) and "Generation of Tunable Picosecond VUV Radiation" by A.H.Kung, Appl.Phys.Lett.25, p 653(1974)의 문헌에서 설명된 것과 같은, 예를 들어 제2 및 제3 고조파 생성 및 파라메트릭 생성을 포함한다. 3개의 인용된 문헌의 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다.

2개 또는 4개의 주파수 성분을 포함하는 소스(18)로부터의 출력 빔은 여러 실시예에서 요구된 바와 같이 공간적으로 동일하게 퍼지는 동연(coextensive) 측정 및 참조 빔을 형성하기 위해 빔 스플리터에 의해 빔 조정기(22) 내에서 결합된다. 소스(18)가 2개 또는 4개의 주파수 성분을 제공하도록 구성되면, 소정의 실시예에서 요구된 여러 성분의 주파수 편이는 예를 들어 파라메트릭 생성기로의 입력 빔의 주파수 변조에 의해 소스(18) 내에 도입될 수 있다.

몇몇 실시예에서 사용될 수 있는 호모다인 검출의 4가지 상이한 구현이 있다. 4가지 상이한 구현은 싱글-, 더블-, 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법이라 칭해진다. 단일-호모다인 검출 방법의 경우, 입력 빔(24)은 단일 주파수 성분을 포함하고, 전기 간섭 신호 어레이(72)의 4개의 측정치의 세트가 형성된다. 전기 간섭 신호 어레이(72)의 4개의 측정치 각각에 대해, 공지된 위상 편이는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 각각의 귀환 측정 빔 성분과 참조 빔 성분 사이에 도입된다. 단일 주파수 성분을 포함하는 입력 빔에 대해 반사 및/또는 산란된 공액 쿼드러처를 추출하기 위해 사용된 후속 데이터 처리 절차는 예를 들어, Henry A. Hill에 의한 "Scanning Interferometric Near-Field Confocal Microscopy"란 명칭의 공동 소유된 미합중국 특허 제6,445,453호(ZI-14)에서 설명되는데, 그 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다.

더블-호모다인 검출 방법은 공액 쿼드러처를 얻기 위해 그 후에 사용되는 전 기 간섭 신호의 측정치를 얻기 위해 4개의 주파수 성분을 포함하는 입력 빔(24) 및 4개의 검출기를 사용한다. 4개의 검출기 소자의 각 검출기 소자는 필드에 대한 공액 쿼드러처를 계산하기 위해 동시에 4개의 전기 간섭 신호 값을 얻는다. 4개의 전기 간섭 신호 값의 각각은 공액 쿼드러처의 하나의 직교 성분에 관련된 정보만을 포함한다. 여기에서 사용된 더블-호모다인 검출은 "Lower Bounds On Phase Sensitivity In Ideal And Feasible Measurements" by G.M D'ariano and M G.A. Paris, phys.Rev. A 49, 3022-3036(1994) 문헌의 섹션 IV에서 설명된 것과 같은 검출 방법과 관련된다. 따라서, 더블-호모다인 검출 방법은 필드의 공액 쿼드러처의 결정치를 결합하지 않는데, 여기에서 각각의 전기 간섭 신호 값은 공액 쿼드러처의 2개의 직교 성분 각각에 대한 정보를 동시에 포함한다.

바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법은 전기 간섭 신호의 측정치를 얻는데, 전기 간섭 신호의 각각의 측정된 값은 공액 쿼드러처의 2개의 직교 성분에 대한 정보를 동시에 포함한다. 2개의 직교 성분은 "Apparatus and Method for Joint Measurements of Conjugated Quadratures of Fields of Reflected/Scattered and Transmitted Beams by an Object in Interferometry"란 명칭으로 2004년 1월 27일자로 출원된 인용된 미합중국 특허 출원 및 인용된 미합중국 가특허출원 제60/442,858호에 설명된 것과 같은 공액 쿼드러처의 직교 성분에 대응한다.

다음에, 귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결정을 위한 4개의 측정된 전기 간섭 신호 값의 세트의 측정 어레이의 처리가 바이-호모다인 검출 방법에 대해 설명된다. 귀환 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정의 결정을 위한 바이- 및 쿼드-호모다인 검출 방법에 대한 처리의 일반적인 설명은 "Apparatus and Method for Joint Measurements of Conjugated Quadratures of Fields of Reflected/Scattered and Transmitted Beams by an Object in Interferometry"란 명칭으로 2004년 1월 27일자로 출원된 인용된 미합중국 특허 출원(ZI-47) 및 인용된 미합중국 가특허출원 제60/442,858호에서 제공된 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

공액 쿼드러처가 공동으로 얻어지는 바이-호모다인 검출 방법을 참조하면, 4개의 전기 간섭 신호 값의 세트는 이미지화되고 있는 기판(60) 상의 및/또는 기판 내의 각 스팟마다 얻어진다. 이미지화되고 있는 기판(60) 상의 및/또는 기판 내의 단일 스팟에 대한 필드의 공액 쿼드러처를 얻기 위해 사용된 4개의 전기 간섭 신호 값의 세트 S_j, j=1,2,3,4는 척도 인자가 인자 내에서의 바이-호모다인 검출에 대해 다음 식으로 표현된다.

[수학식 7]

여기에서, 계수 A₁ 및 A₂는 입력 빔의 제1 및 제2 주파수 성분에 대응하는 참조 빔 의 진폭을 나타내고; 계수 B₁ 및 B₂는 각각 참조 빔 A₁ 및 A₂에 대응하는 배경 빔의 진폭을 나타내며; 계수 C₁ 및 C₂는 각각 참조 빔 A₁ 및 A₂에 대응하는 귀환 측정 빔의 진폭을 나타내고; P_j는 펄스 j 내의 입력 빔의 제1 주파수 성분의 통합 강도이며;

와

의 값은 표 1에 열거된다. 2개의 주파수 성분에 대한 참조 빔과 귀환 측정 빔 사이의 상대 위상 편이는 ±π의 홀수 고조파이다. 1에서 -1까지 또는 -1에서 1까지의

와

값의 변경은 입력 빔(24) 성분의 주파수 변경과 관련된 각각의 참조 및 측정 빔에 대한 ±π의 홀수 고조파의 상대 위상 변경에 대응한다. 계수

,

및

는 각각 참조 빔, 배경 빔 및 귀환 측정 빔에 대해, 기판 상의 및/또는 그 기판 내의 스팟 생성시에 사용된 크기 및 모양과 같은 4개의 핀홀의 공액 세트의 특성의 변형 효과, 및 기판(60) 상의 및/또는 그 기판 내의 스팟에 대응하는 4개의 검출기 픽셀의 공액 세트의 감도의 변형 효과를 나타낸다. 4개의 핀홀의 공액 세트는 스캔 중의 서로다른 시간에 이미지화되고 있는 기판 내의 또는 기판 상의 스팟에 결합되는 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)의 핀홀을 포함한다.

[표 1]

j
1	1	1	1
2	-1	-1	1
3	-1	1	-1
4	1	-1	-1

수학식 7에서, ｜A₂｜/｜A₁｜은 j 또는 P_j값에 종속되지 않는 것으로 가정된다. 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고 중요한 특징을 예측하도록 S_j의 표현을 단순화하기 위해, 또한 수학식 7에서, A₂ 및 A₁에 대응하는 귀환 측정 빔의 진폭의 비가 j 또는 P_j값에 종속되지 않는 것으로 가정된다. 그러나, ｜C₂｜/｜C₁｜은 A₂ 및 A₁에 대응하는 귀환 측정 빔의 진폭의 비가 ｜A₂｜/｜A₁｜과 다를 때에 비 ｜A₂｜/｜A₁｜과 다를 것이다.

빔 성분(30A 및 30B)의 대응하는 참조 빔 및 귀환 측정 빔 사이의 상대 위상 편이의 제어에 의해

이라는 것을 알면, 수학식 7은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

[수학식 8]

여기에서,

는 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고 사용되었다.

의 변경에 대한 위상

의 변경 및

의 변경에 대한 위상

의 변경은 배경 빔이 생성되는 장소 및 방법에 따라 실시예들에서 π와 다를 수 있다. 인자

가

로 다시 쓰여질 수 있다는 것을 아는 것은 배경 빔의 효과를 평가할 때 유용할 수 있으며, 위상 차

는 위상

, 즉

과 동일하다.

공액 쿼드러처

의 성분에 대응하는 수학식 8의 항이 0의 평균값을 갖는 직사각형 함수이고,

가 j=2.5에 대해 대칭이기 때문에 j=2.5에 대해 대칭이라는 것은 수학식 8의 조사로부터 명백하다. 또한, 수학식 8의 공액 쿼드러처

의 성분에 대응하는 수학식 8의 항은 0의 평균값을 갖는 직사각형 함수이고,

가 j=2.5에 대해 비대칭 함수이기 때문에 j=2.5에 대해 비대칭이다. 바이-호모다인 검출 방법의 설계에 의한 다른 중요한 특성은 수학 8의 공액 쿼드러처

및

항이

및

가 j=1,2,3,4의 범위에 걸쳐 직교, 즉

이기 때문에 j=1,2,3,4의 범위에 걸쳐 직교라는 것이다.

공액 쿼드러처 성분

및

에 대한 정보는 다음의 디지 털 필터에 의해 신호 값 S_j로 표현된 바와 같이 수학식 8의 공액 쿼드러처 항의 대칭 및 비대칭 특성 및 직교성 특성을 사용하여 얻어진다.

[수학식 9]

[수학식 10]

여기에서,

및

는

및

를 나타내기 위해 디지털 필터에서 사용된 값이다.

수학식 9 및 10에서의 다음 파라미터

[수학식 11]

는 공액 쿼드러처의 결정을 완료하기 위해 결정될 필요가 있다. 수학식 11에서 제공된 파라미터는 예를 들어, π/2 위상 편이를 참조 빔 및 측정 빔의 상대 위상 내로 도입하고 공액 쿼드러처의 측정을 반복함으로써 측정될 수 있다. 제2 측정으로부터의

에 대응하는 공액 쿼드러처의 진폭 비에 의해 나누어진 제1 측정으로부터의

에 대응하는 공액 쿼드러처의 진폭 비는 다음식과 동일하다.

[수학식 12]

수학식 9 및 10에서의 소정의 인자들은 척도 인자 내에서 4의 공칭값을 갖는데, 예를 들어 다음과 같다는 것을 알기바란다.

[수학식 13]

평균값

이라고 하면, 척도 인자는 각각

및

의 비에 대한 평균값에 대응한다. 수학식 9 및 10에서의 소정의 다른 인자는 0의 공칭값을 갖는데, 예를 들어 다음과 같다.

[수학식 14]

나머지 인자들,

[수학식 15]

은 대략 0에서 대략 코사인 인자의 4배까지의 범위의 공칭 크기, 및 각각의 위상의 특성에 따라 인자

또는

의 평균값을 가질 것이다. 각 측정 빔의 위상을 제1 근사치까지 추적하지 않는 위상을 갖는 배경 부분에 대해, 수학식 15에 열거된 모든 항의 크기는 대략 0이 될 것이다. 각 측정 빔의 위상을 제1 근사치까지 추적하는 위상을 갖는 배경 부분에 대해, 수학식 15에 열거된 항의 크기는 대략 코사인 인자의 4배, 및 인자

및

의 평균값이 될 것이다.

수학식 9 및 10에서의 2개의 가장 큰 항은 일반적으로 인자

및

를 갖는 항이다. 그러나, 대응하는 항은 인자로서

를 갖 는 항에 대한

값의 선택에 의해, 그리고 수학식 14에 표시된 바와 같이 인자로서

를 갖는 항에 대한

의 설계에 의해 실질적으로 제거된다.

배경 효과로부터의 가장 큰 기여도는 측정 빔에 의해 생성된 배경 빔의 부분과 참조 빔 사이의 간섭 항에 대한 기여도에 의해 표시된다. 이러한 배경 효과 부분은 0으로 설정된 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 귀환 측정 빔 성분과의 배경 부분의 대응하는 공액 쿼드러처를 측정함으로써, 즉 기판(60)이 제거되고 또는

인, 그리고 그 반대인 각각의 전기 간섭 신호 S_j를 측정함으로써 측정될 수 있다. 그 다음, 배경 효과 부분의 측정된 공액 쿼드러처는 필요하다면 최종 사용 애플리케이션에서 유리하게 각 배경 효과를 보상하기 위해 사용될 수 있다.

측정 빔에 의해 생성된 배경 빔과 참조 빔 사이의 간섭의 배경 진폭

및 위상

의 효과로부터의 가장 큰 기여도에 대한 정보는 기판(60)이 제거되고

또는

인, 그리고 그 반대인 참조 빔과 측정 빔 사이의 상대 위상 편이의 함수로서 S_j, j=1,2,3,4를 측정하고, S_j의 측정된 값을 푸리에 분석함으로써 얻어질 수 있다. 그러한 정보는 각 배경의 근원을 식별하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다.

그외 다른 기술은 "Method And Apparatus For Confocal Interference Microscopy With Background Amplitude Reduction and Compensation"란 명칭의 공 동 소유된 미합중국 특허 번호 5,760,901, "Method and Apparatus for Discrimination In-Focus Images from Out-of-Focus Light Signals from Background and Foreground Light Sources"란 명칭의 미합중국 특허 번호 5,915,048, 및 6,480,285 B1(3개의 특허 각각 Herny A. Hill에 의한 것임)에 설명된 것과 같은, 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않는 배경 빔의 효과를 감소 및/또는 보상하기 위해 여러 실시예로 편입될 수 있다.

의 값의 선택은 간섭계 시스템 내에 존재하는 참조 빔만을 갖는 S_j, j=1,2,3,4를 측정함으로써 얻어질 수 있는

, j=1,2,3,4에 대한 정보에 기초한다. 소정의 실시예에서, 이것은 입력 빔(24)의 측정 빔 성분을 단순히 차단하는 것에 대응할 수 있고, 소정의 다른 실시예에서, 이것은 기판(60)이 제거된 S_j, j=1,2,3,4를 단순히 측정하는 것에 대응할 수 있다.

값의 세트의 정확도 테스트는 수학식 9 및 10에서의

항이 0인 정도이다.

계수

,j=1,2,3,4에 대한 정보는

또는

인 각각의 4개의 공액 검출기 픽셀에 대응하는 픽셀을 지나간 아티팩트를 스캐닝하고, 각각 공액 쿼드러처 성분

또는

를 측정함으로써 얻어질 수 있다.

또는

항의 진폭의 변경은 j의 함수로서의

의 변형에 대응한다. 계수

, j=1,2,3,4에 대한 정보는 예를 들어, 간섭계 시스템10)의 하나 이상의 구성요소의 안정성을 모니터하기 위해 사용될 수 있다.

여기에서 설명된 바이-호모다인 검출 방법은 필드의 공액 쿼드러처의 결정을 위한 견고한 기술이다. 첫째, 공액 쿼드러처 진폭

및

은 수학식 14와 관련된 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 인자

및

를 갖는 항이 실질적으로 0이기 때문에, 각각 수학식 9 및 10으로 표현된 바와 같이, 각각 디지털식으로 필터된 값 F₁(S) 및 F₂(S)의 1차 항이다.

둘째, 수학식 9 및 10에서의

및

의 계수는 동일하다. 그러므로, 진폭 및 위상에 관한 귀환 측정 빔과 참조 빔 사이의 간섭 항의 매우 정확한 측정치, 즉

및

와 같은 정규화에서의 제1차 에러는 단지 제2차 또는 더 높은 차수 내로 들어간다. 또한, 4개의 전기 간섭 신호 값의 각 세트로부터의 공액 쿼드러처

및

의 각 성분의 기여도는 동일한 윈도우 함수를 가지므로, 공동으로 결정된 값으로서 얻어진다.

여기에서 설명된 바이-호모다인 검출 방법의 다른 구별되는 특징은 수학식 9 및 10에서 명백한데: 각각 수학식 9 및 10에서의 공액 쿼드러처 성분

및

의 계수, 및 수학식 13에서의 제1 등식으로서 열거된 것은

에 대해 추정된 값의 에러에 상관없이 동일하고; 각각 수학식 9 및 10에서의 공액 쿼드러처 진폭

및

의 계수, 및 수학식 14에서의 최종 등식으로서 열거된 것은

에 대해 추정된 값의 에러에 상관없이 동일하다. 그러므로, 공액 쿼드러처에 대응하는 매우 정확한 위상 값은

의 제1차 변형으로 측정될 수 있고,

및

와 같은 정규화에서의 제1차 에러는 소정의 높은 차수 효과를 통해서만 들어간다.

또한, 필드의 공액 쿼드러처가 바이-호모다인 검출 방법을 사용할 때 공동으로 얻어질 수 있기 때문에, 필드의 공액 쿼드러처의 싱글-호모다인 검출에서 가능한 상황과 달리 위상 중복의 결과로서 위상 추적시의 에러 가능성을 상당히 저하시킨다는 것이 명백하다.

바이-호모다인 검출 방법의 특별한 경우가 고려될 수 있는 싱글-호모다인 검출 방법에서 사용된 프로세싱의 설명은 또한, 특별한 경우에서 얻어진 공액 쿼드러처가 공동으로 측정된 양으로서 얻어지지 않는다는 것을 제외하고, 0으로 설정된 진폭 A₂ 또는 A₁을 갖는 바이-호모다인 검출에 대해 제공된 설명과 동일하다.

제1 실시예는 여기에서 설명된 바와 같이 반사굴절 이미징 시스템(110) 및 2차적인 이미징 시스템(220)을 포함한다. 소스(18) 및 빔 조정기(22)는 단일 주파수 성분을 갖는 입력 빔(24)을 생성하도록 구성된다.

제1 실시예에서, 멀티-픽셀 검출기(70)는 CCD 신호 값의 제1 세트 및 제2 세트의 판독이 이루어지기 전에 CCD 픽셀 신호 값의 제2 세트의 프레임이 생성될 수 있는 동안에 CCD 픽셀 신호 값의 한 세트가 생성된 다음에 CCD 웨이퍼 상에 저장될 수 있도록 구성되는 프레임 전송 CCD를 포함할 수 있다. CCD 신호 값의 제1 세트를 저장하기 위해 요구된 시간은 일반적으로 프레임 전송 CCD에 대한 CCD 신호 값의 세트를 판독하기 위해 요구된 시간보다 훨씬 적다. 그러므로, 프레임 전송 CCD 사용의 장점은 입력 빔(20)의 2개의 연속적인 빔들 사이의 시간 및 전기 간섭 신호 값의 측정치들 사이의 대응하는 시간이 비프레임 전송 CCD를 사용할 때보다 훨씬 적을 수 있다는 것이다.

바이-호모다인 검출 방법을 사용하는 공액 쿼드러처의 결합 측정치에 대해 연산한 제1 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함하는 제2 실시예가 설명된다.

빔(24)의 2개의 주파수 편이된 성분의 생성을 위해, 음향-광학 변조기(1120)(도 1d)로의 음향 전력은 회절 빔(1122)의 강도 및 비회절 빔(1124)의 강도가 동일하도록 조정된다. 음향-광학 변조기(1120) 내의 음향 전력의 레벨은 전자 처리기 및 제어기(80)에 의해 생성된 신호(74)에 의해 제어된다.

제2 실시예의 나머지 설명은 제1 실시예의 주어진 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

제3 실시예는 도 2에 개략적으로 도시된다. 제3 실시예는 간섭계 공초점 현미경 시스템(110) 및 쿼드-호모다인 검출 방법의 변형을 사용하여 기판(60)에 의해 반사/산란된 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 결합 측정치를 얻는다. 소스(18) 및 빔 조정기(22)는 입력 빔(24)이 2 주파수 성분을 포함하도록 구성된다.

제3 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 실시예의 현미경(110)이 현미경(120)으로 대체된 제1 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함한다. 현미경(120)은 저전력 현미경, 및 프리즘(124 및 126)을 포함하는 분산 소자를 포함한다. 프리즘(124 및 126)은 직시(direct vision) 프리즘을 형성한다. 분산 소자의 다른 형태는 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고서 격자와 같은 형태가 사용될 수 있다. 진폭 A₁ 및 B₁에 대응하는 출력 빔(30A 및 30B)의 성분의 주파수 차이는 출력 빔(30A 및 30B)의 A₁ 및 B₁ 성분이 검출기(70)의 픽셀의 2개의 상이한 세트로 향하도록 직시 프리즘의 분산의 설계와 관련하여 선택된다. 빔(24)은 2개의 주파수 성분을 포함한다.

전기 간섭 신호 값의 4개의 어레이의 세트는 제1 실시예에서와 같은 4개의 판독 사이클 대신에 2개의 판독 사이클에서 얻어진다. 각각의 결정된 공액 쿼드러처를 얻기 위한 전기 간섭 신호 값의 4개 어레이의 세트에 관한 프로세싱의 설명은 대응하는 공액 쿼드러처를 얻기 위한 전기 신호 값의 4개 어레이의 각 세트의 제1 실시예에서 사용된 프로세싱에 대한 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

제3 실시예의 제1 변형은 공액 쿼드러처의 비결합 측정치의 생성을 위한 더블-호모다인 검출 방법을 사용한다. 제2 실시예의 제1 변형은 빔(32)의 4개의 주파수 성분 각각이 검출기(70)의 상이한 픽셀로 향하도록 4개의 주파수 성분을 포함 하는 입력 빔(24), 및 직시 프리즘의 분산의 설계 및 4개의 주파수의 선택을 갖는 제3 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함한다. 전기 간섭 신호 값의 4개의 어레이는 싱글-호모다인 검출 방법을 위해 여기에서 설명된 절차를 사용하여 공액 쿼드러처의 진폭을 위해 동시에 얻어지고 처리된다.

제3 실시예의 제2 변형은 공액 쿼드러처의 결합 측정치의 생성을 위해 쿼드-호모다인 검출 방법을 사용한다. 제3 실시예의 제2 변형은 빔(32)의 4개의 주파수 성분의 쌍이 검출기(70)의 상이한 픽셀로 향하도록 4개의 주파수 성분을 포함하는 입력 빔(24), 및 직시 프리즘의 분산의 설계 및 4개의 주파수의 선택을 갖는 제3 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함한다.

제3 실시예의 제2 변형 및 다른 실시예에서 사용된 쿼드-호모다인 검출 방법을 참조하면, 4개의 전기 간섭 신호 값의 세트는 소스(18) 및 빔 조정기(22)로부터 2개의 판독 사이클 또는 2개의 펄스 시퀀스로 이미지화되고 있는 기판(60) 상의 및/또는 그 기판 내의 각 스팟에 대해 얻어진다. 이미지화되고 있는 기판 상의 및/또는 기판 내의 단일 스팟을 위한 필드의 공액 쿼드러처를 얻기 위해 사용된 4개의 전기 간섭 신호의 세트 S_j, j=1,2,3,4는 다음 식에 의해 쿼드-호모다인 검출 방법에 대한 척도 인자 내에서 표시된다.

[수학식 16]

[수학식 17]

[수학식 18]

[수학식 19]

여기에서, 계수 A₁, A₂, A₃ 및 A₄는 각각 입력 빔(24)의 제1, 제2, 제3 및 제4 주파수 성분에 대응하는 참조 빔의 진폭을 나타내고; 계수 B₁, B₂, B₃ 및 B₄는 각각 참조 빔 A₁, A₂, A₃ 및 A₄에 대응하는 배경 빔의 진폭을 나타내며; 계수 C₁, C₂, C₃ 및 C₄는 각각 참조 빔 A₁, A₂, A₃ 및 A₄에 대응하는 귀환 측정 빔의 진폭을 나타내고; P₁ 및 P₂는 각각 입력 빔(24)의 제1 및 제2 펄스 시퀀스 내의 제1 주파수 성분의 통합 강도이며;

와

의 값은 표 1에 열거된다. 쿼드-호모다인 검출 방법에 대한 계수

,

및

의 설명은 바이-호모다인 검출 방법의

,

및

에 대해 주어진 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

수학식 16, 17, 18 및 19에서, ｜A₂｜/｜A₁｜ 및 ｜A₄｜/｜A₃｜은 j 또는 P_j값에 종속되지 않는 것으로 가정된다. 본 발명의 범위 또는 정신을 벗어나지 않고 중요한 특징을 예측하도록 S_j의 표현을 단순화하기 위해, 또한 수학식 16, 17, 18 및 19에서, ｜A₂｜/｜A₁｜ 및 ｜A₄｜/｜A₃｜에 대응하는 귀환 측정 빔의 진폭의 비가 j 또는 P_j값에 종속되지 않는 것으로 가정된다. 그러나, ｜C₂｜/｜C₁｜ 및 ｜C₄｜/｜C₃｜은 각각 ｜A₂｜/｜A₁｜ 및 ｜A₄｜/｜A₃｜에 대응하는 측정 빔 성분의 진폭의 비가 각각 ｜A₂｜/｜A₁｜ 및 ｜A₄｜/｜A₃｜와 다를 때에 각각 비 ｜A₂｜/｜A₁｜ 및 ｜ A₄｜/｜A₃｜과 다를 것이다.

빔 성분(32)의 대응하는 참조 빔 및 측정 빔 성분 사이의 상대 위상 편이의 제어에 의해

이라는 것을 알면, 이것은 각각 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

[수학식 20]

[수학식 21]

[수학식 22]

[수학식 23]

여기에서, 관계

은 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 사용되었다.

공액 쿼드러처

에 대한 정보는 신호 값 S_j,j=1,2,3,4에 적용된 다음의 디지털 필터에 의해 표시된 바와 같이 공액 쿼드러처의 대칭 및 비대칭 특성 및 직교성 특성을 사용하여 얻어진다.

[수학식 24]

[수학식 25]

쿼드-호모다인 검출 방법에 대한

및

의 설명은 바이-호모다인 검출 방법에서의

및

에 대해 주어진 대응하는 설명과 동일하고, 다음 표현식은 각각 공액 쿼드러처

의 성분에 대해 얻어진다.

[수학식 26]

[수학식 27]

다음 파라미터

[수학식 28]

[수학식 29]

[수학식 30]

은 소정의 최종 사용 애플리케이션을 위한 공액 쿼드러처의 결정을 완료하기 위해 결정될 필요가 있다. 수학식 28, 29 및 30에 의해 주어진 파라미터는 예를 들어 수학식 11에 의해 지정된 양을 측정하는 것과 관련하여 바이-호모다인 검출 방법에 대해 설명된 절차와 유사한 절차에 의해 측정될 수 있다.

제3 실시예의 제2 변형의 나머지 설명은 제3 실시예에 대해 제공된 설명의 대응하는 부분과 동일하다.

제4 실시예는 쿼드-호모다인 검출 방법을 사용하여 기판(60)에 의해 반사/산란된 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 비결합 측정치를 얻는다. 제4 실시예는 도 3a에 도시된 바와 같이 현미경(220)에 의해 대체되는 제1 실시예의 현미경(110)을 제외하고는, 본 발명의 제1 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함한다. 또한, 제4 실시예는 2개의 검출기(70A 및 70B)를 포함한다. 현미경(220)은 저전력 현미경, 및 2개의 출력 빔(32A 및 32B)을 생성하는 색 선별 빔 스플리터(224)를 포함한다. 진폭 A₁ 및 B₁에 대응하는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 성분 주파수 차이는 A₁ 성분이 검출기(70A)로 향하고 B₁ 성분이 검출기(70B)로 향하도록 색 선별 빔 스플리터(224)와 함께 선택된다. 전기 간섭 값의 4개 어레이의 세트는 여기에서 설명된 제1 실시예에서와 같은 4개의 판독 사이클 대신에 2개의 판독 사이클에서 얻어진다.

진폭 A₁ 및 B₁에 대응하는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 주파수 차이는 진폭 A₁ 및 B₁에 대응하는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 주파수보다 훨씬 적거나, 각 빔의 주파수 차수의 소정의 중간값일 수 있다. 진폭 A₁에 대응하는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 주파수 차이 및 진폭 B₁에 대응하는 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 주파수 차이는 대응하는 빔의 주파수보다 훨씬 적을 수 있다. 빔(24)은 제4 실시예에서 4개의 주파수 성분을 포함한다. 제4 실시예에서, 공액 쿼드러처의 한 성분의 진폭에 대응하는 빔 성분(30A 및 30B)의 2개의 주파수 성분은 단일 픽셀로 향하고, 공액 쿼드러처의 제2 성분의 진폭에 대응하는 빔 성분(30A 및 30B)의 2개의 주파수 성분은 단일 픽셀로 향한다.

공액 쿼드러처의 결정을 위한 전자 처리기 및 제어기(80)에 의한 측정된 전 기 간섭 신호의 프로세싱에 관한 설명은 여기에서 설명된 제3 실시예에서 제공된 대응하는 설명 부분과 동일하다.

제4 실시예의 소스(18)는 빔(20)의 2개의 주파수 성분을 생성할 수 있다. 빔(24)의 2개의 주파수 성분의 주파수가 음향-광학 변조기에 의해 또는 레이저의 상이한 세로 모드에 의해 생성될 수 있는 것보다 크면, 소스(18)는 2개의 상이한 단일 주파수 레이저 소스를 포함한다. 빔(20)의 2개의 주파수 성분의 주파수 차이가 너무 크지 않으면, 2개의 주파수 생성기 및 주파수 시프터(22)에 의해 도입된 주파수 편이는 음향-광학 변조기를 포함할 수 있다. 더 큰 주파수 편이가 요구되면, 소스(18)는 예를 들어 4개의 단일 주파수 레이저를 포함할 수 있다. 2개의 또는 4개의 레이저의 상대 주파수는 참조 빔과 귀환 측정 빔 사이에 도입된 원하는 위상 편이를 유지하기 위해 요구된 정확도로 안정화된다.

제1 필드의 한 공액 쿼드러처에 대응하는 빔(24)의 주파수 성분의 시간적 윈도우 함수는 제2 필드의 제2 공액 쿼드러처에 대응하는 빔(24)의 다른 주파수 성분의 시간적 윈도우 함수와 다를 수 있다. 시간적 윈도우 함수들의 이러한 시간 차는 변화될 수 있고, 소정의 기판 특성들이 연구되었다. 한 특성은 프로브로서 사용된 제1 펄스 및 제2 펄스에 의해 생성된 기판의 도전성의 변경에 미치는 영향이다. 다른 영향은 음향 펄스의 특성을 검출하기 위해 사용된 빔(24)의 제1 펄스 및 빔(24)의 제2 펄스에 의한 음향 펄스의 생성이다.

제4 실시예의 변형은 더블 호모다인 검출 방법을 사용하여 기판(60)에 의해 반사/산란된 측정 빔 필드의 공액 쿼드러처의 측정치를 얻는다. 제4 실시예의 변 경은 도 3b에 도시된 바와 같이 도 3a에 도시된 바와 같이 현미경(220A)에 의해 대체되는 제4 실시예의 현미경(220)을 제외하고는, 제4 실시예의 간섭계 공초점 현미경 시스템을 포함한다. 현미경(220A)은 저전력 현미경, 및 프리즘(124A 및 126A) 및 프리즘(124B 및 126B)을 포함하는 분산 소자를 포함한다. 프리즘(124A 및 126A) 및 프리즘(124B 및 126B)은 직시 프리즘을 형성한다. 그외 다른 형태의 분산 소자는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 격자와 같은 형태가 사용될 수 있다. 각각 진폭 A₁ 및 B₁에 대응하는 출력 빔 성분(32A 및 32B)의 성분 주파수 차이는 출력 빔(32A)의 A₁ 성분이 검출기(70A)의 상이한 픽셀 세트로 향하고, 출력 빔(32B)의 B₁ 성분이 검출기(70B)의 상이한 픽셀 세트로 향하도록 직시 프리즘의 분산 설계와 관련하여 선택된다. 빔(24)은 4개의 주파수 성분을 포함한다. 전기 간섭 값의 4개 어레이의 세트는 여기에서 설명된 제1 실시예에서와 같은 4개의 판독 사이클 대신에 단일의 판독 사이클에서 얻어진다.

전기 간섭 신호 값의 4개의 어레이는 싱글-호모다인 검출 방법에 대해 여기에서 설명된 절차를 사용하여 공액 쿼드러처의 진폭에 대해 동시에 얻어져서 처리된다.

소정의 최종 사용 애플리케이션에서, 필드의 공액 쿼드러처의 유일한 한 성분은 "Longitudinal Differential Interferometric Confocal Microscopy for Surface Profiling" 란 명칭의 공동 소유된 미합중국 가출원 제60/448,360호(ZI-41)에 설명된 것과 같이 측정될 필요가 있을 수 있다.

최소한 몇몇 실시예에서, 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)는 기판(60)의 스캔 방향과 반대 방향으로, 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)의 핀홀의 공액 이미지가 이미지화되고 있는 기판(60) 상의 또는 그 기판 내의 스팟과 중첩된 채로 있게 하는 속도로 스캔될 수 있다. 이러한 동작 스캐닝 모드는 스캐닝 모드에서 동작하는 리소그래피 도구의 레티클 스테이지 및 웨이퍼 스테이지의 상대 이동과 유사하다. 공초점 현미경 시스템에 있어서 공액 공초점 핀홀에 관한 종래의 중대한 얼라인먼트 문제는 존재하지 않고, 즉 참조 빔의 어레이를 생성하는 핀홀과 측정 빔의 어레이를 생성하는 핀홀과의 레지스트레이션이 자동화된다.

여기에서 설명된 각 실시예에서, 공진 형성 캐비티는 Henry A. Hill에 의한 "Multiple-Source Arrays with Optical Transmission Enhanced by Resonant Cavities"란 명칭의 2001년 7월 27일자로 출원된 공동 소유된 미합중국 특허 출원 제09/917,400호(ZI-18)에 설명된 것과 같이, 입력 빔(24)이 공진 형성 캐비티(도면에 도시되지 않음)에 입사되도록 각각의 간섭계 공초점 현미경 시스템에 편입될 수 있으며, 상기 특허출원의 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다. 공진 캐비티는 미러(54) 뒤에 배치된다(도 2 참조). 공진 캐비티의 경우에, 공진 캐비티의 한 미러는 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)를 포함한다. 공진 캐비티의 세로 모드의 주파수는 입력 빔(24)을 포함하는 최소한 4개 주파수의 세트를 포함한다. 공진 형성 캐비티의 사용은 출력 빔 성분(30A 및 30B)의 생성된 참조 및 귀환 측정 빔 성분의 동반된 증가와 함께 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)의 핀홀로 입력 빔(24)을 결합시키는 효과를 증가시킨다.

또한, 여기에서 설명된 각 실시예에서, 핀홀 어레이 빔 스플리터(12)는 Henry A. Hill에 의한 "Multiple-Source Arrays Fed By Guided Wave Structures And Resonant Guided Wave Structure Cavities"란 명칭의 2003년 2월 7일자로 출원된 미합중국 가출원 제60/445,739호(ZI-39)에 설명된 것과 같은 도파 소스로 대체될 수 있으며, 상기 특허출원의 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다. 도파 소스는 슬랩(slab) 도파관을 포함하고, 슬랩 도파관의 한쪽 표면에는 빔 스플리터(12)의 핀홀 어레이에 대응하는 핀홀 어레이가 있다. 그러므로, 도파 소스의 슬랩 도파관은 여기에서 설명된 각 실시예에서 행해진 빔 스플리터(12)의 핀홀 어레이와 동일한 핀홀 어레이 빔 스플리터로서 작용한다.

도파 소스 사용의 장점은 결합 효율을 증가시키기 위해 공진 형성 캐비티를 사용하거나 도파 소스를 사용하지 않을 때 얻어진 것에 비해 핀홀 어레이 빔 스플리터로의 입력 빔(24)의 결합 효율이 증가한다는 것이다.

소정의 최종 사용 애플리케이션에서, 기판(60)의 내부가 이미지화된다. 이 경우에, 도입된 수차가 있을 것이다. 다른 실시예에서, 수차 보상은 "Compensation of Effects of Mismatch in Indices of Refraction of a Substrate and Interface Medium in Confocal and Interferometric Confocal Microscopy"란 명칭으로 2003년 2월 4일자로 출원된 공동 소유된 미합중국 가출원 제60/444,707호(ZI-44)에 설명된 것과 같이, 렌즈(50)와 핀홀 어레이 빔 스플리터(12) 사이에 박층(박층은 렌즈(50)와 다른 굴절율을 가짐)을 도입함으로써 달성되는데, 상기 특허출원의 내용은 여기에서 전체적으로 참조로 사용된다.

Claims

물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템에 있어서,

소스 빔을 수신하고, 핀홀 어레이 내의 각 핀홀에 대해, 상기 소스 빔을 상기 핀홀 어레이의 한 측면 상의 대응하는 참조 빔과 상기 핀홀 어레이의 다른 측면 상의 대응하는 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀 어레이;

상기 핀홀 어레이의 각 핀홀에 대한 상기 대응하는 측정 빔이 스팟(spot) 어레이의 상이한 대응 스팟으로 향하고 상기 스팟에 대해 대응하는 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 어레이 상으로 상기 핀홀 어레이를 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템으로서, 상기 제1 이미징 시스템은 또한 상기 스팟 어레이의 각 스팟으로부터의 대응하는 귀환 측정 빔이 상기 핀홀 어레이 내의 대응하는 상이한 핀홀로 다시 향하도록 상기 핀홀 어레이 상으로 상기 스팟 어레이를 이미징하도록 배열되고, 각 핀홀에 대해, 핀홀 어레이는 대응하는 결합된 빔을 생성하기 위해 상기 핀홀에 대한 귀환 측정 빔과 참조 빔을 결합하는 것인, 상기 제1 이미징 시스템; 및

각 핀홀에 대한 상기 대응하는 결합된 빔이 검출기 소자 어레이의 상이한 대응 검출기 소자로 향하도록 핀홀 어레이와 얼라인된(aligned) 검출기 소자 어레이를 포함하는 검출기 조립체(assembly)

를 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 핀홀 어레이를 상기 검출기 소자 어레이 상으로 이미징하는 제2 이미징 시스템을 더 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은,

각 핀홀에 대해, 대응하는 측정 빔을 수신하고, 그 대응하는 측정 빔을 투과부와 반사부로 분리하도록 위치설정된 빔 스플리터; 및

빔 스플리터를 통해 물체 상의 또는 물체 내의 대응하는 스팟 상으로 핀홀 어레이의 각 핀홀을 이미징함으로써, 측정 빔을 그 핀홀로부터 상기 대응하는 스팟 상으로 향하게 하도록 위치설정된 반사면

을 포함하는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제3항에 있어서, 상기 반사면은 실질적으로 상기 물체 상의 한 점과 동일한 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 물체로부터 광선을 수신하기 위해 물체와 빔 스플리터 사이에 위치설정된 굴절면을 더 포함하는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제5항에 있어서, 상기 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 상기 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 큰 것인 공초점 간섭계 시스템.
제6항에 있어서, 상기 반사면 및 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 상기 반사면에 의해 초점이 맞춰진 광선을 수신하기 위해 빔 스플리터와 핀홀 어레이 사이에 위치설정된 굴절면을 더 포함하는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제3항에 있어서, 상기 반사면은 실질적으로 상기 핀홀 어레이 상의 이미지 점과 동일한 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제9항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 상기 핀홀 어레이로부터 광선을 수신하기 위해 상기 핀홀 어레이와 상기 빔 스플리터 사이에 위치설정된 굴절면을 더 포함하는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제10항에 있어서, 상기 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 상기 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 큰 것인 공초점 간섭계 시스템.
제11항에 있어서, 상기 반사면 및 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 제1의 언급된 반사면과는 다른 빔 스플리터의 다른 측면 상에 있는 제2 반사면을 더 포함하는데, 제2 반사면은 빔 스플리터를 통해 물체 상의 또는 물체 내의 그 대응하는 스팟 상으로 핀홀 어레이의 각 핀홀을 이미징하도록 위치설정된 것인 공초점 간섭계 시스템.
제13항에 있어서, 상기 제1의 언급된 반사면은 실질적으로 물체 상의 한 점과 동일한 중심을 갖고, 상기 제2 반사면은 실질적으로 핀홀 어레이 상의 이미지 점과 동일한 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제14항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 물체로부터 광선을 수신하기 위해 물체와 빔 스플리터 사이에 위치설정된 제1 굴절면, 및 반사면에 의해 초점이 맞춰진 광선을 수신하기 위해 빔 스플리터와 핀홀 어레이 사이에 위치설정된 제2 굴절면을 더 포함하는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제15항에 있어서, 상기 제1의 언급된 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 상기 제1 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 큰 것인 공초점 간섭계 시스템.
제16항에 있어서, 상기 제1의 언급된 반사면 및 제1 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제15항에 있어서, 상기 제2 반사면은 실질적으로 제1 반경을 갖는 구 형상을 따르고, 상기 제2 굴절면은 제2 반경을 갖는 구 형상을 따르며, 상기 제1 반경은 상기 제2 반경보다 큰 것인 공초점 간섭계 시스템.
제18항에 있어서, 상기 제2 반사면 및 제2 굴절면은 동일한 곡률 중심을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제19항에 있어서, 상기 제1의 언급된 반사면 및 제2 반사면은 동일한 곡률 반경을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제20항에 있어서, 상기 제1의 언급된 반사면 및 제2 반사면은 빔 스플리터에 관한 점들을 결합시키는 각각의 곡률 중심들을 갖는 것인 공초점 간섭계 시스템.
제20항에 있어서, 상기 핀홀 어레이는 2차원 어레이인 것인 공초점 간섭계 시스템.
제22항에 있어서, 상기 2차원 어레이는 동일한 간격으로 배치된 홀들로 이루어진 것인 공초점 간섭계 시스템.
제23항에 있어서, 상기 동일한 간격으로 배치된 홀들은 원형 애퍼추어들인 것인 공초점 간섭계 시스템.
물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템에 있어서,

소스 빔을 수신하고, 핀홀 어레이 내의 소정의 선택된 핀홀에 대해, 상기 소스 빔을 핀홀 어레이의 한 측면 상의 대응하는 참조 빔과 핀홀 어레이의 다른 측면 상의 대응하는 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀 어레이;

상기 소정의 선택된 핀홀에 대한 대응하는 측정 빔이 스팟 어레이의 대응하는 스팟으로 향하고, 상기 스팟에 대해 대응하는 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 어레이 상으로 핀홀 어레이를 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템으로서, 상기 제1 이미징 시스템은 또한 상기 주어진 스팟으로부터의 대응하는 귀환 측정 빔이 상기 소정의 선택된 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 어레이 상으로 스팟 어레이를 이미징하도록 배열되고, 핀홀 어레이는 대응하는 결합된 빔을 생성하기 위해 대응하는 참조 빔과 귀환 측정 빔을 결합하는 것인, 상기 제1 이미징 시스템; 및

각 핀홀에 대한 대응하는 결합된 빔이 검출기 소자 어레이의 상이한 대응 검출기 소자로 향하도록 핀홀 어레이와 얼라인된 검출기 소자 어레이를 포함하는 검 출기 조립체

를 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제25항에 있어서, 핀홀 어레이를 검출기 소자 어레이 상으로 이미징하는 제2 이미징 시스템을 더 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제25항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 반사굴절 이미징 시스템인 것인 공초점 간섭계 시스템.
물체의 간섭계 측정을 하기 위한 공초점 간섭계 시스템에 있어서,

소스 빔을 수신하고, 상기 소스 빔을 핀홀의 한 측면 상의 참조 빔과 핀홀의 다른 측면 상의 측정 빔으로 분리하도록 위치설정된 핀홀을 정하는 마스크;

상기 측정 빔이 상기 스팟으로 향하고, 상기 스팟에 대해 귀환 측정 빔을 생성하도록, 물체 상의 또는 물체 내의 스팟 상으로 핀홀을 이미징하도록 배열된 제1 이미징 시스템으로서, 상기 제1 이미징 시스템은 또한 상기 스팟으로부터의 귀환 측정 빔이 상기 핀홀로 다시 향하도록 핀홀 상으로 상기 스팟을 이미징하도록 배열되고, 핀홀은 결합된 빔을 생성하기 위해 귀환 빔과 참조 빔을 결합하는 것인, 상기 제1 이미징 시스템; 및

결합된 빔을 수신하는 검출기 소자를 포함하는 검출기 시스템

을 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제28항에 있어서, 상기 결합된 빔이 상기 검출기 소자로 향하도록 핀홀을 검출기 소자 상으로 이미징하는 제2 이미징 시스템을 더 포함하는 공초점 간섭계 시스템.
제28항에 있어서, 상기 제1 이미징 시스템은 반사굴절 이미징 시스템인 것인 공초점 간섭계 시스템.