KR20090111809A - 광학 공동을 통합한 피코초 초음파 시스템 - Google Patents

광학 공동을 통합한 피코초 초음파 시스템 Download PDF

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Abstract

샘플(930)을 특성화하기 위한 방법이 개시된다. 이러한 방법은 전자기 방사선의 제1 펄스(1012)가 샘플(930)의 표면에 인가하여 이 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하는 단계를 포함한다. 제2 전자기 방사선의 제2 펄스(1015)가 샘플(930)의 표면에 인가되어 전파하는 변형 펄스를 인터셉트한다. 제1 및 제2 펄스는 광학 공동(50)을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 샘플(930)의 표면 위에 배치되는, 반사체(933)와 같은 구조체를 통해 인가되며; 이러한 공동(50)은 제2 전자기 방사선(1015)의 파장에 관련되는 폭을 가진다. 본 방법은 샘플(930)로부터 반사되는 제2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 단계를 포함한다. 이와 같은 반사에서 검출된 광학 특성(특성들)은 샘플의 특성과 연관된다. 장치, 컴퓨터-판독가능 매체 및 구조체(933)도 기술된다.

Description

광학 공동을 통합한 피코초 초음파 시스템 {Picosecond ultrasonic system incorporating an optical cavity}
본 발명은 박막이나 기타 작은 구조체의 특성을 결정하거나 물질 표면의 특성을 검사하기 위한 초음파 측정을 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
피코초(picosecond) 초음파 기술에서는, 단 광 펄스(short light pulse)("펌프(pump)")가 검사될 샘플의 표면에 지향된다. 이러한 광이 흡수되면 표면 근방의 물질의 온도가 약간 상승하고 열적 응력이 형성된다. 이러한 응력은 샘플 내부로 변형 펄스(strain pulse)를 가하게 된다. 변형 펄스는 마주치게 되는 각각의 경계면(interface)에서 부분적으로 반사되어, 샘플 표면을 향해 되돌아 전파되는 반사 펄스(reflected pulse)를 발생시키게 된다. 이와 같이 돌아오는 변형 펄스 중 하나가 샘플 표면에 도달하게 되면, 구조체의 광학적 반사율의 변화를 야기하게 된다. 이러한 변화는 시간-지연된 광 펄스(time-delayed light pulse)("프로브(probe)")에 의해 측정된다. 이러한 기술로 인해서 넓은 범위의 박막 및 나노 구조에 대한 초음파 실험을 실행할 수 있게 된다. 이로써 기판 상의 박막 스택(stack)의 특성을 측정하는 것이 가능하고, 또한 측방향으로 패터닝된 막을 검사하는 것도 가능하게 된다.
피코초 초음파 기술은 박막, 특히 금속이나 기타 불투명한 막의 두께에 대한 비-파괴 측정(non-destructive measurement)을 실행하는데 사용될 수 있다. 음향 펄스가 막을 통해 일주(round trip)하는데 걸리는 시간(τ)이 측정된다. 이러한 시간은 2d/v1인데, 여기서 d는 막의 두께이고, v1은 종방향 음속이다.
대부분의 물질에 대한 음속은 잘 알려져 있다. 기타 측정으로부터 v1이 알려져 있지 않은 물질에 대해서는, 피코초 초음파 기술을 사용하여 v1을 대개 추정할 수 있다. 예를 들어, 막과 기판 사이의 경계면에서 변형 펄스의 반사 계수(reflection coefficient)의 측정은 음속을 추정하는데 이용될 수 있다. 막(1)과 기판(2) 사이의 경계면에서 음향의 반사 계수(r12)는 다음 수학식 1에 의해 주어진다:
Figure 112009036887375-PCT00001
여기서 Z1 = ρ1v1이고 Z2 = ρ2v2이며, ρ1 및 ρ2는 막과 기판의 질량 밀도이며, v1과 v2는 그 음속이다. 따라서, 밀도값들과 기판에서의 음속, v2가 알려져 있다고 가정하면, r12의 측정은 막에서의 음속, v1을 결정하는데 사용될 수 있다.
대안적으로, 하나의 샘플 내에서의 초음파 일주 시간의 측정이 이루어질 수 있고, 이후 그 샘플의 두께가 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy)에 의하여 측정될 수 있다. 이는 특정 샘플을 파괴하게 되나, 동일한 재료로부터 마련된 다른 샘플의 두께를 결정하는데 이후 사용될 수 있는 음속값을 제공한다.
막 두께의 결정에 추가하여, 피코초 초음파 방법은 박막 재료의 다른 특성을 결정하는데 이용될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니지만, 여기에는 결정 크기(grain size), 결정 배향(grain orietation), 막과 기판 사이의 접착력, 막 재료 내에서의 위상 변이, 전기 및 열 전도성과 전자이동(electromigration)의 결정이 포함된다.
결정 크기 및 배향과 관련하여, 샘플의 결정 크기는 전파하는 음향 펄스의 감쇠(attenuation)를 초래한다. 이러한 감쇠는 주파수에 따른 변화를 가지며, 이는 음향 펄스가 전파됨에 따라 음향 펄스의 형태에서의 변화를 초래하게 된다. 따라서, 박막 내부에서 이리저리 튀는(bounching) 음향의 연속적인 에코의 형태는 상이할 것이며 이러한 형태의 변화는 막 재료의 결정 크기에 관한 정보를 주게 된다. 또한, 통상적인 피코초 초음파 측정에서, 광학 반사율에서의 검출된 변화는 (A) 전파하는 변형 펄스로부터 발생하며, 이와 함께 (B) 광이 흡수되는 막의 일시적인 온도 변화와 (C) 펌프 광 펄스가 흡수된 직후에 발생하는 전자 분포에서의 갑작스런 변화로부터 함께 추가적으로 기여하여 발생한다. 이러한 3개의 성분은 각각이 시간에 따라 상이한 특징적 변화를 가진다는 점에서 구별될 수 있다. 이러한 3가지 기여(contributions)의 상대적인 크기의 비교를 통해서 샘플의 결정 배향을 추론하는 것이 가능하다.
접착력의 측정과 관련하여, 막이 기판이나 인접한 막에 양호하게 부착되면, 경계면에서의 음향 반사는 위 수학식1에서 이미 주어진 음향 부조화(acoustic mismatch) 공식에 의해 주어진다. 이러한 반사 계수는 주파수에 독립적이다. 불완전하게 부착된 막에 있어서, 반사 계수는 보통 더 클 것이며 주파수에 따라 변할 것이다. 통상적으로, 반사 계수는 더 높은 주파수에서 더 크게 된다. 주파수에 따른 반사 계수의 변화는 반사된 음향 펄스 형태의 변화를 초래하며, 이러한 형태의 변화는 접착력에 대한 정보를 얻도록 분석될 수 있다.
막을 구성하는 재료의 상(phase)의 변화는 여러 방식으로 검출될 수 있다. 통상적으로는 음속의 변화가 있을 것이다. 초음파 에코의 형태 및 크기가 변할 것이다. 또한, 통상적으로 전자 분포에서의 변화와 순간적인 온도 변화(결정 배향 하에서 언급된 (B) 및 (C) 참조)로부터 발생하는 반사율에서의 측정된 변화의 성분의 변화가 있을 것이다.
전기 및 열 전도도와 관련하여, 펌프 펄스가 샘플 내에 흡수되면, 에너지가 표면에 근접한 전자에 우선적으로 주어진다. 이러한 전자는, 에너지를 잃고 그 에너지를 음자(phonons)에 전달(열적 격자 진동(thermal lattice vibration))하기 전에, 물질의 내부로 빠르게 확산한다. 이러한 확산이 일어나는 거리는 생성되는 음향 펄스의 형태에 영향을 준다. 음향 펄스 형태의 측정을 통해 전자가 확산하는 속도를 추정할 수 있으며, 이로부터 전기 및 열 전도도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 높은 전도도의 충분히 얇은 금속 박막의 경우에, 전자는 그 에너지를 격자에 전달하기 전에 막의 두께 전체에 걸쳐 확산할 수 있다. 이러한 경우에 음향 펄스는 막의 전방 및 후방 모두로부터 생성된다. 전방 및 후방 펄스의 상대적인 크기는 전 도도와 관련된다.
마지막으로, 금속 막에 전류가 흐르면, 전자이동이 막의 일정 영역의 두께가 시간에 따라 변화하게 할 수 있다. 따라서, 전자이동은 막 두께의 변화를 정밀하게 측정함으로써 검출될 수 있다.
상기한 방법들은, 예를 들어 반사된 프로브 펄스의 강도 변화의 측정과 같이, 인가된 시간-지연된 프로브 광 펄스에 의한 샘플의 광학 반사율 변화의 정밀 측정에 의존한다. 반사된 프로브 펄스 강도에서의 변화에 대한 측정 대신에, 반사된 프로브 펄스의 위상 변화, 반사된 프로브 펄스의 편광(polarization) 변화, 반사된 프로브 펄스의 방향 변화에 대한 측정이 이루어질 수 있으며, 그리고 부분적으로 투명한 샘플의 경우에는 투과된 프로브 펄스의 강도 변화에 대한 측정이 이루어질 수 있다.
요컨대, 종래의 피코초 초음파 기술에서, 프로브 광이 샘플의 표면에 지향되어 반사된 프로브 광의 강도 또는 다른 속성(전술한 내용 참조)이 측정된다. 이러한 종래의 피코초 초음파 기술 및 장치를 기재한 특허의 예로는, 미국 특허 제 5,748,317호(광학 열 발생기 및 검출기를 이용하여 박막 및 경계면 특성의 특성화); 미국 특허 제 5,748,318호(광학 응력 발생기 및 검출기); 미국 특허 제 5,959,735호(향상된 광학 응력 발생기 및 검출기); 미국 특허 제 5,864,393호(박막 내의 응력); 미국 특허 제 5,844,684호(재료의 기계적 특성); 미국 특허 제 6,038,026호(박막 내의 결정 크기); 미국 특허 제 6,025,918호(전자이동); 미국 특허 제 6,317,216호(입자 배향); 및 미국 특허 제 6,321,601호(집적회로(IC) 내의 측면-패터닝된 샘플의 특성화) 등이 있다.
본 발명에 따른 하나의 예시적 실시예는 상술한 종래의 피코초 초음파 기술 및 장치를 향상시킨 것이다. 이러한 향상은 프로브 광 빔이 샘플 표면으로부터 여러 번 반사되도록 하는 광학 공동을 특징으로 한다. 결과적으로, 반사된 프로브 빔의 강도(또는 다른 속성) 전체 변화는, 종래의 장치에서와 같이 프로브 광이 단지 한 번만 반사되었을 경우 발생하는 반사율의 변화와 비교하여 실질적으로 증대된다.
따라서, 본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예는 샘플 표면 특성을 비-파괴방식으로 측정하기 위한 향상된 광학 발생 및 검출 시스템을 포함하며, 이러한 향상은 샘플의 상부 표면 위에서 이에 대해 평행하게 프로브 광 사이에 배치되며 프로브 광이 반사체를 통해 샘플의 표면으로 지향될 수 있게 그리고 샘플 표면으로부터 여러 번 반사될 수 있게 형성되는 반사체를 포함한다. 이와 같이 샘플 표면 위에 반사체를 배치함으로써 광학 공동이 생성된다.
본 발명에 따른 추가의 예시적인 실시예는 샘플 특성화 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 단계를 포함한다. 제2 전자기 방사선의 제2 펄스는 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트(intercept)하도록 상기 샘플의 표면에 인가된다. 상기 방법은 상기 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 단계를 포함한다. 상기 반사에 대해 검출된 광학 특성은 상기 샘플의 특성과 연관된다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 인가된다.
본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예는 샘플 특성화 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 제1 서브시스템을 포함한다. 제2 서브시스템은 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선의 제2 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가할 수 있다. 상기 장치는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 포함한다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 구조체를 통해 인가된다. 상기 검출 서브시스템은 샘플로부터 상기 제2 펄스의 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출한다. 상기 장치는 또한, 상기 반사에 대한 적어도 하나의 검출된 광학 특성을 상기 샘플의 특성과 연관시키는 연관(associating) 서브시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 추가의 예시적인 실시예는 컴퓨터-판독가능한 명령 프로그램으로 구현되는 컴퓨터-판독가능 매체에 관한 것이다. 상기 명령은 작동을 수행하기 위해 처리 유닛에 의해 실행될 수 있다. 상기 작동은 상기 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 단계를 포함한다. 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선의 제2 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 동작도 있다. 상기 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성이 검출된다. 상기 작동은 또한, 상기 반사에 대한 검출된 광학 특성을 상기 샘플의 특성과 연관시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 인가된다.
본 발명에 따른 다른 예시적인 실시예는 샘플을 특성화하기 위한 장치이다. 이러한 장치는 상기 샘플 내에 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하기 위한 수단을 포함한다. 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선의 제2 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하기 위한 수단도 포함된다. 상기 장치는 상기 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하기 위한 수단을 포함한다. 상기 반사에 대한 검출된 광학 특성을 상기 샘플의 특성과 연관시키기 위한 수단이 포함된다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 인가된다.
본 발명에 따른 추가의 예시적인 실시예는 반사체이다. 이러한 반사체는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 마주보는 제2 표면을 가지는 기판을 포함한다. 적어도 하나의 부분적 반사성 막은 상기 기판의 제2 표면 상에 증착된다. 상기 반사체는 펄스가 샘플과 여러 번 상호 작용하도록 상기 펄스를 반사시킴으로써 샘플과 상호 작용된 전자기 방사선의 펄스 내의 변화 크기를 증대시키는데 사용되도록 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적 실시예의 시스템에서 반사체 증착(deposition)을 도시한다.
도 2는 상세한 설명의 수학식 2 - 4를 설명하는 도면이다.
도 3은 반사체의 진폭 반사 계수가 -0.99 값을 가지는 경우 샘플과 반사체를 합친 것의 강도 반사 계수에서의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 4는 도 3의 값에 대한 dR/dw 의 절대값의 그래프이다.
도 5는 반사체의 진폭 반사 계수가 -0.6 부터 -0.95 까지 변할 때 샘플과 반사체를 합친 것의 강도 반사 계수가 w 에 따라 어떻게 변하는지를 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 5의 값에 대한 dR/dw 의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 샘플 표면의 단위 변위로부터 발생하는, 반사된 프로브 광 강도의 분율 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 간격 링을 구비하는 반사체의 블록 다이어그램이다.
도 9는 간격 포스트를 구비하는 반사체의 블록 다이어그램이다.
도 10은 독립된 펌프 및 프로브 빔을 구비하여 검출을 실행하기 위한 예시적 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 11은 샘플을 특성화하기 위한 방법의, 본 발명에 따른 예시적 실시예의 논리 순서도이다.
본 발명에 따른 예시적인 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 구조체("반사체(reflector)")(933)가 샘플(930)의 상부에 위치한다. 샘플(930)은 기판(27) 상에 증착된 금속 막(25)으로 이루어진다. 반사체(933)는 그 하부 표면(740) 상에 증착된 하나 이상의 박막(720)과 함께 기판(710)을 포함한다. 막 또는 막들(720)은 금속 또는 유전체 재료(dielectric material) 또는 이들 둘의 조합으로 구성될 수 있다. 최하부 막(720)의 바닥과 샘플(930)의 최상부 표면 사이의 간격은 제어되며, 반사체(933)의 하부 표면(740)과 샘플(930)의 상부 표면(931) 사이의 광학 공동(optical cavity)(50)을 형성한다.
펌프 광 펄스(1012)가 반사체(933)를 통하여 샘플(930) 상으로 지향된다. 이는 막 표면의 갑작스런 가열을 발생시키며 이로써 막 샘플(930)의 표면 근방의 물질이 팽창한다. 결과적으로, 변형 펄스(strain pulse)가 샘플(930) 내부로 가해지게 된다.
변형 펄스는 표면(931)으로부터 멀리 막(25)의 체적 내부로 전파할 수 있다. 이러한 펄스는 막(25)과 기판(27) 사이의 경계면에서 부분적으로 반사될 수 있으며, 막(930)의 자유 표면(931)으로 되돌아올 수 있다. 펄스가 되돌아오면, 이러한 펄스는 샘플 표면(931)의 광학 반사율에 일시적인 변화를 야기할 수 있고, 또한 샘플 표면(931)의 일시적인 변위(displacement)를 야기할 수 있다. 상기 표면의 이러한 변위는 반사체(933)의 최하부 막(720)의 하부 표면과 상기 표면 사이의 간격을 변경시킬 수 있다. 반사체(933)는, 돌아오는 변형 펄스가 반사체(933)의 위치를 실질적으로 변화시키지 않도록, 샘플 표면(931)의 위에 장착될 수 있다.
돌아오는 음향을 검출하기 위하여, 프로브 광 펄스(1015)가 반사체(933)를 통해 샘플(930)을 향해 지향된다. 반사되는 프로브 광(1015)의 강도(intensity)(R)는 펌프 광 펄스(1012)와 프로브 광 펄스(1015) 사이의 시간 지연(t)의 함수로서 측정된다. 프로브 광 펄스(1015)를 인가한 시각이 변형 펄스가 샘플(930)의 표면으로 돌아오는 시각과 일치하게 되면, 반사되는 프로브 광(1015)의 강도 변화(ΔR)가 검출될 것이다.
광학 공동(50)의 기능은 반사되는 프로브 펄스(1015)의 이러한 강도 변화의 크기를 증대시키는 것, 보다 구체적으로는 ΔR/R의 값을 높이는 것이다. 반사체(933)의 광학 반사율 및 샘플(930)의 최상부 표면으로부터의 반사체의 간격(w)을 적절한 방식으로 선택함으로써, 반사체(933)가 없었다면 가졌을 값에 비해 ΔR/R의 값을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 증대(enhancement)는 광학 공동(50)이 공진(resonance)에 가까운 상태에 있을 때 발생한다. 이러한 상태에서는, 프로브 광(1015)의 일부가 반사체(933)를 통과하여 반사체(933)와 샘플(930)의 표면 사이의 공간에 갇히게(trapped) 된다. 프로브 광(1015)은 이러한 공간 내에서 이리저리 튀어(bounce) 샘플(930)의 표면 상의 금속 막(25)의 표면에서 수차례 반사된다. 금속 막(25)에서의 각각의 반사에서 에너지의 일부가 손실되고 광도 반사체(933)를 통해 빠져나가게 된다.
도 2를 참조하면, 반사체(933)가 위치 z=0에 배치되며 샘플 표면(931)은 z=w에 위치한다. 왼쪽 및 오른쪽으로부터의 반사체(933)의 반사 계수는 각각 rL 및 rR이다. 왼쪽 및 오른쪽으로부터의 상응하는 투과 계수(transmission coefficients)는 tL 및 tR이다. 샘플(930)의 반사 계수는 rS이다. 전체 구조체(반사체(933)에 샘플(930)을 합친 것)로부터의 반사 계수는 r이며, 다음과 같다:
Figure 112009036887375-PCT00002
Figure 112009036887375-PCT00003
Figure 112009036887375-PCT00004
여기서 k=2π/λ이며 λ는 자유 공간 내의 광 파장이다. 강도 반사 계수 R=｜r｜2이다.
위의 식은 프로브 광(1015)이 수직 입사(normal incidence)에 있는 경우에 적용되며; 광이 사각 입사(oblique incidence)에 있는 경우에는 좀더 복잡하지만 유사한 공식이 적용된다.
본 발명에 따른 예시적인 실시예의 작동을 설명하기 위하여, 구리 막 상에서의 측정에 적용하는 것을 고려하자. 구리의 광학 반사율은 다수의 연구자에 의해 연구되어 왔으며 표면 준비 기술 및 측정 방법에 따라 약간 상이한 결과가 얻어졌다. S. Roberts, Phys. Rev. 118, 1509(1960)의 것과 같은 측정이 800 nm의 파장에서 진공에 있는 고 연마된(highly-polished) 구리 표면의 강도 반사 계수가 0.98보다 크다고 보임으로써, rS의 크기가 0.99 또는 그보다 크다는 것을 암시한다.
반사체(933)의 진폭 반사 계수 rL = rR가 -0.99 값을 가지도록 이용하면; 구조체(반사체(933)에 샘플(930)을 합친 것)의 강도 반사 계수는 도 3에 도시된 바와 같이 구리 막의 표면과 반사체(933) 사이의 간격(w)에 따라 변화된다. 간격(w)이 4000Å 주위의 범위에 있는 경우에, 반사율이 간격(w)의 작은 변화에도 극히 민감한 것을 알 수 있다. 변형 펄스가 구리 막 내에 생성되어, 기판으로의 경계면에서 반사한 이후에, 구리 막의 표면으로 돌아오면, 샘플(930)의 표면이 변위된다. 이러한 표면 변위는 시간-지연된 프로브 광 펄스(1015)에 의해 측정될 수 있는 광학 반사율의 용이하게 측정할 수 있는 변화를 야기할 수 있다.
-0.99의 반사 계수를 가지는 반사체(933)를 선택함으로써 샘플(930)의 표면이 이동할 때 전체 반사율의 매우 큰 변화를 야기시키고 있지만, 관심의 대상인 모든 샘플에 대해 이와 같은 시스템을 사용하는 것은 어려울 수 있다. 간격(w)이 4000Å 주위의 매우 좁은 범위 내에 있으면 큰 증대(enhancement)가 일어난다. 이는 dR/dw의 절대값을 도시하는 도 4에 나타나 있다.
4000Å 주위의 범위에서, 공동(50) 간격은 광 파장의 대략 절반이며 공동(50)은 공진 상태에 있다(그러나 공진은 공동 간격이 반파장의 정수배: nλ/2에 있을 때에는 언제나 발생할 수 있다). 반사체(933)의 반사율이 1에 가까운 크기를 가지면, 광학 공동(50)의 퀄리티 팩터(quality factor)(Q)가 크며, 따라서 공진이 매우 뚜렷하게 된다. 이와 같이 뚜렷한 공진(sharp resonance)의 장점을 이용하기 위해서는, 반사체(933)와 샘플(930) 사이의 간격이, 펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)이 조사되는 샘플 표면(931)의 영역에 걸쳐, 매우 작은 양(수 Å 미만)만큼 변화하는 것이 바람직하다. 펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)을 약 1 마이크론보다 작은 측면 치수를 가지는 지점 상으로 초점을 맞추기는 어렵다. 따라서, 적어도 1 마이크론의 치수를 가지는 영역에 걸쳐 샘플(930)이 수 Å까지 평평해야만 한다. 샘플 표면(931)이 반사체(933)에 대해 정확하게 평행한 것이 바람직하다.
이러한 이유로 인해서, 더 작은 크기의 진폭 반사 계수를 가지는 반사체(933)를 이용하는 것이 종종 유리하다. 게다가, 일부 시간 동안 대기에 노출된 구리 막의 반사율은 Roberts가 연구한 샘플보다 다소 더 낮은 반사율을 가질 수 있다.
도 5는 일련의 상이한 파라미터 값 rL = rR에 대해서, 구조체(반사체(933)에 샘플(930)을 합친 것)의 강도 반사 계수가 w에 따라 어떻게 변하는지를 도시한다. 선택된 값은 -0.6, -0.7, -0.8, -0.9, 및 -0.95였고, 구리에 대한 진폭 반사 계수는 -0.94로 취급되었다.
도 6은 dR/dw의 크기를 도시하며, 도 7은
Figure 112009036887375-PCT00005
을 도시한다. 이러한 양은 샘플 표면(931)의 단위 변위로부터 초래되는 반사된 프로브 광(1015)의 강도의 분율 변화(fractional change)를 나타낸다.
이러한 도면으로부터 반사체(933)에서 진폭 반사 계수의 크기가 감소함에 따라
Figure 112009036887375-PCT00006
의 최댓값이 감소한다는 것을 알 수 있다. 그러나
Figure 112009036887375-PCT00007
의 감지할 수 있는 값이 존재하는 w의 범위는 증가한다.
따라서, 거친 샘플 표면에 대해서는 부드러운 샘플(930)에 유리할 수 있는 것보다 더 작은 크기의 진폭 반사 계수를 가지는 반사체(933)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 금속 막(25)의 반사 계수는 실수이기보다는 복소수일 것으로 생각된다. 그러나, 반사에 대한 위상 변이를 포함시켜도,
Figure 112009036887375-PCT00008
의 최댓값을 변화시키지는 않고, 단지 w 에 대한 R, dR/dw 및
Figure 112009036887375-PCT00009
의 그래프의 이동을 수평축을 따라 야기할 뿐이다.
주어진 계산은 표면의 작은 변위가 있을 경우에 R의 변화에 관한 것이다. 돌아오는 변형 펄스는 금속 막(25) 표면의 광학 상수에서의 변화를 야기할 수도 있으며, 이는 R의 변화를 초래할 수 있다. 이러한 변화는 수학식2로부터 쉽게 계산될 수 있다. 반사되는 프로브 펄스 강도의 변화 dR은, 공동(50)이 공진 상태에 가깝도록 하는 광학 공동(50)의 폭(w)에서 최대가 될 수 있다. 변화 dR는 샘플 표면(931) 에서의 진폭 반사 계수의 위상 변화 및 크기 변화 모두로부터 발생할 수 있다.
반사체(933) 및 샘플(930) 표면 사이의 간격(w)을 적절히 선택함으로써, 프로브 펄스(1015)의 반사된 강도의 측정된 변화 dR이 주로 샘플 표면(931)의 변위에 기인한 w의 일정량의 변화가 되도록 하거나 또는 주로 샘플 표면(931)에서의 반사 계수의 일정량의 변화가 되도록 할 수 있다.
상기한 내용은 측정된 양이 반사된 프로브 광(1015)의 강도 변화인 시스템을 고려한 것이다. 반사된 프로브 펄스(1015)의 위상 변화를 측정하는 것, 반사된 프로브 펄스(1015)의 편광 변화를 측정하는 것, 반사된 프로브 펄스(1015)의 방향 변화를 측정하는 것, 그리고 부분적으로 투명한 샘플의 경우에는 투과된 프로브 펄스(1015)의 강도 변화를 측정하는 것도 본 발명의 범위 내에 속한다.
펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)에 대해 상이한 파장을 이용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 프로브 광(1015)의 파장은, 샘플(930)의 반사율이 높게 되도록 하는 것이 유리하다. 이러한 상황에서는, 프로브 광(1015)이 샘플(930)로부터 여러 번 반사될 수 있는, 높은 퀄리티 팩터를 가지는 광학 공동(50)을 만드는 것이 가능하다. 펌프 광의 파장은, 반사체(933)를 통한 펌프 광의 투과가 크게 되도록 선택될 수 있다. 일부 상황에서는, 펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)을 상이한 입사각(α1, α2)으로 샘플(930)로 인가하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 프로브의 입사각(α1)은 반사체(933)의 반사율이 높도록(이는 효과적인 광학 공동(50)을 형성하는데 필요하다) 선택되는 반면, 펌프(1012)는 펌프 광(1012)의 대부분이 반사 체(933)를 통해 투과하여 샘플(930)에 도달하도록 상이한 입사각(α2)에서 지향될 수 있다.
펌프(1012) 및 프로브 광(1015)의 파장은 100 마이크론 내지 0.1 마이크론 사이의 범위에 놓일 수 있다. 펌프(1012) 및 프로브 광 펄스(1015) 각각의 에너지는 10-14J 내지 10-3J 사이의 범위에 놓일 수 있다. 펌프(1012) 및 프로브 광(1015) 각각의 지속기간(duration)은 10-14s부터 10-6s까지의 범위에 놓일 수 있다.
펌프(1012) 및 프로브 광 펄스(1015)는 단일 레이저 또는 두 개의 독립된 레이저로부터 제공될 수 있다. 펌프(1012) 및 프로브(1015)가 동일한 레이저로부터 발생되는 경우 이들의 타이밍이 동기화될 수 있다. 각각의 변형 펄스를 생성하는데 사용되는 펌프 펄스 및 변형 펄스를 검출하는데 사용되는 프로브 펄스 사이의 시간 지연은 조절가능한 광학 경로에 의해 제어될 수 있다. 시간 지연은 광학 경로 내에 가변 위치 스테이지(variable position stage)를 제공함으로써 변경될 수 있다.
두 개의 레이저가 사용되면, 이들은 동기화될(synchronized) 수 있으며, 이러한 경우에 시간 지연은 양 펄스가 단일 레이저로부터 발생될 때 사용되는 것과 동일한 방법에 의해 제어될 수 있다. 두 개의 레이저가 동기화되지 않으면, 비동기식 검출(asynchronous detection; AD)로 언급되는 다른 시스템이 사용될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 펌프 레이저는 프로브 레이저의 반복 주파수(repetition frequency)보다 약간 더 큰 반복 주파수를 가진다. 예를 들어, 펌프 레이저의 주파수는 100.01MHz이고 프로브 레이저 주파수는 100MHz일 수 있다. 이러한 경우, 시간 이 흐름에 따라, 펌프 펄스(1012) 및 다음 프로브 펄스(1015) 사이의 시간 지연은 작고 일정한 속도로 증가하여, 연속된 프로브 광 펄스(1015) 사이의 10 nsec의 시간과 대략 동일한 최댓값에 도달하며, 이후 적은 값으로 되돌아가 다시 증가하게 된다. 순간 기록기(transient recorder)로 반사되는 프로브 광(1015)의 강도(또는 다른 속성)를 기록함으로써 측정이 이루어진다. 이러한 측정 방법의 상세한 내용에 대해서는 A. Bartels 등의 "Femtosecond time-resolved optical pump-probe spectroscopy at kHz-scan-rates over ns-time-delays without mechanical delay line", Appl. Phys. Lett. 88, 041117 (2006)을 참조하라.
펌프(1012) 및 프로브 광(1015) 빔은, 거울, 렌즈, 프리즘 등과 같이 빔을 안내하기 위한 표준 광학 부품을 이용하여 반사체(933)에 샘플(930)을 합친 것에 인도될 수 있다. 펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)의 위치는 자동-초점 시스템(auto-focus system)을 이용하여 제어될 수 있다. 하나 또는 그보다 많은 광학 섬유를 이용하여 광을 샘플(930)로 인도하는 것도 본 발명의 범위 내에 속한다. 광학 섬유는 W.S. Capinski와 H. J. Maris의 "Improved apparatus for picosecond pump-and-probe optical measurements", Reivew of Scientific Instrument, 67, 2720(1998)에 기재된 것과 같이, 샘플(930) 상의 빔의 초점맞춤(focusing)을 유지하는데 사용될 수 있다.
여기에서 나열된, 본 발명에 따른 유용한 실시예들은 구리 및 알루미늄과 같은 금속성 막의 특성 측정에 관한 것이지만, 본 발명은 이러한 물질의 검사에만 제한되는 것은 아니다. 샘플(930)이 높은 광학 반사율을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 샘플(930)은 다음의 어느 것으로도 구성될 수 있다:
1) 상이한 두께의 일련의 금속 막(25)이 이어지는 기판(27). 최상부 금속 막의 자유 표면에서 변형 펄스가 생성된다. 이러한 변형 펄스는 샘플(930) 내부로 전파하여 각각의 경계면에서 부분적으로 반사된다. 이는 샘플(930)의 상부 표면으로 돌아오는 일련의 에코를 초래한다.
2) 상이한 두께의 일련의 금속 막(25) 및 이후 투명막이 이어지는 기판(27). 마찬가지로 최상부 금속 막의 자유 표면에서 변형 펄스가 다시 생성된다. 펌프 광 펄스(1012)의 흡수는 최상부 금속 막 내에 응력이 형성되도록 한다. 이러한 응력은 하부 금속 층을 통해 아래로 전파하는 하나의 변형 펄스가 생성되도록 하며 투명막 내부로 전파하는 제2 변형 펄스가 생성되도록 한다. 이러한 두 개의 변형 펄스는 마주치게 되는 각각의 경계면에서 부분적으로 반사될 수 있다. 구조체의 반사율 변화(ΔR)의 분석은 이 구조체 내의 각각의 막의 두께 및 기타 특성에 관한 정보를 제공한다.
3) 측방향으로 패터닝된 금속 막 또는 막들(25)이 상부에 증착되는 기판(27). 이는, 예를 들어 샘플(930)을 가로질러 연장되는 일련의 라인(line)을 형성하도록 패터닝된 금속 막을 포함한다. 이러한 구조체는 높은 광학 반사율을 가질 수 있으며, 따라서 검출된 신호 ΔR은 광학 공동(50)을 이용하여 실질적으로 증가될 수 있다.
샘플(930) 내에 변형 펄스가 생성된 이후에 샘플 표면(931)의 변위를 측정하기 위해 몇몇 형태의 간섭계(interferometer)가 사용되는 방법과 본 발명 간의 차이점을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어 Michelson, Sagnac, 등과 같이 몇 가지 상이한 유형의 사용 가능한 간섭계가 있다. 이러한 간섭계가 사용되면, 샘플의 표면으로부터 반사되는 프로브 광(1015)은 기준 빔(reference beam)과 간섭하게 된다.
이러한 기준 빔은 다양한 방식으로 선택될 수 있다. 이는 샘플(930)로부터 반사되지 않은 빔일 수 있거나, 변형 펄스가 전파하고 있는 지점과는 다른 지점에서 샘플(930)로부터 반사되는 빔일 수 있거나, 변형 펄스가 샘플 표면(931)에 충돌하지 않은 시각에 샘플(930)로부터 반사된 빔일 수 있다. 그러나 모든 경우에 있어서, 간섭은 변형 펄스의 도착 시각에서 샘플(930)의 표면으로부터 반사된 프로브 빔(1015)과 변형 펄스의 존재에 의해 진폭과 위상이 영향을 받지 않는 제2 빔 사이에서 이루어진다.
대조적으로, 본 발명에서 광학 공동(50)은 프로브 빔이 샘플(930) 표면으로부터 여러 번 반사될 수 있도록 하여, 반사된 프로브 빔(1015)의 특성에서 큰 전체 변화를 야기한다. 이와 관련하여, 광 파장이 8000Å이고 광학 공동(50) 간격(w)이 4000Å이면, 샘플(930)의 표면에서 프로브 광(1015)의 연속된(successive) 반사 사이의 시간은 2.7fs라는 점이 확인된다. 따라서 프로브 광(1015)의 이러한 모든 반사는, 돌아오는 변형 펄스로 인한 샘플(930) 표면의 위치 변화가 매우 작은, 매우 짧은 시간 범위(예를 들어, 30fs) 내에서 일어난다.
반사체(933)의 정렬 및 간격은 샘플(930)의 표면에 정확하게 평행하도록 잘 제어될 수 있다. 결과적으로, 반사체(933)는 샘플(930)의 상부 표면 및 반사 체(933)의 하부 표면을 평행하게 정렬시키고 유지하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이를 달성할 수 있도록 다양한 범위의 가능한 반사체(933) 디자인이 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이 반사체(933)는 샘플(930)에 인접하는 표면, 예를 들어 하부 표면 상에 도드라진 링(310)을 가질 수 있으며, 링(310)의 두께는 간격(w)을 설정한다. 펌프 및 프로브 빔은 링(310) 내의 영역으로 지향된다. 대안적으로, 도 9에 도시된 바와 같이 다수의 포스트(315)가 존재할 수 있으며 펌프(1012) 및 프로브 빔(1015)이 포스트 사이의 영역으로 지향될 수 있다.
표면의 평행한 간격(예를 들어, 링(310) 또는 포스트(315)가 차지하는 영역)을 유지하기 위한 수단 내의 영역에 변형 펄스가 생성되므로, 변형 펄스의 여기(excitation) 및 전파가 반사체(933)의 이동을 초래하지 않을 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다.
도 10을 참조하면, 독립된 펌프 및 프로브 빔으로 검출을 수행하기 위한 예시적인 시스템(1000)이 도시되어 있다. 시스템(1000)은 레이저(1010) 및 거울(911, 912, 913, 914)을 포함한다. 시스템(1000)은 레이저(1010)로부터의 하나의 광 빔(1014)으로부터 펌프 빔(1012) 및 프로브 빔(1011) 모두를 생성하는 스플리터(splitter)(1013)를 포함한다. 거울(912, 913)은 펌프 빔(1012) 및 프로브 빔(1011) 사이의 시간 지연을 생성하기 위해 이동할 수 있다. 거울(911-914)은 시간 지연 메커니즘(980)을 형성한다. 거울(911-914)은 시간 지연 메커니즘(980)의 단지 하나의 예일 뿐이며, 프로브 빔(1011)과 펌프 빔(1012) 사이의 지연을 조정하기 위한 어떠한 메커니즘도 사용될 수 있다. 이 예에서는, 시간 지연 메커니 즘(980)의 위치를 설정함으로써 지연이 조정된다.
시스템(1000)은 또한 편광자(polarizers)(P2(915), P1(916)), 분광기 (analyzer)(935) 그리고 데이터 취득 및 분석 모듈(940)(이는 이 예에서 도시되지 않은 검출기를 포함한다)을 포함한다. 펌프 빔(1012) 및 프로브 빔(1011)은 반사체(933)를 통해서 특정 입사각(α1, α2)에서 샘플(930)의 표면(931) 상으로 지향된다.
이 예에서, 프로브 빔(1011)은 경로(981)를 따름으로써 시간 지연 메커니즘(980)을 우회할 수도 있다는 점을 주목하자. 경로(981)는 거울(911, 914)을 제거하거나 또는 거울이 프로브 빔(1011)을 방해하지 않도록 거울(911, 914)을 이동시킴으로써 형성될 수 있다. 렌즈(1038)는 샘플(930)의 표면(931) 상에 펌프 빔(1012) 및 프로브 빔(1011)을 초점 맞추는데 사용된다. 시스템(1000)은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 시스템의 비-제한적 예로서, 예시적인 것임을 이해해야 한다.
도 11은 샘플(930)을 특성화(characterizing)하기 위한 방법에 관한 본 발명의 일 실시예에 따른 논리 순서도이다. 블록(1200)에서, 전자기 방사선의 제1 펄스가 샘플의 표면 상에 가해져서 이 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성시킨다. 블록(1210)에서, 제2 전자기 방사선의 제2 펄스가 샘플의 표면에 가해져서 전파하는 변형 펄스를 인터셉트한다. 제1 및 제2 펄스는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 가해지며; 이러한 공동은 제2 전자기 방사선의 파장에 관련되는 폭을 가진다. 블록(1220)에서, 샘플로부터 반사되는 제2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성이 검출된다. 이와 같은 반사에서 검출된 광학 특성(특성들)은 블록(1230)에서 샘플의 특성과 연관된다.
본 발명에 따른 추가의 예시적인 실시예는 샘플 특성화 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 단계를 포함한다. 제2 전자기 방사선의 제2 펄스는 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 상기 샘플의 표면에 인가된다. 상기 방법은 상기 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 단계를 포함한다. 상기 반사에 대해 검출된 광학 특성(특성들)은 상기 샘플의 특성과 연관된다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 인가된다.
전술한 상기 방법의 추가의 실시예에서, 상기 제2 펄스의 검출된 광학 특성(특성들)은 상기 샘플의 표면과 상기 구조체 사이의 다중 반사 후에 검출된다.
전술한 상기 방법의 어떤 다른 실시예에서, 상기 구조체는 상기 샘플의 표면에 상대적으로 평행하게 배치된다.
전술한 상기 방법의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 구조체는 상기 제2 펄스가 상기 광학 공동 내에서 공진될 수 있는 거리에 배치된다. 상기 거리는 대략 샘플로부터 프로브 광 빔의 1/2 파장의 정수배가 될 것이다.
전술한 상기 방법의 어떤 다른 실시예에서, 상기 샘플은 상기 제1 및 제2 펄스가 인가되는 영역 내에서 상대적으로 평평하다.
전술한 상기 방법의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 방법은 또한, 상기 제1 및 제2 펄스에 대한 입사각을 선택하는 단계를 포함한다. 상기 입사각은 상기 구조체의 반사율에 기초하여 선택된다. 또한, 상기 제1 펄스에 대한 입사각은 상기 구조체를 통한 제1 펄스의 투과 효과를 감소시키도록 선택될 수 있다. 상기 제2 펄스에 대한 입사각은 상기 제2 펄스와 관련한 상기 구조체의 반사율이 높게 되도록 선택될 수 있다.
전술한 상기 방법의 어떤 다른 실시예에서, 상기 방법은 또한, 상기 구조체를 통한 투과 효과를 감소시키도록 상기 제1 펄스에 대한 파장을 선택하는 단계를 포함한다.
전술한 상기 방법의 어떤 추가의 실시예에서, 검출된 광학 특성(특성들)은 강도, 위상, 편광 및 방향 중의 어떤 것일 수 있다.
전술한 상기 방법의 어떤 다른 실시예에서, 상기 샘플의 연관된 특성은 샘플의 두께이다.
본 발명에 따른 또 다른 예시적인 실시예는 샘플 특성화 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 제1 서브시스템을 포함한다. 제2 서브시스템은 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선의 제2 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가할 수 있다. 상기 장치는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플 의 표면 위에 배치되는 구조체를 포함한다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 구조체를 통해 인가된다. 검출 서브시스템은 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출한다. 상기 장치는 또한, 상기 검출된 반사에 대한 광학 특성(특성들)을 상기 샘플의 특성과 연관시키는 연관 서브시스템을 포함한다.
전술한 상기 장치의 추가의 실시예에서, 상기 제 2 펄스의 검출된 광학 특성(특성들)은 상기 샘플의 표면과 상기 구조체 사이에서의 다중 반사 후에 검출된다.
전술한 장치의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 구조체는 상기 구조체의 하부 표면과 상기 샘플의 표면을 정렬시키는 스페이서를 포함한다. 상기 스페이서는 링 또는 포스트 세트일 수 있다. 스페이서는 또한, 상기 제2 펄스가 광학 공동 내에서 공진될 수 있는 거리에 상기 구조체를 정렬시키도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 예시적인 실시예는 컴퓨터-판독가능한 명령 프로그램으로 구현되는 컴퓨터-판독가능 매체에 관한 것이다. 상기 명령은 작동을 수행하기 위해 처리 유닛에 의해 실행될 수 있다. 상기 작동은 상기 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 전자기 방사선의 제1 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 단계를 포함한다. 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선의 제2 펄스를 상기 샘플의 표면에 인가하는 작동도 있다. 상기 샘플로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성이 검출된다. 상기 작동은 또한, 상기 검출된 반사에 대한 광학 특성(특성들)을 상기 샘플의 특성과 연관시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플의 표면 위에 배치되는 구조체를 통해 인가된다.
전술한 상기 컴퓨터-판독가능 매체의 추가의 실시예에서, 상기 제 2 펄스의 검출된 광학 특성(들)은 상기 샘플의 표면과 상기 구조체 사이에서의 다중 반사 후에 검출된다.
전술한 상기 장치의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 작동은 또한, 제1 및 제2 펄스에 대한 입사각을 선택하는 단계를 포함한다. 입사각은 상기 구조체의 반사율에 기초하여 선택된다.
전술한 상기 장치의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 작동은 또한, 상기 구조체를 통해 투과 효과를 감소시키도록 상기 제1 펄스에 대한 파장을 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 추가의 예시적인 실시예는 전자기 방사선의 펄스를 반사시키기 위한 구조체에 관한 것이다. 상기 구조체는 서로 마주보는 두 개의 표면을 가지는 기판을 포함한다. 적어도 하나의 부분적 반사성 막은 상기 기판의 하나의 표면 상에 증착된다. 상기 구조체는 펄스가 샘플과 여러 번 상호 작용하도록 상기 펄스를 반사시킴으로써 샘플과 상호 작용된 전자기 방사선의 펄스 내의 변화 크기를 증대시키는데 사용되도록 구성된다.
전술한 구조체의 추가의 실시예에서, 상기 기판은 제1 전자기 방사선의 제1 펄스가 기판을 통해 샘플 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하는데 적합하며 제2 전자기 방사선의 제2 펄스가 상기 기판을 통해 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하는 데 적합하다.
전술한 구조체의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 막은 펄스가 제2 표면에 지향될 때 제2 펄스의 적어도 일부분을 반사시킨다.
전술한 구조체의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 구조체는 또한 기판의 반사 표면 상에 스페이서를 포함한다. 상기 스페이서는 링 또는 포스트 세트일 수 있다. 상기 스페이서는 또한 구조체가 샘플의 상부에 놓일 때 샘플의 상부 표면과 상대적으로 평행하도록 기판의 반사 표면을 정렬시킬 수 있다.
전술한 구조체의 추가의 실시예에서, 상기 스페이서는 구조체가 샘플의 상부에 놓일 때 샘플의 상부 표면으로부터 사전 결정된 거리에 기판의 반사 표면을 유지한다. 상기 거리는 반사된 펄스의 파장을 기초로 할 수 있다. 상기 거리는 반사된 펄스의 1/2 파장의 정수배일 수 있다. 상기 거리는 약 4000Å일 수 있다.
전술한 구조체의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 막은 금속과 유전체 재료 중 하나 또는 그보다 많은 재료로 구성된다.
전술한 구조체의 어떤 추가의 실시예에서, 상기 구조체의 반사 계수는 -0.6보다 크다. 상기 구조체의 반사 계수는 -0.99일 수 있다.
이상의 내용은 본 발명에 대한 충분하고 유익한 설명을 예시적이고 비한정적인 예에 의해 주어졌다. 그러나 첨부 도면과 청구의 범위와 관련하여 이해할 때 다수의 변형예와 적용예는 전술한 설명에 비추어 관련 분야의 당업자들에게 명확해 질 수 있다. 그러나 본 발명의 사상의 그러한 모든 변형예와 그와 유사한 모든 변형예는 당연히 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예들의 특징 중의 일부는 다른 특징들의 혼용 없이도 유리하게 사용될 수 있다. 그와 같이, 전술한 설명은 본 발명의 원리를 단지 설명하는 것으로 이해해야 하며 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안 된다.

Claims (39)

  1. 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 제1 전자기 방사선(1012)의 제1 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하는 단계;
    상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선(1015)의 제2 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하는 단계;
    상기 샘플(930)로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 단계; 및
    상기 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 상기 샘플(930)의 특성과 연관시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선(1015)의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동(50)을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플(930)의 표면 위에 배치되는 구조체(933)를 통해 인가되는 샘플(930) 특성화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성은 상기 샘플(930)의 표면과 상기 구조체(933) 사이의 다중 반사 후에 검출되는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구조체(933)는 상기 샘플(930)의 표면에 상대적으로 평행하게 배치되 는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체(933)는 상기 제2 펄스가 상기 광학 공동(50) 내에서 공진될 수 있는 거리에 배치되는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 거리는 대략 상기 제2 펄스의 1/2 파장의 정수배인 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플(930)은 상기 제1 및 제2 펄스가 인가되는 영역 내에서 상대적으로 평평한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 펄스들에 대한 입사각을 선택하는 단계를 더 포함하며, 상기 입사각은 상기 구조체(933)의 반사율에 기초하여 선택되는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 펄스에 대한 입사각은 상기 제1 펄스의 구조체(933)를 통한 투과를 감소시키도록 선택되는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 펄스에 대한 입사각은 상기 제2 펄스에 대한 상기 구조체(933)의 반사율을 증대시키도록 선택되는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체(933)를 통한 투과의 효과를 감소시키도록 상기 제1 펄스에 대한 파장을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항, 제 7 항, 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출된 광학 특성은 강도, 위상(phase), 편광 및 방향 중 적어도 하나인 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 10 항, 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플(930)의 연관 특성은 샘플(930)의 두께인 방법.
  13. 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하기 위해 제1 전자기 방사선(1012)의 제1 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하도록 구성되는 제1 서 브시스템;
    상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하기 위해 제2 전자기 방사선(1015)의 제2 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하도록 구성되는 제 2 서브시스템;
    상기 제2 전자기 방사선(1015)의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동(50)을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플(930)의 표면 위에 배치되는 구조체(933);
    상기 샘플(930)로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하도록 구성되는 검출 서브시스템; 및
    상기 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 상기 샘플(930)의 특성과 연관시키도록 구성되는 연관 서브시스템을 포함하며, 상기 제1 및 제2 펄스들은 상기 구조체(933)를 통해 인가되는 샘플(930) 특성화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성은 상기 샘플(930)의 표면과 상기 구조체(933) 사이의 다중 반사 후에 검출되는 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 구조체(933)는 상기 구조체(933)의 하부 표면과 상기 샘플(930)의 표면이 상대적으로 평행하게 정렬시키도록 구성되는 스페이서를 더 포함하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 제2 펄스가 상기 광학 공동(50) 내에서 공진될 수 있는 거리에서 상기 구조체(933)를 정렬시키는 장치.
  17. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체(933)는 상기 구조체(933)의 하부 표면과 상기 샘플(930)의 표면을 사전 결정된 거리에 유지되도록 구성되는 스페이서를 포함하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 거리는 상기 제2 전자기 방사선(1015)의 파장에 기초하는 장치.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 스페이서는 링(310)과 포스트(315) 세트 중의 하나인 장치.
  20. 컴퓨터-판독가능한 명령 프로그램으로 구현되는 컴퓨터-판독가능 매체로서, 상기 명령은 작동을 수행하도록 처리 유닛에 의해 실행가능하며, 상기 작동은
    상기 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 제1 전자기 방사선(1012)의 제1 펄스를 상기 샘플(930)에 인가하는 단계;
    상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선(1015)의 제2 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하는 단계;
    상기 샘플(930)로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 단계; 및
    상기 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 상기 샘플(930)의 특성과 연관시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 펄스는 상기 제2 전자기 방사선(1015)의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동(50)을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플(930)의 표면 위에 배치되는 구조체(933)를 통해 인가되는, 컴퓨터-판독가능 매체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성은 상기 샘플(930)의 표면과 상기 구조체(933) 사이의 다중 반사 후에 검출되는 컴퓨터-판독가능 매체.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 펄스들에 대한 입사각을 선택하는 단계를 더 포함하며, 상기 입사각은 상기 구조체(933)의 반사율에 기초하여 선택되는 컴퓨터-판독가능 매체.
  23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체(933)를 통한 투과의 효과를 감소시키도록 상기 제1 펄스에 대 한 파장을 선택하는 단계를 더 포함하는 컴퓨터-판독가능 매체.
  24. 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하도록 제1 전자기 방사선(1012)의 제1 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하는 수단;
    상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하도록 제2 전자기 방사선(1015)의 제2 펄스를 상기 샘플(930)의 표면에 인가하는 수단;
    상기 제2 전자기 방사선(1015)의 파장과 관련된 폭을 가지는 광학 공동(50)을 형성하도록 사전 결정된 거리에서 상기 샘플(930)의 표면 위에 배치되는 상기 샘플(930)의 표면 위에 공진 공동(50)을 설립하는 수단;
    상기 샘플(930)로부터 상기 제2 펄스 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 검출하는 수단; 및
    상기 반사에 대한 적어도 하나의 광학 특성을 상기 샘플(930)의 특성과 연관시키는 수단을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 펄스는 상기 공진 공동 수단을 통해 인가되는 샘플(930) 특성화 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제2 펄스의 적어도 하나의 광학 특성은 상기 샘플(930)의 표면과 상기 구조체(933) 사이의 다중 반사 후에 검출되는 장치.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 펄스 인가 수단은 제1 레이저이고, 상기 제2 펄스 인가 수단은 제2 레이저이고, 상기 공진 공동 수단은 반사체이고, 상기 검출 수단은 검출기이며, 상기 연관 수단은 처리 유닛인 장치.
  27. 제1 표면 및 상기 제1 표면과 마주보는 제2 표면(740)을 가지는 기판(710); 및
    상기 기판(710)의 제2 표면(740) 상에 증착되는 적어도 하나의 부분적 반사성 막(720)을 포함하며,
    상기 구조체(933)는 펄스가 샘플(930)과 여러 번 상호 작용하도록 상기 펄스를 반사시킴으로써 샘플(930)과 상호 작용한 전자기 방사선(1015)의 펄스 내의 변화 크기를 증대시키는데 사용되도록 구성되는 구조체.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 기판(710)은 제1 전자기 방사선(1012)의 제1 펄스가 기판을 통해 샘플(930) 내에서 전파하는 변형 펄스를 생성하는데 적합할 수 있으며 제2 전자기 방사선의 제2 펄스가 상기 기판을 통해 상기 전파하는 변형 펄스를 인터셉트하는데 적합할 수 있도록 구성되는 구조체.
  29. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서,
    상기 막(720)은 상기 펄스가 상기 제2 표면(740)에 지향될 때 상기 제2 펄스의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성되는 구조체.
  30. 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(710)의 제2 표면(740) 상에 배치되는 스페이서를 더 포함하는 구조체.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 스페이서는 링(310)과 포스트(315) 세트 중 하나인 구조체.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 구조체(933)가 상기 샘플의 상부에 놓일 때 상기 샘플(930)의 상부 표면(931)과 상대적으로 평행하도록 상기 기판(710)의 제2 표면을 정렬시키는 구조체.
  33. 제 30 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 구조체(933)가 상기 샘플(930)의 상부에 놓일 때 상기 샘플(930)의 상부 표면(931)으로부터 사전 결정된 거리에 상기 기판(710)의 제2 표면을 유지하는 구조체.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 거리는 상기 반사된 펄스의 파장에 기초하는 구조체.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 거리는 상기 반사된 펄스의 1/2 파장의 정수배인 구조체.
  36. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서,
    상기 사전 결정된 거리는 약 4000Å인 구조체.
  37. 제 27 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그보다 많은 막(720)은 하나 또는 그보다 많은 금속과 유전체 재료로 구성되는 구조체.
  38. 제 27 항 내지 제 30항 및 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체(933)의 반사 계수는 -0.6보다 큰 구조체.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 구조체(933)의 반사 계수는 -0.99인 구조체.
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