KR20100033164A - 마이크로 스폿 분광타원계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광원, 편광자, 집속광학계, 검광자 및 분광기를 포함하여 구성되는 분광타원계에 있어서, 상기 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에서 구동되며 시료위치에서 약 10 ㎛ 크기의 작은 빔 직경을 구현할 수 있고, 반사경을 이용하면서도 광축이 틀어지지 않아 편광상태가 변화되지 않아 측정 정밀도를 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

분광타원계, 마이크로스폿, 분해능, 반사형, 거울, 미러, 집속광학계, 진공자외선.

Description

마이크로 스폿 분광타원계{Spectroscopic Ellipsometer with a Microspot Module}

본 발명은 분광타원계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역 카세그레인 구조의 광학계를 이용하여 집속광학계를 구현함으로써 진공자외선부터 근적외선 영역까지 넓은 파장 대역에 걸쳐 사용이 가능하면서도 약 10 μm 크기의 작은 빔 스폿을 갖는 마이크로 스폿 분광타원계에 관한 것이다.

타원해석 기술(Ellipsometry)은 특정 편광상태를 갖는 빛을 시료에 입사시킨 후 반사광의 변화된 편광상태를 분석하여 시료의 광학적인 두께, 복소귤절율 등을 구하는 방법으로서 반도체 분야 등에서 박막의 두께를 비파괴적으로 측정하는데 매우 유용하게 사용되고 있다.

타원계는 타원해석 기술을 이용하여 빛의 편광상태를 제어하고 측정 및 분석하는 장치로서, 일반적인 타원계는 광원, 편광 제어모듈, 시료, 검광자 모듈, 광 검출기를 포함하여 구성되며, 타원계 중 넓은 파장대역에 걸쳐 구동되는 타원계를 분광타원계라고 한다.

한편, 현재 반도체 산업은 회로 선폭 60 nm 대의 공정에서 회로 선폭 45 nm 대의 공정으로 진행하고 있다. 이에 따라 박막의 두께 또한 작아지며 반도체분야에서 박막의 두께를 모니터링 하는 데 필수적으로 사용되고 있는 분광타원계에도 그 공간 분해능을 한 단계 향상시키는 요구가 커지고 있다.

분광타원계에서는 빛을 시료 상에 집속시키기 위한 집속광학계가 사용되는데, 종래 1개 이상의 반사경을 이용하여 집속광학계를 구현하는 경우가 많이 있다. 반사경을 이용할 경우 빛이 반사되면서 편광상태가 변화되어 측정 오차의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 반사경과 시료 사이에 편광 제어 모듈을 배치하고 있으며, 그 예가 일본특허공개공보 제2005-3666호에 개시되어 있다. 도 1에는 이러한 일본특허공개공보 제2005-3666호에 따른 분광타원계가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 광원(31)으로부터 나온 빛은 반사경(333)에서 반사된 후 시료에 집속되는데 반사경(333)와 시료 사이에 편광자(321)이 배치되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 이러한 2매의 오목거울을 사용한 비축 2반사경계 구성에서는 광축에 대한 회전대칭성이 없으므로 편광의 변화와 비축수차가 발생한다. 이를 줄이기 위하여서는 반사경으로 입사하는 각도를 가능한 한 작게 하여야 하기 때문에 주경과 부경, 부경과 시료면 사이의 거리가 길어지면서 복잡한 구성을 가지게 되며, 또한 편광 변화를 충분하게 억제하지 못한다. 더구나 분광타원계에서는 부경과 시료사이에 편광자가 설치되어야 하는 구조적인 문제점을 가지고 있어 반사경과 시료 사이의 거리가 더욱 멀어지게 되어 이에 비례하여 스폿의 크기가 증가하는 문제점이 있다.

시료위치에서 빔의 크기를 매우 작게 하는 집속광학계가 포함될 때 이를 마이크로스폿 타원계라고 하는데, 상술한 바와 같이, 집속광학계로서 비축 2반사경계를 이용하는 경우에는 구조적으로 복잡하며, 이 때문에 스폿의 크기를 줄이는데 한계가 있으므로 종래 마이크로스폿 분광타원계는 주로 집속 렌즈를 이용하여 스폿 크기를 줄이고 있다. 집속 렌즈를 이용한 방법들 중에는 미국등록특허 제5,596,411호에서와 같이 높은 개구수를 갖는 렌즈를 사용하는 방법, 미국특허출원 제10/319,189호에서와 같이 작은 투사각을 갖도록 하는 방법, 미국등록특허 제6,829,049호에서와 같이 합성렌즈를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나, 미국등록특허 제5,596,411호 및 미국특허출원 제10/319,189호는 75도 전후의 입사각으로 비스듬하게 빛을 입사시키는 통상적인 분광타원계에는 적용할 수 없는 구조이고, 미국등록특허 제5,596,411호는 그 구조가 매우 복잡한 단점이 있다.

특히, 집속렌즈는 단색광을 사용할 때에는 렌즈 등을 사용한 광의 집속이 비교적 용이하므로 마이크로스폿 타원계를 설계하고 제작하는 것이 어렵지 않으나 넓은 대역의 파장을 사용하는 분광타원계에서는 파장의 변화에 따라 발생하는 색수차로 인하여 최적화된 집속광학계를 적용하더라도 시료위치에서의 빔 스폿의 크기를 매우 작게 하는 것이 용이하지 않다. 예를 들어 200 - 800 nm의 파장대역에서 구동하는 상용 분광타원계의 빔 직경은 25 um 정도이다.

렌즈를 이용한 집속광학계에서는 넓은 파장대역에 사용하기 위해 색수차를 보정하기 위해 두장 이상의 렌즈를 사용하기도 한다. 렌즈를 이용할 경우 중심축을 통과하는 빛을 사용하기 때문에 동축 구조의 집속 광학계를 구현할 수 있고 광학계의 제작과 광학정렬 등이 용이한 장점이 있으나 렌즈물질의 파장 분산에서 기인하는 색수차와 구면렌즈를 사용함에 따르는 구면수차, 그리고 비점수차, 코마 등 여러 수차가 발생한다. 또한 진공 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지 높은 투과율을 가지는 소재는 없으며, 자외선에서 근 적외선 영역까지 상당한 투과율을 가지는 소재도 몇 종류의 특수한 광학 결정으로 제한된다. 이에 따라 진공 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에 걸쳐 시료위치에서 수십 ㎛ 이내의 직경을 가지는 빔 스폿을 만들어 내기는 매우 어려운 문제점이 있다.

한편, 분광타원계에서 시료위치에서의 빔 크기를 작게 하는 것은 광학 현미경과 같은 일반적인 광학 계측기에서 빔의 크기를 줄이는 것과는 성격이 크게 다르다. 일반 광학 계측기의 경우 광량만을 측정하며 빛은 시료면에 수직으로 입사하기 때문에 측정하는 투과광이나 반사광도 시료면에 수직으로 진행하여 비교적 단순한 구조를 가지는 집속광학계를 사용하여도 회절한계에 준하는 광학계를 설계하고 제작할 수 있다. 또한 이들 광학계는 대부분 가시광 영역에서의 결상목적으로 사용되기 때문에 진공자외선을 사용하지 않는다.

그러나 타원계의 경우 빛이 시료면에 비스듬하게 입사하기 때문에 광학계와 시료사이의 거리를 충분하게 확보해야 한다. 즉 타원계에서 가장 많이 사용하는 각도인 75 도 전후의 입사각으로 비스듬하게 입사할 경우 시료면이 광학계에 의해 간섭을 받지 않기 위해서는 집속광학계의 겉보기 개구수(Numerical Aperture, NA)가 0.2 보다 작아야 한다. 이러한 의미에서 미국등록특허 제5,596,411호 및 미국특허 출원 제10/319,189호는 적절하지 않은 것이다.

또한 타원계에서는 편광을 제어하고 측정하기 때문에 빔의 크기를 줄이는 데에 더하여 집속광학계가 편광상태에 미치는 영향이 최소가 되도록 하여야 한다. 또한 분광타원계에서는 진공자외선에서부터 근 적외선에 걸쳐 넓은 파장의 빛을 사용하는 것이 유리하다. 요약하면 차세대 반도체 공정에서 필요로 하는 분광타원계는 75 도 전후의 입사각에서 구동되며 150-800 nm의 파장대역에 걸쳐 시료위치에서의 빔 직경이 10 ㎛ 정도가 되고 개구수가 0.2 이하가 되며 편광상태를 변화시키지 않는 집속광학계를 갖추어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 역 카세그레인 구조의 집속광학계를 이용하여 자외선 영역에서부터 근 적외선 영역까지의 넓은 파장 대역에서 구동되며 시료위치에서 약 10 ㎛ 크기의 작은 빔 직경을 구현하는 반사형 집속광학계와 이를 적용한 분광타원계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반사경을 이용하면서도 광축이 틀어지지 않아 편광상태가 변화되지 않도록 하는 반사형 집속광학계와 이를 적용한 분광타원계를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 광원, 편광자, 집속광학계, 검광자 및 분광기를 포함하여 구성되는 분광타원계에 있어서, 상기 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계가 제공된다.

여기서, 상기 주경의 곡률반경은 35 ~ 45 mm, 부경의 곡률반경은 100 ~ 120 mm, 상기 주경과 부경 간의 거리는 60 ~ 80 mm, 상기 부경과 초점 간의 거리는 130 ~ 150 mm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 주경의 유효구경은 6 ~ 10 mm, 부경의 유효구경은 35 ~ 45 mm인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 부경의 관통공의 구경이 8 ~ 12 mm인 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따른 집속광학계를 이용하면, 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

첫째, 반사경만으로 구성되므로 색수차가 발생하지 않아 파장대역에 제한을 받지 않고 고해상 광학계의 제공이 가능하고, 투과에 의한 빛의 흡수가 없으므로 진공자외선과 근적외선에 걸친 넓은 파장대역에 적용할 수 있다.

둘째, 광축을 중심으로 회전 대칭 구조를 갖고 있어 렌즈를 사용하는 기존의 굴절형 광학계와 동일한 구조로 활용이 가능하고 동축광학계의 구성이 가능하여 광학정렬이 간편하고 편광상태에 영향을 주지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 집속광학계의 구조를 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실제 설계 규격에 따른 집속광학계에서의 빛의 경로를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공(H)이 형성되는 부경(20)와 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경(20)보다 작은 유효구경을 갖는 주경(10)로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것이 특징이다.

역 카세그레인 광학계는 도 1과 같이 작은 볼록형상의 주경(10)와 큰 오목형상의 부경(20)로 이루어진 2반사 광학계이다. 이 광학계는 구면만으로 구성된 2반사경계중에서 가장 수차특성이 좋은 구조이지만, 부경이 주경보다 커지는 단점이 있어 대구경의 광학계로는 사용이 어려우나 광속의 직경이 작아도 되는 소구경 광학계에는 적합한 구조이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 광원으로부터 발생된 빛은 부경(20)에 형성된 관 통공(H)을 통과한 후 주경(10)의 볼록면에서 1차 반사되고 부경(20)의 오목면에서 2차 반사된 후 시료에 집속되는 구조이다. 여기서, 주경(10) 및 부경(20)의 곡률반경, 이격거리, 유효구경 등을 정밀하게 제어하면 2번 반사된 빛이 시료 상의 한점에 집속되도록 할 수 있다.

역 카세그레인 광학계의 3차수차는 1968년 S. Rosin의 논문[1]에 상세하게 해석되어 있으며, 구면으로 구성된 2반사광학계에서 물체가 무한대에 있을 때 3차 구면수차와 3차 코마수차가 보정되는 조건은

으로 주어진다. 위의 식에서 m₂는 부경의 횡배율이며, a₁은 주변광선이 주경에 입사하는 높이 h₁과 부경에 입사하는 높이 h₂의 비율이다. 2개의 해 중에서

일 때가 실용성 있는 해이며, 이 때 a₁= 4.236이다. 수학식 1의 조건은 3차 수차를 근사한 Seidel 수차를 보정하여 얻은 결과이므로, 실제 광학계에서 최적화된 값은 이와 약간 다른 값을 가지게 된다.

본 발명에서는 수치 해석 기법을 이용하여 최적의 실시예를 도출하였으며, 표 1에는 유효초점거리가 33 mm이고, 입사동 직경이 8 mm가 되는 최적의 실시예에 서의 설계 제원이 표 1에 나타나 있고, 이 설계에 따를 때의 광학계의 형태가 도 3에 도시되어 있다.

표 1에는 최적화된 집속광학계의 설계제원에 의할 경우, 무한물체점에 대하여 개구수는 0.115이고, 회절을 고려한 빔의 직경은 파장 800 nm에서 9.5 μm , 파장 200 nm에서는 2.1 μm이다. 본 발명의 집속광학계에서는 a₁ = 4.387, m₂ =-1.597로서 3차 수차만을 고려한 수학식 1을 통해 구한 근사치와 비교하면 거의 근접한 결과를 나타냄을 알 수 있다.

본 발명의 집속광학계의 수차는 시야각(FOV, Field of View) 2ㅀ이내에서는 0.02λ(rms, λ = 200 nm)로 단파장인 200 nm에서도 수차가 파장의 1/50 정도이므로 매우 잘 보정되어 있음을 알 수 있다(통상적으로 수차가 파장의 1/10 이하이면 우수한 것으로 판단함).

부경(20)의 관통공(H)을 통해 입사되는 빛 중 광축의 중앙 부근의 빛은 주경(10)에서 1차 반사된 후 부경(20)에서 2차 반사된 빛이 다시 주경을 지나면서 차폐되기 때문에 중심부의 광속을 사용하지 못하는 단점은 있으나, 타원분광계에서는 감소된 광속만큼 입사광의 세기를 크게 하면 되므로 큰 문제는 되지 않을 것으로 생각된다.

주경(10)에 입사하는 빛과 부경(20)에 입사하는 빛의 각 거울면에의 입사각은 11 도 이하이며 주경(10)의 반사면과 부경(20)의 반사면이 모두 높은 반사율을 가지므로 입사광의 반사에 따른 p파와 s파의 반사계수의 차이는 매우 작다. 특히, 본 광학계는 회전 대칭성을 갖고 있고, 그에 따라 p파와 s파의 반사계수 차이는 1차 근사내에서 서로 상쇄되므로 반사에 따르는 편광상태 변화를 무시할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 집속광학계가 적용된 분광타원계의 전체 구조를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분광타원계는 집속광학계(400)의 구조를 제외하고는 종래의 분광타원계의 구성과 완전 동일하다.

즉, 광원(100)에서 방출된 빛이 광파이버를 통하여 전달되고, 광파이버에서 방출되는 빛은 집속렌즈(미도시)를 사용하여 평행광으로 만든 다음 편광 제어 모듈(200)을 통과한다. 편광 제어 모듈(200)을 통과하여 평행하게 입사하는 빛은 본 발명의 집속광학계(400)를 통해 시료면 상에서 10 ㎛ 이내의 마이크로 스폿을 만든다.

시료면에서 반사하여 발산하는 빛은 본 발명의 반사형 집속광학계(400)를 대칭적으로 다시 한번 적용하여 평행광으로 만든 다음 검광자 모듈(500)로 보낸다. 검광자모듈(500)을 통과한 빛은 집속렌즈(미도시)를 사용하여 광파이버로 입사시키고 이 광파이버의 다른 끝은 빛을 파장별로 나누고 각 파장별 빛의 세기를 측정하는 분광기(700)로 입사하게 된다.

본 발명에 따른 집속광학계(400)는 편광상태를 변화시키지 않으며 집속광학계를 제외하면 기존의 분광타원계와 동일하므로 집속광학계를 장착한 분광타원계의 원리 및 구동방식은 종래의 방식과 동일하다.

도 5는 입사동의 모양 및 파면수차를 도시한 그래프이고, 도 6은 파장 546.8 nm에 대한 점퍼짐함수를 나타낸 것이다.

도 5에서 입사동의 중앙부는 상술한 바와 같이, 빛이 도달하지 못하는 영역이 발생함을 알 수 있으며, 도 5의 입사동의 모양 및 파면수차와 도 6의 점퍼짐함수(point spread function)는 회절한계의 결상특성을 보여주고 있다. 빛은 파동성을 가지고 있고, 이에 따른 회절현상으로 인하여 광학계에서는 회절한계 보다 작은 스폿은 만들 수 없다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 종래 반사경을 이용한 분광타원계의 구조를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 집속광학계의 구조를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 최적화된 광학계의 형태 및 빛의 경로를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 집속광학계가 적용된 분광타원계의 전체 구조를 도시한 것이다.

도 5는 입사동의 모양 및 파면수차를 도시한 그래프이다.

<주요도면부호에 관한 설명>

10 : 주경 20 : 부경

100 : 광원 200 : 편광제어모듈

300 : 모터 및 인코더부 400 : 집속광학계

500 : 광 검출부 600 : 모터 및 인코더부

700 : 분광기

Claims (4)

1. 광원, 편광자, 집속광학계, 검광자 및 분광기를 포함하여 구성되는 분광타원계에 있어서,

   상기 집속광학계는 반사면이 오목 거울 형태로서 중앙에 관통공이 형성되는 부경과 반사면이 볼록 거울 형태로서 상기 부경보다 작은 유효구경을 갖는 주경으로 구성되는 역 카세그레인(Inverse Cassegrain) 형 광학계가 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주경의 곡률반경은 35 ~ 45mm, 부경의 곡률반경은 100 ~ 120mm, 상기 주경과 부경 간의 거리는 60 ~ 80mm, 상기 부경과 초점 간의 거리는 130 ~ 150mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 주경의 유효구경은 6 ~ 10mm, 부경의 유효구경은 35 ~ 45mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 부경의 관통공의 구경이 8 ~ 12mm인 것을 특징으로 하는 마이크로 스폿 분광타원계.

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