KR20160043108A - 양측면 측정 성능을 갖는 스침-입사 간섭계 - Google Patents

양측면 측정 성능을 갖는 스침-입사 간섭계 Download PDF

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Abstract

스침-입사 간섭계는 사이에 통상의 평면 대상이 있는 공간 이격된 제1 및 제2회절 광학소자를 포함한다. 제1회절 광학 소자는 스침-입사각으로 대상의 대향하는 제1 및 제2표면으로부터 반사되는 전단된 1차 회절 광 빔을 형성하고, 반면 0차 회절 광 빔은 반사되지 않는다. 제2회절 광학소자는 시준된 결합 광 빔을 형성하기 위해 비반사의 0차 회절 광 빔과 전단된 반사 광 빔을 결합한다. 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템은 이미지 평면에 위치된 확산 스크린 상에 제1 및 제2간섭 이미지를 형성하는 폴딩 광학 시스템에 결합된 광 빔을 릴레이한다. 제1 및 제2간섭 이미지의 디지털 이미지가 얻어지고 대상의 두께 변화를 특징화하도록 처리된다.

Description

양측면 측정 성능을 갖는 스침-입사 간섭계{GRAZING-INCIDENCE INTERFEROMETER WITH DUAL-SIDE MEASUREMENT CAPABILITY}
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2013년 8월 19일 출원된 미국 가출원 제61/867,223호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 개시는 스침-입사 간섭계에 관한 것으로, 특히 양측면 측정 성능을 갖는 스침-입사 간섭계에 관한 것이다.
본원에 언급된 소정의 공개 또는 특허 문헌의 전체 개시 내용은 참조를 위해 본원에 포함된다.
간섭법(Interferometry)은 대상 빔과 기준 빔간 간섭 무늬(interference fringe) 패턴을 측정하는 프로세스이다. 이들 2개의 빔들의 비교는 일부 표면 또는 대상에 의해 변형된 대상 빔의 매우 정확한 측정을 허용한다.
스침-입사 간섭계는 고-입사각으로 그러한 대상으로부터 반사되는 대상 빔을 채용한다. 그와 같은 간섭계는 대부분의 표면들이 90°에 가까운 입사각과 같이 매우 강한 경면 반사(specular reflection)를 갖기 때문에 매우 유용할 수 있다. 이것은 실리콘 웨이퍼의 후면과 같은 폴리싱되지 되지 않은 표면들의 간섭 측정을 허용한다.
미국특허 제6,239,351호에 개시된 것과 같은 종래의 스침-입사각 간섭계들의 단점은 이들이 기준 빔이 반사되어야 하는 기준 표면을 필요로 한다는 것이다. 그러한 기준 표면은 대상에 평행해야 하고 그 대상에 가까워야 한다. 이는 일반적으로 문제가 있는 평면 대상의 대향하는 표면들을 측정하게 한다. 또한, 0차 회절 광 빔은 채용하지 않기 때문에, 억제될 필요가 있다.
본 발명은 양측면 측정 성능을 갖는 스침-입사 간섭계를 제공하기 위한 것이다.
본 개시의 한 형태는 대상의 표면을 분석하기 위한 스침-입사 간섭계이고, 이러한 스침-입사 간섭계는: 많은 간섭 광 빔을 받아들이고 그로부터 0차 회절 광 빔 및 1차 회절 광 빔을 형성하도록 배열된 제1회절 광학소자(DOE) - 상기 1차 회절 광 빔은 스침-입사각으로 대상 표면으로부터 반사되고, 상기 0차 회절 광 빔은 반사되지 않음; 실질적으로 시준(collimat)되는 결합된 광 빔을 형성하기 위해 상기 비반사의 0차 회절 광 빔 및 반사의 1차 회절 광 빔을 받아들여 결합하도록 배열된 제2 DOE; 상기 결합된 광 빔만을 전달 또는 반사하기 위한 크기를 갖는 개구 조리개 및 결합된 광 빔과 동축인 광학축을 갖는 1X 더블-텔레센트릭 릴레이(double-telecentric relay); 및 상기 스침-입사각으로 거의 틸트(tilt)된 스크린을 포함한다.
본 개시의 다른 형태는 통상의 평면 대상의 대향하는 제1 및 제2표면을 분석하기 위한 스침-입사 간섭계이다. 그러한 간섭계는: 많은 간섭 광 빔을 생성하는 광원; 광학축을 따라 그리고 광원의 하류에 배열되고, 사이에 대상이 있는 공간 이격된 제1 및 제2회절 광학소자 - 상기 제1회절 광학소자는 -1차, 0차 및 +1차 회절 광 빔을 형성하고, 상기 -1차 및 +1차 회절 광 빔은 각각 제1 및 제2표면으로부터 반사되고 실질적으로 시준된 결합된 빔을 형성하기 위해 전단 방식(sheared manner)으로 0차 회절 광 빔과 결함됨; 상기 제2회절 광학소자 하류에 배열되고 상기 시준된 결합된 빔만을 전달 또는 반사하는 전달 또는 반사 개구 조리개를 갖춘 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템; 및 상기 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템의 하류에 배열되고 이미지 평면에 제1 및 제2간섭 이미지를 형성하는 폴딩(folding) 광학 시스템을 포함한다.
본 개시의 또 다른 형태는 적어도 하나의 대상 표면을 갖는 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법이다. 실질적인 간섭 파면으로부터 0차 회절 광 빔 및 1차 회절 광 빔을 형성하는 단계; 적어도 하나의 대상 표면으로부터 1차 회절 광 빔을 반사시키고 반면 비반사(즉, 반사되지 않는)의 0차 회절 광 빔을 남기는 단계; 실질적으로 시준되는 결합된 빔을 형성하기 위해 전단 방식으로 비반사의 0차 회절 광 빔과 반사의 1차 회절 광 빔을 결합하는 단계; 결합된 빔만을 실질적으로 통과 또는 반사하는 개구 조리개를 갖춘 1X 더블-텔레센트릭 릴레이를 통해 시준된 결합된 빔을 릴레이하는 단계; 및 릴레이의 시준된 결합 빔으로부터 대상 표면의 적어도 하나의 간섭 이미지를 형성하는 단계를 포함한다.
추가의 특징적 형태 및 장점들은 이하의 상세한 설명에 기술되며, 부분적으로는 그러한 설명으로부터 통상의 기술자가 용이하게 알 수 있거나 또는 기재된 설명 및 그 청구항 뿐만 아니라 수반된 도면에 기술한 바와 같은 실시예들을 실시함으로써 인식할 수 있을 것이다. 상기한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 단지 예시일 뿐이고 청구항의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 기초를 제공하기 위한 것이라는 것을 알아야 한다.
수반되는 도면들은 이해를 돕기 위해 제공되며, 본 명세서에 포함되어 일부를 구성한다. 도면들은 하나 또는 그 이상의 실시예(들)를 기술하며, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예들의 원리 및 동작을 설명하기 위해 제공된다. 그와 같이, 본 개시는 수반되는 도면들을 연계하여, 이하의 상세한 설명으로부터 좀더 충분히 이해될 것이다:
도 1은 본 개시에 따른 스침-입사 간섭계의 예시 실시예의 광학 도면이고;
도 2 내지 4는 제1 및 제2회절 광학소자 및 대상을 확대한 일부-절단도이고, +1차 및 -1차 회절 광 빔이 어떻게 0차 회절 광 빔에 대해 전단되는지를 나타내고;
도 5는 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 광학 시스템의 예시 실시예의 광학 도면이고;
도 6은 2개의 다르게 지향된 이미지의 상부 평면 및 하부 평면이 공통 이미지 평면 상에서 어떻게 결합되는지를 기술하는, 릴레이 광학 시스템의 일부에 따른 예시의 폴딩 광학 시스템의 확대 상승도이고;
도 7은 개구 조리개에 미러를 채용하는 예시의 반사형 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 광학 시스템의 도 5와 유사한 광학 도면이고;
도 8a는 대상의 상부 표면 및 하부 표면 상의 각각의 영역이 어떻게 -1차 및 +1차 회절에 의해 조명되는지를 기술하는 스침-입사 간섭계의 일부의 상승도이고;
도 8b는 도 8a와 유사하며, 제1 및 제2회절 광학소자와 시준된 빔 모두의 폭 및 높이가 대상의 전체 상부 및 하부 표면의 조명을 실질적으로 서포트할 수 있는 크기가 되는 예시 실시예를 기술하고;
도 8c는 도 8a와 유사하며, -1차 및 +1차 회절에 의해 조명된 영역들이 스캔되도록 대상이 이동되는 예시의 실시예를 기술하고;
도 8d는 도 8b와 유사하며, 대상의 상부 및 하부 표면의 조명된 영역들을 스캔하도록 그 시준된 빔이 제1회절 광학소자에 대해 스캔하는 예시의 실시예를 기술하며;
도 8e는 도 8a와 유사하며, 대상의 상부 및 하부 표면의 디지털 간섭 이미지들을 직접 캡쳐하기 위해 2개의 디지털 카메라가 사용되는 예시의 실시예를 기술한다.
이제 수반되는 도면에 기술된 예들을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예들에 대한 상세한 설명이 이루어진다. 가능한 한 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부품에는 동일하거나 유사한 참조부호가 사용된다. 도면들은 반드시 일정한 척도로 정해지지 않으며, 통상의 기술자라면 본 개시의 중요한 형태들을 기술하기 위해 그러한 도면들이 단순화되었다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 기술한 바와 같은 특허청구범위의 청구항들은 상세한 설명의 일부에 통합되어 그 일부를 구성한다.
직교좌표가 참조를 위해 일부 도면에 나타나 있으며, 방향 또는 방위를 한정하려는 의도는 아니다.
이하의 설명에서, 용어 "1차" 또는 "1차 회절"은 -1 또는 +1차 회절과 관련되고, 반면 용어 "복수의 1차" 또는 "복수의 1차 회절"은 -1 및 +1차 회절 모두와 관련된다. 또한, 용어 "0차 회절" 또는 "0차"는 직진의 회절되지 않은 일부의 광과 관련되나, 그럼에도 불구하고 그러한 일부의 광은 이하 공통의 사용을 위해 그리고 용어의 일관성을 유지하기 위해 "회절 차수"와도 연관된다.
도 1은 본 개시에 따른 스침-입사 간섭계(간단히 "간섭계")(10)의 예시 실시예의 광학 도면이다. 그러한 간섭계(10)는, 축 A1을 따라, 많은 간섭 초기 광 빔(21)을 방출하는 광원(20)을 포함한다. 예시의 광원(20)은 레이저 다이오드, 반도체 레이저, 가스 레이저, 고체-상태 레이저 등과 같은 레이저이다. 상기 간섭계(10)는 또한 렌즈(32)를 포함하는 것으로 나타나 있고, 광원(20)으로부터의 초기 광 빔(21)을 받아들여 실질적으로 평면 파면(22F)을 갖춘 확장 및 시준된 광 빔(22)을 형성하도록 구성된 렌즈(32 및 34)들을 포함하는 것으로 나타낸 빔-확장 광학 시스템(30)을 포함한다.
또한 상기 간섭계(10)는, 시준된 광 빔(22)을 받아들이고, 이로부터 일괄적으로 HO로 나타낸 고차 회절(점선의 화살표)들과 함께, 각각 -1차, 0차 및 +1차 회절과 관련된 광 빔(23, 24, 25)들을 형성하기 위해 광학축(A1)을 따라 배열된 제1회절 광학소자(DOE)(50A)를 포함한다. 측정될 통상의 평면 대상(60)은 DOA(50A)에 인접하여 그리고 그 하류에 광학축(A1)을 따라 X-Z 평면에 위치한다.
상기 대상(60)은 상부 표면(62; 상측면) 및 이에 대향하는 하부 표면(64; 즉, 하측면)을 갖춘다. 상기 대상(60)은 투명 윈도우, 반도체 웨이퍼, 불투명 플레이트 등과 같은 특성을 필요로 하는 소정 타입의 통상의 평면 대상이 될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 대상(60)은 공칭 두께 TH를 가지며, 또한 결정되어야 하는 알려지지 않은 두께 변화 TH(x,z)를 갖는다.
일 예에 있어서, 상기 대상(60)은 이하 기술한 바와 같이 상기 상부 및 하부 표면(62, 64)이 조명될 수 있게 하는 형태로 지지된다. 따라서, 일 예에서 상기 대상(60)은 그 에지들에서 지지되고, 반면 또 다른 예에서 상기 대상(60)은 리프트 핀(lift pin)과 같은 얇은 지지 부재(66; 이하 기술된 그리고 도입된 도 2 참조)들에 의해 하부 표면(62)에서 지지된다. 일 예에 있어서, 지지 부재(66)들은 이하 좀더 상세히 기술한 바와 같이 위상-변이(phase-shifting) 간섭법을 실시하기 위해 대상(60)을 위 및 아래(즉, +y 및 -y 방향으로)로 이동하도록 채용된다.
-1차 및 +1차 회절 광 빔(23, 25)은 상부 및 하부 표면에 수직인 라인 PL(도 1의 확대부 참조)에 대해 측정된 스침-입사각(θ)으로 각각 상부 표면(62) 및 하부 표면(64)으로 입사되고 그리고 그로부터 반사된다. 또한 상기 고차 회절 광 빔(HO)은 그 상부 및 하부 표면(62, 64)으로 입사되고 그리고 그로부터 반사된다. 예시의 실시예에 있어서, 스침-입사각은 80도보다 크다(즉, θ＞80).
상기 간섭계(10)는 또한 대상(60)에 인접하여 그 대상의 하류에 배열된 제2 DOE(50B)를 포함한다. 그러한 제2 DOE(50B)는 반사의 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23, 25) 뿐만 아니라 비반사의 0차 회절 광 빔(24)을 받아들이도록 배열된다. 상기 제2 DOE(50B)는 또한 반사된 고차 회절 광 빔(HO)을 받아들인다.
DOE 50A 및 50B로서 사용하기 위한 예시의 DOE들은 홀로그래픽 광학소자; 바이너리 옵틱(binary optic); 컴퓨터-생성 홀로그램; 표면-요철 회절 렌즈 등의 형태로 될 수 있는 위상 격자를 포함한다. 상기 DOE(50A 및 50B)는 전달 요소(또는 투과 요소)들로 나타나 있지만, 이들 요소의 하나 또는 모두가 간섭계(10)를 위해 적절히 폴딩된 구성을 채용함으로써 반사 요소로 형성될 수 있다.
간섭계(10)의 대안의 실시예에서는, 단지 0차 회절 광 빔(24) 및 각각 하부 표면(64) 또는 상부 표면(62)으로부터 각각 반사되는 1차 회절 광 빔(23 또는 25) 중 하나만이 채용된다.
도 2는 제1 및 제2 DOE(50A, 50B) 및 대상을 확대한 일부-절단도이고, -1차 및 +1차 회절 광 빔(23, 25)이 어떻게 0차 회절 광 빔에 대해 전단되는지를 나타낸다. 0차 회절 광 빔(24)은 평면 파면 0W를 갖고, 반면 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23, 25)은 각각 평면 파면 -1W 및 +1W를 갖는다. 제1 DOE(50A)의 중심점(C)에서, 입사 파면(22F)은 -1차 회절 광 빔(23) 및 0차 회절 광 빔(24)으로 분할된다. 0차 회절 광 빔(24)은 직선의 비반사로를 통해 제2 DOE(50B)에 대응하는 중심점(C')으로 이동하고, 반면 -1차 회절 광 빔(23)은 상부 표면(62)으로부터 반사된 다음 중심점(C')으로 이동한다. 이는 -1차 회절 및 0차 회절 광 빔(23, 24)이 전단되지 않는 유일한 곳이다.
계속해서 도 2에 따르면, 제1 DOE(50A)의 상부 위치(T)에서, 0차 회절 광 빔(24)은 직선의 비반사로를 통해 제2 DOE(50B)의 대응하는 상부 위치(T')로 이동한다. 한편, 상부 위치(T)에서 시작하는 -1차 회절 광 빔(23)은 상부 표면(62)으로부터 반사된 다음 하부 위치(B')에서 제2 DOE(50B)를 가로지른다. 마찬가지로, 제1 DOE(50A)의 하부 위치(B)에서 시작하는 -1차 회절 광 빔(23)은 상부 표면(62)으로부터 반사된 다음 상부 위치(T')에서 제2 DOE(50B)를 가로지른다. 이는 그러한 회절 차수가 전단된 다음 재결합되는 것을 보여준다.
이러한 동일한 이론이 대상(60)의 하부 표면(64)에 대한 +1차 및 0차 회절 광 빔(25, 24)에 적용된다. 따라서, 기준 및 측정 회절 차수(즉, 기준 및 0차, -1차 및 +1차 회절과 관련된 측정 파면(0W, -1W 및 +1W)들)들의 간섭하는 부분들은 통상 초기 조명 파면(22F)의 거의 동일한 부분들로부터 기원하지 않는다.
그러한 파면(0W, -1W 및 +1W)들이 전단되기 때문에, 그러한 간섭 패턴에서 빔이 DOE(50A)를 빠져나감에 따라 파면 수차에 의해 야기된 에러가 존재할 것이다. 이러한 잔류의 시스템 에러는, 정확한 기준 평면을 측정한 후 그 정확한 기준으로부터 벗어나는 간섭 패턴의 부분을 제거함으로써, 상기 간섭 패턴으로부터 제거될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면서 또 도 3을 참조하면, 광학축(A1) 위에 놓여있는 제2 DOE(50B)의 일부는 결합된 0차 및 -1차 회절 광 빔(24 및 23) 뿐만 아니라 결합된 고차 회절(HO; 나타내지 않음)을 받아들인다. 마찬가지로, 광학축(A1) 아래에 놓여있는 제2 DOE(50B)의 일부는 결합된 0차 및 +1차 회절 광(24 및 25) 뿐만 아니라 결합된 고차 회절(HO; 나타내지 않음)을 받아들인다.
도 4는 도 3과 유사하며, 상부 표면(62)에 대해 0차 및 -1차 회절 광 빔(24 및 23) 및 하부 표면(64)에 대해 0차 및 +1차 회절 광 빔(24 및 25)을 분리한다. 0차 회절 광 빔(24)은 직선의 비반사로를 통해 제2의 회절 광 빔(23', 24' 및 25')들을 생성하는 제2 DOE(50B)로 이동한다. -1차 회절 광 빔(23)은 대상(60)의 상부 표면(62)으로부터 반사된 다음 제2의 회절 광 빔(23', 24' 및 25')들을 형성하는 제2 DOE(50B)로 입사하며, -1차 회절 광 빔(23')은 광학축(A1)에 거의 평행하다. 마찬가지로, +1차 회절 광 빔(25)은 하부 표면(64)으로부터 반사된 다음 제2의 회절 광 빔(23', 24' 및 25')들을 형성하는 제2 DOE(50B)로 입사하며, 제2의 +1차 회절 광 빔(25')은 광학축(A1)에 거의 평행하다. 최초의 0차 회절 광 빔(24)으로부터 형성된 제2의 0차 회절 광 빔(24'; 굵은 화살표)은 실질적으로 시준되는 결합된 빔(70C)을 규정하기 위해 광학축(A1)에 거의 평행한 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23' 및 25'; 굵은 화살표)과 결합된다. 고차 회절(HO; 나타내지 않음) 및 무관계의 저차 회절(예컨대, 광학축(A1)에 평행하지 않은 제2의 -1차 회절 광 빔 23') 광 빔은 또한 도 1에 일괄적으로 70E로 나타낸 무관계 차수의 회절 광 빔을 형성하기 위해 제2 DOE(50B)에서 결합된다.
다시 도 1을 참조하면, 간섭계(10)는 제2 DOE(50B)의 결합된 빔(70C) 뿐만 아니라 무관계의 광 빔(70E)으로부터 받아들이도록 배열된 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 광학 시스템(80; "릴레이 광학 시스템")을 더 포함한다. 도 5는 릴레이 광학 시스템(80)의 예시 실시예의 광학 도면이다. 그러한 릴레이 광학 시스템(80)은 개구(88)를 갖춘 개구 조리개(86)를 사이에 배치한 2개의 공간 이격된 렌즈(82)를 포함한다. 그러한 렌즈(82)들은 각각 초점 길이(f)를 갖고, 개구 조리개(86)는 상기 렌즈들이 거리 2f로 분리되도록 각각의 렌즈들로부터 떨어져 거리 f로 위치된다. 상기 개구 조리개(86)의 개구(88)는 결합된 빔(70C)은 통과시키지만 무관계의 광 빔(70E)은 실질적으로 차단하는 크기로 이루어진다. 도 5에 나타낸 예시의 개구 조리개(86)는 본원에서 사실상 결합된 빔(70C)만을 전달하기 때문에 "전달형" 개구 조리개라 부른다.
상기 릴레이 광학 시스템(80)은 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62, 64) 모두(이하 설명하는 바와 같이 그 일부)에 대한 이미지를 릴레이한다. 도 5에서, 대상(60)의 상부 표면(62)과 연관된 광은 U로 나타내고, 하부 표면(64)과 연관된 광은 L로 나타냈다. 상기 릴레이 광학 시스템(80)은 틸트각(α)을 갖는 2개의 틸트된 대상 평면 OP(즉, OPU 및 OPL) 및 역시 틸트각(α)(1X 확대로 인해)을 갖는 2개의 대응하는 틸트된 이미지 평면 IP(즉, IPU 및 IPL)를 갖추고, 여기서 그러한 대상 평면 및 이미지 평면의 틸트는 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 대한 샤임플러그(Scheimpflug) 조건을 만족한다.
1X 더블-텔레센트릭 구성에 대한 그러한 샤임플러그 조건의 만족은 인-포커스(in-focus), 무왜곡 및 콤마-프리(coma-free) 이미지를 제공한다. 상기 이미지 평면 IPU 및 IPL은 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 대한 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23 및 25)의 스침-입사각과 동일한 틸트각 α(즉, α=θ)를 갖는다.
상기 상부 및 하부 표면(62, 64)의 유효 틸트는 상기 이미지 평면 IPU 및 IPL이 반대 방향으로 틸트되도록 반대의 표시가 된다. 이는, 예컨대 스크린 상에 그러한 상부 및 하부 표면을 이미징할 때 바람직하지 않기 때문에, 공통 이미지 평면 IPC(도 1 참조)에 상부 및 하부 표면(62, 64)의 이미지 형성에 어려움을 제공한다. 각 대상 표면의 인터페로그램(interferogram)이 단일의 이미지 센서 상에 사실상 이미지될 수 있게 하기 때문에 공통 이미지 평면(IPC)에 인-포커스되는 상부 및 하부 표면(62, 64)의 이미지를 갖는 장점이 있다. 따라서, 간섭계(10)는 릴레이 광학 시스템(80)과 공통 이미지 평면(IPC)간 배치되고 이하 좀더 상세히 기술되는 폴딩 광학 시스템(90)을 추가로 포함한다.
도 1은 공통 이미지 평면(IPC)에 배열된 확산 스크린(110)을 나타낸다. 예시의 확산 스크린(110)은 사실상 램버시안(Lambertian)이다. 이미징 렌즈(122) 및 디지털 이미지 센서(124)를 갖춘 디지털 카메라(120)는 대상(60)의 각 하부 및 상부 표면(64, 62)의 간섭 이미지 IML 및 IMU를 형성한 확산 스크린(110)의 디지털 이미지를 캡쳐하도록 배열된다. 여기서, 용어 "간섭 이미지"는 용어 "인터페로그램"과 동의어이고, 결합된 빔(70C)에 의해 규정된 이미지화된 간섭 패턴과 관련된다. 상기 디지털 이미지 센서(124)는, 간섭 이미지(IML 및 IMU)들을, 간섭 이미지들을 나타내는 전기적 이미지 신호(SL 및 SU)들로 변환한다. 여기서 하부 및 상부 표면(64 및 62)의 간섭 이미지(IML 및 IMU)는 하부 및 상부 표면의 영역들을 포함하거나, 또는 사실상 하부 및 상부 표면 전부를 포함한다는 것을 알아야 한다.
프로세서(130)는 디지털 이미지 센서(124)에 전기적으로 연결되고, 전기 이미지 신호(SL 및 SU)를 수신하여 처리하도록 구성된다. 일 예에 있어서, 프로세서(130)에는 이 프로세서가 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 대한 각각의 상부 및 하부 표면 지형 hU(x,z) 및 hL(x,z)을 산출하게 하고 또 그러한 상부 및 하부 표면 지형에 기초하여 두께 변화 TH(x,z)=hU(x,z)-hL(x,z)을 산출하게 하는 컴퓨터-판독가능 매체에 내장된 명령이 제공된다.
간섭계의 리솔루션(resolution)을 증가시키는 통상의 방법은 위상-변이 간섭법(또 위상-변조 간섭법이라고도 부르는)의 프로세스를 통합하는 것이다. 그러한 위상-변이 간섭법은 Daniel Malacara, ed., John Wiley and Sons에 의한 2007년 저서 Optical Shop Testing의 Chapter 14, pp. 547-665에 상세히 기술되어 있다. 정지상태의 인터페로그램은 무늬의 중심을 찾기 위해 데이터 분석을 필요로 하는 단점을 갖는다. 이러한 방법의 해결책은 그러한 무늬 패턴이 제한된 수의 픽셀을 갖기 때문에 한계가 있다.
위상-변이 간섭법에 의해, 기준 또는 대상 빔의 위상이 변조된다. 이러한 변조는 파면의 극성을 줄 뿐만 아니라 훨씬 더 높은 해결책을 제공한다. 따라서, 이는 이러한 스침-입사 회절 격자 간섭계에 위상-변이 간섭법을 채용하기 위한 몇몇 방법을 포함하는 장점이 있다. 이렇게 하기 위한 한가지 방식은 도 2에 화살표 AR로 나타낸 바와 같이 회절 격자의 축에 수직으로 대상(60)을 이동하는 것이다. 필요한 이동량은 통상 수 미크론 정도가 된다.
도 1 및 2를 다시 참조하면, 대상(60)의 상부 표면(62)이 Y-방향으로 이동될 때, 이러한 표면에서 반사하는 -1W 파면의 위상은 0차 파면 0W와 재결합됨에 따라 변경될 것이다. 마찬가지로, 동시에, 표면(64)은 그 위치가 변경됨으로써, 이러한 표면에서 반사하는 파면 +1W의 위상 또한 변조된다.
상부 및 하부 이미지 평면 IPU 및 IPL이 공통 이미지 평면 IPC에 일치하도록 이루어지는 장점이 있다. 도 6은 릴레이 광학 시스템(80)의 일부와 함께 예시의 폴딩 광학 시스템(90)의 확대 상승도이다. 그러한 폴딩 광학 시스템(90)은 인접한 렌즈(82) 및 제1폴딩 미러(92A 및 92B)들을 포함하며, 이 제1폴딩 미러들은 이들의 분리를 최소화하기 위해 직각 반사 프리즘 부재(93)의 일부로 나타나 있다. 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)과 연관된 중심의 상부 및 하부 광 빔(U 및 L)들 또한 나타나 있다.
상기 제1폴딩 미러(92A 및 92B)들은 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 수직인 평면에 위치한다(즉, X-Z 평면에 수직). 이러한 구성은 +X 및 -X 방향으로 각각의 상부 및 하부 광 빔(U 및 L)을 반사하도록 제공된다. 제2폴딩 미러(96A 및 96B)들이 상부 및 하부 광 빔(U 및 L)을 각각 받아들여 그것들을 폴딩하도록 배열됨으로써 그 빔들이 Y-방향으로 이동한다. 이때 확산 스크린(110)은 상부 및 하부 간섭 이미지(IMU 및 IML) 모두가 스크린 상에 나란히 나타나도록 거의 스침-입사각으로 틸트될 수 있다. 따라서, 폴딩 광학 시스템(90)은 공통 이미지 평면(IPC) 상에 상부 및 하부 이미지 평면(IPU 및 IPL)을 맵한다고 단언할 수 있다. 일 예에 있어서, 폴딩 광학 시스템(90)은 도 6에 나타낸 바와 같은 4개의 폴딩 미러(92A, 92B, 96A 및 96B)로 이루어지지만, 또 다른 예에서 추가의 광학 소자들(나타내지 않음)이 채용된다.
도 7은 도 5와 유사하고, 폴딩된 릴레이 광학 시스템(80)의 예시 실시예의 확대도이며, 여기서 미러(89)는 개구(88)에 위치되고 빔 분할기(BS)는 단일 렌즈(82)의 상류에 위치된다. 상기 미러(89)는 릴레이 광학 시스템(80)을 폴딩하도록 제공되나 여전히 무관계의 광 빔(70E)을 차단한다. 그러한 반사의 결합된 광 빔(70C)은 단일 렌즈(82) 뒤쪽으로 이동하고 폴딩된 광학축(A1')을 따라 그리고 폴딩 광학 시스템(90)으로 그 결합된 광 빔의 일부(예컨대, 50%)를 지향시키는 빔 분할기(BS)로 입사한다. 일 예에 있어서, 개구 조리개(86)가 생략되었고 미러(89)의 유한 크기가 "개구"의 크기를 규정하기 위해 사용되었다. 도 7에 나타낸 개구 조리개(86)의 구성은 본원에서 사실상 결합된 광 빔(70C)만이 반사하기 때문에 "반사형" 개구 조리개라 부른다.
도 8a는 폭 W(X-방향으로 측정된 바와 같은) 및 길이 L(Z-방향으로 측정된 바와 같은)의 상부 및 하부 표면(62 및 64; 점선으로 나타낸 바와 같은)의 각각의 영역(62R 및 64R)들이 각각 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23 및 25)에 의해 조명되는 예시의 실시예를 나타내는 간섭계(10)의 일부의 상승도이다. 이러한 실시예에 있어서, 각각의 상부 및 하부 표면 영역(62R 및 64R)들은 스크린(110) 상에 이미지된 다음 디지털 카메라(120) 및 프로세서(130)에 의해 처리된다(도 1 참조). 일 예에 있어서, 표면 영역(62R 및 64R)들의 폭(W)은 DOE(50A 및 50B)들의 폭 및 확장의 시준된 광 빔(22)의 폭에 의해 결정된다. 상기 길이(L)는 DOE(50A 및 50B)들의 높이(Y-방향의) 및 확장의 시준된 광 빔(22)의 높이에 의해 결정된다.
바람직하게 몇몇의 경우 대상(60)의 전체 상부 및 하부 표면(62 및 64)을 조명하여 이미지할 수 있다. 도 8b는 도 8a와 유사하고, 시준된 광 빔(22) 및 제1 및 제2 DOE(50A 및 50B) 모두의 폭 및 높이가 대상(60)의 전체 상부 및 하부 표면(62 및 64)의 조명을 지지할 수 있는 크기로 이루어지는 그와 같은 간섭계(10)의 예시 실시예를 나타낸다. 그러한 도 8b의 실시예에 있어서, 영역(62R 및 64R)들은 각각 사실상 대상(60)의 전체 상부 및 하부 표면(62 및 64)들을 구성한다.
도 8c는 도 8a와 유사하고, -1차 및 +1차 회절 광 빔(23 및 25)이 X-Z 평면으로 대상(60)을 이동함으로써(화살표 AR로 나타낸 바와 같이) 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 걸쳐 스캔하는 간섭계(10)의 예시 실시예를 나타낸다.
도 8d는 도 8b와 유사하고, -1차 및 +1차 회절 광 빔(23 및 25)이 각각 제1 DOE(50A)에 대해 시준된 광 빔(22)을 이동함으로써 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)에 걸쳐 스캔하는 간섭계(10)의 예시의 실시예를 나타낸다. 그러한 시준된 광 빔(22)의 이동은 영역(62R 및 64R)들의 대응하는 이동을 야기하고, 이에 의해 각각의 -1차 및 +1차 회절 광 빔(23 및 25)에 의해 대상(60)의 상부 및 하부 표면(62 및 64)의 스캐닝을 유효하게 실시한다.
도 8e는 도 8a와 유사하고, 2개의 디지털 카메라(120U 및 120L)가 대상(60)의 각 상부 및 하부 표면(64 및 62)의 디지털 간섭 이미지를 직접 캡쳐하도록 틸트된 이미지 평면 IPU 및 IPL(도 5 참조)에 동작가능하게 배치된다. 이러한 예시의 실시예는, 제2의 디지털 카메라를 추가하는 희생을 치를 지라도, 공통 이미지 평면 IPC(도 6) 상에 상부 및 하부 간섭 이미지 IMU 및 IML을 형성하기 위한 폴딩 광학 시스템(90) 및 스크린(110)의 필요성을 없앤다. 디지털 카메라 120U 및 120L은 프로세서(130)에 동작가능하게 연결된다.
대상(60)의 두께 변화 TH(x,z)가 대상의 상부 및 하부 표면(62 및 64) 모두를 동시에 측정함으로써 결정될 수 있다. 이는 상부 표면(62)을 측정하도록 척(chuck)에 대상(60)을 탑재하고 이후 하부 표면(64)을 측정하기 위해 척을 뒤집어 그 대상을 재탑재함으로써 실제 가능한 것보다 더 정확한 두께 변화 TH(x,z)의 측정을 제공한다. 이는, 척에 탑재하는 대상(60)의 작용이 대상의 표면 지형의 측정가능한 변경을 야기하고, 그와 같은 변경이 그러한 대상이 본질적으로 갖고 있지 않은 두께 변화로 이동하기 때문이다.
통상의 기술자에게는 수반된 청구항에 규정된 바와 같은 개시의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 본원에 기술된 바와 같은 개시의 바람직할 실시예들에 대한 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것은 자명할 것이다. 따라서, 본 개시는 수반된 청구항 및 그 등가물의 범주에 속하는 제공된 변형 및 변경을 커버한다.

Claims (20)

  1. 대상의 표면을 분석하기 위한 스침-입사 간섭계로서,
    상기 스침-입사 간섭계는:
    간섭 광 빔을 받아들이고 상기 간섭 광 빔으로부터 0차 회절 광 빔 및 1차 회절 광 빔을 형성하도록 배열된 제1회절 광학소자(DOE) - 상기 1차 회절 광 빔은 스침-입사각으로 대상 표면으로부터 반사되고, 상기 0차 회절 광 빔은 반사되지 않음;
    시준(collimat)되는 결합된 광 빔을 형성하기 위해 비반사의 0차 회절 광 빔 및 반사의 1차 회절 광 빔을 받아들여 결합하도록 배열된 제2 DOE;
    상기 결합된 광 빔만을 전달 또는 반사하기 위한 크기를 갖는 개구 조리개 및 결합된 광 빔과 동축인 광학축을 갖는 1X 더블-텔레센트릭 릴레이(double-telecentric relay); 및
    상기 스침-입사각으로 틸트(tilt)된 스크린을 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    1차 회절 광 빔은 전체 대상 표면을 각각 조명하는, 스침-입사 간섭계.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    개구 조리개는 결합된 광 빔을 통과시키는 중심 개구 또는 결합된 광 빔을 반사하는 미러 요소를 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    1차 회절 광 빔은 대향하는 대상 표면들로부터 반사하고 결합된 광 빔을 형성하기 위해 제2 DOE에 의해 0차 회절 광 빔과 결합되는 +1차 및 -1차 회절 광 빔을 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  5. 청구항 4에 있어서,
    1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템으로부터 결합된 광 빔을 받아들이고 이미지 평면에 제1 및 제2대상 표면의 제1 및 제2간섭 이미지를 형성하는 폴딩 광학 시스템을 더 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  6. 청구항 5에 있어서,
    이미지 평면에 배열되고 제1 및 제2간섭 이미지가 형성되는 확산 스크린을 더 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  7. 청구항 5에 있어서,
    폴딩 광학 시스템은 4개의 폴딩 미러로 이루어진, 스침-입사 간섭계.
  8. 청구항 5에 있어서,
    이미징 렌즈 및 디지털 이미지 센서를 갖추고, 제1 및 제2간섭 이미지의 제1 및 제2디지털 이미지를 디지털 이미지 센서에서 형성하기 위해 배열된 디지털 카메라 - 상기 디지털 이미지 센서는 제1 및 제2디지털 이미지를 나타내는 제1 및 제2전기 이미지 신호를 형성함; 및
    이미지 센서에 전기적으로 연결되고 제1 및 제2전기 이미지 신호를 수신하여 처리하도록 채용된 프로세서를 더 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  9. 청구항 8에 있어서,
    프로세서는 제1 및 제2전기 이미지 신호에 기초하여 상기 프로세서가 대상의 두께의 변화를 결정하게 하는 컴퓨터-판독가능 매체에 내장된 명령들을 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  10. 청구항 5에 있어서,
    +1차 및 -1차 회절 광 빔은 각각 제1 및 제2대상 표면의 제1 및 제2스캔 영역을 조명하는, 스침-입사 간섭계.
  11. 두께를 갖는 평면 대상의 대향하는 제1 및 제2표면을 분석하기 위한 스침-입사 간섭계로서,
    상기 스침-입사 간섭계는:
    간섭 광 빔을 생성하는 광원;
    광학축을 따라 그리고 광원의 하류에 배열되고, 사이에 대상이 있는 공간 이격된 제1 및 제2회절 광학소자 - 상기 제1회절 광학소자는 -1차, 0차 및 +1차 회절 광 빔을 형성하고, 상기 -1차 및 +1차 회절 광 빔은 각각 제1 및 제2표면으로부터 반사되고 시준된 결합된 광 빔을 형성하기 위해 전단 방식으로 0차 회절 광 빔과 결함됨;
    상기 제2회절 광학소자 하류에 배열되고 상기 시준된 결합된 광 빔만을 전달 또는 반사하는 전달 또는 반사 개구 조리개를 갖춘 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템; 및
    상기 1X 더블-텔레센트릭 릴레이 시스템의 하류에 배열되고 이미지 평면에 제1 및 제2간섭 이미지를 형성하는 폴딩 광학 시스템을 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  12. 청구항 11에 있어서,
    이미지 평면에 위치하고 제1 및 제2간섭 이미지가 형성되는 확산 스크린;
    확산 스크린 상에 형성된 제1 및 제2간섭 이미지의 디지털 이미지를 캡쳐하도록 배열된 디지털 카메라; 및
    디지털 카메라에 전기적으로 연결되고 확산 스크린의 디지털 이미지를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  13. 청구항 12에 있어서,
    프로세서는 제1 및 제2전기 이미지 신호에 기초하여 상기 프로세서가 대상의 두께의 변화를 결정하게 하는 컴퓨터-판독가능 매체에 내장된 명령을 포함하는, 스침-입사 간섭계.
  14. 청구항 11 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    +1차 및 -1차 회절 광 빔은 각각 제1 및 제2대상 표면의 제1 및 제2스캔 영역을 조명하는, 스침-입사 간섭계.
  15. 적어도 하나의 대상 표면을 갖는 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법으로서,
    간섭 파면으로부터 0차 회절 광 빔 및 1차 회절 광 빔을 형성하는 단계;
    적어도 하나의 대상 표면으로부터 1차 회절 광 빔을 반사시키고 반면 비반사의 0차 회절 광 빔을 남기는 단계;
    시준되는 결합된 광 빔을 형성하기 위해 전단 방식으로 비반사의 0차 회절 광 빔과 반사의 1차 회절 광 빔을 결합하는 단계;
    결합된 광 빔만을 통과 또는 반사하는 개구 조리개를 갖춘 1X 더블-텔레센트릭 릴레이를 통해 시준된 결합된 광 빔을 릴레이하는 단계; 및
    릴레이의 시준된 결합 광 빔으로부터 대상 표면의 적어도 하나의 간섭 이미지를 형성하는 단계를 포함하는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    반사의 1차 회절 광 빔의 위상을 변경하는 방식으로 대상을 이동하는 단계를 더 포함하는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
  17. 청구항 15 또는 16에 있어서,
    적어도 하나의 대상 표면은 대향하는 측면들을 포함하고,
    추가의 간섭 파면으로부터 1차 회절 광 빔을 형성하는 단계, 및 상기 대향하는 측면들에 대응하는 제1 및 제2간섭 이미지를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    2개의 1차 회절 광 빔은 결합된 광 빔을 형성하기 위해 대상의 대향하는 측면들로부터 반사되는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    대상의 두께 변화를 결정하기 위해 제1 및 제2간섭 이미지를 처리하는 단계를 더 포함하는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
  19. 청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    +1차 및 -1차 회절 광 빔은 각각 제1 및 제2대상 표면에 걸쳐 스캔되는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
  20. 청구항 15 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    파면 에러를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 적어도 하나의 간섭 이미지로부터 정확한 기준을 빼는 단계를 더 포함하는, 대상의 스침-입사 간섭법을 수행하는 방법.
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