KR20170104245A

KR20170104245A - 분광 타원해석기

Info

Publication number: KR20170104245A
Application number: KR1020160027015A
Authority: KR
Inventors: 안일신; 박성모
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-15
Also published as: KR101810070B1

Abstract

분광 타원해석기는, 편광된 광을 발생시키는 광원측 광학대; 광원측 광학대의 일단에 마련되어, 편광된 광을 시편으로 입사시키는 광원측 대물거울계; 시편에서 반사된 광의 편광 변화량을 검출하는 검출기측 광학대; 검출기측 광학대의 일단에 마련되어, 반사된 광을 검출기측 광학대로 입사시키는 검출기측 대물거울계; 및 광원측 대물거울계와 검출기측 대물거울계를 결합시키는 연결부재; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 분광 타원해석기에 의하면, 대물거울이 결합된 결합형 대물거울 시스템 또는 대물렌즈가 결합된 결합형 대물렌즈 시스템을 이용함으로써, 시편으로 입사되는 입사각의 크기를 타원해석기에 필요한 크기로 실현할 수 있다. 이 때, 대물거울(또는 대물렌즈) 내부에 배열된 거울(또는 렌즈)들은 대칭적으로 정렬되어 타원해석기의 광축에 쉽게 도입설치가 가능하며, 배열이 고정되어 외부의 흔들림에도 광경의 뒤틀림이 없다. 또한, 슬릿을 이용함으로써 집속되는 초점의 크기를 줄이고, 입사하는 편광방향을 일정하게 할 수 있다. 또한, 슬릿이나 대물거울 시스템(또는 대물렌즈 시스템)을 이동시킴으로써 입사각을 용이하게 조절할 수 있다.

Description

분광 타원해석기{Spectroscopic ellipsometer}

본 발명은 결합된 형태의 대물거울 또는 대물렌즈를 이용하는 분광 타원해석기에 관한 것이다.

타원해석기술(ellipsometry)은 19세기 말부터 사용되었는데, 물질에 입사된 빛이 매질의 표면에서 반사되거나 투과할 때 그 매질의 굴절률이나 두께에 따라 빛의 편광상태가 변화하는 성질을 이용하여 물질의 광학적인 특성을 조하사는 분석법이다. 그 중, 분광 타원해석기술은 편광된 빛을 시편에 사입사시킨 후 그로부터 반사 또는 투과된 빛의 편광상태의 변화를 측정하고, 파장별로 타원해석기의 변수를 구하고 이를 분석하여 시편이 지닌 광학적 성질을 찾아내거나 또는 박막 시편의 경우 그 두께를 추출하는 광학 기술을 말하며, 이러한 측정방법을 이용하는 장비를 분광 타원해석기(Spectroscopic ellipsometer)라고 한다.

분광 타원해석기는 편광된 빛을 시편에 사입사시킬 때, 광원에서 발생되는 빛을 집속하여 미세초점을 형성하며, 빛의 집속을 위해 렌즈 또는 곡면거울을 구성한다.

분광 타원해석기가 렌즈로 구성되는 경우, 렌즈의 색수차로 인하여 여러 파장의 빛을 한 초점에 모으기 어렵고, 초점의 크기를 줄이는데 한계가 생긴다. 비구면 렌즈 또는 복잡한 렌즈조합을 이용하여 색수차를 어느정도 줄일 수는 있으나, 다수의 렌즈표면 반사와 흡수로 인해 파장영역에 제한이 발생하게 된다.

반면, 분광 타원해석기가 곡면 거울을 이용하는 경우에는, 색수차는 없으나 렌즈와는 달리 일렬 배열을 할 수 가 없어 다수의 곡면 거울을 어렵게 정렬해야 하는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 집속되는 초점의 크기를 줄이면서, 내부 구성의 정렬이 용이한 분광 타원해석기의 새로운 구조도입에 대한 니즈가 발생하고 있다.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0138136호(발명의 명칭: 다중채널 분광타원해석기, 공개일자: 2010. 12. 31)가 있다.

본 발명은 결합된 형태의 대물거울 또는 대물렌즈를 이용하는 분광 타원해석기를 제공한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 분광 타원해석기가 제공된다.

분광 타원해석기는, 편광된 광을 발생시키는 광원측 광학대; 광원측 광학대의 일단에 마련되어, 편광된 광을 시편으로 입사시키는 광원측 대물거울계; 시편에서 반사된 광의 편광 변화량을 검출하는 검출기측 광학대; 검출기측 광학대의 일단에 마련되어, 반사된 광을 검출기측 광학대로 입사시키는 검출기측 대물거울계; 및 광원측 대물거울계와 검출기측 대물거울계를 결합시키는 연결부재; 를 포함할 수 있다.

광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계는, 시편의 수직축을 중심으로 대칭구조를 형성할 수 있다.

광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계 각각은, 일차거울인 볼록거울 및 이차거울인 오목거울을 포함할 수 있다.

분광 타원해석기는, 개구가 형성되어, 편광된 광을 선택적으로 통과시키는 슬릿;을 더 포함할 수 있다.

슬릿은, 편광된 광이 광원측 대물거울계에 입사하기 전 위치 또는 광원측 대물거울계와 시편 사이의 광 경로 상에 마련될 수 있다.

편광된 광의 시편에 대한 입사각은, 슬릿을 슬릿의 너비방향으로 평행 이동시킴으로써 조절될 수 있다.

편광된 광의 시편에 대한 입사각은, 연결부재 또는 연결부재를 통해 결합된 광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계를 상하방향으로 평행 이동시킴으로써 조절될 수 있다.

분광 타원해석기는, 광원측 대물거울계를 대신하여 광원측 대물렌즈계를 포함하고, 검출기측 대물거울계를 대신하여 검출기측 대물렌즈계를 포함할 수 있다.

광원측 대물렌즈계 및 검출기측 대물렌즈계 각각은, 적어도 하나의 볼록렌즈를 포함할 수 있다.

이와 같은 분광 타원해석기에 의하면, 대물거울이 결합된 결합형 대물거울 시스템 또는 대물렌즈가 결합된 결합형 대물렌즈 시스템을 이용함으로써, 시편으로 입사되는 입사각의 크기를 타원해석기에 필요한 크기로 실현할 수 있다.

이 때, 대물거울(또는 대물렌즈) 내부에 배열된 거울(또는 렌즈)들은 대칭적으로 정렬되어 타원해석기의 광축에 쉽게 도입설치가 가능하며, 배열이 고정되어 외부의 흔들림에도 광경의 뒤틀림이 없다.

또한, 슬릿을 이용함으로써 집속되는 초점의 크기를 줄이고, 입사하는 편광방향을 일정하게 할 수 있다.

또한, 슬릿이나 대물거울 시스템(또는 대물렌즈 시스템)을 이동시킴으로써 입사각을 용이하게 조절할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 외관도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 내부 단면도이다.
도 3은 단일 대물거울계의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 단일 대물거울계를 이용하여 집속시킨 초점의 상을 예시한 도면이다.
도 5는 슬릿이 장착된 단일 대물거울계를 예시한 단면도이다.
도 6은 슬릿이 장착된 단일 대물거울계를 이용하여 집속시킨 초점의 상을 예시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 분광 타원해석기의 내부 단면도이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 분광 타원해석기를 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 외관 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 내부 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 분광 타원해석기는 광원측 광학대(100), 검출기측 광학대(200) 및 복수의 대물거울계(300)를 포함하여, 스테이지(600) 상에 위치한 시편(500)에 편광을 발생시켜 입사시키고, 그로부터 반사되는 빛의 편광 변화량을 측정하여 시편(500)의 광특성이나 박막의 두께 등을 측정한다.

스테이지(600)는 시편(500)이 놓여지는 공간으로, 시편(500)은 스테이지(600) 상에서 움직이지 않도록 고정되어 설치된다. 스테이지(600)는 수평 방향으로 이동가능하게 마련되어 스테이지(600)의 이동에 따라 시편(500)의 위치가 조절될 수 있다.

광원측 광학대(100)는 광원(110), 콜리메이터(collimator, 120), 및 편광발생기(130)를 포함하여, 편광된 광을 발생시키고 이를 시편(500)에 입사시킨다.

광원(110)은 예를 들어, 할로겐 램프, 제논램프 (Xe arc lamp), 중수소 램프(deuterium lamp) 등과 같은 백색광원으로 마련되며, 광원(110)으로부터 조사된 백색광은 콜리메이터(120)를 통과하면서 평행광 또는 발산광 형태로 변환된다.

편광발생기(130)는 입사된 광을 편광시키는 구성으로, 복굴절 특성을 가지는 소재로 이루어지며, 그 굴절률 방향이 서로 상이한 두 개의 삼각 프리즘을 접합한 형태로 구성될 수 있다. 편광발생기(130)는 넓은 스펙트럼 영역의 광을 투과할 수 있도록, 마그네슘 플루라이드(magnesium fluoride)로 이루어질 수도 있다.

광원(110)과 콜리메이터(120)에서 입사된 광은 편광발생기(130)를 통과하면서 특정 편광상태로 편광되며, 편광발생기(130)를 통해 편광된 광은 광원측에 마련된 대물거울계(300, 이하 ‘광원측 대물거울계’ 라 칭함)를 거쳐 소정의 입사각(I0. I1)을 형성하며 시편(500)으로 입사하게 된다.

여기서, 입사각이란 시편(500)의 수직축과 시편(500)에 입사되는 입사광이 이루는 각으로 정의되며, 입사광이 시편(500)으로부터 기울어진 정도를 의미한다.

광원측 광학대(100)는 슬릿(380)을 포함할 수 있다. 이 때, 슬릿(380)은 개구(h)를 형성하며, 개구(h)의 크기는 수십 마이크로미터 정도의 크기로 마련될 수 있다. 슬릿(380)은 이와 같이 개구(h)를 형성함으로써, 광을 선택적으로 통과시키고, 미세초점을 형성할 수 있다. 또한, 개구(h)의 크기 조절함으로써, 통과되는 광의 양 또는 광의 범위를 조절할 수 있으며, 초점의 크기를 조절할 수 있다.

도 2에는 슬릿(380)이 광원측 광학대(100)에 포함된 것을 예시하고 있으나, 슬릿(380)은 도 2에 예시된 바와 달리 광원측 대물거울계(300)와 시편(500) 사이의 광 경로 상에 마련되는 것도 가능하다.

슬릿(380)의 위치와, 슬릿(380)에 형성되 개구에 대한 더욱 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

검출기측 광학대(200)는 편광분석기(210) 및 분광검출기(220)를 포함하여, 광원측 광학대(200)로부터 입사된 후 반사된 광을 수광하고, 반사된 광의 편광 변화량을 분석한다.

편광분석기(210)는 반사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 구성으로, 편광발생기(130)와 동일한 형태로 구성될 수 있다. 편광발생기(130)와 마찬가지로, 편광분석기(210)는 복굴절 특성을 가지는 소재로 이루어지며, 그 굴절률 방향이 서로 상이한 두개의 삼각 프리즘을 접합한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 편광분석기(210)는 넓은 스펙트럼 영역의 광을 투과할 수 있도록, 마그네슘 플루라이드(magnesium fluoride)로 이루어질 수도 있다.

분광검출기(220)는 반사광의 세기를 측정하고 편광상태의 변화량을 산출하는 구성으로, CCD(charge coupled device)나 포토 다이오드(photodiode) 등 다양한 종류의 것을 채용할 수 있다.

따라서, 반사된 광은 편광분석기(210)에 수광되어 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리되고, 분광검출기(220)에서 분리된 편광성분을 이용하여 편광상태의 변화량을 산출함으로써, 시편의 광특성 및 박막의 두께 등에 관한 정보를 알아내게 된다.

광원측 광학대(100)와 검출기측 광학대(200)는 시편(500)을 중심으로 소정의 각도를 형성하며, 광원측 광학대(100)와 검출기측 광학대(200)가 이루는 각도는 조절 가능하도록 마련된다.

복수의 대물거울계(300)는 광원측 광학대(100)의 일단에 마련되는 대물거울계(300)와 검출기측 광학대(200)의 일단에 마련되는 대물거울계(300)를 포함한다. 여기서, 광원측 광학대(100)의 일단에 마련된는 대물거울계(300)는 ‘광원측 대물거울계’ 로 정의한 바 있으며, 이에 대응하여 검출기측 광학대(200)의 일단에 마련되는 대물거울계(300)를 ‘검출기측 대물거울계’ 라 정의할 수 있다.

양측의 대물거울계(300) 즉, 광원측 대물거울계(300)와 검출기측 대물거울계(300)는 연결부재(400)를 통해 결합된 형태를 구성하게 되며, 이와 같이 연결부재(400)를 통해 결합된 형태를 갖는 복수의 대물거울계(300)를 이하 ‘결합형 대물거울 시스템’(1)이라 정의하기로 한다.

복수의 대물거울계(300)를 결합시키는 연결부재(400)는 예를 들어, 가공이 용이한 알루미늄 바디로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대물거울계(300)와 결합이 가능하거나 대물거울계(300)를 결합시킬 수만 있다면 그 재질에는 제한이 없는 것으로 한다.

광원측 대물거울계(300)와 검출기측 대물거울계(300)는 동일한 구성과 형태를 갖으며, 시편(500)의 수직축을 중심으로 대칭적인 구조를 형성하도록 연결부재(400)를 통해 결합된다. 즉, 결합형 대물거울 시스템(1)은 시편(500)의 수직축을 중심으로 대칭구조를 가지게 된다.

이와 같은 결합형 대물거울 시스템(1)의 대칭구조에 대응하여 광원측 광학대(100)와 검출기측 광학대(200)의 대칭구조가 형성되며, 광원측 광학대(100)와 검출기측 광학대(200)의 대칭구조에 따라 광원측 광학대(100)와 검출기측 광학대(200)의 각도가 형성되고, 입사각이 결정될 수 있다.

상술한 바와 같이 복수의 대물거울계(300)는 광원측 대물거울계(300)와 검출기측 대물거울계(300)가 동일한 구성과 형태를 갖는 대칭구조를 형성하므로, 이하에서는 단일의 대물거울계(300)를 바탕으로 그 구성 및 구조를 살펴보기로 한다.

도 3은 단일 대물거울계의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 대물거울계(300)는 볼록거울인 일차거울(340)과 오목거울인 이차거울(320)을 포함할 수 있다. 일차거울(340)은 대물거울계(300)의 중심축에 형성되며, 이차거울(320)은 일차거울(340)의 양 측에 분리되어 형성될 수 있다. 광원(110) 방향에서 입사된 광(360)은 일차거울(340)에서 일차적으로 반사된 후, 이차거울(320)로 입사된다. 이차거울(320)에서 반사된 광은 시편(500) 위에 집속되어 초점을 형성한다.

타원해석기는 단일 입사각을 가진 광을 이용하는데, 도 3에 예시된 바와 같이 분광 타원해석기가 단일 대물거울계(300)로만 구성되는 경우, 시편(500)에 입사되는 광은 단일 입사각이 아닌 여러 입사각을 형성하게 된다.

예를 들어, 가장자리로 입사하는 빔(a)은 일차거울(340) 및 이차거울(320)에 순차적으로 반사되어 시편(500)에서 상대적으로 큰 입사각(α)를 형성하는 반면, 대물거울계(300)의 중심쪽으로 입사하는 빔(b)은 일차거울(340) 및 이차거울(320)에 반사되면서 시편(500)에서 상대적으로 작은 입사각(β)을 형성하게 된다.

또한, 분광 타원해석기가 단일 대물거울계(300)로 구성되는 경우, 도 4에 예시된 바와 같은 초점 형상을 생성한다.

도 4는 단일 대물거울계를 이용하여 집속시킨 초점의 상을 예시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 이차거울(320)에서 반사된 광은 시편(500) 위에 집속되어 초점(P1)을 형성하며, 초점(P1)에 모인 광은 환상형을 이루게 된다. 환상형의 중심을 이루는 검은 부분은 광이 도달하지 않는 곳으로 일차거울(340)의 그림자에 해당한다.

타원해석기에서는 편광된 빛을 이용하므로 시편(500)에 입사하는 광의 편광상태가 일정하여야 하는데, 분광 타원해석기가 단일 대물거울계(300)로 구성되는 경우에는 입사광의 편광방향이 여러 방향이 되며, 도 4에서와 같이 환상형의 초점 상을 이루게 된다.

상술한 바와 같은 타원해석기의 조건만족을 위해 즉, 단일 입사각을 형성하며, 입사광의 편광상태를 일정하게 하도록, 분광 타원해석기는 광이 대물거울계(300)에 입사하기 전 위치 또는 대물거울계(300)에 반사된 후의 위치에 슬릿(380)을 구성할 수 있다.

도 5는 슬릿이 장착된 단일 대물거울계를 예시한 단면도이다. 도 5에서 대물거울계(300)는 단면도를 도시하고 있으나, 슬릿(380)은 편의상 평면도로 도시하는 것으로 한다.

슬릿(380)은 도 5의 좌측에 도시된 바와 같이 광이 대물거울계(300)로 입사하기 전의 위치에 장착될 수 있다. 슬릿(380)에는 수십 마이크로미터 크기의 개구(h)가 형성되어 있으므로, 대물거울계(300)에 입사되는 광(360) 중 슬릿(380)을 통과한 광의 단면은 개구(h)의 크기에 대응하여 작아지고, 시편(500)에는 입사각이 거의 일정한 광만(예를 들어, 입사각 γ을 형성하는 광만) 입사하게 된다.

슬릿(380)은 도 5의 우측에 도시된 바와 같이 광이 대물거울계(300)에서 반사된 후의 위치 또는 광이 이차거울(340)에서 반사된 후의 위치에 장착될 수 있다. 이차거울(340)에서 반사되는 광 중에서 슬릿(380)을 통과한 광의 단면은 슬릿(380)에 형성된 개구(h)의 크기만큼 작아지고, 시편(500)에 입사되는 광은 거의 일정한 입사각(γ)을 형성하게 된다.

도 6은 슬릿이 장착된 단일 대물거울계를 이용하여 집속시킨 초점의 상을 예시한 도면이다. 여기서, 회색 부분은 비교를 위한 것으로, 슬릿(380)이 장착되지 않는 경우인 도 4의 환상형 초점 형상을 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이 슬릿(380)을 장착함으로써, 초점의 크기는 도 4에 비해 상대적으로 미세 초점을 형성하게 되며, 광이 여러 방향에서 오는 환상형이 아니기 때문에 시편(500)에 입사하는 편광방향도 거의 일정하게 된다.

이와 같이 분광 타원해석기는 슬릿(380)을 포함하여, 단일 입사각을 형성하고, 입사광의 편광상태를 일정하게 할 수 있다. 단일 대물거울계(300)를 이용하는 경우, 슬릿(380)은 광이 대물거울계(300)에 입사하기 전 위치 또는 대물거울계(300)에 반사된 후의 위치에 장착될 수 있는 것으로 상술한 바 있다.

분광 타원해석기가 단일 대물거울계(300)가 아닌 도 2에서와 같이 결합형 대물거울 시스템(1)을 구성하는 경우에는, 슬릿(380)은 광이 광학측 대물거울계(300)에 입사하기 전 위치에 마련될 수 있다. 예를 들어, 슬릿(380)은 광원(110)이나 편광발생기(130)와 함께 광학측 광학대(110)에 마련될 수 있다.

또한, 슬릿(380)은 광이 광학측 대물거울계(300)에 반사된 후 시편(500)에 입사하기 전의 위치 또는 광이 광학측 대물거울계(300)의 이차거울에 반사된 후 시편(500)에 입사하기 전의 위치에 마련될 수 있다.

분광 타원해석기는 도 2에서와 같이 동일한 구조와 형태의 대물거울계(300)가 대칭구조를 형성하여 결합된 결합형 대물거울 시스템(1)을 구성함으로써, 타원해석기에 필요한 입사각으로 용이하게 설정할 수 있다.

도 6을 다시 참조하면, 분광 타원해석기가 단일 대물거울계(300)를 이용하는 경우, 일반적으로 시편(500)에 대한 입사각이 최대 40°를 형성한다. 타원해석기에서는 적정 측정감도를 위해 70°전후의 입사각을 사용하므로, 단일 대물거울계(300)를 이용하는 경우에는 타원해석기에 필요한 입사각을 충족시키기 어렵다.

반면, 분광 타원해석기가 도 2에서와 같이 복수의 대물거울계(300)를 이용하는 경우, 광원측 대물거울계(300)와 검출기측 대물거울계(300)의 각도설정으로 시편(500)에 대한 입사각은 충분히 커질 수 있으며, 타원해석기가 필요로 하는 70°전후의 입사각을 만족시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 타원해석기는 주로 70°의 입사각을 사용하나, 측정감도의 향상을 위해 시편(500)에 따라서는 65°내지 75°정도로 입사각을 조정해야 할 필요가 있으며, 분광 타원해석기는 슬릿(380)이나 결합형 대물거울 시스템(1)를 평행 이동시킴으로써, 설정된 입사각을 측정감도에 적합한 입사각으로 용이하게 조절할 수 있다.

먼저, 분광 타원해석기는 마이크미터 이동장치 등을 이용하여 슬릿(380)을 슬릿(380)의 너비방향으로 평행 이동시키고, 입사각을 조절할 수 있다. 이 때, 슬릿(380) 자체를 직접적으로 평행 이동시키는 방법을 채택할 수도 있고, 광원측 광학대(110)를 평행 이동시키고 그에 포함된 슬릿(380)은 간접적으로 평행 이동되는 방법을 채택할 수도 있다. 또한, 슬릿(380)의 너비방향은 D1방향으로 정의할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 슬릿(380)을 D1방향으로 ε1만큼 평행 이동시킴에 따라, 입사각을 δ1만큼 변경할 수가 있다.

입사각이 I0로 형성되어 있고 입사각의 크기를 δ1각도만큼 줄여야하는 경우, 슬릿(380)이나 슬릿(380)을 포함한 광원측 광학대(110)를 D1방향 중 연결부재(400)와 가까워지는 쪽으로 ε1만큼 평행 이동시키고, δ1 각도만큼 감소된 입사각 I1으로 변경시킬 수가 있다.

반대로 입사각이 I1으로 형성되어 있고 입사각의 크기를 δ1만큼 늘려야하는 경우, 슬릿(380)이나 광원측 광학대(110)를 D1방향 중 연결부재(400)와 멀어지는 쪽으로 ε1만큼 평행 이동시키고, I1에서 δ1만큼 증가된 입사각 I0으로 변경시킬 수가 있다.

또한, 분광 타원해석기는 마이크미터 이동장치 등을 이용하여 연결부재(400) 또는 결합형 대물거울 시스템(1)을 상하방향으로 평행 이동시켜, 입사각을 조절할 수도 있다. 이 때, 상하방향은 D2방향으로 정의할 수 있다.

결합형 대물거울 시스템(1)을 D2방향으로 평행 이동시킴에 따라, 입사하는 광의 경로는 대물렌즈계(300)의 중심축으로부터 가까워지거나 멀어질 수 있다. 구체적으로, 결합형 대물거울 시스템(1)을 D2방향 중 상부쪽으로 평행 이동시키는 경우에는, 광 경로가 대물렌즈계(300)의 중심축에서 멀어지게 되는 반면, 결합형 대물거울 시스템(1)을 D2방향 중 하부쪽으로 평행 이동시키는 경우에는, 광 경로가 대물렌즈계(300)의 중심축에 가까워지게 된다.

즉, 결합형 대물거울 시스템(1)을 D2방향으로 평행 이동시키는 것은 광의 입사 위치에 변화를 주고 광 경로를 D1방향에서 평행 이동시키는 것과 동일하며, 이는 결국 상술한 바 있는 슬릿(380)을 D1방향으로 평행 이동시키는 것과 동일한 효과를 발생시킨다. 도 2의 예시에서, 결합형 대물거울 시스템(1)을 D2방향으로 평행 이동시켜 광 경로를 D1방향으로 ε1만큼 이동시키는 경우, 입사각은 δ1만큼 증가하거나 감소하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 분광 타원해석기는 결합형 대물거울 시스템(1)을 구성함으로써 타원해석기에 필요한 입사각을 용이하게 설정할 수 있으며, 슬릿(380)이나 결합형 대물거울 시스템(1)을 평행 이동시킴으로써 입사각 조절을 용이하게 할 수 있다.

이상으로 도 1 내지 도 6을 참조하여 일 실시예에 따른 분광 타원해석기를 설명하였으며, 이하에서는 도 7을 참조하여 다른 실시예에 따른 분광 타원해석기에 대해 상술하기로 한다. 도 7을 설명함에 있어, 상술한 실시예와 동일한 구성 및 그에 대한 구체적 내용은 이하 생략하도록 한다.

도 7은 다른 실시예에 따른 분광 타원해석기의 내부 단면도이다.

도 7을 참조하면, 다른 실시예에 따른 분광 타원해석기는 광원측 광학대(100), 검출기측 광학대(200) 및 복수의 대물렌즈계(310)를 포함하여, 스테이지(600) 상에 위치한 시편(500)에 편광을 발생시켜 입사시키고, 그로부터 반사되는 빛의 편광 변화량을 측정하여 시편(500)의 광특성이나 박막의 두께 등을 측정한다.

광원(110)은 백색광원으로 예를 들어, 할로겐 램프, 제논램프 (Xe arc lamp), 중수소 램프(deuterium lamp) 등을 채용할 수 있다. 콜리메이터(120)는 광원(110)으로부터 조사된 백색광을 평행광 또는 발산광 형태로 변환시킨다.

광원측 광학대(100)는 슬릿(380)을 포함할 수 있다. 슬릿(380)에는 수십 마이크로미터 정도 크기의 개구(h)가 형성되며, 슬릿(380)은 이와 같이 개구(h)를 통해 광을 선택적으로 통과시키고 미세초점을 형성할 수 있다. 개구(h)의 크기 조절에 따라 통과되는 광의 양 또는 광의 범위를 조절할 수 있으며, 초점의 크기를 조절할 수 있다.

도 7에는 슬릿(380)이 광원측 광학대(100)에 포함된 것을 예시하고 있으나, 슬릿(380)은 도 7에 예시된 바와 달리 광원측 대물렌즈계(310)와 시편(500) 사이의 광 경로 상에 마련되는 것도 가능하다. 여기서, 광원측 대물렌즈계(310)는 복수의 대물렌즈계(310) 중 광원측 광학대(100)의 일단에 마련된는 대물렌즈계(310)로 정의되는 것으로 한다.

상술한 바와 같이 분광 타원해석기는 광이 광학측 대물렌즈계(310)에 입사하기 전 위치나 광학측 대물렌즈계(310)에서 굴절된 후의 위치에 슬릿(380)을 장착함으로써, 단일 입사각을 형성하고, 입사광의 편광상태를 일정하게 할 수 있다.

편광분석기(210)는 반사된 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 구성으로, 편광발생기(130)와 마찬가지로, 편광분석기(210)는 복굴절 특성을 가지는 소재로 이루어지며, 그 굴절률 방향이 서로 상이한 두개의 삼각 프리즘을 접합한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 편광분석기(210)는 넓은 스펙트럼 영역의 광을 투과할 수 있도록, 마그네슘 플루라이드(magnesium fluoride)로 이루어질 수도 있다.

분광검출기(220)는 CCD(charge coupled device)나 포토 다이오드(photodiode) 등을 채용하여, 분리된 편광성분으로부터 편광상태의 변화량을 산출하고, 시편(500)의 광특성 및 박막의 두께 등에 관한 정보를 알아내게 된다.

복수의 대물렌즈계(310)는 광원측 광학대(100)의 일단에 마련되는 대물렌즈계(310)와 검출기측 광학대(200)의 일단에 마련되는 대물렌즈계(310)를 포함한다. 여기서, 광원측 광학대(100)의 일단에 마련된는 대물렌즈계(310)는 ‘광원측 대물렌즈계’ 로 정의한 바 있으며, 이에 대응하여 검출기측 광학대(200)의 일단에 마련되는 대물렌즈계(310)를 ‘검출기측 대물렌즈계’ 라 정의할 수 있다.

광원측 대물렌즈계(310)와 검출기측 대물렌즈계(310)는 연결부재(410)를 통해 결합된 형태를 구성하게 되며, 이와 같이 연결부재(410)를 통해 결합된 형태를 갖는 복수의 대물렌즈계(310)를 이하 ‘결합형 대물렌즈 시스템’(2)이라 정의하기로 한다.

복수의 대물렌즈계(310)를 결합시키는 연결부재(410)는 예를 들어, 가공이 용이한 알루미늄 바디로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대물렌즈계(310)와 결합이 가능하거나 대물렌즈계(310)를 결합시킬 수만 있다면 그 재질에는 제한이 없는 것으로 한다.

광원측 대물렌즈계(310)와 검출기측 대물렌즈계(310)는 동일한 구성과 형태를 갖으며, 시편(500)의 수직축을 중심으로 대칭적인 구조를 형성하도록 연결부재(410)를 통해 결합된다. 즉, 결합형 대물렌즈 시스템(2)은 시편(500)의 수직축을 중심으로 대칭구조를 가지게 된다.

각각의 대물렌즈계(310)는 광을 집속시키는 볼록렌즈를 포함한다. 도 7에는 대물렌즈계(310)가 단일의 볼록렌즈로 구성되는 것을 예시하고 있으나, 도 7에 예시된 바와 달리 복수의 볼록렌즈로 구성될 수도 있으며, 이 경우 복수의 볼록렌즈는 광이 입사되거나 반사되는 방향으로 적층된 적층 구조를 갖을 수 있다.

분광 타원해석기는 동일한 구조와 형태의 대물렌즈계(310)가 대칭구조를 형성하여 결합된 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 구성함으로써, 타원해석기에 필요한 입사각으로 용이하게 설정할 수 있다. 광원측 대물렌즈계(310)와 검출기측 대물렌즈계(310)의 각도설정으로 시편(500)에 대한 입사각은 충분히 커질 수 있으며, 타원해석기가 필요로 하는 70°전후의 입사각을 만족시킬 수 있게 된다.

분광 타원해석기는 슬릿(380)이나 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 평행 이동시킴으로써, 설정된 입사각을 측정감도에 적합한 입사각으로 용이하게 조절할 수 있다.

먼저, 분광 타원해석기는 마이크미터 이동장치 등을 이용하여, 슬릿(380)이나 이를 포함하는 광원측 광학대(110)를 슬릿(380)의 너비방향 즉, D1방향으로 평행 이동시키고 입사각을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿(380)을 D1방향으로 ε2만큼 평행 이동시켜 광의 입사 위치를 변경하고 광 경로를 이동시킴으로써, 입사각을 δ2만큼 변경할 수가 있다.

또한, 분광 타원해석기는 마이크미터 이동장치 등을 이용하여, 연결부재(400) 또는 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 상하방향 즉, D2방향으로 평행 이동시키고 입사각을 조절할 수도 있다. 예를 들어, 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 D2방향으로 평행 이동시킴으로써, 간접적으로 광의 입사 위치 또는 광 경로가 D1방향으로 ε2만큼 평행 이동시키고, 입사각을 δ2만큼 증가하거나 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 분광 타원해석기는 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 구성함으로써 타원해석기에 필요한 입사각을 용이하게 설정할 수 있으며, 슬릿(380)이나 결합형 대물렌즈 시스템(2)을 평행 이동시킴으로써 입사각 조절을 용이하게 할 수 있다.

이상으로 예시된 도면을 참조로 하여, 분광 타원해석기의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 결합형 대물거울 시스템
2: 결합형 대물렌즈 시스템
100 : 광원측 광학대 110 : 광원
120 : 콜리메이터 130 : 편광발생기
200 : 검출기측 광학대 210 : 편광분석기
220 : 분광검출기 300 : 대물거울계
310 : 대물렌즈계 400, 410: 연결부재
500: 시편

Claims

편광된 광을 발생시키는 광원측 광학대;
상기 광원측 광학대의 일단에 마련되어, 상기 편광된 광을 시편으로 입사시키는 광원측 대물거울계;
상기 시편에서 반사된 광의 편광 변화량을 검출하는 검출기측 광학대;
상기 검출기측 광학대의 일단에 마련되어, 상기 반사된 광을 상기 검출기측 광학대로 입사시키는 검출기측 대물거울계; 및
상기 광원측 대물거울계와 상기 검출기측 대물거울계를 결합시키는 연결부재;
를 포함하는 분광 타원해석기.
제 1 항에 있어서,
상기 광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계는,
상기 시편의 수직축을 중심으로 대칭구조를 형성하는 분광 타원해석기.
제 1 항에 있어서,
상기 광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계 각각은,
일차거울인 볼록거울 및 이차거울인 오목거울을 포함하는 분광 타원해석기.
제 1 항에 있어서,
개구가 형성되어, 상기 편광된 광을 선택적으로 통과시키는 슬릿;
을 더 포함하는 분광 타원해석기.
제 4 항에 있어서,
상기 슬릿은,
상기 편광된 광이 상기 광원측 대물거울계에 입사하기 전 위치 또는 상기 광원측 대물거울계와 상기 시편 사이의 광 경로 상에 마련되는 분광 타원해석기.
제 4 항에 있어서,
상기 편광된 광의 상기 시편에 대한 입사각은,
상기 슬릿을 상기 슬릿의 너비방향으로 평행 이동시킴으로써 조절되는 분광 타원해석기.
제 4 항에 있어서,
상기 편광된 광의 상기 시편에 대한 입사각은,
상기 연결부재 또는 상기 연결부재를 통해 결합된 광원측 대물거울계 및 검출기측 대물거울계를 상하방향으로 평행 이동시킴으로써 조절되는 분광 타원해석기.
제 1 항에 있어서,
상기 광원측 대물거울계를 대신하여 광원측 대물렌즈계를 포함하고,
상기 검출기측 대물거울계를 대신하여 검출기측 대물렌즈계를 포함하는 분광 타원해석기.
제 8 항에 있어서,
상기 광원측 대물렌즈계 및 검출기측 대물렌즈계 각각은,
적어도 하나의 볼록렌즈를 포함하는 분광 타원해석기.