KR20200018250A - 검사 장치 및 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형 축외각 편광 간섭계를 통해 생성된 고주파의 공간 주파수를 가지는 간섭 이미지 패턴을 스냅샷 방식으로 촬영하여, 공간적 편광 위상 정보가 포함된 스톡스 벡터를 정밀하고 고속으로 측정할 수 있는 검사 장치에 관한 것이다. 점 단위의 검사장치에서 사용되는 2차원 스캐닝 장치 없이 실시간으로 2차원적인 면 단위의 편광 정보 변화를 다이나믹하게 측정할 수 있다.

Description

검사 장치 및 검사 방법{INSPECTION　APPARATUS AND INSPECTION METHOD}
본 발명은 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 대상물의 이미지를 측정하는 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것이다.
이미지 측정기술은 실시간으로 변하는 물리적 현상을 조사하고 연구하기 위해 광범위하게 사용되고 있으며, 다양한 진단 및 검사 도구로 활용되고 있다. 편광 특성을 기반으로 하는 이미지 측정기술은 다양한 분야에서 적용 가능한 고 해상도, 고 정밀도를 가지는 측정 기술 중 하나이다.
대부분의 편광 측정기술은 편광자의 기계적 회전 메커니즘 또는 전자적인 편광변조 장치를 필요로 한다. 하지만 기계적 메커니즘이나 전자적인 편광변조를 사용하는 편광 이미징 측정기술은 측정시간이 많이 소요되며 장치가 복잡한 한계를 가지고 있다.
본 발명은 단파장 광원으로 통해 면(Area) 단위의 이미지를 고속으로 측정할 수 있는 검사 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 검사 장치는 광을 발생하는 광 발생기, 상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자, 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 공간적 위상 차이 정보를 갖도록 하는 편광 간섭계, 측정 대상물을 투과 또는 반사한 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여 상기 측정 대상물의 이방성 정보가 포함된 공간 주파수를 갖는 간섭 이미지 패턴을 생성하는 제2 선형 편광자, 및 상기 제2 선형 편광자로부터 상기 간섭 이미지 패턴을 촬영하는 이미지 센싱 모듈을 포함할 수 있다.
상기 제1 선형 편광자와 상기 제 2 선형 편광자의 편광 방향은 45° 방향일 수 있다.
상기 편광 간섭계는 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 각각 입사되고 서로 인접하는 제1 면 제2 면을 갖는 편광 빔 스플리터, 상기 제1 면 상에 배치된 제1 미러, 및 상기 제2 면 상에 배치된 제2 미러를 포함할 수 있다.
상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 가질 수 있다. 상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1° 일 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 배치된 제1 비편광 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 제1 비편광 빔 스플리터와 상기 측정 대상물 사이에 배치된 제2 비편광 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 선형 편광자는 상기 제2 비편광 빔 스플리터의 일 측에 배치될 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 광 발생기로부터의 상기 광을 수광하여 평행 광으로 변환하는 평행 광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 제2 선형 편광자 및 상기 이미지 센싱 모듈 사이에 배치된 수광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 광 발생기로부터의 상기 광은 단색 광일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 검사 장치는 광을 발생하는 광 발생기, 상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자, 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 각각 입사되고 서로 인접하는 제1 면 제2 면을 갖는 빔 스플리터, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 각각 배치된 제1 미러 및 제2 미러, 상기 빔 스플리터로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하여 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하는 제2 선형 편광자, 및 상기 제2 선형 편광자로부터의 간섭 이미지를 촬영하는 이미징 센싱 모듈을 포함하되, 상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 가질 수 있다.
상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1° 일 수 있다.
상기 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터일 수 있다.
상기 검사 장치는 상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 배치되는 비편광 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
상기 광 발생기로부터의 상기 광은 단색 광일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 검사 방법은 광을 선형 편광하고, 상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 공간적 위상 차이를 갖도록 하고, 상기 공간적 위상 차이를 갖는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 측정 대상물에 조사하고, 상기 측정 대상물로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하고, 그리고 상기 선형 편광된 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로부터 상기 측정 대상물의 간섭 이미지 패턴을 촬영하는 것을 포함할 수 있다.
상기 광은 단색 광일 수 있다.
상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파일 수 있다.
상기 간섭 편광 이미지 패턴은 스냅샷 방식으로 촬영될 수 있다.
상기 광의 파장은 가변될 수 있다.
본 발명에 의하면 기계적 회전 메카니즘 또는 전자적 신호변조 없이 단일 스냅샷으로 이미징 정보를 실시간으로 측정할 수 있다. 종래의 점 단위의 분광 편광계에서 사용되는 2차원 스캐닝 장치 없이, 실시간으로 측정 대상물의 2차원적인 면 단위의 이미지 정보를 고속으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 검사 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 편광 분리부의 다른 예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 검사 장치에 의해 생성된 간섭 이미지 패턴의 일 예이다.
도 7은 도 6의 A 부분의 확대도이다.
도 8은 본 발명에 따른 간섭 이미지 패턴의 1차원 표면 프로파일을 나타내는 일 예이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 간섭 이미지 패턴에서 추출된 공간 위상정보를 나타내는 예들이다.
도 10a는 본 발명에 따른 서로 다른 편광상태를 갖는 측정 대상물의 공간 편광 위상차 맵을 도시한다.
도 10b는 도 10a의 중심 위치에서의 공간 편광 위상차 측정 결과와 상업용 측정장치의 측정 결과 비교표이다.
도 11a는 본 발명에 따른 검사장치를 사용하여 나노패턴을 갖는 측정 대상물에 대해 생성된 간섭 이미지 패턴의 일 예이다.
도 11b는 도 11a의 간섭 이미지 패턴을 이용해 획득된 공간 편광 위상차 측정결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 검사 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 개념에 따른 검사 장치는 광 소스 파트(100), 편광 변조 파트(200), 및 분석 파트(300)를 포함할 수 있다.
광 소스 파트(100)는 광을 조사(illuminate)할 수 있다. 광 소스 파트(100)는 단파장의 광을 조사할 수 있다.
레이저 광(Ein)은 편광 변조 파트(200)로 조사될 수 있다. 레이저 광은 편광 변조 파트(200)에서 선형 편광(예를 들어, 45° 방향으로)될 수 있다. 편광 변조 파트(200)는 선형 편광된 레이저 광을 P- 편광파 및 S- 편광파로 분리하고, 이들이 공간적 위상 차이(spatial phase difference)를 갖도록 할 수 있다. 즉, 서로 수직으로 선형 편광된 P- 편광파 및 S- 편광파 중의 적어도 하나는 공간적 위상 차이(spatial phase difference)를 갖도록 변조될 수 있다. 이와 같이, 편광 변조 파트(200)는 공간적 위상 차이를 갖는 고주파의 공간 주파수 신호(high spatial carrier frequency)를 생성할 수 있다.
고주파의 공간 주파수 신호를 갖는 출력 광(Eout)이 측정 대상물(measured object, OBJ)에 조사될 수 있다. 측정 대상물(OBJ)은 편광 이방성을 가질 수 있다. 측정 대상물(OBJ)을 통과 또는 반사된 광은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다.
측정 대상물(OBJ)을 거쳐 분석 파트(300)로 입사된 광은 선형 편광(예를 들어, 45° 방향으로)될수 있다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 측정 대상물(OBJ)의 이방성 편광 정보(polarimetric information)가 포함된 고주파의 공간 주파수를 갖는 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)을 생성할 수 있다.
분석 파트(300)는 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)을 구동부 없이 스냅샷 방식으로 촬영하며 2차원의 이미지를 생성할 수 있다. 나아가, 분석 파트(300)는 측정 대상물(OBJ)의 공간적 편광 정보(spatial polarimetric parameter)가 포함된 스톡스 벡터(Stokes vector)를 실시간으로 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치는 광 발생기(10), 평행광 렌즈(20), 제1 선형 편광자(30), 제1 비편광 빔 스플리터(40), 편광 간섭계(50), 제2 선형 편광자(70), 이미징 렌즈(80), 및 이미지 센싱 모듈(90)을 포함할 수 있다.
도 1의 광 소스 파트(100)는 광 발생기(10) 및 평행광 렌즈(20)를 포함하고, 편광 변조 파트(200)는 제1 선형 편광자(30), 제1 비편광 빔 플리터(40) 및 편광 간섭계(50)을 포함하고, 분석 파트(300)는 제2 선형 편광자(70), 이미징 렌즈(80), 및 이미지 센싱 모듈(90)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여, 광 발생기(10)는 레이저 광을 생성할 수 있다. 광 발생기(10)는 단파장의 광을 생성하는 단색 레이저일 수 있다. 이와는 달리, 광 발생기(10)는 파장 변조가 가능한 파장 변조 레이저(tunable laser)일 수 있다.
레이저 광은 평행광 렌즈(20)로 조사될 수 있다. 평행광 렌즈(20)는 레이저 광을 평행 광으로 변환할 수 있다.
평향광 렌즈(20)로부터의 광은 제1 선형 편광자(30)로 조사될 수 있다. 제1 선형 편광자(30)는 레이저 광을 선형 편광(예를 들어, 45° 방향으로)할 수 있다.
제1 비편광 빔 플리터(40)는 제1 선형 편광자(30)와 편광 간섭계(50) 사이에 배치될 수 있다. 제1 비편광 빔 플리터(40)는 제1 선형 편광자(30)로부터의 선형 편광된 레이저 광을 편광 간섭계(50)로 제공할 수 있다. 나아가, 제1 비편광 빔 스플리터(40)는 편광 간섭계(50)의 미러들(MR1, MR2)에서 반사된 제1 광과 제2 광을 측정 대상물(60)로 제공할 수 있다.
편광 간섭계(50)는 레이저 광을 편광 변조하는 일체형 축외각 편광 간섭계일 수 있다. 편광 간섭계(50)는 편광 분리부(polarizing splitter 51), 제1 미러(MR1), 및 제2 미러(MR2)를 포함할 수 있다. 편광 분리부(51)는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)일 수 있다.
편광 분리부(51)는 선형 편광된 레이저 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리할 수 있다. 제1 광 및 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파일 수 있다. 이와는 달리, 제1 광 및 제2 광은 각각 S- 편광파 및 P- 편광파일 수 있으나, 이하 편리를 위하여 제1 광 및 제2 광이 각각 P- 편광파 및 S- 편광파인 것으로 설명된다. 편광 분리부(51)는 서로 인접하고 직교하는 제1 면(51a) 및 제2 면(51b)을 가질 수 있다. 편광 간섭계(50)는 제1 면(51a) 상에 배치된 제1 미러(MR1), 및 제2 면(51b) 상에 배치된 제2 미러(MR2)를 포함할 수 있다.
편광 분리부(51)는 제1 광을 투과시켜 제1 미러(MR1)로 입사시키고, 제2 광은 반사하여 제2 미러(MR2)로 입사시킨다. 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)는 서로 직교하지 않는다. 즉, 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)는 수직에서 벗어나는 축외각(off-axis, θ)을 가질 수 있다. 축외각(θ)은 대략 0.01 ~ 1°(바람직하게는, 0.02 ~ 0.1°)일 수 있으며, 레이저 광의 파장에 따라 변경될 수 있다. 제1 미러(MR1)가 축외각(θ) 만큼 틸팅됨에 따라, 고주파의 공간 주파수신호를 생성하여 분광된 편광 신호를 공간적으로 변조할 수 있다. 제1 미러(MR1)의 틸팅은 도시된 방향뿐만 아니라 도시된 방향에 수직인 방향일 수도 있다. 나아가, 제1 미러(MR1)는 그들 둘 모두의 방향으로 틸팅될 수 있다. 도면에는 MR1이 틸팅된 것이 도시되어 있으나, MR2 또는 이들 모두가 틸팅될 수 있다.
이에 따라, 편광 간섭계(50)는 선형 편광된 레이저 광을 P- 편광파 및 S- 편광파로 분리하고, 이들이 공간적 위상 차이(spatial phase difference)를 갖도록 할 수 있다. 즉, 편광 간섭계(50)는 공간적 위상 시프트(spatial phase shift)를 갖는 고주파의 공간 주파수 신호(high spatial carrier frequency)를 생성할 수 있다.
편광 간섭계(50)에서 출력된 제1 광과 제2 광은 제1 비편광 빔 플리터(40)을 통하여 측정 대상물(60)을 통과할 수 있다. 측정 대상물(OBJ)은 편광 이방성을 가질 수 있다. 측정 대상물(OBJ)로부터의 광은 측정 대상물의 편광 이방성에 의하여 진폭 변조 및 위상 변조된다.
측정 대상물(60)을 투과한 광은 분석 파트(300)로 입사될 수 있다. 즉, 분석 파트(300)의 제2 선형 편광자(70)는 측정 대상물(60)을 투과한 P- 편광파 및 S- 편광파를 수광하고, P- 편광파 및 S- 편광파를 선형 편광(예를 들어, 45° 방향으로)한다. 이에 따라, P- 편광파 및 S- 편광파는 서로 간섭되어, 측정 대상물(OBJ)의 편광 정보(polarimetric information)가 포함된 공간 주파수를 갖는 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)을 생성할 수 있다.
간섭 이미지 패턴은 이미징 렌즈(80)를 거쳐 이미징 센싱 모듈(90)로 입사(Edet)될 수 있다. 이미징 센싱 모듈(90)은 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)을 구동부 없이 스냅샷 방식으로 촬영하며, 측정 대상물(OBJ)의 공간적 편광 정보(spatial polarimetric parameter)가 포함된 스톡스 벡터(stokes vector)를 실시간으로 측정할 수 있다.
이와 같이, 제1 미러(MR1)와 제2 미러(MR2)가 편광 분리부(51)에 일체형으로 부착되므로, 축외각(θ)은 외부 진동 등에 의한 외란에 영향을 받지 않을 수 있다. 이에 따라, 고주파 공간주파수 신호는 어떠한 경우에도 일정하게 유지될 수 있고, 스냅샷으로 간섭 이미지 패턴을 정밀하게 측정할 수 있다. 나아가, 간섭 이미지 패턴을 스냅샷 방식으로 촬영함에 따라 2차원의 면 측정을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 2를 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치는 제2 비편광 빔 스플리터(41)을 더 포함할 수 있다.
도 1의 광 소스 파트(100)는 광 발생기(10) 및 평행광 렌즈(20)를 포함하고, 편광 변조 파트(200)는 제1 선형 편광자(30), 제1 비편광 빔 플리터(40) 및 편광 간섭계(50)을 포함하고, 분석 파트(300)는 제2 비편광 빔 스플리터(41), 제2 선형 편광자(70), 이미징 렌즈(80), 및 이미지 센싱 모듈(90)을 포함할 수 있다.
편광 간섭계(50)에서 출력된 제1 광과 제2 광은 측정 대상물(60)에서 반사될 수 있다. 측정 대상물(60)은 반사형 편광 이방성 시료일 수 있다. 측정 대상물(60)은, 예를 들면 나노 패턴을 가질 수 있다. 반사된 제1 광과 제2 광(즉, P- 및 S- 편광파)은 제2 비편광 빔 스플리터(41)에 의해 제2 선형 편광자(70)로 제공될 수 있다. 제2 선형 편광자(70)에 입사된 제1 광과 제2 광은 선형 편광(예를 들어, 45°방향으로)되어 간섭 이미지 패턴을 생성하고, 이미징 렌즈(80)를 거쳐 이미징 센싱 모듈(90)로 입사된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치의 개략도이다. 도 3을 참조하여 설명된 구성요소 및 기능에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치는 대물 렌즈(81)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 광 소스 파트(100)는 광 발생기(10) 및 평행광 렌즈(20)를 포함하고, 편광 변조 파트(200)는 제1 선형 편광자(30), 제1 비편광 빔 플리터(40) 및 편광 간섭계(50)을 포함하고, 분석 파트(300)는 제2 비편광 빔 스플리터(41), 제2 선형 편광자(70), 이미징 렌즈(80), 대물 렌즈(81) 및 이미지 센싱 모듈(90)을 포함할 수 있다.
대물 렌즈(81)는 반사형의 측정 대상물(60)의 미세 영역을 보기 위하여 추가적으로 제공될 수 있다. 대물 렌즈(81)는 반사형의 측정 대상물(60)을 고배율로 확대하여 측정하기 위한 마이크로 스코프일 수 있다. 마이크로 스코프의 배율은 사용자에 의해 인위적으로 변경될 수 있으며, 특정의 배율로 한정하지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 편광 분리부(51)의 다른 예를 도시한다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 전술된 편광 분리부(51)는 편광 빔 스플리터이고, 도 5에서의 편광 분리부(51)는 비편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하여, 편광 분리부(51)는 비편광 빔 스플리터(52), 제1 서브 선형 편광자(53), 및 제2 서브 선형 편광자(54)를 포함할 수 있다. 레이저 광은 비편광 빔 스플리터(52)에 의하여 분리되고, 분리된 광들의 2 개의 경로들에 서로 수직 편광 방향을 갖는 2개의 서브 선형 편광자들(53, 54)이 배치될 수 있다. 2개의 서브 선형 편광자들(53, 54) 상에 미러들(MR1, MR2)이 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 검사 장치에 의해 생성된 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)의 일 예이다. 도 2의 측정 대상물(60)의 위치에 투과성 무색(transmissive achromatic)의 1/4 파장판(quarter wave plate, QWP)를 놓고 테스트하였다. QWP의 광축 각도 -45°가 기준(reference)으로 설정되었다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 검사 장치는 간섭 이미지 패턴을 스냅샷 방식으로 촬영함에 따라 면 측정을 수행할 수 있다. 고주파 공간 주파수 신호로부터 편광 변조된 간섭 무늬가 보여진다.
간섭 이미지 패턴(interference image pattern)이 생성됨으로써, 측정 대상물(OBJ)의 공간적 편광 정보(spatial polarimetric parameter)가 추출될 수 있다. 이하, 도 2의 검사 장치를 사용하여, 공간적 편광 정보(spatial polarimetric parameter)를 추출하는 방법을 설명하도록 한다.
편광 간섭계(50)로 입사되는 입사 광(input wave light, Ein)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
=
Figure pat00002
=
Figure pat00003
여기서, j는 j2 = -1의 규칙을 따르는 연산자이다. u 및 v는 각각 x- 및 y- 축에 따른 입사 광의 진폭을 나타낸다. η 및 ξ는 각각 x- 및 y- 축에 따른 입사 광의 위상을 나타낸다. P- 편광파 및 S- 편광파는 각각 x- 축 및 y- 축을 향한다.
편광 간섭계(40)로부터의 출력 광(output field, Eout)은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00004
=
Figure pat00005
+
Figure pat00006
여기서, E1(x, y) 및 E2(x, y)는 각각 P- 편광 및 S- 편광 경로들에 관련된다. E1(x, y) 및 E2(x, y)는 편광 간섭계(50)의 출구에서 만나며, E1(x, y) 및 E2(x, y)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
=
Figure pat00008
=
Figure pat00009
그리고,
Figure pat00010
=
Figure pat00011
=
Figure pat00012
여기서, P(45)는 45°의 회전 각도로 정렬된 선형 편광자의 존스 행렬(Jones matrix)을 나타낸다. BN은 편광 간섭계(50)에서 사용되는 비편광 빔 스플리터의 존스 행렬이고, BP 및 BS는 각각 편광 간섭계(50)에서 사용되는 P- 및 S- 편광 경로들에 대한 편광 빔 스플리터의 존스 행렬이다. M1 및 M2는 각각 반사 계수들 r1 및 r2를 갖는 미러들(MR1, MR2)의 존스 행렬을 나타낸다. λ는 광원의 파장을 나타낸다. kx1 및 ky1는 편광 간섭계(50)의 P- 편광 경로들을 따라 전파된(traveled) 파동 벡터의 성분들(components of the wave vector)을 나타낸다. kx2 및 ky2는 광 간섭계(50)의 S- 편광 경로들을 따라 전파된(traveled) 파동 벡터의 성분들(components of the wave vector)을 나타낸다.
u' 및 ξ'는 각각 E1(x, y) 및 E2(x, y)의 새로이 정의된 미지의 진폭 항들을 나타낸다. v' 및 η'는 각각 E1(x, y) 및 E2(x, y)의 새로 정의된 미지의 위상 항들을 나타낸다.
편광 간섭계(50)에서의 공간적 광경로 차이(optical path difference)가 공간적 간섭 무늬(spatial interference fringes)를 생성하는 조건이 될 수 있다. 결국, 출력 광(output field, Eout)이 도 2에 도시된 비등방성의 측정 대상물을 투과하고, 이미징 센싱 모듈(90)에서 측정되는 측정 광(output light wave,
Figure pat00013
)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
및
Figure pat00018
는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 관련된 측정 광을 나타낸다. |tp| 및 |ts|는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 통과시의 공간적 프레넬 전송 계수(complex Fresnel transmission coefficients)의 진폭을 나타낸다. δp 및 δs는 각각 P- 편광 및 S- 편광에 대한 측정 대상물 통과 시 공간 적 위상 변화를 나타낸다.※
P- 편광파 및 S- 편광파 사이의 간섭으로 인해 생성된 간섭 이미지 패턴(interference image pattern)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00019
)
Figure pat00020
*
비등방성 측정 대상물을 통과(transmission)하는 경우, 간섭 이미지 패턴은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00021
+
Figure pat00022
+ 2
Figure pat00023
Figure pat00024
=
Figure pat00025
+
Figure pat00026
+ 2
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
=
Figure pat00029
Figure pat00030
여기서, k1 = kx1 - kx2 , k2 = ky1 - ky2 이며, 각각 P- 및 S- 편광 경로 파동 벡터의 차이를 나타낸다. γ(x, y)는 공간 코히어런스 함수(spatial coherence function)를 나타낸다. 공간 위상 함수 Φobj(x, y)는 공간 주파수 도메인에서 적용된 2D 푸리에 변환 방법을 사용하여 추출될 수 있다.
한편, 측정 대상물(OBJ)의 보정된 공간 편광 위상차 △(x, y)를 측정하기 위해서, 보정 단계로 측정 대상물이 없는 경우에서의 기준 공간 위상 함수 Φref(x, y)를 얻을 필요가 있다. 도 2에 도시된 비등방성의 측정 대상물이 없는 경우, 이미징 센싱 모듈(90)에서 측정되는 기준 측정 광(output light wave,
Figure pat00031
)은 다음과 같이 표현 될 수 있다.
Figure pat00032
여기서,
Figure pat00033
Figure pat00034
측정 대상물을 통과(transmission)하지 않는 경우, 간섭 이미지 패턴은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00035
+
Figure pat00036
+ 2
Figure pat00037
Figure pat00038
여기서,
Figure pat00039
=
Figure pat00040
위와 유사한 방법으로, 2D 푸리에 변환 방법을 사용하여 기준 공간 위상 함수 Φref(x, y)가 추출될 수 있다. 측정 대상물이 없는 경우에서의 기준 공간 위상 함수 Φref(x, y)가 얻어지면, 비등방성 측정 대상물에 의해 생성된 P- 편광과 S- 편광 사이의 공간 편광 위상차 △(x, y)를 아래와 같이 측정할 수 있다.
Figure pat00041
-
Figure pat00042
=
Figure pat00043
여기서, Φref(x, y)를 얻는 보정 단계는 1회만 필요하며, Φref(x, y)는 측정 시스템 고유의 값을 갖는 고정 값이기 때문에 보정 작업 후 모든 측정 대상물(OBJ)의 △(x, y)에 적용될 수 있다.
한편, 공간 편광 위상차 △(x, y)와 유사한 방법으로, P- 편광과 S- 편광 사이의 공간 편광 진폭차 Ψ(x, y)가 얻어질 수 있다.
비등방성 측정 대상물을 통과(transmission)하는 경우의 간섭 이미지 패턴은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00044
Figure pat00045
+
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
=
Figure pat00048
+
Figure pat00049
,
Figure pat00050
=
Figure pat00051
이고,
Figure pat00052
,
Figure pat00053
이다.
결국,
Figure pat00054
=
Figure pat00055
Figure pat00056
=
Figure pat00057
이고, 이들로부터 공간 편광 진폭차 Ψ(x, y)가 얻어질 수 있다.
Figure pat00058
=
Figure pat00059
이하 도 6 내지 도 11b를 참조하여, 본 발명에 따른 검사 장치의 작동성을 검증한다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 검사 장치에서 측정된 간섭 이미지 패턴이 측정된다. 도 7은 도 6의 A 부분의 확대도이다. 도 7을 참조하여, 고주파 공간 주파수 신호로부터 편광 변조된 간섭 무늬가 보여진다.
도 8은 도 6에 도시된 간섭 이미지 패턴의 1차원 표면 프로파일을 나타내는 일 예이다. 도 8은 도 6의 간섭 이미지 패턴에서 선 B에 따른 1차원 프로파일(line intensity profile)이다. 앞서 설명한 바와 같이, 2D 고속 퓨리에 변환 (2D-FFT) 알고리즘이 공간 주파수 도메인의 미가공된 간섭 이미지 패턴(raw interference image pattern)에 적용되어, 원치 않는 DC 및 AC 성분을 걸러낼(filter-out) 수 있다.
도 9a는 도 6의 간섭 이미지 패턴으로부터 추출된 공간 위상정보를 나타내는 일 예이다. 도 9a는 QWP의 광축 각도 -45°에서의 간섭 이미지 패턴의 위상 정보를 나타낸다. 즉, 측정 대상물 위치에 QWP(Quarter Wave Plate)을 놓고, QWP 통과 후 만들어진 공간적 편광상태를 측정한 결과이다. 검증에서, 도 9a에 도시된 광축 각도 -45°에서의 공간 위상 정보는 전술한 기준 공간 위상 함수 Φref(x, y)에 대응될 수 있다.
다음, QWP의 광축 각도를 -45°에서 10° 변화시켜 QWP의 간섭 이미지 패턴을 측정하고, 이로부터 공간 위상정보를 추출하였다. 도 9b를 참조하여, 이렇게 얻어진 공간 위상 함수 Φobj(x, y)로부터 공간 편광 위상차 Δ(x, y)를 얻을 수 있었다.
도 10a는, 도 9b와 같이, QWP의 광축 각도를 -45°에서부터 10° 만큼 씩 변화시켜 측정한 공간 편광 위상차들 Δ(x, y)이다. 도 10b의 점들은 도 10a의 중심 픽셀들에서의 세기 변화를 나타낸다. 편광 위상이 연속적으로 변화하는 결과를 얻었으며, 종래의 상업용 편광측정 장치(Thorlabs 사의 편광계)의 결과와 거의 동일함을 알 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 각각 본 발명에 따른 검사장치를 사용하여 나노패턴을 갖는 측정 대상물에 대해 생성된 간섭 이미지 패턴 및 2차원적인 공간 편광 위상 차를 측정한 결과이다. 도 11a의 I(x, y)는 이미지 센싱 모듈(90)에 의해 획득된 간섭 이미지 패턴이며, 도 11b의 Δ(x, y)는 Grating side라는 문자 형태로 페턴이 새겨진 나노패턴을 포함하는 측정 대상물의 2차원적인 공간 편광 위상차 측정결과이다. 문자가 새겨지지 않은 곳은 편광 위상차가 발생하지 않으며, 문자가 새겨진 영역은 편광 위상차가 발생하였다. 본 발명에 따르면, 도시된 예와 같은 2차원적으로 분포되어 있는 편광이미지 정보를 실시간으로 측정할 수 있다.
위의 방법으로 얻어진 공간 편광 위상차 △(x, y) 및 공간 편광 진폭차 Ψ(x, y)로부터 박막 균일도 및 표면의 거칠기 분포도 등을 정밀하게 측정할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 검사장치는 기계적 회전 메카니즘 또는 전자적 신호변조 없이 단일 스냅샷으로 이미징 정보를 실시간으로 측정함으로써, 종래의 점 단위의 편광계에서 사용되는 2차원 스캐닝 장치 없이 실시간으로 측정 대상물의 2차원적인 면 단위의 이미지 정보를 고속(예를 들어, 수십 ~ 수백 Hz)으로 측정할 수 있다. 게다가, 광의 파장을 고속으로 변경함에 따라 여러 파장대에서 △(x, y, λ), Ψ(x, y, λ)의 분광 편광 이미지 큐빅 정보를 획득할 수 있으며, 이를 통해 2차원적인 면 단위의 박막 두께, 굴절률 고속 측정이 가능하다.

Claims (20)

  1. 광을 발생하는 광 발생기;
    상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자;
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 공간적 위상 차이 정보를 갖도록 하는 편광 간섭계;
    측정 대상물을 투과 또는 반사한 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하고 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하여, 상기 측정 대상물의 이방성 정보가 포함된 공간 주파수를 갖는 간섭 이미지 패턴을 생성하는 제2 선형 편광자; 및
    상기 제2 선형 편광자로부터 상기 간섭 이미지 패턴을 촬영하는 이미지 센싱 모듈을 포함하는 검사 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 편광 간섭계는:
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 각각 입사되고 서로 인접하는 제1 면 제2 면을 갖는 편광 빔 스플리터;
    상기 제1 면 상에 배치된 제1 미러; 및
    상기 제2 면 상에 배치된 제2 미러를 포함하는 검사 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 갖는 검사 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1° 인 검사 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 배치된 제1 비편광 빔 스플리터를 더 포함하는 검사 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 비편광 빔 스플리터와 상기 측정 대상물 사이에 배치된 제2 비편광 빔 스플리터를 더 포함하는 검사 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 선형 편광자는 상기 제2 비편광 빔 스플리터의 일 측에 배치된 검사 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 발생기로부터의 상기 광을 수광하여 평행 광으로 변환하는 평행 광 렌즈를 더 포함하는 검사 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 선형 편광자 및 상기 이미지 센싱 모듈 사이에 배치된 수광 렌즈를 더 포함하는 검사 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 발생기로부터의 상기 광은 단색 광인 검사 장치.
  11. 광을 발생하는 광 발생기;
    상기 광을 선형 편광하는 제1 선형 편광자;
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광이 각각 입사되고 서로 인접하는 제1 면 제2 면을 갖는 빔 스플리터;
    상기 제1 면 및 상기 제2 면 상에 각각 배치된 제1 미러 및 제2 미러;
    상기 빔 스플리터로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하여, 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하는 제2 선형 편광자; 및
    상기 제2 선형 편광자로부터의 간섭 이미지를 촬영하는 이미징 센싱 모듈을 포함하되,
    상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 수직에서 벗어나는 각도를 갖는 검사 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 벗어나는 각도는 0.02 ~ 0.1° 인 검사 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터인 검사 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 선형 편광자와 상기 편광 빔 스플리터 사이에 배치되는 비편광 빔 스플리터를 더 포함하는 검사 장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 광 발생기로부터의 상기 광은 단색 광인 검사 장치.
  16. 광을 선형 편광하고;
    상기 선형 편광된 광을 제1 광 및 제2 광으로 분리하고;
    상기 제1 광 및 상기 제2 광이 공간적 위상 차이를 갖도록 하고;
    상기 공간적 위상 차이를 갖는 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 측정 대상물에 조사하고;
    상기 측정 대상물로부터의 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 수광하고, 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선형 편광하고; 그리고
    상기 선형 편광된 상기 제1 광 및 상기 제2 광으로부터 상기 측정 대상물의 간섭 이미지 패턴을 촬영하는 것을 포함하는 검사 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 광은 단색 광인 검사 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1 광 및 상기 제2 광은 각각 P- 편광파 및 S- 편광파인 검사 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 간섭 편광 이미지 패턴은 스냅샷 방식으로 촬영되는 검사 방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 광의 파장은 가변되는 검사 방법.
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