KR20220004544A - 엘립소미터 - Google Patents

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KR20220004544A
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야스히로 히다카
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삼성전자주식회사
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Abstract

실시형태에 관한 엘립소미터는 반사광을 반사광과 반사광으로 분리하는 분리 장치, 반사광을 2개의 직선 편광으로 분리하는 편광 광학 소자, 2개의 직선 편광의 성분을 간섭시킨 간섭호를 형성하는 간섭 장치, 반사광을, 반사광과 반사광으로 분리하는 분리 장치, 반사광을 2개의 직선 편광으로 분리하는 편광 광학 소자, 2개의 직선 편광의 성분을 간섭시킨 간섭호를 형성하는 간섭 장치를 포함한다.

Description

엘립소미터{Ellipsometer}
본 발명은, 엘립소미터에 관한 것이다.
엘립소메트리(ellipsometry)는 1975년에 애스프네스(Aspnes) 등 연구자에 의해 자동 계측이 가능해졌고, 그 후 측정 시간이 크게 단축된 동시에 정밀도도 큰 폭으로 향상되었다. 또한, 다파장을 이용하여 검사 대상을 계측하는 분광 엘립소메트리도 상용화되었다. 엘립소메트리는 박막이나 미세 구조의 비파괴 계측을 통해, 막 두께 등의 치수나 굴절률 등의 광학 정수를 고정밀도로 결정할 수 있다는 장점을 갖는바, 반도체 제조 공정에서도 널리 사용되게 되었다. 현재에도, 웨이퍼 상의 회로 패턴의 선 폭이 10nm 이하가 되는 미세 구조의 치수(Dimension)를 계측하는 OCD(Optical　Critical　Dimension) 계측 장치로서, 측장(測長) SEM(Scanning　Electron-beam　Microscope)이나 AFM(Atomic　Force Microscope)을 상호 보완하는 형태로 사용되고 있다.
최근 약 10년간, 로직(Logic) 반도체 소자의 FinFET(Fin　Field-Effect　Transistor) 구조 및 메모리 반도체 소자의 3D-NAND 플래시 메모리 등과 같이 반도체 회로 구조의 설계가 3차원적으로 진행되어, 반도체 회로 구조가 종래에 비해 복잡하게 되었다. 많은 OCD 계측 장비는, 분광 엘립소메트리를 계측 원리로 하고 있다. OCD 계측 장비는 계측 대상인 반도체 회로 구조의 치수나 구성 물질의 광학 정수를 구하기 위해서, 모델을 작성하여 계측 대상의 치수나 광학 정수를 플로팅 파라미터(Floating　parameter)로 하고, 계측 결과에 모델을 피팅시켜 답(즉, 반도체 회로 구조의 치수나 구성 물질의 광학 정수 등)을 얻는다는 수법을 취한다. 구하는 대상의 구조가 복잡해지면, 플로팅 파라미터의 수가 늘어난다. 예를 들어, 현재의 FinFET의 OCD에 의한 계측에서는, 20~30개 정도의 플로팅 파라미터들이 요구된다. 엘립소메트리는, 일반적으로, 엘립소메트리 계수(즉, Ψ 및 Δ)의 2개의 값을 계측 결과로 얻지만, 엘립소메트리 계수(즉, Ψ 및 Δ)는 각각 파장 의존성이 있다. 이 때문에, 분광 엘립소메트리의 경우, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)는, Ψ(λ), Δ(λ)로 표기할 수 있다.
치수의 해답을 구하기 위해서는, 적어도 플로팅 파라미터의 수보다 많은 개수의 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 계측으로 얻는 것이, 모델에 피팅하기 위해 필요하다. 이에 따라, 플로팅 파라미터의 수가 많아지는 경우, 실제의 치수와는 다른 플로팅 파라미터의 조합으로 피팅이 수렴하는 커플링이 발생할 수 있다. 커플링을 피하기 위해서, 플로팅 파라미터에 대해 다른 의존성을 가진 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 계측하여 피팅을 행하는 것이 유효하다. 따라서, 파장에 더해 입사각과 입사 방위 조건을 다르게 하여 엘립소메트리 계측을 수행하고, 상기 플로팅 파라미터에 대해 다른 의존성을 가진 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)가 모델의 피팅에 사용된다.
엘립소메트리 계측을 행할 때에, P편광의 반사율이 0이 되는 브루스터각(Brewster's angle)을 입사각에 이용하면, 엘립소메트리 계측의 감도를 가장 높게 할 수 있다. 브루스터각은, 반도체 회로 구조에서는, 대략 65[deg] 내지 75[deg]의 범위에 있다. 이러한 경사 입사(oblique incidence)의 광학계에서는, 시야의 넓이에 의해 샤임플러그(Scheimpflug)의 원리를 충족할 필요가 있다. 따라서, 경사 입사 광학계에서는 렌즈 설계나 카메라에 대한 입사각 등의 광학 시스템 구성에 일정한 제약이 요구된다. 또한, 이방성 물질의 구조 평가에 이용되는 뮐러 행렬 엘립소메트리라는 계측법도 OCD 측정에 일부 이용되고 있다. 뮐러 행렬 엘립소메트리는, 조명광에 대한 반사광의 편광 상태의 응답 함수를 4행 4열의 행렬로 표현한 것이다. 뮐러 행렬 엘립소메트리를 구하기 위해서는, 여러 종류의 서로 다른 편광 상태의 조명광을 반도체 회로 구조에 입사시키고, 상기 조명광이 반도체 회로 구조에 반사된 반사광의 편광 상태를 계측한다. 뮐러 행렬은, 반도체 회로 구조의 치수를 계측할 때에 커플링을 피하는 방법의 하나로 유효하다고 인식되고 있다. 그렇지만, 계측 시간이 통상의 엘립소메트리의 수 배 정도 필요하다.
계측 정밀도의 요구에도 불구하고, 반도체 제조 공정에서의 OCD 계측 장치에 사용되는 뮐러 행렬 엘립소메트리나 분광 엘립소메트리를 포함하는 엘립소메트리 측정에는, 아주 단시간에서의 계측이 요구된다. 예를 들어, 전체 웨이퍼를 계측하기 위해서 1매당 허용되는 측정 시간은 많아도 수 십초 정도이다. 이러한 단시간에서는, 웨이퍼 상의 극히 한정된 영역밖에 계측을 할 수 없다. 그 때문에, 반도체 제조 공정에서의 OCD 계측 장치는, 측정 정밀도와 함께 단시간에 더 많은 측정 조건(예컨대, 편광 상태 입사각 및 입사 방위)으로, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)나 뮐러 행렬을 계측할 수 있는 것이 강하게 기대되고 있다.
반도체 제조 공정에서의 OCD 계측 장치에서 사용되는 엘립소미터는, 전형적으로는, 하나의 포인트의 계측에 1초 내지 수 초의 계측 시간이 필요하다. 이는, 일반적으로, 엘립소미터에 이용되는 회전 보상자(Rotating　compensator)나 위상 변조(phase modulation) 소자에 의한 변조 주기 내에서, 다수의 계측점을 필요로 하는 것에 기인한다. 또한, 분광 계측을 행하는 경우에는, 회절 격자 등의 분산 소자로 각 파장으로 나누어진 광의 광량을, 높은 신호/잡음비(Signal Nois Ratio)로 계측할 필요가 있다. 뮐러 행렬 엘립소메트리의 경우에는, 조명광에서 수 종류의 편광 상태를 변환할 필요가 있다. 이 때문에, 제조 공정의 웨이퍼를 전수 검사하기 위해서는, 웨이퍼 내에서 수 개 내지 수십 개의 포인트 정도밖에 계측할 수 없고, 웨이퍼 내의 부분적인 막 두께 변화나 선 폭 변화에 의한 수율(收率) 악화를 간과하고 있는 경우도 있다.
웨이퍼 내의 측정 점들의 수를 늘리기 위해, 분광 엘립소메트리의 측정 시간을 단축해야 하는데, 이를 위해선 회전 보상자 등의 구동부의 구동 속도를 높여야 한다. 구동부의 속도가 높아지는 경우, 상기 구동부의 안정성이나 발열 등이 걸림돌이 되어, OCD 측정 등을 위한 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ) 측정의 스루풋(Throughput)은 향상하는 것이 어렵다.
또한, 다른 어프로치(approach)로서, 샤인 프루프의 원리를 충족하는 광학 시스템을 사용하는 것이 고려된다. 그러한 광학 시스템은, 조명 광학계나 집광 광학계의 개구수(Numerical　aperture, NA)를 작게 하여, 낮은 위치 분해능을 허용한다. 그 대신에, 그 광학 시스템은, 넓은 시야 내의 다수 포인트들을 화상 검출기에 의해 동시에 계측함으로써, 스루풋을 향상시킨다. 이러한 광학 시스템의 경우에는, 화상 검출기의 프레임 레이트(frame rate), 또는, 수광하는 광량이 제약이 되어, 다수의 파장이나 복수의 편광 상태의 조명광의 조건마다 화상을 계측할 필요가 있다. 이 때문에, 스루풋 향상의 효과는 한정되어 있다.
특허문헌 1: 미국특허 제5596411호 명세서 특허문헌 2: 미국특허 제7667841호 명세서 특허문헌 3: 미국특허 제6856384호 명세서 특허문헌 4: 미국특허 제8908180호 명세서
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 측정하는 스루풋을 향상시킬 수 있는 엘립소미터 및 반도체 장치의 검사 장치를 제공한다.
지금까지의 엘립소메트리 계측의 기본적인 수법으로는, 일단 스토크 파라미터를 구할 필요가 있다. 이 때문에, 「편광자나 보상자의 각도를 바꾼 복수 조건에서 광 강도를 계측할」 필요가 있다. 본 실시형태에서는, 「2개의 편광 상태의 광의 강도비 및 위상차를, 간섭에 의한 줄무늬 모양인 간섭호(干涉縞)를 측정함으로써 구한다」라는 다른 어프로치에 기초하고 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 엘립소미터가 제공된다. 상기 엘립소미터는, 직선으로 편광된 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈로서, 상기 반사광은 상기 측정면에서 제1 방향의 제1 편광 성분 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 제2 편광 성분을 포함하고; 상기 반사광을, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광으로 이루어지는 제1 분리 반사광과, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광으로 이루어지는 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치; 상기 제1 분리 반사광을, 제1 편광 방향의 제1 직선 편광광 및 상기 제1 편광 방향에 수직한 제2 편광 방향의 제2 직선 편광광으로 분리하는 제1 편광 광학 소자; 상기 제1 및 제2 직선 편광광들의 상기 제1 및 제2 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치; 상기 제2 분리 반사광을, 상기 제1 편광으로 이루어지는 제3 분리 반사광과, 상기 제2 편광으로 이루어지는 제4 분리 반사광으로 분리하는 제2 분리 장치; 상기 제3 분리 반사광을, 제3 편광 방향의 제3 직선 편광광 및 상기 제3 편광 방향에 수직한 제4 편광 방향의 제4 직선 편광광으로 분리하는 제2 편광 광학 소자; 상기 제3 및 제4 직선 편광광들의 상기 제3 및 제4 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치; 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 엘립소미터가 제공된다. 상기 엘립소미터는, 직선으로 편광된 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈; 상기 반사광을 서로 동일한 편광 상태의 제1 분리 반사광 및 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치; 상기 제1 분리 반사광을, 제1 편광 방향의 제1 직선 편광광 및 상기 제1 편광 방향에 수직한 제2 편광 방향의 제2 직선 편광광으로 분리하는 제1 편광 광학 소자; 상기 제1 및 제2 직선 편광광들의 상기 제1 및 제2 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치; 상기 제2 분리 반사광을 서로 직교하는 편광 상태의 제3 분리 반사광 및 제4 분리 반사광으로 분리하는 제2 분리 장치; 상기 제3 분리 반사광을, 제3 편광 방향의 제3 직선 편광광 및 상기 제3 편광 방향에 수직한 제4 편광 방향의 제4 직선 편광광으로 분리하는 제2 편광 광학 소자; 상기 제3 및 제4 직선 편광광들의 상기 제3 및 제4 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치; 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 엘립소미터가 제공된다. 상기 엘립소미터는, 직선 편광으로 이루어지는 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈로서, 상기 반사광은 상기 측정면에서 제1 방향의 제1 편광 성분 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 제2 편광 성분을 포함하고; 상기 반사광을, 상기 제1 편광 성분 및 상기 제2 편광 성분으로 이루어지는 제1 분리 반사광과, 상기 제1 편광 성분 및 상기 제2 편광 성분으로 이루어지는 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치; 상기 제1 분리 반사광을 반사하는 제1 미러; 상기 제2 분리 반사광을 반사하는 제2 미러; 상기 제2 미러에 의해 반사된 상기 제2 분리 반사광에서, 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 다른 제3 방향의 제3 편광 성분으로 변환하고, 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 다른 제4 방향의 제4 편광 성분으로 변환하는 파장판; 상기 제1 미러에 의해 반사된 상기 제1 분리 반사광에서, 상기 제1 편광 성분을 반사하고, 상기 제2 편광 성분을 투과시키며, 상기 파장판을 투과한 상기 제2 분리 반사광의 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분을 투과시키는 제2 분리 장치; 상기 제2 분리 장치를 투과한 상기 제1 분리 반사광에서, 상기 제2 편광 성분을 반사시키고, 상기 제2 분리 장치에 의해 반사된 상기 제2 분리 반사광의 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분을 반사시키는 제3 분리 장치; 제1 투과축을 갖고, 상기 제2 분리 장치에 의해 반사된 상기 제1 편광 성분 및 상기 제2 분리 장치를 투과한 상기 제3 및 제4 편광 성분들 각각의 상기 제1 투과축의 성분을 간섭시킨 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치; 제2 투과축을 갖고, 상기 제3 분리 장치에 의해 반사된 상기 제2 내지 제4 편광 성분들 각각의 상기 제2 투과축의 성분을 간섭시킨 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치; 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 포함한다.
본 발명에 의해, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 측정의 스루풋을 향상시킬 수 있는 엘립소미터 및 반도체 장치의 검사 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다.
도 2는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서의 편광 광학 소자, 간섭 장치 및 화상 검출기를 예시한 도면이다.
도 3은 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서의 수광 광학계를 예시한 도면이다.
도 4는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서의 간섭 장치를 투과하는 직선 편광을 예시한 도면이다.
도 5는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서의 화상 검출기에 입사하는 반사광에 포함된 각 직선 편광의 파면을 예시한 도면이다.
도 6은 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다.
도 7은 실시형태 1에 관한 엘립소미터의 화상 검출기가 검출한 간섭호의 강도를 예시한 그래프이다.
도 8은 실시형태 1에 관한 엘립소미터의 화상 검출기가 검출한 간섭호의 분석을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 실시형태 2에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다.
도 10은 실시형태 2에 관한 엘립소미터에서의 편광 광학 소자 및 간섭 장치를 예시한 도면이다.
도 11은 실시형태 2에 관한 엘립소미터에서의 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다.
도 12는 실시형태 2에 관한 엘립소미터에서의 아지머스(Azimuth) 편광자를 예시한 평면도이다.
도 13은 실시형태 1및 2에 관한 엘립소미터에서의 분리 장치를 예시한 단면도이다.
도 14는 실시형태 3에 관한 엘립소미터에서의 분리 장치를 예시한 단면도이다.
도 15는 실시형태 3에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다.
도 16은 실시형태 4에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다.
도 17은 실시형태 4에 관한 엘립소미터에서의 2개의 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다.
도 18은 실시형태 4에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기가 검출한 간섭호의 강도를 예시한 그래프이다.
도 19는 실시형태 4에 관한 엘립소미터의 편광 빔 스플리터를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 실시형태 5에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다.
도 21은 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서의 간섭 장치 및 화상 검출기를 예시한 도면이다.
도 22는 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서의 수광 광학계를 예시한 도면이다.
도 23은 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서의 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다.
도 24는 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서의 화상 검출기가 검출한 간섭호의 강도를 예시한 그래프이다.
도 25는 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서의 화상 검출기에 의해 검출된 간섭호 분석을 설명하기 위한 그래프이다.
설명의 명확화를 위해, 이하의 기재 및 도면은, 적당히, 생략, 및 간략화가 이루어져 있다. 또한, 각 도면에서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 부여되어 있고, 필요에 따라 중복 설명은 생략되어 있다.
(실시형태 1)
실시형태 1에 관한 엘립소미터를 설명한다. 도 1은 실시형태 1에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다. 도 2는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 편광 광학 소자, 간섭 장치 및 화상 검출기를 예시한 도면이다. 도 3은 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 수광 광학계를 예시한 도면이다.
도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 엘립소미터(1)는 조명 광학계(10), 수광 광학계(20) 및 해석 장치(60)를 포함할 수 있다. 조명 광학계(10)는 광원(11), 섬유(12), 조명 렌즈(13) 및 편광자(14)를 포함할 수 있다. 수광 광학계(20)는 시준(Collimating) 렌즈(21), 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22), 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(23), λ/4 파장판(24), 편광 광학 소자(31 및 32), 간섭 장치(41 및 42) 및 화상 검출기(50)를 포함할 수 있다.
엘립소미터(1)는 조명광(L10)을 시료(70)의 측정면(71)에 대해 경사 입사시키고, 조명광(L10)이 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)을 수광하여, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 측정한다.
조명광(L10)은 광원(11)에 의해 생성된 광 파장 대역의 광을 완전 편광시킨 것으로서, 시료(70)의 측정면(71)을 조명한다. 측정면(71)으로부터의 반사광(R10)은 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)에 의해 2개의 반사광들(R11, R12)로 분할될 수 있다. 분할된 반사광(R11)은 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 편광 광학 소자(31) 및 간섭 장치(41)는, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함하는 반사광(R11)을 간섭시킬 수 있다.
또한, 분리 장치(23)는 반사광(R13)이 분리 장치(22)에 의해 분할된 또 하나의 반사광(R12) 중, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분을 제외하고, 측정면(71) 상에서 S편광인 성분만을 포함할 수 있다. 이에 따라, 분리 장치(23)는 화상 검출기(50) 상에서 반사광(R12)의 S편광 성분끼리 간섭시킬 수 있다. 이와 같이, 엘립소미터(1)는 2개의 간섭호(즉, 반사광(R11)에 의한 간섭호 및 반사광(R12)에 의한 간섭호)를 화상 검출기(50) 상에 형성하도록 구성될 수 있다. 해석 장치(60)는 상기 2개의 간섭호 의 화상을 처리한다.
조명 광학계(10)는 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)으로 시료(70)의 측정면(71)을 조명할 수 있다. 측정면(71)에 입사하는 조명광(L10)의 광축(C)은 측정면(71)에 대해 경사져 있다. 여기서, 「직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)」은 조명광(L10)이 직선 편광만으로 구성된 경우에 한정되는 것이 아니며, 조명광(L10)이 이하에서 설명하는 계측의 정밀도를 두드러지게 훼손하지 않을 정도의 다른 편광 성분을 더 포함하는 경우를 포괄하여 지칭한다. 또한, 「제1 편광으로 이루어지는」, 「제2 편광으로 이루어지는」, 「P편광으로 이루어지는」, 「S편광으로 이루어지는」도 마찬가지로, 두드러지게 측정 정밀도를 훼손하지 않을 정도의 다른 편광 성분을 포함하는 경우를 포괄하여 지칭한다.
광원(11)은 조명광(L10)을 생성할 수 있다. 광원(11)은 예를 들어, 광역 파장의 조명광(L10)을 생성할 수 있다. 광원(11)이 생성하는 조명광(L10)은 예를 들어, 백색광을 포함할 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 광원(11)이 생성하는 조명광(L10)은 광역 파장을 포함할 수 있다. 광원(11)으로부터 생성된 조명광(L10)은 섬유(12)에 입사할 수 있다.
섬유(12)는 일단 및 타단을 가진 케이블 형태의 도광 장치일 수 있다. 섬유(12)의 일단에 입사한 조명광(L10)은 섬유(12)의 타단으로부터 출사될 수 있다. 섬유(12)의 타단으로부터 출사된 조명광(L10)은 조명 렌즈(13)에 입사할 수 있다.
조명 렌즈(13)는 예를 들어, 볼록 렌즈일 수 있다. 조명 렌즈(13)는 입사한 조명광(L10)의 각도 분포를 변화시킬 수 있다. 조명 렌즈(13)는 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)으로 측정면(71)을 조명할 수 있다. 조명 렌즈(13)는, 예를 들어, 섬유(12)의 타단으로부터 출사된 조명광(L10)을, 예컨대 점 형태로 집광시켜서 측정면(71)을 조명할 수 있다. 조명 렌즈(13)와 시료(70)와의 사이에는 편광자(14)가 배치될 수 있다. 따라서, 조명 렌즈(13)는 조명광(L10)을 편광자(14)에 조사할 수 있고, 편광자(14)를 통과한 조명광(L10)을 측정면(71)에 대해 집광(예컨대, 점 형태로)시킬 수 있다.
편광자(14)는 예를 들어, 편광판일 수 있다. 편광자(14)를 투과한 조명광(L10)은 일 방향의 직선 편광 성분만을 포함할 수 있다. 편광자(14)를 투과한 조명광(L10)은 완전 편광될 수 있다.
예를 들어, 편광자(14)는 편광 방향이 지면에 대해 45° 기울어진 직선 편광의 조명광(L10)을 시료(70)에 대해 출사할 수 있다. 본 실시형태의 엘립소미터(1)에서, 시료(70)의 측정면(71)에 입사하는 조명광(L10)의 광축(C) 및 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)의 광축(C) 각각은 시료(70)의 측정면에 대해 경사질 수 있다.
시준 렌즈(21)는 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)이 시료(70)의 측정면(71)에 의해 반사되어 생성된 반사광(R10)을 투과시킬 수 있다. 시준 렌즈(21)는 투과된 반사광(R10)을 평행광으로 만들 수 있다. 시준 렌즈(21)는 투과시킨 반사광(R10)을 분리 장치(22)에 대해 입사시킬 수 있다. 분리 장치(22)는 예를 들어, 비편광 빔 스플리터일 수 있다. 분리 장치(22)는 비편광 빔 스플리터막을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 분리 장치(22)는 하프 미러(half mirror)일 수도 있다.
시료(70)의 측정면(71)을 조명하는 조명광(L10)은 일 방향의 직선 편광으로 이루어질 수 있다.
그러한 일 방향의 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)은 예컨대, 점 형태로 집광되면서 시료(70)의 측정면(71)에 입사할 수 있다. 따라서, 조명광(L10)이 완전 편광 및 직선 편광으로 광축(C)이 측정면(71)에 대해 경사진 경우, 측정면(71)에 입사하는 방위에 따라 조명광(L10)은 P편광 성분 및 S편광 성분을 포함할 수 있다. 조명광(L10)의 S편광 성분은 반사되어, 반사광(R10)의 S편광 성분이 될 수 있다. 조명광(L10)의 P편광의 성분은, P편광으로서 반사되어 반사광(R10)의 P편광 성분이 될 수 있다. 따라서, 시료(70)의 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)은 측정면(71)에서 P편광인 성분 및 S편광인 성분을 포함할 수 있다.
시준 렌즈(21)는 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)이 시료(70)의 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)을 투과시킬 수 있다. 여기서, 반사광(R10)은 측정면(71)에서 제1 방향의 제1 편광 성분 및 제1 방향과 다른 제2 방향의 제2 편광 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 편광은 측정면(71)에서 S편광이고, 제2 편광은 측정면(71)에서 P편광일 수 있다. 따라서, 시준 렌즈(21)를 투과한 반사광(R10)은 도 3의 위치(D1)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다.
비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)는 반사광(R10)을, 반사광(R11) 및 반사광(R12)으로 분리할 수 있다. 이하에서, 반사광(R11)을 제1 분리 반사광이라고 지칭할 수도 있고 반사광(R12)을 제2 분리 반사광이라고 지칭할 수도 있다. 예를 들어, 분리 장치(22)는 입사한 반사광(R10)의 일부를 투과하고, 일부를 반사시킬 수 있다. 투과한 분리 장치(22)를 통과한 반사광(R10)을 반사광(R11)으로 지칭하고, 분리 장치(22)에 의해 반사된 반사광을 반사광(R12)으로 지칭한다.
분리 장치(22)를 투과한 반사광(R11)은 도 3의 위치(D4)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 분리 장치(22)에 의해 반사된 반사광(R12)도, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다.
한편, 분리 장치(22)에 의해 반사된 반사광(R12)은 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(23)에 입사할 수 있다. 분리 장치(23)는 예를 들어, 편광 빔 스플리터막을 포함하는 편광 빔 스플리터일 수 있다.
분리 장치(23)는 반사광(R12)을, S편광의(S-polarized) 반사광(R13)과, P편광(P-polarized)의 반사광(미도시)으로 분리할 수 있다. 분리 장치(23)는 S편광을 반사시키고, P편광을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 분리 장치(23)는 반사광(R12) 중 S 편광 성분의 반사광(R13)을 반사하고, P 편광 성분의 반사광을 투과시킬 수 있다. 반사광(R12)은 측정면(71) 상에서 S편광 성분 및 측정면(71) 상에서 P편광 성분을 포함할 수 있다. 분리 장치(23)에 의해 반사된 반사광(R13)은 도 3의 위치(D2)에서, 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 분리 장치(23)에 의해 반사된 반사광(R13)은 λ/44 파장판(24)에 입사할 수 있다.
또, 분리 장치(23)의 편광 빔 스플리터막의 소광비(消光比)가 불충분한 경우, 분리 장치(23)와 λ/4 파장판(24)의 사이에 편광판(23c)을 배치시킬 수 있다. 다른예에서, 분리 장치(23)는 편광 빔 스플리터 대신에, 미러 및 편광판(23c)을 포함해도 된다. 예를 들어, 분리 장치(22)에 의해 반사된 반사광(R12)은 분리 장치(23) 대신 배치된 미러에 의해 반사된 후 편광판(23c)에 입사할 수 있다. 편광판(23c)은 미러에 의해 반사된 반사광(R12) 중 P편광으로 이루어지는 광을 차단하고 S편광으로 이루어지는 반사광(R13)을 투과시킬 수 있다.
λ/4 파장판(24)은 입사한 반사광(R13)에서의 S편광을, S편광의 방향 및 P편광의 방향과 다른 방향의 편광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, λ/4 파장판(24)은 S편광의 직선 편광의 방향을, 반사광(R13)의 편광축의 둘레를 따라 45[deg] 회전시킬 수 있다. 반사광(R13)은 도 3의 위치(D3)에서, 반사광(R12)과 다른 방향의 편광의 광을 포함할 수 있다. 반사광(R13)은 측정면(71) 상에서 S편광으로, 반사광(R12)과 다른 방향의 편광 성분을 포함할 수 있다.
분리 장치(22)를 투과한 반사광(R11)은 편광 광학 소자(31)에 입사할 수 있다. 한편, λ/4 파장판(24)을 투과한 반사광(R13)은 편광 광학 소자(32)에 입사할 수 있다. 편광 광학 소자(31 및 32)는 예를 들어, 노마스키(Nomarski) 프리즘을 포함할 수 있다. 또, 편광 광학 소자(31 및 32)는 노마스키 프리즘에 한정되지 않고, 월라스톤(Wollaston) 프리즘, 또는, 로션(rochon prism) 프리즘을 포함할 수도 있다.
편광 광학 소자(31)는 입사한 반사광(R11)을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광으로 분리하여 출사할 수 있다. 편광 광학 소자(31)가 분리하는 서로 직교한 편광 방향을, X방향 및 Y방향으로 정의한다. X방향과 Y방향이 만드는 면과 반사광(R11)의 광축(C)은 직교한다. 편광 광학 소자(31)는 편광 광학 소자(31)에 입사하는 광을 X방향의 직선 편광 성분과 Y방향의 직선 편광 성분으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 편광 광학 소자(31)는 측정면(71)에서 P편광인 성분 및 S편광인 성분을 포함한 반사광(R11)을, P편광 성분과 S편광 성분으로 분리할 수 있다.
편광 광학 소자(31)는 X방향을 따라 직선 편광된 반사광(R11)의 성분 및 Y방향을 따라 직선 편광된 반사광(R11)의 성분이 화상 검출기(50) 상의 동일점에서 만나도록, X방향을 따라 직선 편광된 반사광(R11)의 성분과 Y방향을 따라 직선 편광된 반사광(R11)의 성분을 편향시킬(steer) 수 있다. 편광 광학 소자(31)로부터 출사된 반사광(R11)은 간섭 장치(41)를 통과한 후 화상 검출기(50)에 입사할 수 있다.
편광 광학 소자(32)도, 입사한 반사광(R13)을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광으로 분리하여 출사할 수 있다. 편광 광학 소자(32)가 분리하는 서로 직교한 편광 방향을, X방향 및 Y방향으로 정의한다. X방향과 Y방향이 만드는 면과 반사광(R13)의 광축은 직교할 수 있다. 편광 광학 소자(32)는 편광 광학 소자(32)을 통과한 광을 X방향의 직선 편광 성분과 Y방향의 직선 편광 성분으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 편광 광학 소자(32)는 측정면(71)에서 S편광 성분만으로 구성되고 이로부터 λ/4 파장판(24)에 의해 45[deg] 회전된 직선 편광으로 이루어지는 반사광(R13)을, X방향의 직선 편광 성분과 Y방향의 직선 편광 성분으로 분리할 수 있다. 이에 의해, 편광 광학 소자(32)는 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을, 동일한 강도의 광선들로 분리할 수 있다.
편광 광학 소자(32)는, X방향을 따라 직선 편광된 반사광(R13)의 성분과 Y방향을 따라 직선 편광된 반사광(R13)의 성분이 화상 검출기(50) 상의 동일점에서 만나도록, X방향을 따라 직선 편광된 반사광(R13)의 성분과 Y방향을 따라 직선 편광된 반사광(R13)의 성분을 편향시킬 수 있다. 편광 광학 소자(32)로부터 출사된 반사광(R13)은 간섭 장치(42)를 통과하여 화상 검출기(50)에 입사할 수 있다.
도 4는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 간섭 장치를 투과하는 직선 편광을 예시한 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 편광판 등의 간섭 장치(41)는, 편광 광학 소자(31)가 분리시킨 X방향 및 Y방향 각각에 대해, 소정의 각도만큼 기울어진 방향의 직선 편광의 성분을 투과시킬 수 있다. 이하에서, X 방향 및 Y 방향 각각에 대해 소정의 각도만큼 기울어진 방향의 축을 투과축(41a)라고 부른다. 투과축(41a)은 예를 들어, 45[deg] 방향이다. 이 경우, 간섭 장치(41)는, 편광 광학 소자(31)가 분리시킨 X방향 및 Y방향 각각에 대해 45[deg] 기울어진 방향의 직선 편광의 성분을 투과시킬 수 있다.
따라서, 간섭 장치(41)는 X방향의 편광 방향을 가진 직선 편광 중, X방향과 45[deg] 기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 또한, 간섭 장치(41)는 Y방향의 편광 방향을 가진 직선 편광 중, Y방향과 45[deg] 기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 따라서, 서로 직교한 2개의 직선 편광은 간섭 장치(41)를 투과함으로써, 투과축(41a) 방향의 편광 성분의 직선 편광광으로 출사될 수 있다. 따라서, 서로 직교한 2개의 직선 편광 성분들은 서로 가간섭(Coherenct)이 된다.
이와 같이, 간섭 장치(41)는 2개의 직선 편광의 성분들을 각각의 편광 방향과 다른 방향으로 투과시키는 편광판을 포함할 수 있다. 이에 의해, 간섭 장치(41)는 편광 광학 소자(31)를 투과한 2개의 직선 편광 성분들의 각 편광 방향들과 다른 방향의 성분들의 간섭에 의해 생성된 간섭호(즉 제1 간섭호)를 형성할 수 있다.
간섭 장치(41)로부터 출사된 반사광(R11)은 화상 검출기(50)에 입사할 수 있다.
간섭 장치(42)는 편광 광학 소자(32)가 분리시킨 X방향 및 Y방향 각각에 대해 소정의 각도만큼 기울어진 투과축(42a)에 평행한 반사광(R13)의 성분을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 간섭 장치(42)는 편광 광학 소자(32)가 분리시킨 X방향 및 Y방향 각각에 대해 45[deg] 기울어진 방향의 반사광(R13)의 직선 편광 성분들을 투과시킬 수 있다.
따라서, 간섭 장치(42)는 X방향의 직선 편광 성분 중, X방향과 45[deg] 기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 또한, 간섭 장치(42)는 Y방향의 직선 편광 성분 중, Y방향과 45[deg] 기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 따라서, 서로 직교한 2개의 직선 편광 성분들은 간섭 장치(42)를 투과함으로써, 투과축(42a)과 평행한 방향의 편광 성분의 직선 편광광으로 출사될 수 있다. 따라서, 서로 직교한 2개의 직선 편광 성분들은 서로 가간섭이 된다.
이와 같이, 간섭 장치(42)는 2개의 직선 편광의 성분을 각각의 편광 방향과 다른 방향으로 투과시키는 편광판을 포함할 수 있다. 이에 의해, 간섭 장치(42)는 편광 광학 소자(32)를 투과한 각 편광 방향과 다른 방향의 성분들의 간섭에 의해 생성된 간섭호(즉, 제2 간섭호)를 형성할 수 있다.
간섭 장치(42)로부터 출사된 반사광(R13)은 화상 검출기(50)에 입사할 수 있다.
화상 검출기(50)는 입사한 반사광들(R11 및 R13)을 수광할 수 있다. 화상 검출기(50)는 시준 렌즈(21)의 동공(pupil) 위치 및 공역(共役)의 동공 위치(Conjugate pupil position)(21h)에 배치될 수 있다. 반사광(R11)은 서로 직교한 2개의 직선 편광 성분들로부터 유래한 같은 방향(예컨대, 투과축(41a) 방향)의 편광 성분으로 구성될 수 있다. 따라서, 반사광(R11)에 포함된 복수의 광선들은 화상 검출기(50) 상에서 간섭할 수 있다. 반사광(R13)도, 서로 직교한 2개의 직선 편광 성분들로부터 유래한 같은 방향(예컨대, 투과축(42a) 방향)의 편광 성분으로 구성될 수 있다. 따라서, 반사광(R13)에 포함된 복수의 광선들은 화상 검출기(50) 상에서 간섭할 수 있다.
도 5는 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기(50)에 입사하는 반사광(R11)에 포함된 각 직선 편광의 파면을 예시한 도면이다. 도 6은 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기(50) 상에서 간섭한 반사광(R11 및 R13)의 간섭호를 예시한 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 편광 광학 소자(31)에 의해 분리된 2개의 직선 편광(RX 및 RY)으로 이루어지는 반사광(R11)은 간섭 장치(41)를 투과하고, 화상 검출기(50) 상에서 간섭호(51)를 형성할 수 있다. 도 6의 상단에 나타낸 바와 같이, 화상 검출기(50)는 간섭 장치(41)를 투과한 반사광(R11)의 각 편광 성분들에 의해 형성된 간섭호(51)를 검출할 수 있다. 간섭호(51)는 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함하는 반사광(R11)에 의해 형성된다.
또한, 화상 검출기(50)는 입사한 반사광(R13)을 수광할 수 있다. 반사광(R13)은 서로 직교한 2개의 직선 편광광들로부터 유래한 같은 방향의 편광 성분을 포함하고 있다. 따라서, 반사광(R13)은 화상 검출기(50) 상에서 간섭할 수 있다. 도 6의 하단에 나타낸 바와 같이, 화상 검출기(50)는 간섭 장치(42)를 투과한 반사광(R13)의 각 편광 성분의 간섭호(52)를 검출할 수 있다. 간섭호(52)는 측정면(71) 상에서 S편광인 성분으로부터 유래된 반사광(R13)에 의해 형성된다.
이와 같이, 엘립소미터(1)에서, 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)은, 수광 광학계(20)에서의 시준 렌즈(21)에서 평행광이 된 후, 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)에 의해 2개의 광선으로 분할된다. 위치(D4)를 통과하는 반사광(R11)은 노마스키 프리즘 등의 편광 광학 소자(31)에 입사하고, 입사면 내에서 P편광 성분으로 구성된 광선과 S편광 성분으로 구성된 광선으로 각도 분할될 수 다. 여기서 각도 분할이라 함은 분할된 두 개의 광선이 서로 비스듬한 방향으로 진행함을 의미한다. 반사광(R11)으로부터 각도 분할된 두 개의 광선들은, 상기 두개의 광선들 각각의 편광 방향과 45[deg]의 각도를 이루는 편광축(41a)을 갖는 검광자 등의 간섭 장치(41)를 투과함으로써 서로 가간섭이 된다.
한 쪽의 위치들(D2 및 D3)을 통과하는 반사광(R13)은, 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(23)에 의한 필터링으로 인해, 측정면(71)에서 S편광인 성분만 포함할 수 있다. 반사광(R13)은 또한, λ/4 파장판(24)에서, 45[deg] 편광 방향이 회전할 수 있다. 이에 의해, 반사광(R13)은, 노마스키 프리즘 등의 편광 광학 소자(32)에 의해, S편광 성분으로부터 동일한 강도로 각도 분할될 수 있다. 반사광(R13)으로부터 각도 분할된 두 개의 광선들은, 상기 두개의 광선들 각각의 편광 방향과 45[deg]의 각도를 이루는 투과축(42a)을 갖는 검광자 등의 간섭 장치(42)를 투과함으로써 서로 가간섭이 된다. 이렇게 하여, 엘립소미터(1)는 2개의 간섭호(51 및 52)를 화상 검출기(50) 상에 형성할 수 있다.
해석 장치(60)는 예를 들어, PC(Personal　Computer), 서버(Server) 등의 정보 처리 장치일 수 있다. 해석 장치(60)는 화상 검출기(50)가 검출한 간섭호(51) 및 간섭호(52)로부터, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출할 수 있다. 구체적으로, 해석 장치(60)는 푸리에 변환에 의해 간섭호(51 및 52)로부터 진폭 및 위상을 각각 구할 수 있다. 위상은 엘립소메트리의 Δ에 해당한다. P편광과 S편광의 간섭호(51)로부터 구한 진폭(Ψ1)을, S편광끼리의 간섭호(52)로부터 구한 진폭(Ψ2)으로 나눔으로써, 엘립소메트리의 Ψ에 해당하는 ｜EP｜/｜ES｜의 정보를 얻는다. 이에 의해, 엘립소메트리 계수들 Ψ, Δ 및 전체 광량의 3개의 정보를 얻을 수 있다.
도 7은 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기(50)가 검출한 간섭호(51 및 52)의 강도를 예시한 그래프이다. 도 7에서, 가로축은 간섭호(51 및 52)의 위치를 나타내고, 세로축은 진폭의 분포를 나타낸다.
도 8은, 실시형태 1에 관한 엘립소미터에서, 화상 검출기(50) 상에서 간섭한 반사광(R11 및 R13)의 간섭호(51 및 52)의 분석을 설명하기 위한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 8은 퓨리에 변환된 간섭호(51 및 52)의 강도 분포의 실수부 및 허수부와 조명광(L10)의 파장에 연관성을 예시한다. 여기서 퓨리에 변환된 간섭호(51 및 52)의 실수부는 진폭을 나타낼 수 있고 및 허수부는 위상을 나타낼 수 있다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 간섭호(51)에서의 반사광(R11)의 강도 분포(Ifringe1)를 이하의 식 (1)에 따라 피팅한다. 또한, 간섭호(52)에서의 반사광(R13)의 강도 분포(Ifringe2)를 이하의 식 (2)에 따라 피팅한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
exp을 포함하는 항(즉, 수학식 1의 2｜EP｜｜ES｜exp(iΔ) 및 수학식 2의 2｜ES｜2exp(iΔ))은 AC 컴포넌트다. 그래서, 피팅할 때에, 강도 분포(Ifringe1)를 푸리에 변환함으로써, 진폭(Ψ1=2｜EP｜｜ES｜)과 위상(Δ)을 각각 구할 수 있다. 또한, 강도 분포(Ifringe2)를 푸리에 변환함으로써, 진폭(Ψ2=2｜ES｜2)과 위상(Δ)을 각각 구할 수 있다.
위상(Δ)은 엘립소메트리의 Δ에 해당한다. 한편, 진폭(Ψ)은 P편광 및 S편광으로 이루어지는 반사광(R11)의 간섭호(51)로부터 구한 진폭(Ψ1)을, 반사광(R13)의 S편광끼리의 간섭호(52)로부터 구한 진폭(Ψ2)으로 나눔으로써 구할 수 있다. 즉, 진폭(Ψ1/Ψ2=tan-1Ψ)으로부터, 엘립소메트리의 Ψ에 해당하는 ｜EP｜／｜ES｜를 구할 수 있다. 이와 같이, 해석 장치(60)는 간섭호(51) 및 간섭호(52)를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 간섭호(51) 및 간섭호(52)로부터, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출할 수 있다. 또한, 해석 장치(60)는 전체 광량의 정보를 얻을 수 있다.
본 실시형태의 엘립소미터(1)는 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정에서, 편광 광학 소자(31 및 32)를 이용할 수 있다. 편광 광학 소자(31 및 32)는 시료(70)의 측정면(71)에서 반사한 반사광(R11 및 R13)을 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광(RX 및 RY)으로 분리하고, 분리된 2개의 직선 편광(RX 및 RY)으로부터 간섭호(51 및 52)를 화상 검출기(50) 상에 형성할 수 있다. 그 간섭호(51 및 52)의 콘트라스트 및 위상의 측정 결과로부터, 2개의 독립 파라미터인 엘립소메트리 계수(Ψ 와 Δ)를 직접 측정할 수 있다. 이에 의해, 지금까지의 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정에 필요했던 회전하는 편광자(Polarizer)나 보상자(Compensator)를 이용한 시계열의 적어도 4개의 편광 성분의 광량 측정을 불필요하게 한다.
종래의 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정은 복수의 다른 편광 상태의 광의 광량으로부터 스톡스(stokes) 파라미터를 구하고, 구한 스톡스 파라미터로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 구한다. 본 실시형태에서는 단일 화상으로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 직접 구할 수 있다. 따라서, 단시간에 측정할 수 있으므로, OCD 측정의 스루풋을 향상시킬 수 있다.
또한, 지금까지의 엘립소미터와 비교하여, 가동부가 없기 때문에, 보다 안정된 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정을 할 수 있다.
반사광(R13)을 편광축의 둘레를 따라 회전시키는 λ/4 파장판(24)을 추가함으로써, 노마스키 프리즘 등의 편광 광학 소자(31 및 32)의 분리 방향을 동일하게 할 수 있고, 광학 장치의 설계를 용이하게 할 수 있다. 또한, 편광 광학 소자(31 및 32)의 분리 방향을 동일하게 함으로써, 편광 광학 소자(31 및 32), 간섭 장치(41 및 42)를 일체화할 수 있다.
OCD 측정 장치에 이용되는 종래의 엘립소미터에서, 시료의 측정면에 입사하는 조명광의 입사각은 브루스터(brewster)각으로 고정되었다. 그렇지만, 본 실시형태에서는, 큰 개구수(Numerical aperture, NA)의 대물렌즈(16)의 동공 위치 및 공역의 동공 위치에 화상 검출기(50)를 배치시킴으로써, 임의의 입사각, 입사 방위에서의 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정을 가능하게 한다. 이러한 구성은 검광자 등을 회전시키는 지금까지의 엘립소미터의 구성에서는 용이하게는 실현할 수 없다.
예시적인 실시예들에 따른 일립소미터(1)는 웨이퍼 상의 미세 구조 모델에 대한 피팅에서, 보다 많은 조건에 따른 계측 결과들을 이용할 수 있다. 많은 조건에 따른 계측 결과는 OCD 계측 장치에서 주로 문제가 되는 다른 치수의 커플링의 완화 또는 방지로 이어지기 때문에, 예시적인 실시예들에 따른 일립소미터(1)는 특히 3차원화된 현재의 반도체 구조의 계측에서 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 조명광(L10)에 의한 시료(70)의 조명 영역을, 지금까지의 φ30[㎛]정도에서 φ1[㎛] 이하까지 작게할 수 있으며, 칩 내의 치수의 분포의 평가도 더 높은 위치 분해능으로 행하는 것이 가능해진다. 이러한 측정 결과를 리소그래피(lithography)나 성막(Film forming) 및 식각 공정에 반영시켜서, 반도체 제조의 프로세스 컨트롤을 적절히 행할 수 있다. 이에 의해, 반도체 제조에서의 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 로직(logic)에서, 반도체 칩 내에 배치되어 있는 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정용 테스트 패턴의 치수가, 지금까지의 수십 [㎛] 정도이었던 것을, 수 [㎛] 정도 이하까지 작게 할 수 있다. 이 때문에, 반도체 칩 내의 회로에 사용할 수 있는 영역이 늘어나, 반도체 디바이스의 비용 저감에도 공헌할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태의 엘립소미터(2)에서, 반사광(R10)을 시료(70)의 측정면(71)에 대해 수직으로 입사할 수 있다. 도 9는 실시형태 2에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 엘립소미터(2)는 실시형태 1과 같이, 조명 광학계(10), 수광 광학계(20), 해석 장치(60)를 포함할 수 있다.
도 9는 위치(D1~D4)에서의 각 반사광의 일부의 성분으로서, P편광 및 S편광을 나타낸다.
조명 광학계(10)는 광원(11), 섬유(12), 조명 렌즈(13a), 편광자(14), 빔 스플리터(15), 대물렌즈(16)를 포함할 수 있다. 광원(11) 및 섬유(12)는 실시형태 1의 광원(11) 및 섬유(12)와 같다. 수광 광학계(20)는 대물렌즈(16), 빔 스플리터(15), 릴레이 렌즈(relay　lens)(21a 및 21b), 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22), 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(23), 아지머스 편광자(25), λ/4 파장판(24), 편광 광학 소자(31' 및 32'), 간섭 장치(41 및 42), 화상 검출기(50)를 포함할 수 있다. 대물렌즈(16) 및 빔 스플리터(15)는 조명 광학계(10)의 요소이기도 하고, 수광 광학계(20)의 요소이기도 하다.
조명광(L10)은 빔 스플리터(15)에 의해 반사광(R10)과 동일 광로를 포함할 수 있고, 대물렌즈(16)를 통해 시료(70)의 측정면(71)을 조명할 수 있다. 본 예시에서 일립소미터(20)는 큰 개구수를 가진 대물렌즈(16), 대물렌즈(16)의 동공 위치에 배치된 릴레이 렌즈(21a 및 21b) 및 동공의 공역 위치(21h)에 배치된 화상 검출기(50)를 포함할 수 있고, 이에 따라 동시에 복수의 입사각 및 복수의 입사 방위를 계측할 수 있다. 이 특징은, 특히 커플링을 방지하기 위해 많은 조건으로 계측할 필요가 있는 반도체 검사 장치, 특히, OCD 계측 장치로서 우위성이 있다.
조명 렌즈(13a)는 예를 들어, 볼록 렌즈일 수 있다. 조명 렌즈(13a)는 입사한 조명광(L10)의 각도 분포를 변화시켜, 조명광(L10)을 편광자(14)에 조사시킬 수 있다. 예를 들어, 조명 렌즈(13a)는 섬유(12)의 타단으로부터 출사된 조명광(L10)을 평행광으로 변환할 수 있다. 그리고, 평행광으로 한 조명광(L10)은 편광자(14)에 입사할 수 있다.
광원(11)에서 생성된 조명광(L10)이 편광자(14)에 입사할 수 있다. 편광자(14)는 조명광(L10)을 직선으로 편광시킬 수 있다. 예를 들어, 편광자(14)는 지면에 대해 45° 기울어진 편광 방향을 갖는 직선 편광된 조명광(L10)을 빔 스플리터(15)에 출사할 수 있다.
빔 스플리터(15)는 입사한 조명광(L10)의 일부를 반사하고, 일부를 투과시킬 수 있다.
빔 스플리터(15)는 입사한 조명광(L10)의 일부를 대물렌즈(16)를 향해 반사할 수 있다. 빔 스플리터(15)에 의해 반사된 조명광(L10)은 대물렌즈(16)에 입사할 수 있다.
대물렌즈(16)는 직선 편광으로 이루어지는 조명광(L10)으로 시료(70)의 측정면(71)을 조명할 수 있다. 대물렌즈(16)는 빔 스플리터(15)에 의해 반사된 조명광(L10)을 예컨대, 점 형태로 집광시켜 시료(70)의 측정면(71)을 조명할 수 있다. 그리고, 대물렌즈(16)는 조명광(L10)이 시료(70)의 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)을 투과시킬 수 있다. 본 실시형태의 엘립소미터(2)에서는 측정면(71)에 입사하는 조명광(L10)의 광축(C) 및 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)의 광축(C)은 측정면(71)에 대해 직교할 수 있다.
측정면(71)을 조명하는 조명광(L10)은 일 방향의 직선 편광 성분으로 구성될 수 있다. 일 방향의 직선 편광 성분으로 구성된 조명광(L10)은 시료(70)의 측정면(71)에 집광되면서 입사할 수 있다. 따라서, 조명광(L10)이 완전 편광되고 직선 편광된 광이고 조명광(L10)의 광축(C)이 측정면(71)에 직교하는 경우, 조명광(L10)은 측정면(71)에 입사하는 방위에 따라 P편광의 성분 및 S편광 성분을 포함할 수 있다. 구체적으로, 조명광(L10)의 S편광의 성분은 측정면(71)에서 S편광 성분으로서 반사될 수 있고, 조명광(L10)의 P편광의 성분은 측정면(71)에서 P편광 성분으로서 반사될 수 있다.
대물렌즈(16)는 조명광(L10)이 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)을 투과시켜서, 빔 스플리터(15)에 입사시킬 수 있다. 빔 스플리터(15)는 입사한 반사광(R10)의 일부를 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(15)를 투과한 반사광(R10)은 릴레이 렌즈(21a)에 입사할 수 있다.
릴레이 렌즈(21a)는 빔 스플리터(15)를 투과한 반사광(R10)을 집광시키고, 상(像)을 맺은 후에 릴레이 렌즈(21b)에 입사시킬 수 있다. 릴레이 렌즈(21b)는 입사한 반사광(R10)을 평행광으로 변환하여 투과시킬 수 있다. 시준 렌즈(21)를 투과한 반사광(R10)은 도 9의 위치(D1)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 위치(D1)는 반사광(R10)의 단면의 일부분을 나타낸다. 릴레이 렌즈(21b)는 투과시킨 반사광(R10)을, 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)에 입사시킬 수 있다.
비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)는 실시형태 1과 같이, 반사광(R10)을 반사광(R11) 및 반사광(R12)으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 분리 장치(22)는 시료(70)의 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)의 일부를, 반사광(R11)으로서 투과시키고, 일부를 반사광(R12)으로서 반사할 수 있다.
분리 장치(22)를 투과한 반사광(R11)은 도 9의 위치(D4)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 또, 위치(D4)는 반사광(R11)의 단면의 일부분을 나타낸다. 분리 장치(22)를 투과한 반사광(R11)은 편광 광학 소자(31')에 입사할 수 있다. 편광 광학 소자(31')는 예를 들어, 노마스키 프리즘을 포함할 수 있다.
본 실시형태의 수직 입사 광학계는 360도의 입사 방위가 가능하다. 그렇지만, 입사 방위마다 P편광과 S편광의 편광 방향이 다르기 때문에, 효율적인 계측을 위해서는 입사 방위마다 각도 분할 방향을 바꾸는 것이 바람직하다.
도 10은 실시형태 2에 관한 엘립소미터에서, 편광 광학 소자 및 간섭 장치를 예시한 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 편광 광학 소자들(31' 및 32')은 노마스키 프리즘을 4분할하여, 4분할된 부분들 각각의 편광의 각도 분할 방향이 원주 방향이 되도록 배치된 구조를 포함한다. 검광자(Analyzer) 등의 간섭 장치(41 및 42)의 투과축(41a 및 42a)의 방향은 분할되는 편광 방향의 중간이 되도록 배치할 수 있다.
예를 들어, 편광 광학 소자(31')는 반사광(R11)의 광축(C)에 직교하는 면 내에서, 광축(C)을 중심으로 360[deg]를 등분할할 수 있다. 편광 광학 소자(31')는 반사광(R11)의 광축(C)에 직교하는 면 내에서, 예를 들어, 4분할되어 있다. 이와 같이, 편광 광학 소자(31')는 광축(C)의 둘레 1회전의 회전각을 등분할한 분할각(α)을 가진 복수의 분할편(31a~31d)을 포함하고 있다. 분할각들(α) 각각의 정점은 광축(C)이다. 편광 광학 소자(31')는 예를 들어, 4개의 직사각형상의 분할편(31a~31d)으로 구성될 수 있다. 각 분할편(31a~31d)은 광축(C)을 하나의 꼭지점으로 하고, 광축(C)의 둘레 1회전의 회전각을 등분할한 분할각(α)을 직사각형의 네개의 각도 중 하나로 갖는다. 각 분할편(31a~31d)은 입사한 반사광(R11)을 각 분할각(α)의 이등분선에 직교하는 방향으로 진행하는 2개의 직선 편광으로 분리할 수 있다. 즉, 편광 광학 소자(31')는 입사한 반사광(R11)을 광축(C)을 포함하지 않는 대각선 방향으로 진행하는 2개의 직선 편광으로 분리할 수 있다. 입사한 반사광(R11)으로부터 분리된 2개의 직선 편광광들의 진행 방향은 편광축의 둘레의 원주 방향에 접한 방향이다. 또, 편광 광학 소자(31')는 도 10에 도시된 것과 같이 4분할된 광학 요소로 한정되지 않으며, 광축(C)을 중심으로 한 360[deg]를 임의로 등분할된(예컨대, 8분할) 광학 요소일 수 있다. 또한, 편광 광학 소자(32')도 편광 광학 소자(31')와 유사하게, 광축(C)을 중심으로 한 360[deg]를 등분할하는 4개의 직사각형상의 분할편(32a~32d)을 포함할 수 있다.
분할편들(31a 및 31c)은 광축(C)을 사이에 두고 대향할 수 있고, 분할편들(31b 및 31d)은 광축(C)을 사이에 두고 대향할 수 있다. 분할편들(31a 및 31c)이 반사광(R11)의 부분들을 분리하는 방향은 서로 평행할 수 있고, 분할편(31b 및 31d)이 반사광(R11)의 부분들을 분리하는 방향은 서로 평행할수 있다. 각 분할편(31a~31d) 중 어느 하나가 반사광(R11)의 부분을 분리하는 방향은 분할편(31a~31d)들 중 이에 인접한 것이 반사광(R11)의 부분들을 분리하는 방향과 직교한다. 예컨대, 분할편들(31a 및 31c)이 분리하는 반사광(R11)의 부분들의 방향은 분할편들(31b 및 31d)이 분리하는 반사광(R11)의 부분들의 방향과 직교한다.
간섭 장치(41)의 투과축(41a) 방향은 분할편들(31a 및 31c)이 분할하는 방향과 분할편들(31b 및 31d)이 분리하는 방향과의 사이의 방향이 바람직하다.
화상 검출기(50) 상의 동공의 공역 위치(21h)(예컨대, 공역의 동공면)의 중심 부분은 시료(70)의 측정면(71)에 대해 수직으로 조명광(L10)을 입사시킨 경우의 반사광(R10)에 대응된다. 한편, 동공면에서, 주변 부분은 측정면(71)에 대해 경사지게 조명광(L10)을 입사시킨 경우의 반사광(R10)에 대응된다. 엘립소미터(2)에 의한 측정에서, 조명광(L10)의 측정면(71)에 대한 입사각이 바뀌면, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)도 바뀐다.
그래서, 본 실시형태에서는, 편광 광학 소자(31' 및 32')를 4분할하고, 각 분할편의 분리 방향을 광축(C) 둘레의 원주 방향으로 하고 있다. 반사광(R11)의 간섭호(51)에 상술한 식 (1)을 피팅시키는 경우, 설정된 범위의 프로파일에 식 (1) 및 식 (2)를 피팅한다. 그 경우에, 조명광(L10)의 입사각을 일정하게 하기 위해서는, 광축(C) 둘레의 원주 방향에 따른 간섭호의 프로파일을 이용하는 것이 바람직하다.
도 11은 실시형태 2에 관한 엘립소미터(2)에서, 화상 검출기(50) 상에서 간섭한 반사광(R11 및 R13)의 간섭호(51 및 52)를 예시한 도면이다. 도 11에서, 상단은 반사광(R11)의 간섭호(51)를 나타내고, 하단은 반사광(R13)의 간섭호(51)를 나타낸다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 편광 광학 소자(31')와 같은 4분할된 간섭호(51)가 원주 방향으로 형성된다. 간섭호(51)는 광축(C) 둘레의 원주 방향에 따른 부분(A1-A2)을 갖고 있다. 그렇게 하면, 조명광(L10)이 시료(70)의 측정면(71)에 대한 입사각이 실질적으로 일정한 반사광(R11)을 피팅할 수 있다. 따라서, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
한편, 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22)에 의해 반사된 반사광(R12)은 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(23)에 입사할 수 있다. 분리 장치(23)는 반사광(R12)을, S편광으로 이루어지는 반사광(R13)과, P편광으로 이루어지는 반사광으로 분리할 수 있다. 분리 장치(23)는 예를 들어, S편광 성분을 반사시키고, P편광 성분을 투과시킬 수 있다. 분리 장치(23)에 의해 반사된 반사광(R13)은 도 9의 위치(D2)에서, 측정면(71) 상에서 S편광인 성분으로 이루어진다. 또, 위치(D2)는 반사광(R13)의 단면의 일부분을 나타낸다. 분리 장치(23)에 의해 반사된 반사광(R13)은 아지머스 편광자(25)에 입사할 수 있다.
도 12는 실시형태 2에 관한 엘립소미터에서, 아지머스 편광자를 예시한 평면도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 아지머스 편광자(25)는 편광 광학 소자(32')의 분할에 따라 분할편들(25a~25d)로 분할되어 있다. 아지머스 편광자(25)는, 투과하는 반사광(R13)의 광축(C)에 직교하는 면 내에서, 광축(C)의 둘레 1회전의 회전각을 등분할한 중심각을 가진 부채 형상의 복수의 분할편을 포함하고 있다. 구체적으로는, 아지머스 편광자(25)는 중심각이 90[deg]의 4개의 부채 형상의 분할편(25a~25d)으로 분할되어 있다.
각 분할편(25a~25d)은 각 분할편(32a~32d)과 대응하고 있다. 각 분할편(25a~25d)은 각 분할편(25a~25d)의 투과축 방향의 편광을 투과시킬 수 있다. 각 분할편(25a~25d)을 투과한 반사광(R13)은 각 분할편(32a~32d)에 입사할 수 있다.
λ/4 파장판(24)은 입사한 반사광(R13)을, S편광의 방향 및 P편광의 방향과 다른 방향의 편광으로 변환할 수 있다. 예를 들어, λ/4 파장판(24)은 S편광 성분의 편광의 방향을 반사광(R13)의 편광축의 둘레를 따라 45[deg] 회전시킬 수 있다. 반사광(R13)은 도 9의 위치(D3)에서, 반사광(R12)과 다른 방향의 편광 성분을 포함할 수 있다. 또, 위치(D3)는 반사광(R13)의 단면의 일부분을 나타낸다. 반사광(R13)은 측정면(71) 상에서 S편광일 수 있고, 반사광(R12)과 다른 방향의 편광의 광을 포함할 수 있다. 반사광(R13)은 편광 광학 소자(32')에 입사할 수 있다.
편광 광학 소자(32')에서, 광축(C)을 사이에 두고 대향하는 분할편(32a 및 32c)이 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향은 평행이며, 분할편(32b 및 32d)이 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향은 평행이다. 분할편들(32a~32d) 중 어느 하나가 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향은 분할편(32a~32d) 중 인접한 다른 하나가 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향과 직교한다. 즉, 분할편(32a 및 32c)이 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향은 분할편(32b 및 32d)이 반사광(R13)의 부분들을 분리하는 방향과 직교한다.
간섭 장치(42)의 투과축(42a) 방향은 분할편(32a 및 32c)이 분할하는 방향과 분할편(32b 및 32d)이 분리하는 방향과의 사이의 방향이 바람직하다.
본 실시형태에서, 화상 검출기(50) 상에 2개의 간섭호(51 및 52)가 형성된다. 그리고, 간섭호(51 및 52)는 방사상의 경계에서 4분할되어 있다. 해석 장치(60)는 간섭호(51 및 52)의 신호 처리를 할 때에, 우선, 도 11에서의 A1-A2 및 B1-B2와 같이, 간섭호(51 및 52)의 방향과 수직인 선상의 강도 분포를 취득할 수 있다. 그리고, 거기서부터, 도 7을 참조하여 설명한 것과 유사한 신호 처리를 행할 수 있다. 이 경우, 화상 검출기(50)는 수광 광학계(20)의 공역의 동공 위치(21h)에 배치되고, 화상 검출기(50) 상의 위치에 따라 측정면(71) 상의 서로 다른 입사각과 입사 방위에 대응된다. 예컨대, 화상 검출기(50)에 의해 측정된 이미지의 서로 다른 픽셀들은 측정면(71)의 서로 다른 입사각과 입사 방위에 대응된다. 따라서, 상기한 A1-A2와 같은 간섭호(51)의 강도 분포를 취득하는 장소를, A1-A2로부터 다른 장소로 바꿈으로써, 서로 다른 입사각 및 입사 방위에서의 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)의 취득이 가능해진다. 이때 A1-A2로부터 다른 장소는 A1-A2와 평행하고 이격되며, 간섭호(51)의 방향과 수직할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
측정면(71)에 입사하는 조명광(L10)의 광축, 및, 측정면(71)에 의해 반사된 반사광(R10)의 광축은 측정면(71)에 대해 직교해 있다. 따라서, 측정면(71)에서, 복수의 입사각 및 복수의 입사 방위에서의 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 동시에 취득할 수 있다. 따라서, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 측정하는 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한, 측정하는 스루풋을 향상시킬 수 있으므로, OCD 계측 장치로서, 반도체 장치의 검사 장치에 적용할 수 있다.
또한, 편광 광학 소자(31' 및 32')는, 편광축의 둘레를 따라 분할된 분할편들을 포함할 수 있다. 따라서, 광축(C) 둘레의 원주 방향에 따른 간섭호의 프로파일을 취득할 수 있으므로, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그 이외의 엘립소미터(2)의 구성 및 효과는 실시형태 1의 엘립소미터(10)에 대한 기재에 포함되어 있다.
(실시형태 3)
도 13은 실시형태 1 및 2에 관한 엘립소미터들(1, 2)에서, 분리 장치를 예시한 단면도이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 전술한 엘립소미터(1 및 2)는 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)를 조합한 빔 스플리터(26)를 갖고 있다. 빔 스플리터(26)에서, 분리 장치(22)는 비편광 빔 스플리터막(22a)을 포함할 수 있다. 분리 장치(23)는 편광 빔 스플리터막(23a)을 포함할 수 있다. 빔 스플리터(26)에서, 비편광 빔 스플리터막(22a)과, 편광 빔 스플리터막(23a)은 평행하게 배치되어 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(26)는 유리 등의 투명 광학 요소 및 상기 투명 광학 요소 상에 배치된 비편광 빔 스플리터막(22a) 및 편광 빔 스플리터막(23a)을 포함할 수 있다.
반사광(R10)은 비편광 빔 스플리터막(22a)에 대해, 45[deg]의 입사각으로 입사할 수 있다. 반사광(R11)은 비편광 빔 스플리터막(22a)을 투과한 반사광(R10)의 부분이다.
반사광(R12)은 비편광 빔 스플리터막(22a)에 의해 반사된 반사광(R10)의 부분이다. 반사광(R12)은 편광 빔 스플리터막(23a)에 대해, 45[deg]의 입사각으로 입사할 수 있다. 반사광(R13)은 편광 빔 스플리터막(23a)에 의해 반사된 반사광(R12)의 부분이다.
빔 스플리터(26)에 입사한 반사광(R10)의 방향과, 빔 스플리터(26)로부터 출사된 반사광(R11) 및 반사광(R13)의 방향은 평행할 수 있다. 따라서, 엘립소미터들(1, 2)에 포함된 각종 광학 요소의 배치에 관한 설계가 용이하고, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 그렇지만, 반사광(R11)과 반사광(R13)은 유리 안에서(즉, 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)의 내부에서)의 광로 길이가 다르다. 즉, 반사광(R12)이 진행한 거리(W1)만큼, 반사광(R13)의 광로는, 반사광(R11)의 광로보다 길수 있다. 이 경우에는, 축상 색 수차가 문제가 될 가능성이 있다.
그래서, 공기 환산 길이가 반사광(R11)과 반사광(R13)에서 동등해지도록(즉 두께(W2)=거리(W1)/(n-1)를 충족하도록) 광로 길이 보정판(23b)의 두께(W2)를 설정할 수 있다. 여기서, n은 유리의 굴절률이다.
도 14는 실시형태 3에 관한 엘립소미터(3)에서, 분리 장치를 예시한 단면도이다. 본 실시형태는 엘립소미터(1, 2)의 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)를 분리 장치(27)로 변형시킨 예이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 빔 스플리터(27)는 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)를 포함할 수 있다. 분리 장치(22)는 비편광 빔 스플리터막(22a)을 포함하고, 분리 장치(23)는 편광 빔 스플리터막(23a)을 포함하고 있다. 빔 스플리터(27)에서, 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)는 삼각기둥 형태의 유리 등의 투명 광학 요소로 일체화되어 있다. 투명 광학 요소의 삼각 기둥의 3개의 측면은 반사광(R10)이 입사하는 입사면(F1), 반사광(R11) 및 반사광(R13)이 출사되는 출사면(F2), 및 반사광(R12)이 반사하는 반사면(F3)을 포함할 수 있다. 그 경우, 편광 빔 스플리터막(23a)은 반사면(F3)의 내측에 배치되어 있다. 비편광 빔 스플리터막(22a)은 입사면(F1)과 반사면(F3)이 이루는 각을 2등분하는 면에 배치되어 있다. 비편광 빔 스플리터막(22a)과 편광 빔 스플리터막(23a)이 이루는 각도는 30[deg]이다.
반사광(R10)은 입사면(F1)에 수직으로 입사할 수 있다. 그리고, 반사광(R10)은 비편광 빔 스플리터막(22a)에 대해, 30[deg]의 입사각으로 입사할 수 있다. 반사광(R10)의 일부는 빔 스플리터막(22a)에서 반사되어 반사광(R11)이 되고, 다른 일부는 빔 스플리터막(22a)을 투과하여 반사광(R12)가 될 수 있다.
비편광 빔 스플리터막(22a)에 의해 반사된 반사광(R11)은 입사면(F1)의 내측에서 전반사각을 초과하므로, 입사면(F10)의 내측에서 전반사 된다. 입사면(F1)의 내측에서 반사된 반사광(R11)은 출사면(F2)에 대해 직교하는 방향으로 출사될 수 있다.
빔 스플리터(27)에서, 반사광(R12)은 비편광 빔 스플리터막(22a)을 투과한 반사광(R10)의 부분이다. 반사광(R12)은 편광 빔 스플리터막(23a)에 대해 60[deg]의 입사각으로 입사할 수 있다. 편광 빔 스플리터막(23a)에 의해 반사된 반사광(R13)은 출사면(F2)에 대해 직교하는 방향으로 출사될 수 있다.
빔 스플리터(27)에서는 반사광(R11)과 반사광(R13)과의 사이에서, 유리 안에서의 광로 길이는 같다. 그렇지만, 입사면(F1)의 내측에서 전반사에 의한 위상차와, 입사광과 출사광과의 편각(偏角)을 고려할 필요가 생길 가능성이 있다.
도 15는 실시형태 3에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 엘립소미터(3)는 엘립소미터(1)의 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)를, 빔 스플리터(27)로 대신한 것이다. 이러한 구성으로 함으로써, 반사광(R11)과 반사광(R13)의 사이에서, 분리 장치(22) 및 분리 장치(23)의 유리 안에서의 광로 길이를 동일하게 할 수 있고, 축상 색 수차를 억제할 수 있다. 또한, 화상 검출기(50)는 반사광(R11) 및 반사광(R13)을 수직 방향으로 수광할 수 있고, 광학 장치의 설계에서, 자유도를 향상시킬 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는 실시형태 1 및 2의 기재에 포함되어 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태의 엘립소미터(4)는 수광 광학계(20)에서, 간섭 장치(41) 및 간섭 장치(42)가 편광 빔 스플리터(43)에 일체화어 있다.
도 16은 실시형태 4에 관한 엘립소미터를 예시한 구성도이다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 엘립소미터(4)는, 편광 빔 스플리터(43)와, 2개의 화상 검출기(50a 및 50b)가 일체화된 수광 광학계(20)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하여 전술한 실시형태 1의 간섭 장치(41 및 42)는, 예를 들어, 편광 광학 소자(31 및 32)에 의해, 0[deg] 및 90[deg]의 편광 방향으로 분리된 2개의 직선 편광들 각각의 45[deg] 성분을 투과시켜서 간섭시킬 수 있다. 이 경우, 간섭 장치(41)는 135[deg] 성분을 흡수 또는 반사하고 있다.
도 16을 참조하면, 예시적인 실시예뜰에 따른 편광 빔 스플리터(43)는 45[deg] 성분을 반사시키고, 135[deg] 성분을 투과시 킬 수 있다. 이와 같이, 편광 빔 스플리터(43)는 서로 직교한 두개의 직선 편광 성분들 중 상기 두개의 직선 편광 방향과 다른 제1 방향 성분을 반사시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(43)는 서로 직교한 두개의 직선 편광 성분들 중 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 성분을 투과시킬 수 있다. 구체적으로, 편광 빔 스플리터(43)는 편광 광학 소자(31)가 분리한 각 직선 편광 중, 45[deg] 기울어진 방향의 직선 편광을 반사시키고, 135[deg] 기울어진 방향의 직선 편광을 투과시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(43) 및 편광 광학 소자(31)에 관한 설명은 편광 빔 스플리터(43)는 및 편광 광학 소자(32)에 대해서도 유사하게 적용된다.
엘립소미터(4)는 화상 검출기(50a 및 50b)를 포함할 수 있다. 화상 검출기(50a)는 편광 빔 스플리터(43)에 의해 반사된(즉, 45[deg] 방향의) 각 편광 성분의 간섭호를 검출할 수 있다. 화상 검출기(50b)는 편광 빔 스플리터(45)를 투과한(즉, 135[deg] 방향의) 각 편광 성분의 간섭호(51 및 52)를 검출할 수 있다.
도 17은 실시형태 4에 관한 엘립소미터에서, 2개의 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다. 도 18은 실시형태 4의 엘립소미터(4)에서, 화상 검출기가 검출한 간섭호의 강도를 예시한 그래프이다. 도 18의 가로축은 간섭호의 위치를 나타내고, 세로축은 강도 분포를 나타낸다. 도 17 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 각 화상 검출기(50a 및 50b) 상에는 서로 위상이 180[deg] 반전된 간섭호(51 및 52)가 형성된다.
도 19는 실시형태 4에 관한 엘립소미터에서, 편광 빔 스플리터(43)의 반사 및 투과하는 편광 방향을, 편광 광학 소자가 분리하는 2개의 직선 방향에 대해, 45[deg]에서 비켜 놓은 경우의 각 성분을 예시한 도면이다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 반사광들(R11, R13) 중 어느 하나의 X방향의 성분과 Y방향의 성분의 강도가 다른 경우(예를 들어, X방향의 성분의 강도가 2이고, Y방향의 성분의 강도가 1인 경우)를 예시로 설명한다. 편광 빔 스플리터(43)의 반사 및 투과하는 편광 방향을, 편광 광학 소자(31 및 32)가 분리하는 2개의 직선 방향에 대해 45[deg]에서 40[deg]로 변경한 경우, X방향의 성분은 커지고, Y방향의 성분은 작아진다. 보다 구체적으로, 40[deg]에 대한 X 방향 성분의 정사영(Projection)은 45[deg]에 대한 X 방향 성분의 정사영보다 더 클 수 있고, 40[deg]에 대한 Y 방향 성분의 정사영(Projection)은 45[deg]에 대한 Y 방향 성분의 정사영보다 더 작을 수 있다. 따라서, 편광 빔 스플리터(43)가 반사 및 투과하는 편광 방향이 45[deg]에서 40[deg]로 변경된 경우, X방향의 성분과 Y방향의 성분의 차이는 점점 더 커지고, 콘트라스트는 저하된다.
한편, 편광 빔 스플리터(43)가 반사 및 투과하는 편광 방향이 135[deg]에서 130[deg]로 바뀌는 경우, X방향의 성분은 작아지고, Y방향의 성분은 커진다. 보다 구체적으로, 130[deg]에 대한 X 방향 성분의 정사영은 135[deg]에 대한 X 방향 성분의 정사영보다 더 작을 수 있고, 130[deg]에 대한 Y 방향 성분의 정사영(Projection)은 135[deg]에 대한 Y 방향 성분의 정사영보다 더 작을 수 있다. 따라서, 편광 빔 스플리터(43)가 반사 및 투과하는 편광 방향이 135[deg]에서 130[deg]로 변경된 경우, X방향의 성분과 Y방향의 성분의 차이는 작아지고, 콘트라스트는 증가할 수 있다. 실시형태 1에서, 편광 광학 소자(31 및 32)에 의해 분리된 2개의 직선 편광 중, 한 쪽의 강도가 저하되면 콘트라스트가 저하된다.
이 경우에, 어느 쪽의 직선 편광이 저하되었는지 까지는 측정할 수 없다. 그렇지만, 본 실시형태에서는, 어느 쪽의 직선 편광이 저하되었는지도 판별할 수 있다.
본 실시형태의 엘립소미터(4)에 의하면, 간섭 장치(41 및 42)로서, 검광자 대신에 편광 빔 스플리터(43)를 이용함으로써, 추가된 간섭호(51 및 52)를 화상 검출기(50b) 상에 형성하고, 추가된 정보를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 검광자가 채용된 경우, 검광자의 편광축에 수직한 방향의 편광 광에 포함된 정보는 버려진다. 이와 달리, 편광 빔 스플리터(43)가 채용된 경우, 편광 축에 수직한 방향으로 편광된 광에 포함된 정보 및 편광 축에 평행한 방향으로 편광된 광에 포함된 정보를 모두 검출할 수 있다. 이에 따라, 검광자의 경우에 버려졌던 성분을 검출에 이용할 수 있고, 따라서, S/N를 향상할 수 있다. 게다가, 서로 180[deg] 반전된 위상 관계의 간섭호(51 및 52)를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 서로 180[deg] 반전된 위상 관계의 간섭호(51 및 52)를 형성하는 화상 검출기(50a 및 50b)를 이용하여 검출함으로써, 하나의 화상 검출기(50)만으로 검출된 간섭호(51 및 52)에서는 골짜기의 위치에 해당하는 강도가 작은 점을, 피크의 위치에 해당하는 강도가 큰 점으로 할 수 있다. 따라서, 화상 검출기(50a 및 50b)를 상보적으로 이용함으로써 간섭호들(51, 52)의 더 많은 부분으로부터 정보를 얻을 수 있다.
또, 도 16에서는, 편광 빔 스플리터(43)에서 반사 및 투과한 반사광(R11 및 R13)이 도면에 평행한 면 내의 2개의 방향으로 나아가고 있지만, 실제는, 45[deg] 기울어진 방향으로 나아가고 있다. 그 이외의 구성 및 효과는, 실시형태 1 내지 3의 기재에 포함되어 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태의 엘립소미터(5)는 편광 광학 소자(31 및 32)로서 노마스키 프리즘을 이용하지 않을 수 있다.
도 20은 실시형태 5에 관한 엘립소미터(5)를 예시한 구성도이다. 도 21은 실시형태 5에 관한 엘립소미터(5)에서, 간섭 장치 및 화상 검출기를 예시한 도면이다. 도 22는 실시형태 5에 관한 엘립소미터에서, 수광 광학계를 예시한 도면이다.
도 20 내지 도 22에 나타낸 바와 같이, 엘립소미터(5)에서, 수광 광학계(20)는 시준 렌즈(21), 비편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(22), 미러(33), 미러(34), λ/4 파장판(24), 분리 장치(35), 분리 장치(36), 간섭 장치(41 및 42), 화상 검출기(50)를 포함할 수 있다.
시준 렌즈(21)를 투과한 반사광(R10)은 도 22의 위치(D1)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 반사광(R10)은 분리 장치(22)에 의해 반사광(R11) 및 반사광(R12)으로 분리된다. 분리 장치(22)에 의해 분리된 반사광(R11)은 미러(33)에 입사할 수 있다. 미러(33)는 반사광(R11)을 반사할 수 있다. 미러(33)에 의해 반사된 반사광(R11)은 도 22의 위치(D4)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 미러(33)에 의해 반사된 반사광(R11)은 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(35)에 입사할 수 있다. 분리 장치(35)에서, 반사광(R11)의 S편광은 반사되고, 반사광(R11)의 P편광 성분은 투과할 수 있다. 분리 장치(35)를 투과한 반사광(R11)의 P편광 성분은 편광 빔 스플리터 등의 분리 장치(36)에 의해 반사된다.
한편, 분리 장치(22)로 분리된 반사광(R12)은 미러(34)에 입사할 수 있다. 미러(34)는 반사광(R12)을 반사할 수 있다. 미러(34)에 의해 반사된 반사광(R12)은 도 22의 위치(D2)에서, 측정면(71) 상에서 P편광인 성분 및 측정면(71) 상에서 S편광인 성분을 포함할 수 있다. 미러(34)에 의해 반사된 반사광(R12)은 λ/4 파장판(24)에 입사할 수 있다. λ/4 파장판(24)에서, 반사광(R12)의 P편광 성분 및 S편광 성분은 각각 편광축의 둘레를 따라 45[deg] 회전할 수 있다. 이와 같이, λ/4 파장판(24)은, 미러(34)에 의해 반사된 반사광(R12)에서, P편광 성분을 P편광 방향 및 S편광 방향 각각과 다른 방향의 직선 편광 성분으로 변환할 수 있고, S편광의 성분을, P편광 방향 및 S편광 방향 각각과 다른 방향의 직선 편광 성분으로 변환할 수 있다. λ/4 파장판(24)을 투과한 반사광(R12)을 반사광(R13)이라고 부른다. 반사광(R13)은, 도 22의 위치(D3)에서, 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 S편광 성분의 광으로 이루어져 있다.
반사광(R13)은 분리 장치(35)에 입사할 수 있다. 분리 장치(35)에서, 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 45[deg] 기울어진 S편광 성분을 포함하는 반사광(R13)의 일부는 투과하고, 일부는 반사될 수 있다. 분리 장치(35)에 의해 반사된 반사광(R13)은 분리 장치(36)에 입사할 수 있다. 분리 장치(36)에서, 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 45[deg] 기울어진 S편광 성분을 포함하는 반사광(R13)의 일부는 반사될 수 있다.
이와 같이, 분리 장치(35)는 미러(33)에 의해 반사된 반사광(R11)에서, S편광 성분을 반사하고, P편광 성분을 투과시키며, λ/4 파장판(24)을 투과한 반사광(R12)에서, 광축(C) 둘레에 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 S편광 성분을 투과시킬 수 있다. 또한, 분리 장치(36)는 분리 장치(35)를 투과한 반사광(R11)에서, P편광을 반사하고, 분리 장치(35)에 의해 반사된 반사광(R13)에서, 광축(C) 둘레에 45[deg] 기울어진 P편광 및 S편광을 반사할 수 있다.
본 실시형태에서, 분리 장치(35 및 36)에서 합류한 반사광(R11) 및 반사광(R13)은, 간섭 장치(41 및 42)를 통과하여, 화상 검출기(50) 상에 간섭호(51 및 52)를 형성할 수 있다. 간섭 장치(41)는 분리 장치(35)에 의해 반사된 S편광 성분의 투과축(41a) 방향의 성분, 분리 장치(35)를 투과한 45[deg] 기울어진 P편광 성분의 투과축(41a) 방향의 성분 및 분리 장치(35)를 투과한 45[deg] 기울어진 S편광 성분의 투과축(41a) 방향의 성분을 간섭시킨 간섭호(51)를 형성할 수 있다. 간섭 장치(42)는 분리 장치(36)에 의해 반사된 P편광 성분의 투과축(42a) 방향의 성분, 분리 장치(35)에 의해 반사된 45[deg] 기울어진 P편광 성분의 투과축(42a) 방향의 성분 및 분리 장치(35)에 의해 반사된 45[deg] 기울어진 S편광 성분의 투과축(42a) 방향의 성분을 간섭시킨 간섭호(52)를 형성할 수 있다.
엘립소미터(5)의 광학계는 합류한 반사광(R11) 및 반사광(R13)이 화상 검출기(50) 상에서, 동일 위치에 서로 기울어져 도달하도록 구성된다. 즉, 분리 장치(36 및 36)로부터 출사된 반사광(R11) 및 반사광(R13)이 화상 검출기(50) 상에서, 동일 위치에 서로 기울어져 도달하도록, 미러(33 및 34)의 위치 및 기울기가 조정될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 반사광(R11)의 P편광 성분과, 반사광(R13)의 P편광 방향에 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 S편광 방향에 45[deg] 기울어진 S편광 성분을 간섭시켜서, 간섭호(51)를 형성할 수 있다. 또한, 반사광(R11)의 S편광과, 반사광(R13)의 P편광 방향에 45[deg] 기울어진 P편광 성분 및 S편광 방향에 45[deg] 기울어진 S편광 성분을 간섭시켜서, 간섭호(52)를 형성할 수 있다.
도 23은 실시형태 5에 관한 엘립소미터(5)에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호를 예시한 도면이다. 도 24는 실시형태 5에 관한 엘립소미터(5)에서, 화상 검출기가 검출한 간섭호의 강도를 예시한 그래프이다. 도 24에서 가로축은 간섭호의 위치를 나타내고, 세로축은 강도 분포를 나타낸다. 도 25는 실시형태 5에 관한 엘립소미터(5)에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭호(51 및 52)의 강도 분포를 푸리에 변환하고, 퓨리에 변환된 간섭호(51 및 52)의 강도 분포의 실수부 및 허수부를 조명광(L10)의 파장에 관련지은 결과를 예시한 그래프이다. 여기서 퓨리에 변환된 간섭호(51 및 52)의 실수부는 진폭을 나타낼 수 있고 및 허수부는 위상을 나타낼 수 있다.
도 23 내지 도 25에 나타낸 바와 같이, 간섭호(51)에서의 반사광(R11)의 강도 분포(Ifringe3)를 이하의 식 (3)에 피팅할 수 있다. 또한, 간섭호(52)에서의 반사광(R13)의 강도 분포(Ifringe4)를 이하의 식 (4)에 피팅할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
[수학식 4]
Figure pat00004
상기 (3) 및 (4)에서, EP＋S는 이하의 식 (5)이다.
[수학식 5]
Figure pat00005
exp항, 즉, 식 (3)의 2｜ES｜｜EP＋S｜exp(iΔS-PS), 식 (4)의 2｜EP｜｜EP＋S｜exp(iΔP-PS)는 AC 컴포넌트다. 간섭호(51)에서의 반사광(R11)의 강도 분포(Ifringe3)를 이하의 식 (3)에 피팅할 때에, 강도 분포(Ifringe3)를 푸리에 변환함으로써, 진폭(Ψ1=2｜ES｜｜EP＋S｜)과 위상(ΔS-PS)을 각각 구할 수 있다. 또한, 강도 분포(Ifringe4)를 푸리에 변환함으로써, 진폭(Ψ2=2｜EP｜｜EP＋S｜)과 위상(ΔP-PS)을 각각 구할 수 있다.
위상(ΔS-PS)과 위상(ΔP-PS)과의 합을 산출함으로써, 엘립소메트리의 Δ에 해당하는 위상(Δ)을 구할 수 있다. 한편, 진폭(Ψ)은 진폭(Ψ1)을 진폭(Ψ2)으로 나눔으로써 산출될 수 있다. 즉, 진폭(Ψ1/Ψ2=tan-1Ψ)으로부터, 엘립소메트리의 Ψ에 해당하는 ｜EP｜/｜ES｜를 산출할 수 있다. 이와 같이, 해석 장치(60)는 간섭호(51) 및 간섭호(52)를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 간섭호(51) 및 간섭호(52)로부터, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출할 수 있다. 또한, 해석 장치(60)는 전체 광량의 정보를 얻을 수 있다.
본 실시형태에서는 편광 광학 소자(31 및 32)로서, 노마스키 프리즘을 불필요하게 한다. 따라서, 광학 장치의 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 해석 장치(60)는 간섭호(51 및 52)의 양쪽 모두를 활용할 수 있다. 이에 의해, 엘립소메트리 계수(ψ 및 Δ)와, 전체 광량에 추가하여, 편광도의 4개의 정보를 얻을 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는 실시형태 1 내지 4의 기재에 포함되어 있다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정된 것이 아니며, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 실시형태 1 내지 5의 각 구성은 서로 조합할 수 있다. 또한, 실시형태 1 내지 5의 엘립소미터를 구비한 반도체 장치의 검사 장치도, 본 실시형태의 기술적 사상에 포함된다.
1, 2, 3, 4, 5 엘립소미터
10 조명 광학계
11 광원
12 섬유
13, 13a 조명 렌즈
14 편광자
15 빔 스플리터
16 대물렌즈
20 수광 광학계
21 시준 렌즈
21a, 21b 릴레이 렌즈
21h 동공의 공역 위치
22 분리 장치
22a 비편광 빔 스플리터막
23 분리 장치
23a 편광 빔 스플리터막
23b 광로 길이 보정판
23c 편광판
24 λ/4 파장판
25 아지머스 편광자
25a, 25b, 25c, 25d 분할편
26, 27 빔 스플리터
31, 32 편광 광학 소자
31a, 31b, 31c, 31d, 32a, 32b, 32c, 32d 분할편
33, 34 밀러
35, 36 분리 장치
41, 42 간섭 장치
41a, 42a 투과축
43 편광 빔 스플리터
50, 50a, 50b 화상 검출기
51, 52 간섭호
60 해석 장치
70 시료
71 측정면
C 광축
D1, D2, D3, D4 위치
F1 입사면
F2 출사면
F3 반사면
L10 조명광
R10, R11, R12, R13 반사광
W1, W2 거리

Claims (20)

  1. 직선으로 편광된 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈로서, 상기 반사광은 상기 측정면에서 제1 방향의 제1 편광 성분 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 제2 편광 성분을 포함하고;
    상기 반사광을, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광으로 이루어지는 제1 분리 반사광과, 상기 제1 편광 및 상기 제2 편광으로 이루어지는 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치;
    상기 제1 분리 반사광을, 제1 편광 방향의 제1 직선 편광광 및 상기 제1 편광 방향에 수직한 제2 편광 방향의 제2 직선 편광광으로 분리하는 제1 편광 광학 소자;
    상기 제1 및 제2 직선 편광광들의 상기 제1 및 제2 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치;
    상기 제2 분리 반사광을, 상기 제1 편광으로 이루어지는 제3 분리 반사광과, 상기 제2 편광으로 이루어지는 제4 분리 반사광으로 분리하는 제2 분리 장치;
    상기 제3 분리 반사광을, 제3 편광 방향의 제3 직선 편광광 및 상기 제3 편광 방향에 수직한 제4 편광 방향의 제4 직선 편광광으로 분리하는 제2 편광 광학 소자;
    상기 제3 및 제4 직선 편광광들의 상기 제3 및 제4 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치;
    상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및
    검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 구비한 엘립소미터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 분리 반사광에서의 상기 제1 편광을, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 다른 제3 방향의 제3 편광으로 변환하는 파장판을 더 구비한 엘립소미터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명광을 생성하는 광원;
    상기 광원에서 생성된 상기 조명광을 일 방향의 직선 편광으로 전환하는 편광자; 및
    상기 직선 편광의 상기 조명광으로 상기 측정면을 조명하는 조명 렌즈를 더 구비한 엘립소미터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 측정면에 입사하는 상기 조명광의 광축 및 상기 측정면에서 반사된 상기 반사광의 광축은, 상기 측정면의 법선에 대해 경사진 엘립소미터.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 조명 렌즈는 상기 조명광을 집광시켜서 상기 측정면을 조명하고, 및
    상기 화상 검출기는 상기 렌즈의 동공 위치 및 공역의 동공위치(Conjugate pupil position)에 배치된 엘립소미터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명광을 생성하는 광원;
    상기 광원에서 생성된 상기 조명광이 입사되어, 일 방향의 직선 편광으로 이루어지는 상기 조명광을 투과시키는 편광자; 및
    상기 직선 편광으로 이루어지는 상기 조명광으로 상기 측정면을 조명하고, 상기 조명광이 상기 측정면에 의해 반사된 상기 반사광을 투과시키는 대물렌즈를 더 구비한 엘립소미터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 측정면에 입사하는 상기 조명광의 광축 및 상기 측정면에 의해 반사된 상기 반사광의 광축은, 상기 측정면에 대해 직교한 엘립소미터.
  8. 청구항 6에 있어서.
    상기 대물렌즈는 상기 조명광을 집광시켜서 상기 측정면을 조명하고, 및
    상기 화상 검출기는 상기 대물렌즈의 동공 위치와 공역의 동공 위치에 배치된 엘립소미터.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 편광 광학 소자 및 상기 제2 편광 광학 소자는 노마스키(Nomarski) 프리즘을 포함하는 엘립소미터.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 편광 광학 소자는 상기 반사광의 광축에 직교하는 면 내에서, 상기 광축의 둘레 1회전의 회전각을 등분할한 분할각을 갖는 복수의 분할편들을 포함하고,
    상기 복수 분할편들 각각은 대응하는 상기 분할각의 이등분선에 직교하는 방향으로 상기 제1 및 제2 직선 편광광들을 분리하는 엘립소미터.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명광은 백색광을 포함하고, 및
    상기 해석 장치는 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 상기 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 엘립소미터.
  12. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제1 편광은 상기 측정면에서 S편광이고, 및
    상기 제2 편광은 상기 측정면에서 P편광인 엘립소미터.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 분리 장치는 편광 빔 스플리터막을 포함하는 엘립소미터.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 분리 장치는 미러 및 편광판을 포함하는 엘립소미터.
  15. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 분리 장치는 비편광 빔 스플리터막을 포함하고,
    상기 제2 분리 장치는 편광 빔 스플리터막을 포함하며, 및
    상기 비편광 빔 스플리터막과 상기 편광 빔 스플리터막은 평행한 엘립소미터.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분리 장치는 비편광 빔 스플리터막을 포함하고,
    상기 제2 분리 장치는 편광 빔 스플리터막을 포함하며,
    상기 제1 분리 장치 및 상기 제2 분리 장치는 삼각 기둥 형상의 투명 광학 요소에 일체화되고,
    상기 투명 광학 요소의 상기 삼각 기둥 형상은 상기 반사광이 입사하는 입사면, 상기 제1 분리 반사광 및 상기 제3 분리 반사광 각각이 출사하는 출사면 및 상기 제2 분리 반사광이 반사하는 반사면을 포함하고,
    상기 편광 빔 스플리터막은, 상기 반사면의 내측에 배치되고, 및
    상기 비편광 빔 스플리터막은, 상기 입사면과 상기 반사면이 이루는 각을 2등분하는 면에 배치된 엘립소미터.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 간섭 장치는 상기 제1 및 제2 직선 편광광들의 상기 제1 편광 방향 및 상기 제2 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시키는 제1 편광판을 포함하고, 및
    상기 제2 간섭 장치는 상기 제3 및 제4 직선 편광광들의 상기 제3 편광 방향 및 상기 제4 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시키는 제2 편광판을 포함하는 엘립소미터.
  18. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 간섭 장치 및 상기 제2 간섭 장치는 제3 간섭 장치로 일체화되고,
    상기 제3 간섭 장치는 상기 제1 내지 제4 직선 편광들의 성분을 상기 제1 내지 제4 편광 방향들과 다른 방향으로 반사시키고, 상기 제1 내지 제4 편광 방향들과 다른 방향과 직교한 방향에서의 상기 제1 내지 제4 직선 편광들의 성분을 투과시키는 편광 빔 스플리터를 가지며, 및
    상기 화상 검출기는상기 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 상기 성분의 상기 제1 간섭호를 검출하는 제1 화상 검출기 및 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 상기 성분의 상기 제2 간섭호를 검출하는 제2 화상 검출기를 포함하는 엘립소미터.
  19. 직선으로 편광된 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈;
    상기 반사광을 서로 동일한 편광 상태의 제1 분리 반사광 및 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치;
    상기 제1 분리 반사광을, 제1 편광 방향의 제1 직선 편광광 및 상기 제1 편광 방향에 수직한 제2 편광 방향의 제2 직선 편광광으로 분리하는 제1 편광 광학 소자;
    상기 제1 및 제2 직선 편광광들의 상기 제1 및 제2 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치;
    상기 제2 분리 반사광을 서로 직교하는 편광 상태의 제3 분리 반사광 및 제4 분리 반사광으로 분리하는 제2 분리 장치;
    상기 제3 분리 반사광을, 제3 편광 방향의 제3 직선 편광광 및 상기 제3 편광 방향에 수직한 제4 편광 방향의 제4 직선 편광광으로 분리하는 제2 편광 광학 소자;
    상기 제3 및 제4 직선 편광광들의 상기 제3 및 제4 편광 방향들과 다른 방향 성분들을 간섭시켜 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치;
    상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및
    검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 구비한 엘립소미터.
  20. 직선 편광으로 이루어지는 조명광이 시료의 측정면에 의해 반사된 반사광을 투과시키는 렌즈로서, 상기 반사광은 상기 측정면에서 제1 방향의 제1 편광 성분 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향의 제2 편광 성분을 포함하고;
    상기 반사광을, 상기 제1 편광 성분 및 상기 제2 편광 성분으로 이루어지는 제1 분리 반사광과, 상기 제1 편광 성분 및 상기 제2 편광 성분으로 이루어지는 제2 분리 반사광으로 분리하는 제1 분리 장치;
    상기 제1 분리 반사광을 반사하는 제1 미러;
    상기 제2 분리 반사광을 반사하는 제2 미러;
    상기 제2 미러에 의해 반사된 상기 제2 분리 반사광에서, 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 다른 제3 방향의 제3 편광 성분으로 변환하고, 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향과 다른 제4 방향의 제4 편광 성분으로 변환하는 파장판;
    상기 제1 미러에 의해 반사된 상기 제1 분리 반사광에서, 상기 제1 편광 성분을 반사하고, 상기 제2 편광 성분을 투과시키며, 상기 파장판을 투과한 상기 제2 분리 반사광의 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분을 투과시키는 제2 분리 장치;
    상기 제2 분리 장치를 투과한 상기 제1 분리 반사광에서, 상기 제2 편광 성분을 반사시시키고, 상기 제2 분리 장치에 의해 반사된 상기 제2 분리 반사광의 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분을 반사시키는 제3 분리 장치;
    소정 방향의 투과축을 갖고, 상기 제2 분리 장치에 의해 반사된 상기 제1 편광 성분, 상기 제2 분리 장치를 투과한 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분 각각의 상기 투과축의 성분을 간섭시킨 제1 간섭호를 형성하는 제1 간섭 장치;
    상기 제3 분리 장치에 의해 반사된 상기 제2 편광 성분, 상기 제3 편광 성분 및 상기 제4 편광 성분에서의 상기 제2 분리 투과축의 성분을 간섭시킨 제2 간섭호를 형성하는 제2 간섭 장치;
    상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호를 검출하는 화상 검출기; 및
    검출한 상기 제1 간섭호 및 상기 제2 간섭호로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출하는 해석 장치를 구비한 엘립소미터.

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