KR20220108177A

KR20220108177A - 광대역 광반사 분광법을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20220108177A
Application number: KR1020227023768A
Authority: KR
Inventors: 요나탄 오렌; 질라드 바락
Original assignee: 노바 엘티디.
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-08-02
Also published as: US20230003637A1; TWI785434B; WO2021117035A1; IL293756A; TW202334617A; US11802829B2; CN115135989A; TW202126993A

Abstract

샘플에서 반사하는 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프 광빔을 개별적으로 축적하기 위한 광반사(PR) 분광학 시스템 및 방법이 개시된다. 시스템은: (a) 프로브 빔을 생성하기 위한 프로브 소스 - 상기 프로브 빔은 샘플의 스펙트럼 반사율을 측정하는 데 사용됨 (b) 펌프 빔을 생성하기 위한 펌프 소스, (c) 적어도 하나의 분광계, (d) 샘플로부터 반사되는 광빔이 교대로 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔이도록, 펌프 빔으로 하여금 샘플의 스펙트럼 반사율을 교대로 변조할 수 있게 하는 제1 변조 장치; (e) "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 적어도 하나의 분광계로 교대로 지향시키도록 샘플로부터 반사되는 광빔의 경로에 있는 제2 변조 장치; 및 (f) 컴퓨터를 포함한다.
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Description

광대역 광반사 분광법을 위한 방법 및 시스템

본 발명은 반도체 측정 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광학 수단에 의해 디바이스 임계 치수를 측정하기 위한 반도체 계측 기술에 관한 것이다.

반도체 제조는 성능, 전력 효율성 및 비용을 개선하기 위한 노력의 일환으로 더 작은 디바이스 치수로 계속 진화하고 있다. 이러한 추세를 유지하려면 임계 치수와 재료 속성의 측면에서 더욱 엄격하고 보다 효율적인 공정 제어가 필요하며 따라서 계측도 필요하다.

이러한 맥락에서 광학 계측 방법은 높은 처리량 및 작은 측정 지점과 결합된 비파괴, 비접촉 메커니즘으로 구별된다. 특히, SR(Spectral Reflectometry) 및 SE(Spectral Ellipsometry)와 같은 광학 분광법은 일반적으로 치수 계측(OCD) 및 공정 제어에 사용된다. 샘플에서 반사된 빛을 검사하여 박막의 광학 특성 및 두께에 대한 정보는 물론 복잡한 패턴 구조의 치수 파라미터를 추론할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 종종 전기적(예: 캐리어 수명, 이동성) 및 기계적(예: 변형/응력) 파라미터와 같은 고유한 재료 속성에 대한 민감도가 매우 낮다. 이러한 특성을 측정하는 다른 방법은 종종 파괴적이거나, 샘플과의 접촉이 필요하고, 측정 시간이 매우 길거나, 측정 지점이 지나치게 큰 등 다양한 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 샘플의 광학 특성에서 광에 의한 변화를 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 오늘날 이용 가능한 시스템 및 방법의 상술한 단점을 극복한 시스템 및 방법이 개시된다.

변조 분광법(Modulation Spectroscopy, MS)은 샘플이 공칭 상태에서 어떤 식으로든 섭동을 일으키고 해당 섭동에 대한 응답으로 스펙트럼 자체가 아닌 스펙트럼의 변화를 측정하는 일련의 기술을 말한다. 그 예로 온도 변화에 따른 반사율의 차이를 측정하는 열반사율(Thermo Reflectance), 정전기/자기장을 가하는 전/자기 반사율(Electro/Magneto Reflectance), 광학계를 이용하는 광반사율(Photo Reflectance) 등이 있다.

물질의 분광 반사율은 밴드 구조, 상태 밀도, 자유 캐리어 등과 같은 전자적 특성과 밀접한 관련이 있기 때문에, 변조 분광법(MS)은 다른 어떤 광학 분광법보다 이러한 특성에 고유하게 민감하다. 이는 반도체 장치의 전기적 테스트가 기존의 E-테스팅이 불가능한 제조 공정의 초기 단계에서 수행되어야 할 때 높은 가치가 될 수 있다.

본 발명은 광대역 광반사율(PR) 분광법, 즉 샘플의 광학 특성에서 광에 의한 변화를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 PR 장치는 샘플의 스펙트럼 반사율을 측정하는 데 사용되는 제1 프로브 빔과 반사율을 변조하는 데 사용되는 제2 펌프 빔의 두 가지 빔을 사용한다. PR 측정값은 ΔR/R 이다. 여기서 R(ω) + ΔR(ω) 및 R(ω)는 각각 펌프 빔이 있는 경우와 없는 경우의 스펙트럼 반사율이다.

대부분의 경우

의 크기는 10^~5 - 10^-4 정도로 매우 작다. 반사율의 이 작은 변화를 측정하려면 ~10⁶의 신호 대 노이즈비(SNR)가 필요하며, 이는 표준 분광 시스템에 존재하는 노이즈 및 스퓨리어스 신호 소스로 인해 어렵다.

본 발명의 PR 장치 및 방법의 최종 성능 및 이점은 아래에 설명되어 있다.

본 발명에 따르면, PR 측정의 주요 노이즈 인자는 다음과 같다:

● 샷 노이즈: N개의 광자(또는 광전자) 감지 시 샷 노이즈는 √ Ν이다. PR에서, 관심 있는 신호 ΔR은 훨씬 더 강력한 두 신호 R 및 R + ΔR 을 뺀 결과이다. 이러한 각 신호의 노이즈는 상관 관계가 없으므로 감산되지 않는다. 따라서 반사율 R에서 N개의 광전자가 감지되면 SNR은

이 된다. 예를 들어 SNR = 10인 PR 신호

를 감지하려면, 총 2x10¹² 개의 광전자가 (픽셀당) 수집되어야 하며, 이는 가시광선에 대해 수

에 해당한다.

소스, 감지기 및 전자 장치에서 "1/f" 노이즈가 나타난다. 이러한 유형의 노이즈는 이름에서 알 수 있듯이 주파수에 반비례하거나 획득 시간에 선형적으로 확장되기 때문에 극복하기 어렵다. 즉, 측정 시간을 늘려도 평균을 내는 데 도움이 되지 않는다(또는 다른 말로, 장기 상관 관계를 가진다).

잠금 검출(LID: Loock-in Detection)이라고 하는 이에 대한 일반적인 완화 방법은 펌프 빔을 충분히 높은 주파수(일반적으로 ~ 수백 Hz)로 변조하고 프로브 검출기 신호를 펌프 변조 주파수로 잠긴 잠금 증폭기(LIA)에 통과시켜서, 변조 주파수에 가까운 주파수를 분리시키고 나머지를 거절한다.

이것은 매우 잘 작동하지만 복잡한 전자 장치로 인해 단일 채널 측정 시스템에서만 실용적이다. 이러한 방식으로 전체 스펙트럼을 획득하려면 일반적으로 스캐닝 모노크로메이터를 사용하여, 프로브 빔의 각 스펙트럼 구성요소를 순차적으로 측정해야 한다.

이러한 절차는, 가령, 수집된 프로브 빔을 CCD 또는 기타 다중 채널 센서에 분산시키고 모든 파장을 병렬로 측정함으로써, 표준 분광법에서 사용되는 다중 채널 접근 방식과 비교하여 측정 시간을 크게 증가시킨다.

● 양자화 및 판독 노이즈는 CCD 획득마다 발생하는 상관관계가 없는 노이즈 소스이다. 1/f 노이즈를 더 잘 처리하기 위해 변조 주파수가 증가하면 판독 수가 비례적으로 증가하여 궁극적으로 이러한 노이즈가 샷 노이즈보다 우세하게 된다.

설명된 대로 1/f 노이즈를 극복하기 위해 PR 측정에는 잠금 검출 기능이 있는 변조된 펌프를 사용해야 한다. 펌프 변조는 펌프 레이저 빔 경로에 변조 장치(예: 기계식 초퍼 휠, 전기 광학 또는 음향 광학 변조기)를 배치하거나 펌프 레이저 전력을 직접 변조하는, 등의 여러 가지 방법 중 하나로 달성할 수 있다.

프로브가 단색(레이저 PR)인 경우 사용 가능한 고속 검출기 및 LIA 전자 장치를 사용하면 비교적 간단한다. 그러나 광반사(PR) 분광법은 다른 문제이다. 여기에서 프로브 소스는 광대역이고 반사된 빛은 PR 스펙트럼을 구성하기 위해 다양한 파장에서 샘플링되어야 한다. 이를 수행하는 데에는 크게 두 가지 접근 방식이 있다:

- 위에서 설명한 기존 LID(Lock-In Detection)를 사용하여, 반사된 프로브 빔은 모노크로메이터를 통과해야 하며 각 파장은 순차적으로 측정되어야 한다. 이는 동일한 측정을 수백 번 반복하는 것을 의미하며, 따라서, 처리량이 매우 낮고 산업 응용 분야에 부적합하다.

- SE 및 SR에서 일반적으로 수행되는 것처럼 프로브 빔을 다중 채널 검출기(예: CCD)에 분산시키고 모든 파장을 동시에 읽는 분광계를 사용한다. 그러나 광반사(PR) 분광법의 경우 작은 신호가 노이즈 극복을 위해 여전히 어떤 형태의 LID를 필요로하며 이는 픽셀 단위로 쉽게 수행되지 않는다. 이를 수행할 수 있는 방법은 높은 프레임 속도(펌프 변조와 동기화됨) 및 낮은 노이즈에서 스펙트럼을 읽을 수 있는 고급 CCD 및 전자 장치를 사용하는 것이다. 그런 다음 데이터는 컴퓨터에서 처리되어 수학적으로 LIA와 동일한 효과를 얻게 되어, 기본적으로 다른 모든 주파수에서 노이즈를 제거하기 위해 펌프 변조 주파수 주위에 협대역통과 필터를 부과한다. 프레임이 펌프 사이클에 완전히 정렬된 경우 이는 기본적으로 모든 "펌프 오프" 프레임을 누적하고 누적된 "펌프 온" 프레임에서 결과를 빼서 PR 신호 δR(λ)를 얻는 것과 같다. 그러나, 이 접근 방식의 문제점은 정교하고 값비싼 센서 및 전자 장치가 필요하며 대부분 맞춤 제작된다는 것이다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 샘플의 광학적 특성의 광 유도 변화를 측정하기 위한 개선된 장치 및 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 오늘날 이용 가능한 장치 및 방법의 상술한 한계를 극복한 장치 및 방법이 개시된다.

따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 샘플에서 반사하는 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 별도로 축적하기 위한 광반사(PR) 분광 장치가 제공된다. 광반사(PR) 분광 장치는 다음을 포함하며:

- 프로브 빔을 생성하기 위한 프로브 소스 - 상기 프로브 빔은 샘플의 스펙트럼 반사율을 측정하는 데 사용됨;

- 펌프 빔을 생성하기 위한 펌프 소스;

- 적어도 하나의 분광계;

- 상기 펌프 빔이 샘플의 스펙트럼 반사율을 교대로 변조하여 상기 샘플로부터 반사되는 광빔이 교대로 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔이 되도록 하는 제1 변조 장치; 그리고

- 상기 "펌프 온" 광빔과 상기 "펌프 오프" 광빔을 교대로 적어도 하나의 분광계로 향하게 하기 위해 샘플을 반사하는 상기 광빔의 경로에 있는 제2 변조 장치;

상기 광반사(PR) 분광 장치가 단일 분광기를 포함하는 경우, 상기 단일 분광기는 상기 "펌프 온" 광빔을 CCD의 적어도 하나의 행에 투영하고 상기 "펌프 오프" 광빔을 CCD의 다른 행(들)에 투영하여, "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호가 개별적으로 축적되게 되고, 상기 광반사(PR) 분광 장치가 다중 분광기를 포함하는 경우, 상기 제2 변조 장치는 상기 "펌프 온" 광빔을 하나의 분광기로 향하게 하고 상기 "펌프 오프" 광빔을 다른 분광기로 향하게 하여, "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호가 개별적으로 축적되게 된다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 펌프 빔은 전자, 광학 또는 전기 광학 수단을 통해 감쇠된다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제1 변조 장치는 펌프 빔의 경로에 있거나 상기 펌프 소스 전력을 직접 변조한다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제1 변조 장치 및/또는 상기 제2 변조 장치는 기계적 초퍼 휠, 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기로부터 선택된다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제1 변조 장치 및 제2 변조 장치 각각은 동기화된 초퍼 휠 제어기 또는 편향 장치이다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상기 제2 변조 장치가 동기화된 초퍼 휠 제어기인 경우, 광반사(PR) 분광 장치는 샘플로부터 반사되는 광빔을 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔으로 분할하기 위한 빔 스플리터를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 광반사(PR) 분광 장치는 "펌프 온" 광빔을 제2 변조 장치로 지향시키기 위한 광학 요소를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상기 단일 분광계의 CCD는 다중 어레이 센서 또는 다중 개별 선형 어레이 센서이다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 다중 어레이 센서는 2D 센서 어레이이다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상기 CCD의 프레임 레이트는 상기 다중 어레이 센서 또는 상기 다중 개별 선형 어레이 센서의 풀-웰 용량에 의해 제한된다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 샘플의 광학 특성에서 광-유도 변화를 측정 및 계산하기 위한 광반사(PR) 분광 시스템이 제공된다.

광반사(PR) 분광 시스템은 상술한 광반사(PR) 분광 장치 및 컴퓨터를 포함하며, 광반사(PR) 분광 장치는 상기 "펌프 온" 광빔 및 상기 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호로 변환하고, 상기 "펌프 온" 신호 및 상기 "펌프 오프" 신호를 컴퓨터로 전송하며, 상기 컴퓨터는 스펙트럼(R+ΔR)에 대응하는 "펌프 오프" 신호로부터 스펙트럼(R)에 대응하는 "펌프 온" 신호를 빼서 PR 신호 ΔR을 얻는다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 샘플의 광학 특성의 광유도 변화를 측정 및 계산하기 위한 광반사(PR) 분광법이 제공된다. 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:

(a) 상술한 광반사(PR) 분광 시스템을 제공하는 단계;

(b) 프로브 빔과 펌프 빔을 샘플의 단일 지점에 포커싱하는 단계;

(c) 제1 변조 장치를 사용하여 펌프 빔을 샘플 상의 상기 단일 지점으로 교대로 향하게 하는 단계;

(d) 프로브 빔을 통해 상기 단일 지점을 연속적으로 타격하는 단계;

(e) 펌프 빔에 의해 상기 단일 지점을 교대로 타격하여 샘플 상의 상기 단일 지점의 반사율을 교대로 변조하여, 상기 샘플에서 반사되는 광빔이 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔으로 구성되게 하는 단계;

(f) 제2 변조 장치를 사용하여 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 단일 분광계 또는 다중 분광계로 향하게 하는 단계;

(g) 상기 "펌프 온" 광빔 및 상기 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호로 변환하고 상기 "펌프 온" 신호 및 상기 "펌프 오프 신호를 컴퓨터에 전송하는 단계; 그리고

(h) PR 신호 ΔR을 얻기 위해 스펙트럼(R+ΔR)에 대응하는 "펌프 오프" 신호로부터 스펙트럼(R)에 대응하는 "펌프 온" 신호를 빼는 단계.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 방법은 단일 분광기의 경우 "펌프 온" 광빔을 CCD 상의 적어도 하나의 행에 투영하고 "펌프 오프" 광빔을 상기 CCD의 다른 행(들)에 투영하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 방법은 다중 분광기의 경우 "펌프 온" 광빔을 하나의 분광기로 투영하고 "펌프 오프" 광빔을 다른 분광기로 투영하는 단계를 더 포함한다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광-유도 변화를 측정하기 위한 광반사(PR) 분광 장치(100)를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 CCD 조명(200)의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광 유도 변화를 측정하기 위한 대안적인 광반사(PR) 분광 장치(300)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광 유도 변화를 측정하기 위한 이중 분광계 광반사율(PR) 분광 장치(400)이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광-유도 변화를 측정하기 위한 방법(500)을 예시한다.

본 발명은 저주파 검출기 판독과 함께 고주파 잠금 검출을 사용하는 광대역 분광 광반사를 위한 새로운 장치 및 방법을 제공한다.

정교하고 값비싼 센서 및 전자장치를 필요로 하는 앞서 기술한 접근 방식과 달리, 대부분의 경우 맞춤 제작된 본 발명의 장치 및 방법은 PR 측정이 일반적인 기성품 하드웨어로 이루어질 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광-유도 변화를 측정하기 위한 광반사(PR) 분광 장치(100)를 도시한다.

광반사(PR) 분광 장치(100)는 각각 프로브 빔(106) 및 펌프 빔(108)을 생성하기 위한 프로브 소스(102) 및 펌프 소스(104)를 포함한다. 프로브 빔(106)은 샘플(110)의 스펙트럼 반사율을 측정하는 데 사용되는 반면 펌프 빔(108)은 샘플(110)의 반사율을 변조하는 데 사용된다. 펌프 빔(108)은 전자적으로 또는 적절한 감쇠 광학 필터를 통해, 감쇠될 수 있다. 예를 들어 펌프 빔의 광학적 경로 내외로, 및/또는 전자-광학적 수단에 기초하여 등등으로 기계적으로 이동가능하다.

광반사(PR) 분광 장치(100)는 두 개의 변조 장치, 즉 펌프 빔(108)의 경로에 있는 제1 변조 장치(또는 펌프 전력을 직접 변조하는 장치)와, 샘플(110), 빔 스플리터(112), 광빔(124)을 원하는 방향으로 지향시키기 위한 미러(114)와 같은 광학 요소, 및 2D 스펙트럼 분해 센서 어레이 및 판독 회로를 포함할 수 있는 전하 결합 소자(CCD)(126)로 구성된 분광계(116)의 경로에 있는 제2 변조 장치를 더 포함한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 광이 분광계(116)에 들어갈 때, 분광 광학계에 의해 스펙트럼 분해 센서 어레이, 예를 들어 CCD(126) 상으로 투사되고, 이는 입사 광 스펙트럼을 전자 신호로 변환한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, CCD(126)는 단일 다차원 센서 어레이 또는 다중 1차원 센서 어레이일 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제1 및 제2 변조 장치는 기계적 초퍼 휠, 전기 광학 변조기, 음향 광학 변조기 등으로부터 선택될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 변조장치는 도면에 도시된 바와 같이 제1 동기 초퍼 휠 제어기(118) 및 제2 동기 초퍼 휠 제어기(120)이다.

제1 동기화된 초퍼 휠 제어기(118)는 펌프 빔(108)을 샘플(110)에 교대로 지향(전달)시키고, 예를 들어 펌프 빔(108)은 채널(122)과 같은 차단되지 않은 채널을 통해 교대로 전송되고, 따라서 교대로 샘플(110)에 도달한다.

따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 두 가지 측정 모드가 있는데, 하나는 펌프 빔(108)이 샘플(110)에 도달하는 동안이고 다른 하나는 펌프 빔(108)이 차단되는 동안이다.

펌프 빔(108)이 샘플(110)에 도달하는 동안, 샘플(110)에서 반사되는 광빔(107)은 "펌프 온" 빔이고 펌프 빔(108)이 차단될 때 샘플(110)에서 반사되는 광빔(107)은 "펌프 오프" 빔이다.

"펌프 온" 빔과 "펌프 오프" 빔을 사용하기 때문에 CCD 판독값을 펌프와 동기화할 필요가 없으며 판독 없이 여러 변조 주기를 누적할 수 있다.

수집 채널의 두 번째 동기화된 초퍼 휠 제어기(120) 스위칭 요소는 샘플(110)에서 수집된 광빔(107), 예를 들어 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 분광계(116)로 교대로 지향시키는 데 사용된다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제2 동기화된 초퍼 휠 제어기(120)에 도달하기 전에, 샘플(110)로부터 수집된 광빔(107)은 50:50 빔 스플리터(112)와 같은 빔 스플리터를 통해 " 펌프 오프' 출력 빔(124A) 및 "펌프 온" 출력 빔(124B)으로 분할된다.

도면에 도시된 바와 같이, 미러(114)는 "펌프 온" 출력 빔(124B)을 분광계(116)로 재지향시킨다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 분광계(116)는 "펌프 오프" 출력 빔(124A) 및 "펌프 온" 출력 빔(124B)을 CCD(126) 상의 상이한 행, 예를 들어 행(126A) 및 행(126B)에 투영한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, "펌프 오프" 출력 빔(124A) 및 "펌프 온" 출력 빔(124B)이 분광계 광학 장치에 의해 CCD(126) 상의 상이한 행으로 투영되기 때문에, 프레임 레이트는 변조 주파수, 예를 들어 "펌프 켜짐" 상태가 "펌프 꺼짐" 상태로 또는 그 반대로 변경되는 주파수에 의해 제한되지 않는다. 대신, 프레임 속도는 CCD(126)의 전체 용량에 의해서만 제한되므로 일반 기성 하드웨어로 PR 측정을 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 CCD 조명(200)의 예를 도시한다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반 분광법에서 CCD 라인인 라인(202)은 수직으로 통합되어, 컴퓨터에 전송되는 단일 스펙트럼(204)을 생성한다.

분광계 획득 전자 장치가 도 2에 표시된 단일 누적 스펙트럼(204)에 행 방향으로 CCD 픽셀을 통합하는 것이 일반적이라는 점에 유의해야 한다. 그러나 다중 영역 모드는 이러한 통합 및 판독을 수행할 하나보다 많은 영역을 손쉽게 규정할 수 있게 하는 이러한 시스템의 공통 기능이다. 이것이 완료되면, 2개의 스펙트럼은 PR 신호를 산출하기 위해 쉽게 감산될 수 있다. 예를 들어, 제2 변조된 출력 빔(124B)을 통해 생성된 스펙트럼(R)(125B)은 ΔR 생성을 위해 제1 변조된 출력 빔(124A)을 통해 생성된 스펙트럼(R+ΔR)(125A)에서 차감된다.

CCD(126)로부터의 최종 신호 판독은 저주파에서 수행되지만 측정에 영향을 미치는 모든 저주파 노이즈 또는 드리프트는 이 방법에 의해 제거된다는 점에 유의해야 한다. 보다 구체적으로 말하면 "pump-on" 및 "pump-off" 신호의 전환이 고주파수에서 발생하기 때문에 이러한 느린 변화는 두 신호에 동일하게 영향을 미치며 이러한 신호를 빼면 제거될 것이다.

이 접근 방식의 단점은 주어진 시간에 빛의 50%가 차단 채널(121)과 같은 차단된 채널에서 손실되지만 빔이 차단되지 않은 채널(122)과 같은 차단되지 않은 채널을 통과할 때 손실이 없다는 점이다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 예를 들어 광의 50% 손실을 피하기 위해, 대안적인 광반사(PR) 분광 장치(300)가 아래에서 설명된다.

도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광 유도 변화를 측정하기 위한 대안적인 광반사(PR) 분광 장치(300)를 도시한다.

도면에 도시된 바와 같이, 광반사(PR) 분광 장치(300)는 각각 프로브 빔(306) 및 펌프 빔(308)을 생성하기 위한 프로브 소스(302) 및 펌프 소스(304)를 포함한다. 펌프 빔(308)은 전자적으로 또는 적절한 감쇠 광학 필터를 통해, 예를 들어 펌프 빔의 광학 경로 안팎으로 이동 가능하고/하거나 전기 광학 수단에 기초하여 감쇠될 수 있다.

광반사(PR) 분광법 장치(300)는 두 개의 변조 장치, 즉 펌프 빔(308)의 경로에 있는 제1 변조 장치(또는 펌프 전력을 직접 변조하는 장치)와, 샘플(310)로부터 반사되는 프로브 빔(307)의 경로에 있는 제2 변조 장치와, 분광계(316)를 더 포함한다.

분광계(316)는 2D 스펙트럼 분해 센서 어레이 및 판독 회로를 포함할 수 있는 전하 결합 소자(CCD)(326)로 구성된다.

여기서, 변조 장치는 동기화된 초퍼 휠 제어기(318) 및 편향 장치(320)를 포함할 수 있다.

편향 장치(320)는 샘플(310)로부터 수집된 광을 분광계(316)로 교대로 지향시키기 위해 도 1의 광반사(PR) 분광 장치(100)의 제2 동기화된 초퍼 휠 제어기(120), 스플리터(112) 및 미러(114)를 대체한다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 동기화된 초퍼 휠 제어기(318)의 역할은 펌프 빔(308)을 샘플(310)에 교대로 지향시킴에 따라 도 1의 제1 동기화된 초퍼 휠 제어기(118)의 경우와 동일하다. 가령, 펌프 빔(308)은 채널(322)과 같은 차단되지 않은 채널을 통해 교대로 투과되어 샘플(310)에 교대로 도달하므로, 펌프 빔(308)이 샘플(310)에 도달하는 동안 샘플(110)에서 반사되는 광빔(107)은 "펌프 온" 빔이고 펌프 빔(308)이 차단되는 동안 샘플(110)에서 반사되는 광빔(107)은 "펌프 오프" 빔이다.

"펌프 온" 빔과 "펌프 오프" 빔의 사용으로 인해 CCD 판독값을 펌프 소스(304)에 동기화할 필요가 없으며 판독 없이 여러 변조 주기가 누적될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 편향 장치(320)는 "펌프 온" 광빔(324B) 및 "펌프 오프" 빔(324A)을 분광계(316)로 교대로 지향시키도록 수집 채널의 요소를 스위칭한다. 편향 장치(320)는 예를 들어, 음향 광학 편향기(AOD), MEMS 미러 등을 통해, 분광계 입구 슬릿의 필요한 위치로 빔을 주기적으로 편향시킨다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 편향 장치(320)는 "펌프 오프" 출력 빔(324A) 및 "펌프 온" 출력 빔(324B)을 분광계 입구 슬릿의 필요한 위치로 향하게 하고, 분광계 광학 장치는 "펌프 오프" 출력 빔(324A) 및 "펌프 온" 출력 빔(324B)을 CCD(326) 상의 상이한 행, 예를 들어 행(326A) 및 행(326B) 상으로 투사한다.

따라서, 도 1의 광반사(PR) 분광 장치(100)에서와 같이, 대안적인 광반사(PR) 분광 장치(300)에서 프레임 속도는 변조 주파수에 의해가 아니라 CCD의 풀-웰 용량(full-well capacity)에 의해서만 제한되어, 일반적인 기성 하드웨어로 PR 측정을 수행할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 스펙트럼 획득은, 예를 들어 2D 센서 어레이와 같은 다중 어레이를 사용하여 설명된 바와 같이, 그러나 또한 2개의 개별 선형 센서 어레이를 사용하여, 여러 방식으로 실현될 수 있다. 이는 2D 센서 어레이에 비해 선형 센서 어레이에서 훨씬 더 쉽게 달성할 수 있는 높은 풀-웰 용량 및 프레임 속도 측면에서 유리할 수 있다.

2D 센서 어레이 및 판독 회로(326)는 다수의 단일 어레이 CCD 또는 하나의 2D CCD를 포함할 수 있다. 따라서, 편향 장치(320)는 수집된 광을 교대로 다수의 CCD 또는 하나의 2D CCD의 상이한 영역들로 지향시켜 "펌프 온" 및 "펌프 오프" 신호가 개별적으로 축적되도록 한다. 이렇게 하면 CCD 판독값을 펌프에 동기화할 필요가 없으며 판독값 없이 여러 변조 주기를 누적할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광 유도 변화를 측정하기 위한 이중 분광계 광반사율(PR) 분광 장치(400)이다.

광반사(PR) 분광 장치(400)는 기본적으로 도 3의 광반사(PR) 분광 장치(300)에 추가적인 분광계를 더한 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 광반사(PR) 분광 장치(400)는 각각 프로브 빔(406) 및 펌프 빔(408)을 생성하기 위한 프로브 소스(402) 및 펌프 소스(404)를 포함한다. 펌프 빔(408)은 전자적으로 또는 적절한 감쇠 광학 필터를 통해, 예를 들어 펌프 빔의 광학 경로 안팎으로 이동 가능하고/하거나 전기 광학 수단에 기초하여 감쇠될 수 있다.

광반사(PR) 분광기(400)는 2개의 변조 장치, 즉 펌프 빔(408)의 경로에 있는 제1 변조 장치(또는 펌프 전력을 직접 변조하는 장치) 및 샘플(410)로부터 반사되는 프로브 빔(407)의 경로에 있는 제2 변조 장치,및 2개의 분광기, 분광기(426A) 및 분광기(426B)를 더 포함한다.

변조 장치는 펌프 빔(408)을 변조하는 동기화된 초퍼 휠 제어기(418)와, 샘플(410)로부터 수집된 광, 예를 들어 "펌프 오프(펌프 오프)" 광빔(424A) 및 "펌프 온(펌프 온)" 광빔(424B)을 각각 분광계(426A) 및 분광계(426B)에 (또는 단일 2D CCD의 상이한 영역들로) 교대로 지향시키는 편향 장치(420)일 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따르면, 동기화된 초퍼 휠 제어기(418) 및 편향 장치(420) 각각은 다수의 "중간"(또는 "연속적인" 투과율 변경) 상태/모드, 예를 들어 완전 불투명, 부분 불투명/반사 및 완전 투명을 가질 수 있다. 이러한 경우 "펌프 온" 빔 및 "펌프 오프" 빔 외에도 동일한 측정 세션 내에서 감쇠된 펌프 빔 모드를 수행할 수 있다.

"펌프 온" 및 "펌프 오프' 빔이 단일 분광계로 교대로 전달되고 분광계 광학 장치를 통해 단일 CCD의 상이한 행들에게로 투사되는 단일 분광계를 포함하는 도 1 및 도 3의 광반사(PR) 분광 장치와는 달리, 여기에서 "펌프 오프" 출력 빔(424A) 및 "펌프 온" 출력 빔(424B)은 2개의 상이한 분광계, 분광계(426A) 및 분광계(426B)로 지향된다. 이렇게 하면 단일 CCD의 상이한 행들로부터 "펌프 오프" 신호와 "펌프 온" 신호를 분리할 필요가 없으므로 장치가 더 간단하고 사용하기 편리하다. 스펙트럼은 2개의 CCD로부터 불러올 수 있다. 예를 들어 "펌프 오프" 출력 빔(424A)을 통해 생성된 스펙트럼(R+AR)(430A)은 CCD(428A)에서 불러올 수 있고 "펌프 온" 출력 빔(424B)을 통해 생성되는 스펙트럼(R)(430B)은 CCD(428B)로부터 불러올 수 있다. 이것이 완료되면, 스펙트럼(R)(430B)은 스펙트럼(R+ΔR)(430A)으로부터 감산되어 PR 신호(ΔR)를 산출할 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 광반사(PR) 분광 시스템은 광반사(PR) 분광 장치(100), 광반사(PR) 분광 장치(300) 또는 광반사(PR) 분광 장치(400) 및 컴퓨터를 포함할 수 있다.

광반사(PR) 분광 장치(100, 300, 400)는 "펌프 온" 광빔과 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호와 "펌프 오프" 신호로 변환하고, "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호를 컴퓨터로 전달하여, 스펙트럼(R)에 대응하는 "펌프 온" 신호가 스펙트럼(R+ΔR)에 대응하는 "펌프 오프" 신호로부터 감산되어 PR 신호 ΔR을 얻는다.

도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 샘플의 광학 특성의 광-유도 변화를 측정하기 위한 방법(500)을 예시한다.

방법(500)은 다음 단계를 포함한다:

단계 502: 전술한 광반사(PR) 분광기 시스템 제공 - 도 1, 도 3 또는 도 4의 광반사(PR) 분광기 시스템

단계 504: 프로브 빔(106, 306, 406) 및 펌프 빔(108, 308, 408)을 샘플(110, 310, 410) 상의 단일 지점에 포커싱하는 단계;

단계 506: 제1 변조 장치를 사용하여 펌프 빔(108, 308, 408)을 샘플(110, 310, 410) 상의 단일 지점으로 교대로 지향시키는 단계;

단계 508: 프로브 빔(106, 306, 406)을 통해 샘플(110, 310, 410) 상의 단일 지점을 연속적으로 타격하는 단계;

단계 510: 펌프 빔(108, 308, 408)을 통해 샘플(110, 310, 410) 상의 단일 지점을 교대로 타격하여 샘플(110, 310, 410) 상의 단일 지점의 반사율을 교대로 변조하여, 펌프 빔(108, 308, 408)은 샘플(110, 310, 410)에 도달하고, 샘플(110, 310, 410)에서 반사된 광빔(107, 307, 407)은 "펌프 온" 빔이고 펌프 빔(108, 308, 408)이 차단될 때 샘플(110, 310, 410)에서 반사되는 광빔(107, 307, 407)이 "펌프 오프" 빔이다.

단계 512: 도 1의 시스템 또는 도 3의 시스템을 사용할 때 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 단일 분광계(116, 31)로 향하게 하기 위해 수집 채널에서 제2 변조 장치를 사용하는 단계. 단일 분광계에서, "펌프 온" 광빔을 CCD의 적어도 하나의 행에 투영하고 "펌프 오프" 광빔을 CCD의 다른 행(들)에 투사한다.

대안적으로, 도 4의 시스템을 사용할 때, "펌프 온" 광빔을 하나의 분광기(426B)로 향하게 하고 "펌프 오프" 광빔을 다른 분광기(426A)로 향하게 한다.

단계 514: "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프 신호로 변환하고, "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프 신호를 컴퓨터에 전송하는 단계; 그리고

단계 516: "펌프 온" 신호, 예를 들어 "펌프 온" 출력 빔을 통해 생성된 스펙트럼(R)을, "펌프 오프" 신호, 예를 들어 "펌프 오프" 출력 빔을 통해 생성되는 스펙트럼(R+AR)로부터 감산하여 PR 신호 ΔR을 얻는 단계.

Claims

샘플로부터 반사되는 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 별도로 축적하기 위한 광반사(PR) 분광 장치로서,
(a) 프로브 빔을 생성하기 위한 프로브 소스 - 상기 프로브 빔은 샘플의 스펙트럼 반사율 측정에 사용됨;
(b) 펌프 빔을 생성하기 위한 펌프 소스;
(c) 적어도 하나의 분광계;
(d) 상기 펌프 빔으로 하여금 샘플의 스펙트럼 반사율을 교대로 변조시켜서, 상기 샘플로부터 반사되는 광빔이 교대로 "펌프 온" 광빔과 "펌프 오프" 광빔이 되도록 하는 제1 변조 장치; 그리고
(e) 상기 "펌프 온" 광빔과 상기 "펌프 오프" 광빔을 교대로 적어도 하나의 분광계로 향하게 하기 위해 샘플에서 반사되는 상기 광빔의 경로에 있는 제2 변조 장치를 포함하며,
상기 광반사(PR) 분광 장치가 단일 분광계를 포함하는 경우, 상기 단일 분광계는 상기 "펌프 온" 광빔을 CCD 상의 적어도 하나의 행에 투영하고 상기 "펌프 오프" 광빔을 CCD 상의 다른 행(들)에 투영하여, "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호가 개별적으로 축적되고,
상기 광반사(PR) 분광 장치가 다중 분광계를 포함하는 경우, 상기 제2 변조 장치는 상기 "펌프 온" 광빔을 하나의 분광계로 향하게 하고, 상기 "펌프 오프" 광빔을 다른 분광계로 향하게 하여, "펌프 온" 신호와 "펌프 오프" 신호가 개별적으로 축적되게 하는, 광반사(PR) 분광 장치.
제1항에 있어서, 상기 펌프 빔은 전자, 광학 또는 전기 광학 수단을 통해 감쇠되는 광반사(PR) 분광 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 변조 장치는 펌프 빔의 경로에 있거나 상기 펌프 소스 전력을 직접 변조하는 광반사(PR) 분광 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 변조 장치 및 상기 제2 변조 장치 중 적어도 하나는 기계적 초퍼 휠, 전기 광학 변조기 또는 음향 광학 변조기로부터 선택되는 광반사(PR) 분광 장치.
제4항에 있어서, 상기 제1 변조 장치 및 상기 제2 변조 장치 각각은 동기화 초퍼 휠 제어기 또는 편향 장치인 광반사(PR) 분광 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2 변조 장치가 동기화된 초퍼 휠 제어기인 경우, 상기 광반사(PR) 분광 장치는 상기 샘플로부터 반사된 광빔을 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔으로 분리하기 위한 빔 스플리터를 더 포함하는, 광반사(PR) 분광 장치.
제6항에 있어서, "펌프 온" 광빔을 제2 변조 장치로 지향시키는 광학 요소를 더 포함하는, 광반사(PR) 분광 장치.
제1항에 있어서, 상기 단일 분광계의 CCD는 다중 어레이 센서(a multiple array sensor) 또는 다중 개별 선형 어레이 센서(multi separate linear arrays sensor)인 광반사(PR) 분광 장치.
제8항에 있어서, 상기 다중 어레이 센서는 2D 센서 어레이인 광반사(PR) 분광 장치.
제8항에 있어서, 상기 CCD의 프레임 속도는 상기 다중 어레이 센서 또는 상기 다중 개별 선형 어레이 센서의 풀-웰 용량(full-well capacity)에 의해 제한되는 광반사(PR) 분광 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 광반사(PR) 분광 장치 및 컴퓨터를 포함하는 시료의 광학 특성의 광-유도 변화를 측정 및 계산하기 위한 광반사(PR) 분광 시스템으로서, 상기 광반사(PR) 분광 장치는 상기 "펌프 온" 광빔 및 상기 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호로 변환하고 상기 "펌프 온" 신호 및 상기 "펌프 오프" 신호를 컴퓨터로 전송하며, 상기 컴퓨터는 스펙트럼(R)에 해당하는 "펌프 온" 신호를 스펙트럼(R+ΔR)에 대응하는 "펌프 오프" 신호로부터서 빼서 PR 신호 ΔR을 얻는, 광반사(PR) 분광 장치.
샘플ㄹ의 광학적 특성의 광-유도 변화를 측정 및 계산하기 위한 광반사(PR) 분광 방법으로서,
(i) 제11항의 광반사(PR) 분광 시스템을 제공하는 단계;
(j) 프로브 빔과 펌프 빔을 샘플의 단일 지점에 포커싱하는 단계;
(k) 제1 변조 장치를 사용하여 펌프 빔을 샘플 상의 상기 단일 지점으로 교대로 향하게 하는 단계;
(l) 프로브 빔을 통해 상기 단일 지점을 연속적으로 타격하는 단계;
(m) 펌프 빔에 의해 상기 단일 지점을 교대로 타격하여, 샘플 상의 상기 단일 지점의 반사율을 교대로 변조하여, 상기 샘플에서 반사되는 광빔이 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔으로 구성되게 하는 단계;
(n) 제2 변조 장치를 사용하여 "펌프 온" 광빔 및 "펌프 오프" 광빔을 단일 분광계 또는 다중 분광계로 향하게 하는 단계;
(o) 상기 "펌프 온" 광빔 및 상기 "펌프 오프" 광빔을 "펌프 온" 신호 및 "펌프 오프" 신호로 변환하고 상기 "펌프 온" 신호 및 상기 "펌프 오프" 신호를 컴퓨터에 전송하는 단계; 그리고
(p) PR 신호 ΔR을 얻기 위해 스펙트럼(R+ΔR)에 대응하는 "펌프 오프" 신호로부터 스펙트럼(R)에 대응하는 "펌프 온" 신호를 빼는 단계를 포함하는, 광반사(PR) 분광 방법.
제12항에 있어서, 단일 분광계의 경우, "펌프 온" 광빔을 CCD 상의 적어도 하나의 행에 투영하고 "펌프 오프" 광빔을 상기 CCD 상의 다른 행에 투영하는 광반사(PR) 분광 방법.
제12항에 있어서, 다중 분광계의 경우, "펌프 온" 광빔을 하나의 분광기에 투영하고 "펌프 오프" 광빔을 다른 분광계에 투영하는 광반사(PR) 분광 방법.