KR20220125159A - 반사광 변화를 탐측하는 장치 및 방법, 막 두께 측정 장치 - Google Patents

반사광 변화를 탐측하는 장치 및 방법, 막 두께 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사광 변화를 탐측하는 장치 및 방법을 제공한다. 제1 동공 분할기를 이용하여 입사빔을 전계 강도 분할하여, 입사빔이 제1 동공 분할기의 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하며; 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합하여 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하며; 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하며; 제2 동공 분할기의 위치 및 형상을 이용하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 전계 강도 분할하여, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 제2 동공 분할기의 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하며, 제1 동공 분할기와 제2 동공 분할기는 동일한 구경 함수 분포를 구비하며; 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 획득하고, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하여, 분석 후의 광 강도 변화와 이미지 형성 위치 편차로 인해 형성된 신호 변화를 증대시켜, 탐측기 신호 대 잡음비를 향상시킨다.

Description

반사광 변화를 탐측하는 장치 및 방법, 막 두께 측정 장치{APPARATUS AND METHOD FOR INSPECTING CHANGE OF REFLECTIVE LIGHT, AND FILM THICKNESS MEASURING APPARATUS}
본 발명은 음향 광학 측정 시스템에 관한 것이며, 주로 금속막을 검출하고 매체막을 측정하는데 사용되며, 구체적으로 반사광 변화를 탐측하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 종래 기술의 음향 광학 측정 원리는 다음과 같다. 짧은 펄스 레이저가 막 샘플 표면에 조사되고, 막 샘플이 광자를 흡수하여 열 탄성 변형이 발생하므로, 표면에 변형 영역이 형성된다. 열 탄성 변형에 의해 생성된 음파가 고체의 표면 및 내부에서 전파된다. 종방향의 음파는 계면(베이스 또는 막과 막의 경계)에 전파되어 제1차 에코 신호를 생성한다. 제1차 에코 신호가 상표면에 도착하여 변형 형상을 더 변화시킨다. 에코 신호가 상표면에 닿은 후 다시 반사되어 계면에 닿아 제2차 에코 신호를 생성한다. 제2차 에코 신호가 상표면에 도착하여 융기의 형상을 다시 변화시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물론 에코 신호는 3차 이상 포함할 수도 있다. 광 탐측기를 통해 형상 변화로 인한 입사빔의 반사율 변화를 획득함으로써, 두번의 반사율 변화의 시간 간격을 획득할 수 있으므로, 막 샘플의 두께값을 계산해낼 수 있다.
구체적인 측정 장치를 배치함에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 펌프 레이저(1)가 샘플(2)의 표면에 입사되어 변형 영역(4)을 형성하고, 입사 탐측광(5a)을 변형 영역(4)에 조사한다. 에코가 돌아올 때 막층 표면의 변형 영역의 형상이 변화하게 되므로, 에코 신호가 도착할 때 발생되는 변형 영역의 형상이 더 변화되는 것이 반사 탐측광(5b)에 영향을 주므로, 이러한 영향은 수신측의 광학 소자를 사용함에 따라, 폭 또는 위상 등이 여러 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 탐측 모듈(6)은 형상 변화로 인한 광 반사 폭의 변화를 수신하여, 광신호 폭 변화의 시간 간격을 획득할 수 있으며, 막 두께 계산식을 통해 막 두께값을 얻을 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 반사 탐측광(5b)의 변화를 탐측하는 것이 광음향 탐측 장치의 정밀도를 높이는데 있어서 매우 중요하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이는 종래 기술의 반사 탐측광을 분석하는 기술이며, 변형 영역(4)을 경과하여 반사된 탐측광(5b)이 제1 반사 미러(6c)에 의해 절반 크기의 원형 광반(반사 미러(6c)의 위치 배치가 매우 중요하며, 이는 반사광의 반사 광반 관측 시야를 선택하는 역할을 함)이 반사되며, 이 부분은 계속하여 제2 반사 미러(6d)에 의해 제2 탐측기(6a)에 반사되고, 제1 반사 미러(6c)에 의해 반사되지 못한 다른 절반 크기의 원형 광반은 제1 탐측기(6b)에 직접 입사된다. 여기서 제1 반사 미러(6c)는 모터에 의해 목표 위치로 조절되고, 여기 변형이 없을 경우 탐측기(6a 및 6b)에 수신된 광은 확정된 광 강도 비례, 예를 들면 1:1을 가질 수 있다. 하지만, 변형 영역(4)에 여기 변형이 발생하여 에코 진동이 발생될 경우, 반사 탐측광(5b)은 시간 관련성의 미소한 각도 변화가 발생할 수 있다. 이때, 제1 반사 미러(6c)의 광반 관측 시야에 대한 분할 작용은 절반 대 절반의 관계가 아니며, 이러한 미소한 각도 변화가 이 시점의 탐측기(6a 및 6b)의 광 강도 판독값의 변화를 초래하므로, 여러번의 실험을 거쳐 반사 탐측광(5b)의 각도 변화 및 양자의 광 강도 판독값 변화의 영향을 시뮬레이션하여 계산할 수 있으며, 더 나아가 반사 탐측광(5b)의 각도 변화와 광 강도의 변화 사이의 관계를 계산할 수 있으며, 여러번의 에코 신호의 시간차를 측정함으로써 막 두께값을 계산해낼 수 있다.
하지만, 상기의 기술 방안에서, 다음과 같은 문제점들이 존재한다. 제1 방면의 문제점은 적용되는 광학 시스템의 제1 반사 미러(6c)의 위치를 조정하는데 있어서 정밀도에 대한 요구가 대단히 높고, 그 안정성에 대한 요구도 대단히 높으며, 상기 광학 소자는 빔 분할 역할을 담당하므로, 광로의 시준성 및 안정성에 대한 요구가 보다 높고, 광로 조성이 보다 어렵다. 제2 방면의 문제점은 광로의 복잡성에 있으며, 제1 반사 미러(6c)와 제2 반사 미러(6d)를 각각 조립해야 하며, 일정한 각도 내로 입사된 빛이 모두 효과적으로 반사 또는 굴절될 수 있도록 하기 위해, 양자 사이의 평행 시준과 관측 시야 교차도 정밀하게 조정하고 설계해야 하며, 동시에 출력광을 검출하는 측에 탐측기가 2개나 필요하므로, 광학 소자의 사용이 많아짐에 따라 사용 비용도 증가하게 된다. 제3 방면의 문제점은 탐측 정밀도에 있으며, 광로에 대해 분광을 사용하므로, 투사된 반사광을 더 소모하도록 하며, 변형 영역으로 인한 입사 각도의 편차로 인해 광반 에너지가 분해된 반사 탐측광의 변화율을 검출하기가 더욱 어려우므로, 탐측 신호 대 잡음비가 낮고 약 백만분의 1이며, 탐측 빔의 발산 각도에 대한 요구가 대단히 높다.
종래 기술에 존재하는 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 탐측광의 입사 광로와 반사 광로에 동일한 구경 함수(aperture function)를 구비하는 동공(pupil) 분할기를 배치하여, 입사빔과 반사빔을 간섭하고 분할함으로써, 분석 후의 광 강도 변화와 이미징 위치 편차로 인해 형성된 신호 변화를 증대시켜 탐측기의 신호 대 잡음비를 향상시키며, 구조가 간단하고 공정을 쉽게 구현하며, 탐측기의 개수를 감소시켜 비용을 절약하도록 하는 반사광 피크 변화를 탐측하는 장치 및 방법을 제공한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은
입사빔을 생성하는 적어도 하나의 탐측 광원;
탐측 광원의 광로 뒤에 구비되고, 입사빔을 전계 강도 분할하여 입사빔이 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하는 적어도 하나의 제1 동공 분할기;
제1 동공 분할기의 광로 뒤에 구비되고, 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합하여 측정될 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 제1 시준 광학 소자;
반사 광로에 구비되고, 관측 시야 범위 내에서 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 제2 시준 광학 소자;
제2 시준 광학 소자의 광로 뒤에 구비되고, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하여 전계 강도 분할하여, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하며, 상기 제1 동공 분할기와 동일한 구경 함수를 구비하는 제2 동공 분할기; 및
제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 획득하여, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하는 분석 모듈(11), 을 포함하는 반사광 변화를 탐측하는 장치를 제공한다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제1 시준 광학 소자와 제2 시준 광학 소자는 광로 시준 시스템을 구성하며, 제1 동공 분할기는 광로 시준 시스템의 입력 동공 위치에 구비되고, 제2 시준 광학 소자는 광로 시준 시스템의 출력 동공 위치에 구비된다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제1 동공 분할기는 복수의 제1 유형 통광 구조와 복수의 제2 유형 통광 구조를 구비하며, 제1 유형 통광 구조와 제2 유형 통광 구조는 광 유통량의 차이를 가지며, 입사빔이 제1 유형 구조와 제2 유형 구조에 간섭되면서 분할되어, 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔으로 되도록 한다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제2 동공 분할기는 복수의 제3 유형 통광 구조와 복수의 제4 유형 통광 구조를 구비하며, 제3 유형 통광 구조와 제4 유형 통광 구조는 광유통량의 차이를 가지며, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 더 간섭되어 상기 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔으로 분할된다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제1 유형 통광 구조와 제3 유형 통광 구조는 일대일로 대응되며, 서로 대응되는 제1 유형 통광 구조와 제3 유형 통광 구조의 형상은 동일하다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제1 시준 광학 소자의 구성 구조를 배치하여 제1 시준 광학 소자의 관측 시야 조절을 구현하며, 제1 동공 분할기의 상이 측정될 물체에 선명하게 조사되도록 하며, 제2 시준 광학 소자의 구성 구조를 배치하여 제2 시준 광학 소자의 관측 시야 조절을 구현하며, 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 시준한 후 제2 동공 분할기에 입사되도록 한다.
본 발명의 추가 개선으로서, 제1 동공 분할기와 상기 제2 동공 분할기는 입사 광로 및 반사 광로에 대해 축대칭된다.
본 발명의 추가 개선으로서, 복수의 제1 유형 통광 구조는 대응되는 통광 패턴이 상이하다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은
제1 동공 분할기를 이용하여 입사빔(5a)을 전계 강도 분할하여 입사빔이 제1 동공 분할기의 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계;
제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합하여 측정될 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔를 형성하는 단계;
제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 단계;
제2 동공 분할기를 이용하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 전계 강도 분할하여, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 상기 제1 동공 분할기와 동일한 구경 함수를 구비하는 상기 제2 동공 분할기의 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계; 및
제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하며, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하는 단계; 를 포함하는 반사광 변화를 탐측하는 방법을 제공한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은
일 시점에서 측정될 막의 상표면에서 하면으로 복수의 여기원을 버스트하여, 측정될 막의 상표면에 적어도 하나의 변형 영역을 생성하도록 하는 버스트 유닛;
변형 영역에 대응되는 편광 반사빔의 신호 강도 피크 변화 정보를 획득하는 상기의 반사빔 변화를 탐측하는 장치; 및
피크에 대응되는 시간 간격에 따라 측정될 막 샘플의 두께를 계산하는 계산 유닛, 을 포함하는 막 두께 측정 장치를 제공한다.
배경 기술과 비교해 보면, 본 발명에 관한 기술 방안은 기술적 효과 면에서 동공 분할 방안을 사용하였으며, 상기 방안은 광학 시스템의 분석을 통해 신호 변화율의 검출을 향상시키는 중요한 방면을 얻으며, 입사 전계 강도, 동공 분할, 광학 시준 집광 소자의 관측 시야 등 관련 파라미터를 획득할 수 있으므로, 본 검출 방안을 최적화하여 설계함으로써, 반사광의 변화 검출율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에서의 음향 광학 측정 시스템의 전체적인 동작 원리도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 음향 광학 측정 기술을 진행한 에코 측정의 탐측 광로 구조 예시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 에코 측정의 2번의 에코 측정 시간차의 예시도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 음향 광학 측정 시스템의 광학 광로 구조 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 구현된 음향 광학 측정 장치의 광로 구조 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 구현된 일 동공 분할기의 구체적인 실시 형태의 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따라 구현된 일 동공 분할기의 이미징 정보의 예시도이다.
도 8은 동공 분할을 하지 않은 광반과 반사 각도 변화 사이에 대응되는 예시도이다.
이해해야 할 것은, 이하에서는 본 실시예의 상이한 특징의 여러 상이한 실시예 또는 예를 설명한다. 이하에서 설명한 부재 및 마련된 특정예는 실시예를 간단화하기 위한 것이다. 물론 이들은 단지 예시적인 것일 뿐 구체적인 실시 형태를 한정하는 것이 아니다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 본 발명은 우선 탐측광 각도 변화의 측정 정밀도를 현저하게 향상시키고, 측정 신호 대 잡음비를 현저하게 높일 수 있는 음향 광학 탐측에서 반사광 탐측 변화를 획득하는 장치를 제공한다.
본 발명이 구현한 반사광 각도 변화를 탐측하는 장치에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 입사빔(5a)은 일정한 사잇각으로 일 동공 분할기(7)에 입사되며, 상기 사잇각은 입사빔(5a)의 입사 방향과 박막 샘플(2) 표면(3)의 수직 방향과의 사잇각이며, 그 후 일 렌즈군(9)에 집합되고 시준된 후 샘플에 경사지게 입사된다. 펌프 레이저(1)로 인해 샘플(2) 표면(3)에 형성된 변형 영역(4)에서 반사가 발생된 후의 반사광(5b)이 다른 일 렌즈군(10)을 통과한 후 다른 일 동공 분할기(8)를 경과한 후 탐측기(11)에 도착함으로써, 탐측광의 관련 분석을 진행하여 샘플(2)의 측정 결과를 획득한다.
여기서, 동공 분할기(7)는 입사빔(5a)을 전계 강도 분할하여 입사빔(5a)이 동공 분할기(7)의 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하도록 하며, 동공 분할기(7)의 광로 뒤에 구비된 렌즈군(9)은 다시 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합한 후 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔(5b)을 형성한다. 다른 일 렌즈군(10)은 자체의 관측 시야(Field of view) 범위 내에서 수신될 수 있는 시준 반사빔(5b)을 수신하여 다른 일 동공 분할기(8)의 표면에 입사시켜 제3 전계 강도 분포를 형성한다. 얻은 제3 전계 강도 분포의 특징은 제1 전계 강도 분포의 특징와 유사하다. 동공 분할기(7)와 다른 일 동공 분할기(8)가 동일한 구경 함수를 구비하여 분할하므로, 다른 일 동공 분할기(8)는 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신한 후, 다른 일 동공 분할기(8)의 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하여 탐측기(11)에 반사시킨다. 탐측기(11)는 반사빔의 광 강도를 획득하도록 동공 분할기(8)를 경과한 후의 반사빔을 탐측하기 위한 것이다. 펌프 광원(1)이 샘플(2)에서 에코를 형성하고, 상기 에코는 변형 영역(4)에 전파되어 제2 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔(5a)을 간섭하여 반사빔(5b)을 형성한다. 이로 인해, 동공 분할기(8)를 경과한 후의 반사빔(5b)도 에코의 간섭을 받으므로, 탐측기(11)는 에코에 의해 발생된 시간 관련성 광 강도 변화를 탐측할 수 있다. 분석 장치는 다시 분석 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하여 반사빔 신호 변화를 획득한다.
바람직하게는, 제1 시준 광학 소자와 제2 시준 광학 소자는 광로 시준 시스템을 구성하며, 제1 동공 분할기는 광로 시준 시스템의 입력 동공 위치에 구비되고, 제2 시준 광학 소자는 광로 시준 시스템의 출력 동공 위치에 구비된다. 동공 분할기(7)와 다른 일 동공 분할기(8)가 동일한 구경 함수를 구비하므로, 얻은 제3 전계 강도 분포의 특징은 제1 전계 강도 분포의 특징와 유사하다. 따라서, 동공 분할기(7)의 상(像)이 동공 분할기(8)에 중첩되거나 일부가 조금 차폐되고 변위되도록 하여, 광음향 간섭에 의해 신호의 변화가 발생된 후, 이러한 중첩 또는 조금의 변위로 인해 신호가 변화하게 되므로, 시간 각격 내의 신호 변화 정보를 포착함으로써, 더욱 정밀한 검출 결과를 획득할 수 있다.
상술한 반사광 각도 변화 측정을 전체적으로 구현하는 광학 시스템에 있어서, 여기서 언급된 광학 부품에서 펌프 광원(1)은 여기 광원으로 지칭할 수도 있다. Nd：YAG레이저 외의 광원은 광학 여기 박막에 사용될 수 있다. 구체적인 실시 형태에서, 레이저는 Nd：YLF, 이온(예를 들면, 아르곤 및 크립톤), Ti：사파이어, 다이오드, C02, 홀뮴, 엑시머, 염료 및 금속 증기 레이저 등을 포함할 수도 있다. 상기 펌프 광원(1)의 역할은 샘플 표면에 변형 영역(4)을 형성시키는 것이며, 그의 파장, 생성된 레이저 펄스 에너지, 주기 및 빔 웨이스트의 파라미터는 샘플(2)의 박막의 특성 및 그 특성에 따라 설계될 수 있다. 기타 일부 연구에서, 일반적으로 펌프 광원(1) 뒤에 회절 소자를 배치함으로써, 펌프 광원(1)을 회절 패턴을 갖는 광원으로 변환시켜 샘플(2)의 표면에 입사시킨다. 이에 기초하여, 집합된 광반으로 인해 생성된 융기와 달리, 회절 패턴에 대응되는 변형이 발생하게 되며, 형성된 음향 광학 효과의 변화가 더 복잡하게 되며, 간섭을 더 쉽게 받아 변화가 발생하게도 된다.
또한, 본 발명에 관한 방안의 구체적인 실시 형태에서, 펌프 광원(1)의 유형 및 탐측 입사광의 입사 각도와 일치하는지 여부에 대해 엄격하게 한정하지 않는다. 전체 광학 검출 시스템에서, 일반적으로 펌프 광의 펄스를 동시에 수집하여, 펌프 광과 탐측 입사광(5a), 펌프와 검출 트리거의 참조 신호 소스로 한다.
유사하게, 펌프 광원과 유사한 다이오드 레이저 외의 광원을 탐측 레이저로 선택할 수 있다. 입사빔을 발생하는데 사용될 수 있는 펄스 광원은, Q 스위치 Nd：YAG, Nd：YLF, Ti：사파이어, 다이오드, C02, 홀뮴, 엑시머, 염료 및 금속 증기 레이저 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 설계 방안에 관한 입사 탐측광(5a)은 파장 범위에 대해서도 보다 강한 적응성을 가지며, 엄격하게 한정하지 않는다. 하지만, 입사 탐측광(5a)의 시준성에 대해 요구가 높으므로, 광학 시스템 중의 기타 광학 소자의 관측 시야에 매칭되도록 설계해야 한다.
본 발명의 중요한 개선 중의 하나로서, 탐측 광로에 동공 분할기(7) 및 동공 분할기(8)를 사용한 것이다. 여기서, 상기 동공 분할의 방안에서, 우선 입사광(5a)에 대해 적어도 2개의 통광부 및 빔 유통량 제한부를 구비하는 광학 소자인 동공 분할기(7)를 사용해야 하며, 그의 통광부는 1차원 구조(x 횡방향 또는 y 종방향 또는 경사 방향으로 입사광(5a)을 분할)이거나 2차원 구조(임의의 형상의 격자식 또는 임의의 패턴식으로 입사광(5a)을 분할)일 수 있으며, 균일 또는 불균일하게 분할할 수도 있으며, 이는 모두 동일한 원리로 신호 대 잡음비를 향상시키는 역할을 구비한다. 여기서, 동공 분할기(7)는 입사광(5a) 대한 광반 방향에서 될수록 많은 빔 분할 구조를 구비하는 것이 바람직하다. 더 나아가, 동공 분할기(8)는 반사광(5b)에 대해 적어도 2개의 통광부, 빔 유통량을 제한부를 구비하는 광학 소자이며, 그의 통광부는 1차원 구조(x 횡방향 또는 y 종방향 또는 경사 방향으로 반사광(5b)을 분할)이거나 2차원 구조(임의의 형상의 격자식 또는 임의의 패턴식으로 반사광(5b)을 분할)일 수 있으며, 균일 또는 불균일하게 분할할 수도 있으며, 이는 모두 동일한 원리로 신호 대 잡음비를 향상시키는 역할을 구비한다. 여기서, 동공 분할기(8)는 반사광(5b)에 대한 광반 방향에서 될수록 많은 분할 구조를 구비하는 것이 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이는 본 발명에 따른 일 동공 분할기의 실시 형태이며, 통광부 및 빔 차폐부가 스트립 형상 구조를 가지며, 전체적인 동공 분할기(7)는 직경이 D인 원반형 구조이다. 여기서 통광부는 스트립 형상의 통공이고, 빔 차폐부는 불투광 재료로 형성된다. 본 실시예에서 통광부와 빔 차폐부가 교대되는 주기적 스트립 형상 구조는 통광 너비가 a이고 빔 차폐부의 너비가 b이며 전체 주기적 구조의 너비가 d(d=a+b)이다. 입사 탐측광(5a)은 상기 동공 분할기(7)를 경과한 후, 렌즈군(9)을 경과한 후 동공 분할기(7)가 이미징하여 변형 영역(4)에 집합되며, 박막 구조에 의해 광반사된 후 결국 탐측기에 의해 수신된다. 반사광(5b)은 변형 영역(4)의 음향 간섭을 받아 변화하게 되며, 이러한 변화는 제1 방면에서 동공 분할기(7)의 상이 일정한 정도로 변형되는데 있고, 제2 방면에서 동공 분할기(7)의 상이 간섭된 후 탐측기의 이미징 부위의 위치 편차에 있다. 동공 분할기(7)의 스트립 형상의 상은 탐측기의 이미징 위치에서 미소한 위치 편차가 발생하게 되며, 이러한 정보는 탐측기의 이미징측에 반영되며, 분석된 후 도 8에 도시된 원형 광반의 편차에 비해 간섭에 관한 더 많은 차원의 정보를 구비하게 되므로, 더 정밀한 검출 결과를 획득할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 반사광(5b)은 다른 일 동공 분할기(8)를 경과하게 되는데, 다른 일 동공 분할기(8)는 통광부 및 빔 차폐부가 스트립 형상을 갖는 구조이며, 전체적인 동공 분할기(8)는 직경이 D인 원반형 구조이다. 여기서 통광부는 스트립 형상의 통공이고, 빔 차폐부는 불투광 재료로 형성된다. 여기서 통광부와 빔 차폐부가 교대되는 주기적 스트립 형상 구조는 통광 너비가 a이고 빔 차폐부의 너비가 b이며 전체 주기적 구조의 너비가 d(d=a+b)이다. 반사광(5b)은 렌즈군(10)을 경과한 후 동공 분할기(8)에 시준하여 조사된다. 바람직하게는, 동공 분할기(7 및 8)의 구조는 유사하고, 그에 대응되는 통광부의 형상은 동일하고 크기가 비례되며, 렌즈군(9 및 10)도 광로 시스템에서 서로 대칭되는 동일한 광학 소자인 것이 바람직하다. 동공 분할기(7)의 상이 동공 분할기(8)에 중첩되거나 일부가 차폐되고 변위되므로, 광음향 간섭에 의해 신호의 변화가 발생된 후, 이러한 중첩 또는 조금의 변위로 인해 신호가 변화하게 되므로, 탐측기의 이미징 정보를 분석하여 더 많은 정보를 획득할 수 있다.
물론, 상기의 경우, 동공 분할기(7 및 8)은 대칭되는 구조인 것이 바람직하지만, 상기 2개의 광학 소자는 비대칭 구조일 수도 있다. 이때, 동공 분할기(7)의 이미지는 마침 출사광의 동공 분할기(8)의 통광부 및 통광 제한부와 교차되어, 2차원 정보를 가지는 패턴 이미지를 형성한다. 이러한 비대칭 구조는 부품 제조 과정에서의 공정 난이도를 증가시킬 수 있다.
나아가, 여기서 동공 분할기(7) 및 렌즈군(9)의 위치 선택은, 분할된 후 입사 탐측광(5a)이 샘플 표면에서의 광반을 최소화하도록 하는 것이 바람직하며, 초점에 위치하지 않은 모호하게 형성된 이미지는 이미징 패턴 분석의 난이도를 현저하게 높이게 된다. 마찬가지로, 동공 분할기(8) 및 렌즈군(10)의 위치 선택은, 샘플 표면 회절 무늬의 푸리에 변환을 이용하여 동공 분할기(7)의 모양이 동공 분할기(8)의 제2 표면에 선명하게 이미징되도록 하는 것이 바람직하며, 모호하게 형성된 이미지는 이미징 패턴 분석의 난이도를 현저하게 높이게 된다.
나아가, 신호 대 잡음비를 높이기 위해, 입사 탐측광 빔의 전계 강도 분포 또는 렌즈군의 관측 시야 범위를 이론적으로 도출하고 조절하며, 마찬가지로 목표 출사 탐측광 광반의 전계 강도 분포를 변조하여, 탐측기의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 입사빔(5a)은 동공 분할기(7)를 경과한 후 샘플 표면에서 회절 간섭광이 발생하게 되는데 그 과정은 푸리에 변환이다. 즉 동공 분할기(7)의 제2 표면의 입사빔(5a)의 전계 강도 분포는
Figure pat00001
이며, 동공 분할기(7)의 제1 표면(후표면)의 입사빔(5a)의 전계 강도 분포는 제1 전계 강도 분포(
Figure pat00002
)이며, 그 후 입사빔(5a)이 동공 분할기(7)에 의해 분할된 후, 렌즈군(9)을 경과하여 변형 영역(4) 표면에 집합된 전계 강도 분포는 제2 전계 강도 분포(
Figure pat00003
)이며, 즉,
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
이다.
동공 분할기(7)의 구경 함수(
Figure pat00007
)를 변조하여, 입사빔(5a)이 변형 영역(4) 표면에서의 전계 강도 분포가
Figure pat00008
인 것을 얻을 수 있다. 렌즈군(10)은 관측 시야 범위 내의 일부 전계 강도 분포(
Figure pat00009
)의 반사빔(5b)을 수신하며, 대칭되는 광로 시스템으로 인해, 다른 일 동공 분할기(8)의 제2 표면에 반사되어 형성된 반사빔(5b)의 전계 강도 분포는 제3 전계 강도 분포(
Figure pat00010
)이며, 그 전계 강도 분포는 입사빔(5a)이 동공 분할기(7)의 제1 표면을 경과한 제1 전계 강도 분포(
Figure pat00011
)와 유사하다. 동공 분할기(7 및 8)가 동일한 구경 함수(
Figure pat00012
)를 구비하므로, 동공 분할기(8)의 구경 함수(
Figure pat00013
)를 변조하는 것을 통해 동공 분할기(8)의 제1 표면(후표면)의 제4 전계 강도 분포(
Figure pat00014
)를 얻을 수 있다. 하지만, 제2 전계 강도 분포(
Figure pat00015
)는 물체 표면의 에코 영향의 간섭을 받으므로, 에코 리턴에 따른 시간 관련성 변화의 제3 전계 강도 분포를 형성하고, 제3 전계 강도 분포와 동공 분할기(8)의 구경 함수(
Figure pat00016
)는 다시 중첩되고 변위되므로, 에코 시간 관련성 변화에 따른 신호 대 잡음비가 높은 신호의 제4 전계 강도 분포(
Figure pat00017
)를 얻을 수 있으며, 상기 신호는 탐측기(11)에 의해 수신된다.
더 나아가, 입사빔이 동공 분할기(7)의 제2 표면에서의 최초 전계 강도 분포는
Figure pat00018
이고, 구경 함수가
Figure pat00019
인 동공 분할기(7)를 경과한 후, 동공 분할기(7)의 제1 표면 후의 제1 전계 강도 분포(
Figure pat00020
)는
Figure pat00021
이다.
입사빔(5a)이 변형 영역(4)의 표면에 도착한 제2 전계 강도 분포는
Figure pat00022
이다.
입사빔(5a)이 변형 영역(4)의 표면에 도착한 제2 전계 강도 분포는
Figure pat00023
이며, 렌즈군(10)의 관측 시야 범위 내에 위치하는 반사광(5b)이 동공 분할기(8)의 제2 표면에 시준되어 형성된 제3 전계 강도 분포는
Figure pat00024
이며, 즉
Figure pat00025
이다.
반사빔(5b)이 동공 분할기(8)를 경과하여, 구경 함수(
Figure pat00026
)에 기초하여 제4 전계 강도 분포(
Figure pat00027
)를 형성하며, 즉
Figure pat00028
이다.
반사빔(5b)이 동공 분할기(8)의 제4 표면에서의 전계 강도 분포는
Figure pat00029
이며, 수학식으로 도출한 결론은, 최종 신호인
Figure pat00030
와
Figure pat00031
,
Figure pat00032
, 렌즈군(9)의 관측 시야, 렌즈군(10)의 관측 시야 사이에 명확한 물리적 관계가 존재하며, 목표는
Figure pat00033
를 최대화시키는 것이다. 여기서,
Figure pat00034
는 에코 신호에 의해 발생된 반사 탐측광(5b)의 각도 변화이며, s는 탐측기의 수신 면적이며,
Figure pat00035
와
Figure pat00036
,
Figure pat00037
, 렌즈군(9)의 관측 시야, 렌즈군(10)의 관측 시야 사이에 관계가 존재하므로, 동공 분할기(7)의 구경 함수
Figure pat00038
를 이용하여 더 쉽게 변조할 수 있다.
도7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 동공 분할 방안에 있어서, 도6에 도시된 동공 분할기(7) 및 동공 분할기(8)를 사용한 후, 탐측기(11)가 획득한 최종 신호는 명암이 교대되는 무늬 패턴이며, 동공 분할 후의 신호 변화율은
Figure pat00039
= 각 밝은 무늬 변화 너비/ 간섭이 없을 경우의 각 밝은 무늬 너비 =
Figure pat00040
이며;
도8에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 동공 분할을 진행하지 않은 방안에 있어서, 신호 변화율은
Figure pat00041
= 원형 광반 변위 면적 /원형 광반 면적 =
Figure pat00042
이며,
여기서,
Figure pat00043
또는
Figure pat00044
이며, 일반적으로 광 전계 강도 분포는 가우스 분포이므로, 결국
Figure pat00045
를 더욱 선명하게 볼수 있다.
따라서, 본 발명의 동공 분할 방안을 사용한 탐측기가 탐측한 신호는 움직임이 더욱 선명하고, 분할하지 않은 경우의 탐측기가 탐측한 신호는 움직이는 폭이 매우 작아 식별하기 쉽지 않다.
한편, 상기 동공 분할기(7 및 8)의 주요 핵심은 동공이 2번 이상 분할 처리를 하는 것이며, 동공 분할기(7 및 8)의 구체적인 광학 파라미터 및 공정 일치성 문제는, 실제적인 적용 상황에 따라 최적화하여 설계할 수 있으며, 그 제조 재료는 광학 공정 조건에 따라 제조될 수 있다. 그리고, 광학 시스템 중의 반사 효과 등 요소를 고려하여, 나아가 바람직하게는 동공 분할기(7 및 8)의 표면 또는 배면에 막 도포를 진행하여 조리개의 반사가 탐측광에 대한 영향 등을 감소하도록 하거나, 또는 조리개의 가장 자리에서 발생할 수 있는 회절 패턴을 고려하여 필터 소자를 설계하여, 1급 무늬를 유지하는 설계 등이 모두 상기 핵심을 근거로 더 설계할 수 있다. 동시에, 조리개 자체는 동공 크기를 조절할 수 있는 방식의 설계를 진행할 수 있으므로, 여러번 측정하여 광학 시스템의 하드웨어 자체로 인한 측정 결과의 간섭 및 오차를 감소하는데 편리하며, 또한 광학 시스템의 안정성의 영향을 고려하여, 상기 조리개의 고정, 디바이스 조정은 상황에 따라 설계할 수 있다.
렌즈군(9 및 10)은 광학 소자 어셈블리 시스템이고, 광로에 대한 시준을 완성하며, 상응한 광학적 기능을 구현할 수만 있으면, 이에 대해 엄격하게 제한하지 않는다. 한편, 광로에 광 강도에 대한 부스터 소자를 구비하여 조리개로 인한 에너지 소모를 보충하는 것도 상황에 따라 설계할 수 있다.
본 발명에 관한 방법 및 장치로 모니터링된 샘플은 덩어리 모양(예를 들어, 금속 또는 반도체와 같은 고체), 박막(예를 들어, 폴리머, 반도체 또는 금속막), 유체, 표면 또는 음향 광학 시간 간섭의 효과를 나타내는 것일 수 있다. 전형적인 샘플은 반도체 공업에서 사용되는 금속막, 예를 들어 알루미늄, 텅스텐, 티타늄：텅스텐, 티타늄 또는 산화물 박막 등일 수 있다. 이러한 샘플에서 확정되는 재료의 특성들은 기계적, 물리적(예를 들어, 두께), 탄성, (깊은 의존성 및/또는 이방성)확산, 접착, 열(예를 들어, 열확산) 및 이들에 관련된 것을 기초로 한 접착 특성을 포함할 수 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 조리개 분할에 의해 이미지 분할이 풍부할수록, 추출할 수 있는 정보의 차원이 풍부하게 된다. 예를 들면, 조리개 상의 위치 변화의 이동에서 반사광 각도의 변화를 검출해낼 수 있으며, 여기서 상의 왜곡 또는 형상의 변화는 변형 영역(4)의 광학적 특성에 의해 발생된 것임을 의미할 수 있다. 분할된 패턴이 많을수록, 추출될 수 있는 공통적 특징 및 특정된 특징도 많아지므로, 본 발명에서 사용되는 방안에 따라 후속의 상 형성 광의 컴퓨터 분석에서 더 높은 분석 정밀도를 획득하도록 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면,
제1 동공 분할기를 이용하여 입사빔을 전계 강도 분할하여 입사빔이 제1 동공 분할기의 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계;
제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 집합하여 측정될 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔를 형성하는 단계;
제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 단계;
제2 동공 분할기를 이용하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 전계 강도 분할하여, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 제1 동공 분할기와 제2 동공 분할기는 동일한 구경 함수를 구비하는 제2 동공 분할기의 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계; 및
제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하며, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하는 단계; 를 포함하는 음향 광학 탐측에서 반사광 탐측 변화를 획득하는 방법을 제공한다. 상기 방법의 구현 원리, 기술적 효과는 상기의 장치와 유사하므로, 그에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면,
일 시점에서 측정될 막의 상표면에서 하면으로 복수의 여기원을 버스트하여, 측정될 막의 상표면에 적어도 하나의 변형 영역을 생성하도록 하는 버스트 유닛;
변형 영역에 대응되는 편광 반사빔의 신호 강도 피크 변화 정보를 획득하는 상기의 반사빔 변화를 탐측하는 장치; 및
피크에 대응되는 시간 간격에 따라 측정될 막 샘플의 두께를 계산하는 계산 유닛, 을 포함하는 막 두께 측정 장치를 제공한다. 상기 장치의 구현 원리, 기술적 효과는 상기의 반사빔 변화를 탐측하는 장치와 유사하므로, 그에 대한 설명은 생략하도록 한다.
당업자는 상기의 내용이 본 발명의 보다 바람직한 실시예일 뿐 본 발명을 한정하지 않는다는 것을 쉽게 이해할 수 있으며. 본 발명의 사상 및 원칙 내에서 임의의 수정, 동등 교체 및 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.
모든 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 기술적 특징을 나타내며, 구체적으로,
1: 펌프 광원;
2: 박막 샘플;
3: 박막 샘플 표면;
4: 변형 영역;
5a: 입사빔;
5b: 반사광;
6: 탐측 모듈;
7: 제1 동공 분할기;
8: 제2 동공 분할기;
9: 제1 렌즈군;
10: 제2 렌즈군;
11: 탐측기.

Claims (10)

  1. 입사빔(5a)을 생성하는 적어도 하나의 탐측 광원;
    탐측 광원의 광로 뒤에 구비되고, 상기 입사빔(5a)을 전계 강도 분할하여 상기 입사빔(5a)이 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하는 적어도 하나의 제1 동공 분할기(7);
    제1 동공 분할기(7)의 광로 뒤에 구비되고, 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합하여 측정될 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔(5b)을 형성하는 제1 시준 광학 소자(9);
    반사 광로에 구비되고, 관측 시야 범위 내에서 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 제2 시준 광학 소자(10);
    제2 시준 광학 소자(10)의 광로 뒤에 구비되고, 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하여 전계 강도 분할하여, 상기 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하며, 상기 제1 동공 분할기(7)와 동일한 구경 함수를 구비하는 제2 동공 분할기(8); 및
    제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 획득하여, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하는 분석 모듈(11), 을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 시준 광학 소자(9)와 상기 제2 시준 광학 소자(10)는 광로 시준 시스템을 구성하며, 상기 제1 동공 분할기(7)는 상기 광로 시준 시스템의 입력 동공 위치에 구비되고, 상기 제2 시준 광학 소자(10)는 상기 광로 시준 시스템의 출력 동공 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  3. 제1 또는 2 항에 있어서,
    상기 제1 동공 분할기(7)는 복수의 제1 유형 통광 구조와 복수의 제2 유형 통광 구조를 구비하며, 상기 제1 유형 통광 구조와 상기 제2 유형 통광 구조는 광 유통량의 차이를 가지며, 입사빔(5a)이 상기 제1 유형 구조와 상기 제2 유형 구조에 간섭되면서 분할되어 상기 제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔으로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 동공 분할기(8)는 복수의 제3 유형 통광 구조와 복수의 제4 유형 통광 구조를 구비하고, 상기 제3 유형 통광 구조와 상기 제4 유형 통광 구조는 광유통량의 차이를 가지며, 상기 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 더 간섭되어 상기 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔으로 분할되는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 유형 통광 구조와 상기 제3 유형 통광 구조는 일대일로 대응되며, 서로 대응되는 제1 유형 통광 구조와 제3 유형 통광 구조의 형상은 동일한 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 시준 광학 소자(9)의 구성 구조를 배치하여 상기 제1 시준 광학 소자(9)의 관측 시야 조절을 구현하며, 상기 제1 동공 분할기(7)의 상이 상기 측정될 물체(4)에 선명하게 조사되도록 하며, 상기 제2 시준 광학 소자(9)의 구성 구조를 구비하는 것을 통해 상기 제2 시준 광학 소자(9)의 관측 시야 조절을 구현하여, 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔(5b)을 시준한 후 상기 제2 동공 분할기(8)에 입사되도록 하는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 동공 분할기(7)와 상기 제2 동공 분할기(8)는 입사 광로 및 반사 광로에 대해 축대칭되는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  8. 제4 내지 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 제1 유형 통광 구조는 대응되는 통광 패턴이 상이한 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 장치.
  9. 제1 동공 분할기(7)를 이용하여 입사빔(5a)을 전계 강도 분할하여 상기 입사빔(5a)이 상기 제1 동공 분할기(7)의 제1 표면에서 제1 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계;
    제1 전계 강도 분포를 구비하는 입사빔을 시준하고 집합하여 측정될 물체의 표면에 경사지게 입사시켜 제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔(5b)를 형성하는 단계;
    제2 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 시준하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 형성하는 단계;
    제2 동공 분할기(8)를 이용하여 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하고 전계 강도 분할하여, 상기 제3 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔이 상기 제1 동공 분할기(7)와 동일한 구경 함수를 구비하는 상기 제2 동공 분할기(8)의 제1 표면에서 제4 전계 강도 분포를 형성하도록 하는 단계; 및
    제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔을 수신하며, 시간 간격 내의 제4 전계 강도 분포를 구비하는 반사빔의 변화 정보를 분석하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사광 변화를 탐측하는 방법.
  10. 일 시점에서 측정될 막(2)의 상표면(3a)에서 하면(3b)으로 복수의 여기원을 버스트하여, 상기 측정될 막(2)의 상표면에 적어도 하나의 변형 영역을 생성하도록 하는 버스트 유닛(1);
    상기 변형 영역에 대응되는 편광 반사빔의 신호 강도 피크 변화 정보를 획득하는 제1 내지 8 항 중 어느 한 항의 반사광 변화를 탐측하는 장치; 및
    피크에 대응되는 시간 간격에 따라 측정될 막 샘플(2)의 두께를 계산하는 계산 유닛, 을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정 장치.
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