KR20230010452A - 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치 - Google Patents
준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 10°이하의 준 수직입사광을 시료로 투사하고 그 반사광을 이용하여 시료의 표면 및 박막 상태를 검사하는 것으로, 특히 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조를 통해 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 및 박막 상태를 검사할 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원의 하측에 배치되어 광원에서 발생된 광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 사료측으로 집속시켜 출력하는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 일측 영역에서는 집속 렌즈로부터 출력되는 입사광을 편광상태로 편광시켜 출력하고, 타측 영역에서는 위상지연자로부터 출력되는 반사광 중 특정 편광만을 출력하는 편광자, 상기 편광자의 하측에 배치되어 편광자의 일측 영역으로 인가되는 입사광의 방위각을 가변하여 시료측으로 투사함과 더불어, 시료측으로부터 인가되는 반사광의 방위각을 가변하여 편광자의 타측 영역으로 출력하는 위상지연자 및, 위상지연자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원의 하측에 배치되어 광원에서 발생된 광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 사료측으로 집속시켜 출력하는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 일측 영역에서는 집속 렌즈로부터 출력되는 입사광을 편광상태로 편광시켜 출력하고, 타측 영역에서는 위상지연자로부터 출력되는 반사광 중 특정 편광만을 출력하는 편광자, 상기 편광자의 하측에 배치되어 편광자의 일측 영역으로 인가되는 입사광의 방위각을 가변하여 시료측으로 투사함과 더불어, 시료측으로부터 인가되는 반사광의 방위각을 가변하여 편광자의 타측 영역으로 출력하는 위상지연자 및, 위상지연자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 10°이하의 준 수직입사광을 시료로 투사하고 그 반사광을 이용하여 시료의 표면 및 박막 상태를 검사하는 것으로, 특히 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조를 통해 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 및 박막 상태를 검사할 수 있는 기술에 관한 것이다.
타원법(Ellipsometry)은 다양한 박막을 사용하는 산업 분야에서 비 파괴적 측정 방법으로 다양하게 사용되고 있고, 특히 반도체 분야에서 박막의 두께를 비파괴적으로 측정하는데 매우 유용하게 사용되고 있다.
타원법은 특정 편광상태를 갖는 빛을 시료에 입사시킨 후 반사광의 변화된 편광상태를 측정 및 분석하여 편광을 변화시킨 요인인 조밀도 변화, 광학적인 두께, 복소굴절율 등을 구하는 방법으로서, 이를 위한 장치를 타원계(ellipsometer)라 칭한다.
도1은 종래의 타원계를 도시한 구성도로서, 타원계는 일반적으로 광원(1), 편광자 모듈(2), 검광자 모듈(5), 광 검출기(6)를 포함하여 구성된다.
종래의 타원계는 시료(10)에 입사되는 입사광 또는 시료(10)에서 반사되는 반사광을 집속하는 집속광학 모듈(3, 4)을 더 포함할 수 있고, 구동 펄스가 인가될 때 마다 단위 각도 만큼씩 회전하여 편광자 모듈(2)을 단위 각도씩 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 광원(1)에서 발생한 광은 편광자 모듈(2)에서 편광 제어된 상태로 시료(10)에 입사되고, 시료(10)에서 반사된 광은 검광자 모듈(5)로 입사되며, 검광자 모듈(5)은 편광 상태를 감지하게 되고, 검광자 모듈(5)을 통과한 광은 광 검출기(6)에 입사되어 입사된 광의 세기를 전압 또는 전류와 같은 전기적 신호로 측정하게 된다.
그리고, 광 검출기(6)는 반사광 즉, 측정광의 세기를 컴퓨터로 전송하며 컴퓨터는 분석 프로그램을 이용하여 이 측정광의 세기 정보로부터 편광상태의 변화를 분석하여 타원상수를 결정하고, 결정된 타원상수를 이용하여 시료(10)의 표면 구조나 박막 두께 등의 상태를 판단한다.
이때, 시료(10)로 입사되는 광의 입사각(θ)과 반사각(θ')은 동일하며, 일반적으로 시료(10) 표면에 형성된 미세 패턴의 높이 및 박막층 두께에 따라 입사각(θ)을 다르게 설정하는데, 통상 60°내외의 범위로 설정된다.
한편, 반도체 산업체에서는 소자들의 집적도가 증가함에 따라 패턴의 미세화와 초박막화가 지속적으로 이루어지고 있어 타원계의 유용성이 또한 이에 비례하여 증가하고 있다. 이러한 타원계는 초기에는 단일 파장을 사용하여 단층 박막의 두께 측정에 제한적으로 사용되었으나, 여러 파장에서 측정하는 분광타원계가 개발되고 모델링 분석법이 도입됨에 따라 다층박막 시료의 구조와 광학상수의 고정밀 정량분석이 용이해졌다.
분광 타원계(spectroscopic ellipsometer, SE)는 기본적으로 편광자-시료-검광자(PSA)의 배치구조를 갖는 것으로, 회전검광자 방식으로 구동하는 RAE 타원계와 회전 편광자 방식으로 구동되는 RPE 타원계로 구분되나, 이러한 RAE 타원계와 RPE 타원계는 모두 위상각(Δ)의 부호를 결정하지 못하거나 sinΔ가 "0" 근방인 유전영역에서 위상각(Δ) 측정 오차가 커지는 단점을 갖는다.
또한, 입사각이 60° 내외인 일반적인 분광타원계는 파장 대비 패턴의 폭이 작아질수록 구조 결함에 대한 민감도가 떨어지며, 특히 3D NAND에서와 같이 수십개의 적층 구조상에서 높은 종횡비를 갖는 기둥, 깊은 구멍, 홈 등의 시료의 하부층 구조결함을 검출하는 데에는 무리가 있다.
이에, 시료(10)로 투사되는 광의 입사각을 보다 작게 설정하여 높은 종횡비를 갖는 시료의 상태를 분석하는 방법이 있을 수 있으나, 도1과 같이 광학소자들이 시료를 기준으로 상호 대칭되게 배치되는 형태의 분광계 구조에서 일정 크기를 갖는 광학소자들의 공간 배치에 한계가 있기 때문에, 일정 이하의 입사각 설정이 불가능한 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 구조의 타원계를 이용하여 10°이하의 준 수직입사광을 시료에 투사하고 그 반사광의 타원상수를 획득함으로써, 높은 종횡비를 갖는 시료의 표면 구조 및 박막 두께를 보다 신뢰성 있게 검사할 수 있도록 해 주는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 시료를 향해 입사광을 조사하는 광원과, 상기 광원의 하측에 배치되어 상기 입사광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 집속시키는 집속 렌즈, 상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 상기 집속 렌즈를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시키는 편광자, 상기 편광자의 하측에 배치되어 상기 편광자를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광의 위상각을 가변시키는 위상지연자 및, 상기 편광자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
또한, 상기 집속 렌즈는 편광자로부터 출력되는 반사광을 집속시켜 출력하고, 상기 집속 렌즈의 상측에는 반사광의 경로를 상기 검사부로 변경하는 미러가 추가로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
또한, 상기 광원의 하측에는 광원에서 발생된 광의 입사각을 가변시키는 입사각 가변기가 배치되고, 상기 입사각 가변기는 상면과 하면이 개방된 구조의 케이스 내부에서 일정 크기의 관통공을 갖는 입사각 가변판이 이동가능하게 체결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
또한, 상기 검사부는 편광자의 8개 방위각(P) 
와 위상지연자의 16개 방위각(C) 
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 반사광 세기로부터 타원상수를 산출하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
또한, 상기 검사부는 제1 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여 
, 
를 포함한 제1 측정값을 산출하여 tanψ 값을 결정하고, tanψ가 결정된 상태에서 제2 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여 
또는 
의 제2 측정값을 산출하여 cosΔ값을 결정함으로써, 타원상수 ψ와 Δ를 획득하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
또한, 상기 검사부는 제3 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여 
또는 
의 제3 측정값을 산출하여 
또는 
를 결정함으로써, 상기 cosΔ의 "Δ" 부호를 획득하여 적용하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하는 준 수직입사 타원계 구조에서 편광자의 8개 방위각 
각각에 대한 위상자의 16개 방위각 
각각에서 측정한 128개의 빛(반사광)의 세기들로부터 타원상수인 Δ(위상차)와 ψ(진폭차)를 용이하게 산출함으로써, 높은 종횡비를 가지는 미세 패턴 시료의 하부층 구조결함을 보다 신뢰성 있게 검사할 수 있다.
또한, 본 발명은 이상적이지 않은 4분파장 위상지연자를 사용하는 준 수직입사 분광타원계로도 확대 적용가능함은 물론, 이러한 장점으로 인하여 이 준 수직입사 타원법은 높은 종횡비를 가지는 3D NAND의 검사/측정에서 기존 SE 기반 OCD 측정 장비의 한계를 극복할 수 있다.
도1은 종래의 타원계를 도시한 구성도.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도3은 도2에 도시된 입사각 가변기(700)의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 타원상수 획득을 위한 서로 다른 편광자(300)와 위상지연자(400)의 방위각 조합 그룹을 나타낸 도면.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도3은 도2에 도시된 입사각 가변기(700)의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 타원상수 획득을 위한 서로 다른 편광자(300)와 위상지연자(400)의 방위각 조합 그룹을 나타낸 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도1은 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치는, 광원(100)과, 집속 렌즈(200), 편광자(300), 위상지연자(400), 미러(500) 및, 검사부(600)를 포함하여 구성되고, 상기 광원(100)과 집속 렌즈(200) 사이에 입사각 가변기(700)를 추가로 구비하여 구성된다.
여기서, 상기 광원(100)과 집속 렌즈(200), 편광자(300) 및 위상지연자(400)는 검사 대상 시료(10)의 상측에 시료(10) 표면과 수직하는 축(C)을 갖도록 순차로 배치되어 시료(10)를 기준으로 입사광과 반사광이 하나의 편광자(300)와 하나의 위상지연자(400)를 통과하도록 배치된다.
즉, 편광자(300)와 위상지연자(400)는 시료(10)의 상측에 배치되어 상기 시료(10)의 일측에서 발생된 편광을 시료(10)측으로 투사하고, 시료(10)의 타측에서 시료(10)의 표면에서 반사되는 빛을 측정광으로 출력하는 타원계 구조를 갖는다. 이때, 시료(10)측으로 입사되는 입사광과 시료(10)에서 출력되는 반사광은 수직축(C)을 기준으로 3°~ 10°범위로, 수직에 준하는 즉, 준 수직의 입사각(θ)을 갖는다.
상기 광원(100)은 시료(10)를 향해 입사광을 조사하는 광 발생장치로서, 자외선(deep ultra violet; DUV)에서부터 근적외선에 걸친 다양한 파장대역의 광, 즉 백색광을 발생한다.
집속 렌즈(200)는 광원(100)의 하측에 배치되어 광원(100)으로부터 출력되는 광을 편광자(300)측으로 집속시킴과 더불어, 편광자(300)로부터 인가되는 반사광을 미러(500)측으로 집속시킨다. 이때, 집속 렌즈(200)는 광원(100)에서 발생된 광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 시료(10)측으로 집속시켜 출력한다.
편광자(300)는 집속 렌즈(200)의 하측에 배치되어 집속 렌즈(200)를 통과한 입사광과 시료(10)로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시킨다. 즉, 편광자(300)의 일측 영역에서는 집속 렌즈(200)를 통해 인가되는 광을 직선편광상태로 편광시켜 위상지연자(400)로 출력하고, 타측 영역에서는 위상지연자(400)로부터 출력되는 반사광중 특정 편광만을 집속 렌즈(200)로 출력한다. 이때, 편광자(300)는 수직축(C)을 기준으로 일측의 제1 영역은 광원(100)으로부터 인가되는 광을 편광시키는 편광영역으로 설정되고, 타측의 제2 영역은 시료(10)에서 반사된 반사광 중 특정 편광만을 통과시키는 검광영역으로 설정된다.
그리고, 광원(100)에서 발생한 광은 일반적으로 특정 편광상태로 나타낼 수 없는 무 편광으로 나타나는데, 편광자(300)가 모터에 의해 일정 각도(편광 각도)단위로 회전함으로써, 편광자(300)를 통과하는 직선편광(입사광) 및 반사광의 방위각을 변화시킨다.
위상지연자(400)는 편광자(300)의 하측에 배치되어, 편광자(300)의 일측 영역으로 인가되는 입사광의 방위각을 가변하여 시료(10)측으로 투사함과 더불어, 시료(10)측으로부터 인가되는 반사광의 방위각을 가변하여 편광자(300)의 타측 영역으로 출력한다.
이때, 시료(10)로 입사된 광의 편광상태는 시료(10)의 복소 굴절률, 두께와 같은 광학적, 구조적 특징에 따라 변형된 형태로 반사되어 출력된다.
미러(500)는 집속 렌즈(200)의 상측에 배치되어, 집속 렌즈(200)를 통해 출력되는 반사광의 경로를 변경하여 검사부(600)측으로 출력하는 것으로, 집속 렌즈(200)로부터 유입되는 반사광을 시료(10)와 수평한 방향으로 출력하도록 일정 경사각을 갖도록 배치된다.
검사부(600)는 미러(500)를 통해 입력되는 반사광을 측정광으로 수집하고, 측정광을 분석하여 편광의 진폭비(ψ)와 위상차(Δ)에 해당하는 타원상수를 산출하며, 이 타원상수를 기 설정된 수학적 알고리즘에 적용하여 타원상수를 만족하는 값을 시료(100)의 표면 높이나 깊이값 또는 박막의 두께값 등으로 결정함으로써, 해당 시료(10)의 표면 구조 및 박막 상태를 검사한다. 이때, 타원상수를 이용하여 시료(100)의 상태값을 산출하는 수학적 알고리즘은 공지의 수학적 함수로 설정될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
입사각 가변기(700)는 시료(10)측으로 투사되는 광원(10)의 입사각을 가변시키기 위한 것으로, 시료(10)측으로 10°이하 범위의 입사각(θ)을 갖도록 시료(10)측으로의 입사광 경로를 설정한다.
이러한 입사각 가변기(700)는 도3에 도시된 바와 같이, 상면과 하면에 개방면(711,712)이 형성된 케이스(710)와, 이 케이스(710)의 일측면을 관통하여 배치되면서 일정 위치에 관통공(721)이 형성된 입사각 가변판(720)을 포함하여 구성되고, 입사각 가변판(720)은 케이스(710) 내부에서 이동 가능하게 체결되어 입사각 가변판(720)의 위치에 따라 관통공(721)을 통해 시료(10)측으로 출력되는 광의 입사각을 가변시킨다.
즉, 도3 (A)과 (C)에 도시된 바와 같이 입사각 가변판(720)의 관통공(721)과 광축(C)간의 이격거리(d1,d2)에 대응되게 시료(10)로 입사되는 광(So)의 입사각이 다르게 설정되고, 관통공(721)의 이동범위는 시료(10)의 입사각이 3~10°인 범위로 설정된다.
즉, 본 발명은 입사각과 반사각이 10°이하로 매우 작아 광원(100)을 포함한 광 검출수단을 도1과 같은 일반적인 타원계 구조로 배치하는데 어려움이 있는 바, 하나의 편광자와 하나의 위상지연자를 입사광과 반사광이 공유하도록 구성함으로써, 광학소자들의 공간 배치 제약을 극복한 준 수직입사 타원계를 구현한 것이다.
이어, 검사부(600)에서 측정광을 이용하여 타원상수 ψ와, Δ를 산출하는 과정을 설명한다. 여기서, ψ는 편광의 진폭비에 대응되는 각도이고, Δ는 편광의 위상차에 대응되는 각도이다.
먼저, 본 발명에서는 도2에 도시된 바와 같이 광원(100)에서 방출된 광은 입사각 가변기(700)를 통해 10°이내의 매우 작은 입사각으로 시료(10)면을 향해 투사되고, 이 입사광은 편광자(300)와 위상지연자(400)를 순차로 통과한 다음 시료(10)면에서 반사되며, 시료(10)면에서 반사된 반사광은 위상지연자(400)와 편광자(300)를 다시 순차적으로 통과한 후, 미러(500)를 통해 광 경로가 변경되어 검사부(600)로 인가된다.
즉, 본 발명은 편광자-보정기(위상지연자)-시료-보정기(위상지연자)-검광자의 배치를 가지는 
타원계 구조를 갖는 것으로, 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터는 하기 수학식1로 표현된다. 이때, 본 발명에서는 하나의 편광자(300)를 입사광과 반사광이 공유하는 구조인 바, 이하에서는 입사광이 통과하는 위치의 편광자(300) 영역은 편광자로, 반사광이 통과하는 위치의 편광자(300) 영역은 검광자로 구분하여 설명한다.
여기서, 존스 벡터와 존스 행렬들의 표현은 Azzam의 표현을 따르는 것으로, 
와 
는 각각 투과축-소거축 좌표상에서 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터와 검광자의 존스 행렬, 
는 회전각도가 
인 회전 존스 행렬, 
는 빠른축-느린축 좌표상에서 위상지연자의 존스 행렬, 
는 x-y 직교좌표축 상에서 등방성 시료의 반사를 나타내는 존스 행렬이고, 
는 투과축-소거축 좌표상에서 편광자를 통과한 빛의 존스벡터이다.
본 발명에서는 입사광과 반사광이 편광자(300)와 위상지연자(400)를 공유하기 때문에 편광자의 방위각 
와 검광자의 방위각 
는 
의 관계를 가지며, 입사광에 대한 위상지연자의 방위각(C1)과 반사광에 대한 위상지연자의 방위각(C2)은 
와 같은 관계를 갖는다.
이에, 
, 
를 상기 수학식 1에 대입하면 검광자를 통과한 빛의 존스 벡터는 하기 수학식 2와 같다.
그리고, 측정되는 빛의 세기 정보로부터 타원상수를 구하는 기본식들을 구하기 위해 상기 수학식 2를 풀면 수학식 3과 같은 전기장의 표현을 얻을 수 있다.
검사부(600)는 수치해석적인 방법을 통해 3개 이상의 독립적인 방위각(P,C)의 조합에 대응되는 빛의 세기로부터 타원상수 Δ,ψ 를 획득한다. 여기서, P 는 편광자(300) 방위각이고, C는 위상지연자(400)의 방위각이다.
먼저, 
(또는 
) 이거나 
(또는 
) 인 경우 전기장의 표현은 다음과 같다.
이때, 상기 수학식 4의 전기장은 주기가 
로서 
하여도 달라지지 않으며, 
또는 
를 중심으로 좌우 대칭인 특성을 갖는다.
그리고, 몇가지 특수한 
의 값에 대한 전기장의 표현은 표1과 같다.
여기서, 
이고, 
, 
, 
이다.
또한, 
(또는 
) 이거나 
(또는 
) 인 경우 전기장의 표현은 수학식 5와 같다.
여기서, 
이고, 
이다.
상기 수학식 5는 상기 수학식 4와 마찬가지로 
의 주기를 갖기 때문에 
로 하여도 바뀌지 않지만, 
또는 
주위의 대칭성은 없다. 몇가지 
에 대한 전기장 표현은 하기 표2와 같다.
상기한 표1 과 표2의 결과를 하나의 표로 정리하면 표3과 같다.
상기 표 3은 서로 다른 방위각(C,P)조합에 따른 전기장 표현으로, 
, 
이다.
즉, 상기 표 3의 전기장 표현으로부터 빛의 세기 표현을 구하고, 방위각(P,C) 조합별 빛의 세기들로부터 타원상수 Δ와 ψ를 산출할 수 있다.
예컨대, 
일 때의 빛의 세기를 
로 정의하고, 
이고 
또는 
일 때의 빛의 세기를 각각 
, 
, 
, 
와 같이 정의하여, 일련의 유도과정을 거치게 되면 수학식6과 같은 타원상수 표현들을 획득할 수 있다.
여기서, 
이다.
한편, 방위각(P,C) 조합이 독립적이 아니면 그 조합에 따라 구해지는 상수들이 달라지는데, 도4 (A)는 이를 그룹별로 분류하여 나타낸 것이다. 도4 (A)에서 가로축은 편광자의 방위각 
, 세로축은 위상자의 방위각 
를 나타내며 단위는 모두 
이다. 빛의 세기 측정 기준값은 속이 찬 원으로 표시된 
의 방위각 조합에서 측정한 값이다.
즉, 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값은 
의 측정값이 되며, 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들의 평균)한 값으로 나눈 값은 
의 측정값이 된다. 또한, 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값은 
의 측정값이 된다.
이와 같이, 빛의 세기 측정 기준값을 분모로 하고 측정값의 세기를 분자로 하여 
, 
등의 측정값을 구할 수 있으며, 이로부터 
가 결정될 수 있다.
즉, 
의 조합이 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값이 
이 되며, 
의 조합이 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값을 
의 조합이 
, 
, 
, 
인 곳에서 측정(또는 이들을 평균)한 값으로 나눈 값이 
의 측정값이 된다.
도4 (B)는 
또는 
의 측정값을 결정할 수 있는 
의 조합을 보여준다. 여기에서 속이 찬 원은 
를 구하는 
의 조합을 나타내며 속이 빈 원은 
를 구하는 
의 조합을 나타낸다.
이와 같이 
가 결정된 상태에서 도4 (B)의 방위각 조합을 이용하여 
를 결정할 수 있다.
그러나, 상기한 
측정 방식은 Δ의 부호를 결정하지 못하여 
근방인 영역에서는 
의 측정오차가 커지는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는 
또는 
의 측정값과 
측정값을 이용하여 Δ의 부호를 결정함으로써, 정확한 Δ를 결정할 수 있다.
도4 (C)는 
또는 
를 결정하기 위한 
와 
를 구하는 
의 조합을 나타낸다. 여기서, 속이 찬 원은 
를 구하는 
의 조합을, 속이 빈 원은 
를 구하는 
의 조합을 나타낸다.
즉, 검사부(600)는 편광자의 8개 방위각(P)
와 위상지연자의 16개 방위각(C) 
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 빛의 세기 기준값과 빛의 세기 측정값을 이용하여 tanψ 값을 결정하기 위한 
, 
를 포함한 제1 측정값과, cosΔ값을 결정하기 위한 
또는 
의 제2 측정값 및, cosΔ에서 "Δ"의 부호를 결정하기 위한 
또는 
의 제3 측정값을 산출하고, 이를 통해 타원상수 ψ 와 Δ를 획득한다.
한편, 본 발명에서는 광원이나 광량 측정장치가 편광의존성을 보인다면 편광자의 방위각을 고정하고 보정기(위상지연자)의 방위각 만을 달리하여 측정한 빛의 세기들로부터 타원상수를 결정하는 것이 바람직하다. 렌즈나 미러 등에 의한 편광상태 변화가 우려될 경우에는 편광자의 방위각을 고정하여 타원상수를 결정하는 것이 더욱 바람직하다.
이때, 렌즈나 미러 등에 의한 영향을 포함하여 광원이나 광량 측정장치의 편광의존성을 보정하면 
의 조합을 자유롭게 사용할 수 있지만 측정하는 타원상수의 정확도가 이 소자들에 의한 편광의존성 보정 정도에 크게 의존하므로 신중한 접근이 요구되는데 이 소자들에 의한 편광의존성은 편광자를 회전시키면서 등방성 표준시료에 대해 측정한 빛의 세기를 이론적으로 도출한 빛의 세기와 비교하여 수치해석적으로 분석하면 한꺼번에 통합, 보정할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 사용하는 빛의 파장에 대한 제약을 가지고 있지 않으므로 준 수직입사 분광타원계(near normal incidence spectroscopic ellipsometer)로 간편하게 확대 적용할 수 있다. 특히 이 준 수직입사 타원법은 이상적이지 않은 4분파장 위상지연자 즉 
이고, 
인 위상지연자를 보정기로 사용할 때에도 타원상수들을 정확하게 결정할 수 있게 하므로 파장의존성 위상지연자를 사용하더라도 DUV에서 NIR에 이르는 넓은 파장대역에 걸쳐 분광타원계를 정상적으로 작동할 수 있다.
100 : 광원, 200 : 집속 렌즈,
300 : 편광자, 400 : 위상지연자,
500 : 미러, 600 : 검사부,
700 : 입사각 가변기,
10 : 시료.
300 : 편광자, 400 : 위상지연자,
500 : 미러, 600 : 검사부,
700 : 입사각 가변기,
10 : 시료.
Claims (6)
- 시료를 향해 입사광을 조사하는 광원과,
상기 광원의 하측에 배치되어 상기 입사광을 10°이하의 준 수직입사각을 갖도록 집속시키는 집속 렌즈,
상기 집속 렌즈의 하측에 배치되어 상기 집속 렌즈를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광을 직선편광된 광으로 편광시키는 편광자,
상기 편광자의 하측에 배치되어 상기 편광자를 통과한 입사광과 상기 시료로부터 반사된 반사광의 위상각을 가변시키는 위상지연자 및,
상기 편광자로부터 출력되는 반사광의 세기를 이용하여 시료의 박막 상태를 측정하기 위한 타원상수를 산출하되, 편광자 방위각과 위상지연자 방위각 조합에 대응되는 반사광의 세기로부터 진폭비(ψ) 및 위상차(Δ)의 타원상수를 산출하여 시료의 표면 및 박막 상태를 결정하는 검사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 집속 렌즈는 편광자로부터 출력되는 반사광을 집속시켜 출력하고,
상기 집속 렌즈의 상측에는 반사광의 경로를 상기 검사부로 변경하는 미러가 추가로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광원의 하측에는 광원에서 발생된 광의 입사각을 가변시키는 입사각 가변기가 배치되고,
상기 입사각 가변기는 상면과 하면이 개방된 구조의 케이스 내부에서 일정 크기의 관통공을 갖는 입사각 가변판이 이동가능하게 체결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 검사부는 편광자의 8개 방위각(P)와 위상지연자의 16개 방위각(C)
로 이루어지는 방위각 조합(P,C) 조건에서의 반사광 세기로부터 타원상수를 산출하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 검사부는 제1 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여,
를 포함한 제1 측정값을 산출하여 tanψ 값을 결정하고,
tanψ가 결정된 상태에서 제2 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여또는
의 제2 측정값을 산출하여 cosΔ값을 결정함으로써, 타원상수 ψ와 Δ를 획득하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 검사부는 제3 방위각 조합 조건에서의 반사광 세기를 이용하여또는
의 제3 측정값을 산출하여
또는
를 결정함으로써, 상기 cosΔ의 "Δ" 부호를 획득하여 적용하는 것을 특징으로 하는 준 수직입사 타원계 기반의 고종횡비 시료 검사 장치.
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