KR20230073058A - 엘립소미터 및 그 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치 - Google Patents

엘립소미터 및 그 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은, 넓은 파장 대역을 갖는 광원과 분광기의 조합으로 계측하는 경우에도, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 처리율을 향상시킬 수 있는 엘립소미터, 및 그 그 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치를 제공한다. 그 엘립소미터는 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분을, 상기 반사광의 광학계의 광축을 중심으로 한 방사(放射) 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부; 상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부; 상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치;를 포함한다.

Description

엘립소미터 및 그 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치{Ellipsometer and apparatus for inspecting semiconductor device comprising the ellipsometer}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자 검사 장치에 관한 것으로, 특히 엘립소미터를 이용한 반도체 소자 검사 장치에 관한 것이다.
엘립소메트리(ellipsometry)는, 1975년에 Aspnes 등에 의해 자동 계측이 가능해진 이래, 측정 시간의 대폭적인 단축과 함께 정밀도가 대폭으로 향상되었으며, 다파장에 의해 계측하는 분광 엘립소메트리도 실용화되고 있다. 엘립소메트리는, 박막이나 미세 구조의 비파괴 계측에 있어서, 막두께 등의 치수나 굴절률 등의 광학 상수의 계측을 고정밀도로 수행할 수 있다는 특성을 살려 반도체 제조 공정에서도 널리 사용되고 있다. 이하 문헌들은 엘립소메트리와 관련된 특허 문헌들이다. 특허문헌 1: 일본공개특허 2021-085698호 공보, 특허문헌 2: 미국특허 제5596411호 명세서, 특허문헌 3: 미국특허 제7616323호 명세서, 특허문헌 4: 미국특허 제5953137호 명세서, 특허문헌 5: 미국특허 제6856384호 명세서, 특허문헌 6: 일본공개특허 소62-197706호 공보, 특허문헌 7: 일본공개특허 2010-002846호 공보, 특허문헌 8: 일본공개특허 2000-331927호 공보, 특허문헌 9: 일본공개특허 2003-279854호 공보
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 넓은 파장 대역을 갖는 광원과 분광기의 조합으로 계측하는 경우에도, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 처리율을 향상시킬 수 있는 엘립소미터, 및 그 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은, 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분을, 상기 반사광의 광학계의 광축을 중심으로 한 방사(放射) 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부; 상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부; 상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치;를 포함한, 엘립소미터를 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 직선 편광을 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광 성분으로 분리하는 편광 광학 소자부; 상기 2개의 직선 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 줄무늬 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부; 상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기; 및 검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치;를 포함하고, 상기 간섭무늬의 줄무늬 피치가 상기 조명광의 복수의 파장에서 동일한 값을 갖는, 엘립소미터를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 엘립소미터; 검사 대상인 반도체 소자가 배치된 스테이지; 및 상기 엘립소미터의 일부와 상기 스테이지를 외부 환경으로부터 격리하는 환경 챔버;를 포함하고, 상기 엘립소미터는, 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분을, 상기 반사광의 광학계의 광축을 중심으로 한 방사 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부, 상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부, 상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기, 및 검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치를 포함하는, 반도체 소자 검사 장치를 제공한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광으로 시료를 조명하는 조명 광학계; 상기 조명광이 상기 시료의 측정면에서 반사된 반사광을 집광하는 집광 광학계; 상기 반사광을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분으로 분리하거나, 또는 상기 2개의 편광 성분을 상기 집광 광학계의 광축을 중심으로 한 방사 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부; 및 검광자부를 구비하고, 상기 검광자부를 통해 형성된 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 수광 광학계;를 포함하고, 상기 검광자부는, 상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 간섭시키며, 줄무늬 형태 또는 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는, 엘립소미터를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 엘립소미터, 및 반도체 소자 검사 장치는, 넓은 파장 대역을 갖는 광원과 분광기의 조합에 의한 계측에서, 동공 내에 간섭무늬를 조밀하게 형성하여 동공 상의 분해능을 향상시키고, 광량을 증가시킴으로써, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 처리율을 크게 향상시킬 수 있다. 그에 따라, 반도체 소자에 대한 검사에서, 계측 정밀도 및 검사 속도를 향상시키고, 처리율을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 기술적 사상에 의한 엘립소미터, 및 반도체 소자 검사 장치는, 반도체 소자의 제조 수율과 생산성 향상에 기여하고, 반도체 소자의 비용 저감에도 기여할 수 있다.
도 1은, 비교예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2는, 도 1의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상의 간섭무늬를 보여주는 사진이다.
도 3은, 도 1의 엘립소미터에서, 장파장, 중파장 및 단파장의 조명광에 있어서, 파장 폭이 같은 경우의 간섭무늬를 보여주는 사진들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 5는, 도 4의 엘립소미터에서, 검광자부를 투과하는 직선 편광을 보여주는 그래프이다.
도 6은, 도 4의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 X 편광과 Y 편광에 대한 개념도들이다.
도 7 내지 도 9는, 도 4의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬의 해석 방법을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 10은, 도 4의 엘립소미터와 도 1의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬를 보여주는 사진들이다.
도 11은, 도 4의 엘립소미터에서, 조명 광학계, 집광 광학계, 및 동공면의 배치를 보여주는 사시도이다.
도 12는, 도 4의 엘립소미터에서, 동공면 상의 위치와, 시료에의 광의 입사각 및 입사 방위의 관계를 보여주는 개념도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 15는, 도 14의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 방사형 편광과 방위각 편광에 대한 개념도들이다.
도 16은, 도 14의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 18은, 도 17의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 방사형 편광과 방위각 편광에 대한 개념도들이다.
도 19는, 도 17의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도이다.
도 20 내지 도 23은, 도 17의 엘립소미터에서, 변형예에 따른 편광 광학 소자부에 대한 개념도들이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 25는, 도 24의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬의 사진, 및 X 편광과 Y 편광에 대한 개념도들이다.
도 26은, 복굴절 결정의 각 재료에서의 복굴절성의 파장 의존성을 보여주는 그래프이다.
도 27은, 도 24의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
현재 웨이퍼 상의 회로 패턴의 선폭이 10㎚ 이하인 미세 구조의 치수(Dimension)를 계측하는 OCD(Optical Critical Dimension) 측정 장치로서, 측장(測長) SEM(Scanning Electron-beam Microscope)이나 AFM(Atomic Force Microscope)을 상보(相補)하는 형태로 사용되고 있다. 또한, 최근 10년 동안, 로직(Logic) 반도체에서는 finFET(fin Field-Effect Transistor), 메모리 반도체에서는 3D-NAND 등, 반도체 회로 구조가 3차원화로 진행되어 보다 복잡한 구조가 되고 있다. 대부분의 OCD는, 분광 엘립소메트리를 계측 원리로 하며, 계측 대상인 반도체 회로 구조의 차원(dimension)이나 구성 물질의 광학 상수를 구하기 위해서, 모델을 작성하고 계측 대상의 차원이나 광학 상수를 플로팅 파라미터(floating parameter)로 하여 계측 결과에 모델을 피팅시켜 해를 얻는 방법을 취한다. 이 때문에, 구하는 대상의 구조가 복잡해지면, 플로팅 파라미터의 수가 증가할 수 있다. 예컨대, 현재 finFET의 OCD에 대한 계측에서, 20 ~ 30개 정도의 플로팅 파라미터를 이용할 필요가 있다. 엘립소메트리는 일반적으로 Ψ 및 Δ의 2개의 값을 계측 결과인 엘립소메트리 계수로서 얻지만, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)는 모두 파장 의존성이 있다. 이 때문에, 분광 엘립소메트리의 경우, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)는 Ψ(λ), Δ(λ)로 표기할 수 있다.
차원의 해를 구하기 위해서는, 플로팅 파라미터의 수보다 많은 개수의 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 계측으로 얻는 것이, 모델의 피팅을 위해 최소한 필요하다. 플로팅 파라미터의 수가 많은 경우에 발생하는 문제로서, 실제 차원과는 다른 플로팅 파라미터의 조합으로 피팅이 수렴하는 경우가 있다. 이는 커플링이라고 불리는 문제로, 이를 피하기 위해서, 플로팅 파라미터에 대해 다른 의존성을 갖는 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 계측하여 피팅을 수행하는 것이 효과적이다. 따라서, 파장에 더하여, 다른 입사각과 입사 방위에서 엘립소메트리 계측을 수행하고, 상기 플로팅 파라미터에 대해, 보다 다른 의존성을 서로 갖는 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)가, 모델의 피팅에 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 계측 감도라는 관점에서, 반도체 웨이퍼로의 조명광에 있어서, P 편광의 반사율이 0이 되는 브루스터 각(Brewster angle)이 가장 계측 감도가 높다. 이 때문에, 엘립소메트리 계측에서, 브루스터 각을 입사각으로서 수행하는 경우가 많다. 이 입사각은, 반도체 회로 구조에서 대략 60°내지 75°에 대응할 수 있다. 이러한 경사 입사로 계측을 수행하는 경우, 단일의 입사각과 입사 방위로 특화된 경사 입사 광학계를 이용하여 분광 엘립소메트리 계측을 수행하는 경우가 많다. 그러나 전술한 커플링의 문제를 회피하기 위해, 복수의 입사각이나 입사 방위에 대응 가능한 광학계에 대한 요구가 커지고 있다.
이러한 요구에 대해, 광학계나 반도체 웨이퍼를 계측마다 이동시키는 경우, 계측 시간이 매우 길어지는 문제가 있다. 이 때문에, 전술한 브루스터 각을 포함하는 큰 NA(Numerical Aperture)를 갖는 대물 렌즈를 사용하여, 넓은 범위의 입사각과 입사 방위로부터 동시에 계측 광을 입사시킨다. 그리고 반도체 웨이퍼로부터의 반사광을 대물 렌즈의 사출동 상에 도출하여, 엘립소메트리 계측을 수행한다. 이러한, 동공 화상 계측 광학계와 엘립소메트리 계측의 조합이 이상적이라고 할 수 있다. 다만, 이 경우에서도, 일반적인 엘립소메트리 계측의 방법인 회전 보상자나 회전 검광자를 조합한 구성에서는, 취득하는 동공 화상 전송 속도의 제한에 의해 1 파장마다 계측 시간이 1초 이상이 될 수 있다. 또한, 100 파장 이상의 조명광을 이용한 분광 엘립소메트리 계측을 수행하면, 반도체 제조 공정에서 OCD 측정 장치로서는 비현실적인 측정 시간이 될 수 있다.
반도체 제조 공정의 OCD 측정 장치에서 사용되는 엘립소미터는, 전형적으로 1 점의 계측에 1초 내지 수 초의 계측 시간이 필요하다. 측정에 할당된 시간 내에서, 통상 웨이퍼 내에서 수 점부터 수십 점 정도밖에 계측할 수 없고, 웨이퍼 내의 부분적인 막 두께 변화나 선폭 변화에 의한 수율 악화를 놓치는 경우도 있다. 이에 대한 주요 이유는, 회전 보상자나 위상 변조 소자에 의한 변조와 동기하여 다수의 계측점들이 필요하다는 점, 분광 계측의 경우에 회절 격자 등의 분산 소자에서 각 파장으로 나누어진 광의 광량을 높은 S/N비로 계측할 필요가 있다는 점, 나아가, 뮐러 행렬(Mueller matrix) 엘립소메트리의 경우, 조명광에 있어서 수 종류의 편광 상태를 전환하면서 계측해야 한다는 점 등이 있다.
이에 대해, 웨이퍼 내의 계측점들을 증가시키면서, 엘립소메트리의 계측을 단시간화하기 위해서는, 회전 보상자 등의 가동부를 고속화할 필요가 있다. 그러나 안정성이나 발열 등이 걸림돌이 되어, OCD 측정 등을 위한 엘립소메트리 계수 측정의 처리율(Throughput)을 향상시키는 것은 힘들다.
도 1은, 비교예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 비교예의 엘립소미터(101)는, 노마스키 프리즘(131, Nomarski prism)을 이용하여 화상 검출기(142) 상에 2개의 직교하는 편광 성분을 간섭시킬 수 있다. 그리고 해석 장치(143)는, 발생한 간섭무늬의 진폭과 위상으로부터 Ψ와 Δ를 구할 수 있다. 이러한 방법에 의해, 반도체 제조 공정에서, 높은 처리율을 실현시키면서, 또한, 가동부의 부존재에 의한 안정성이 높은 OCD 장치의 실용화가 기대되고 있다.
한편, 조명 광학계(110)는 광원(111), 분광기(112), 파이버(113), 조명 렌즈(114), 편광자(115), 빔 스플리터(116), 및 대물 렌즈(117)를 포함하고, 조명광(L1)으로 시료(50)를 조명할 수 있다. 집광 광학계(120)는 대물 렌즈(117), 빔 스플리터(116), 및 릴레이 렌즈(121, 122)를 포함하고, 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)을 집광할 수 있다. 편광 광학 소자(130)는 노마스키 프리즘(131)을 포함하고, 수광 광학계(140)는 검광자(141), 화상 검출기(142) 및 해석 장치(143)를 포함할 수 있다.
이 방법은, 엘립소메트리 계측에서 일반적인 스토크스(Stokes) 파라미터를 구하지 않고, 하나의 화상으로부터 Ψ와 Δ를 얻을 수 있다. 이 때문에, 계측 효율이 좋고, 고속의 분광기와 조합함으로써, 분광 엘립소메트리도 가능하다. 이 계측 원리를 큰 NA의 대물 렌즈(117)를 이용한 동공 화상 계측에 적용함으로써, 동시에 다수의 입사각과 입사 방위의 엘립소메트리 정보를 얻을 수 있고, 반도체 제조 공정에서 측정 장치로서 이상적인 성능을 실현할 수 있다.
도 2는, 도 1의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상의 간섭무늬를 보여주는 사진이다. 그래프에서 x축은 화상 검출기 상의 간섭 무늬의 위치를 나타내고, y축은 간섭 무늬의 광의 강도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도 1의 엘립소미터(101)는, 예컨대, X 편광 및 Y 편광의 광을 간섭시킴으로써, 화상 검출기(142) 상에 세로 줄무늬의 간섭무늬를 형성할 수 있다. 화상 검출기(142)의 중심을 통과하는 세로선 상에서, X 편광, Y 편광의 광로 길이차가 0이다. 파장 폭이 넓으면 양측의 간섭무늬의 콘트라스트가 저하된다.
이와 같이, 조명광(L1)으로서 부분 코히런트(coherent) 광을 사용하고 있기 때문에, 동공 상에 형성되는 간섭무늬의 개수를 많게 한 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 원리적으로 간섭하는 2개의 편광 성분의 광로 길이차가 큰 좌우 양측의 영역에서, 간섭무늬의 콘트라스트가 저하된다. 광로 길이차가 큰 영역에서, 간섭무늬의 콘트라스트가 저하되는 현상은, 사용 가능한 간섭무늬의 개수에 상한이 있다는 것을 의미한다.
도 3은, 도 1의 엘립소미터에서, 장파장, 중파장 및 단파장의 조명광에 있어서, 파장 폭이 같은 경우의 간섭무늬를 보여주는 사진들이다.
도 3을 참조하면, 파장 폭이 같은 경우에는 단파장이 간섭무늬의 개수가 많아지기 때문에, 단파장일수록 간섭무늬의 콘트라스트가 낮아진다. 이 문제를 회피하기 위해서, 노마스키 프리즘(131)에 의한 편광 분리각을 작게 하거나, 단파장에서의 계측시에는 파장 폭을 좁게 하는 것이 필요하다. 그러나 전자의 경우, 특히 장파장 측에서 줄무늬 간격이 넓어지기 때문에, 동공 상에서의 계측 분해능이 저하될 수 있다. 후자의 경우, 단파장에서의 광량이 감소하는 부작용이 발생할 수 있다.
따라서, 넓은 파장 대역을 갖는 광원과 분광기의 조합으로 계측하는 경우에도, 줄무늬 간격의 넓어짐에 의한 분해능의 저하나, 분광기의 파장 폭을 좁게 함에 따른 광량의 저하를 억제하며, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 처리율을 향상시킬 수 있는 엘립소미터가 요구된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터(1)는 조명 광학계(10), 집광 광학계(20), 편광 광학 소자부(30), 및 수광 광학계(40)를 포함할 수 있다. 엘립소미터(1)는, 조명광(L1)이 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)을 수광하여, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 취득할 수 있다.
조명 광학계(10)는, 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)으로 시료(50)를 조명할 수 있다. 조명 광학계(10)는 광원(11), 분광기(12), 파이버(13), 조명 렌즈(14), 편광자부(15), 빔 스플리터(16), 및 대물 렌즈(17)를 포함할 수 있다.
광원(11)은, 조명광(L1)을 생성할 수 있다. 광원(11)이 생성하는 조명광(L1)은, 광대역 파장의 광을 포함할 수 있다. 조명광(L1)은, 예컨대, 백색광일 수 있다. 그러나 광원(11)이 생성하는 조명광(L1)이 백색광에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 조명광(L1)은 특정 파장을 갖는 단색광, 또는 특정의 파장 폭을 갖는 광을 포함할 수 있다. 광원(11)에서 생성된 조명광(L1)은, 분광기(12)에 입사할 수 있다.
분광기(12)는, 입사한 조명광(L1)에서 특정 파장 폭의 광을 추출하여 출사할 수 있다. 분광기(12)는, 예컨대, 10㎚의 파장 폭을 갖는 중심 파장 400㎚의 광을 출사할 수 있다. 분광기(12)에서 출사한 조명광(L1)은, 파이버(13)에 입사할 수 있다.
파이버(13)는 일단 및 타단을 갖는 케이블 형상의 도광 부재일 수 있다. 파이버(13)의 일단에 입사한 조명광(L1)은, 파이버(13)의 타단으로부터 출사할 수 있다. 파이버(13)의 타단에서 출사한 조명광(L1)은, 조명 렌즈(14)에 입사할 수 있다.
조명 렌즈(14)는, 예컨대, 볼록 렌즈일 수 있다. 조명 렌즈(14)는, 입사한 조명광(L1)의 각도 분포를 변화시키며, 조명광(L1)을 편광자부(15)에 조사시킬 수 있다. 예컨대, 조명 렌즈(14)는 파이버(13)의 타단에서 출사한 조명광(L1)을 평행광으로 변환할 수 있다. 또한, 조명 렌즈(14)는 평행광으로 변환된 조명광(L1)을 편광자부(15)에 입사시킬 수 있다.
편광자부(15)에는 광원(11)에서 생성된 조명광(L1)이 입사될 수 있다. 편광자부(15)는, 예컨대, 직선 편광을 생성하는 직선 편광자(H1)를 포함할 수 있다. 따라서, 편광자부(15)는 일방향의 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)을 투과시킬 수 있다. 예컨대, 편광자부(15)는, 편광 방향이 지면(紙面)에 대해 45° 기울어진 직선 편광의 조명광(L1)을 빔 스플리터(16)로 출사할 수 있다.
빔 스플리터(16)는, 입사한 조명광(L1)의 일부를 반사하고, 일부를 투과시킬 수 있다. 빔 스플리터(16)는, 입사한 조명광(L1)의 일부가 대물 렌즈(17)를 향하도록 반사할 수 있다. 빔 스플리터(16)에서 반사된 조명광(L1)은, 대물 렌즈(17)에 입사할 수 있다.
대물 렌즈(17)는, 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)으로 시료(50)를 조명할 수 있다. 대물 렌즈(17)는, 빔 스플리터(16)에서 반사된 조명광(L1)을 점 형상으로 집광시켜 시료(50)를 조명할 수 있다. 대물 렌즈(17)는 NA를 가지고 있다. 대물 렌즈(17)는 NA 내의 모든 각도와 모든 방향으로부터 시료(50)를 조명할 수 있다. 대물 렌즈의 NA는, 시료(50)에 대해 브루스터 각을 포함하는 값, 예컨대, 0.95 이상일 수 있다.
대물 렌즈(17)는, 조명광(L1)을 투과시킴과 아울러, 조명광(L1)이 시료(50)의 측정면에서 반사된 반사광(R1)을 투과시킬 수 있다. 본 실시예의 엘립소미터(1)에서, 시료(50)에 입사하는 조명광(L1)의 광축(C)과 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)의 광축(C)은, 시료(50)의 측정면에 대해 직교할 수 있다.
여기서, 본 실시예의 엘립소미터(1)에 대한 설명의 편의를 위해, XYZ 직교좌표축계를 도입한다. Z축 방향을 광축(C)으로 한다. Z축 방향에 직교하며, 서로 직교하는 2개 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 한다.
시료(50)를 조명하는 조명광(L1)은, 일방향의 직선 편광을 포함할 수 있다. 이러한 일방향의 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)은, 집광되면서 시료(50)의 측정면에 입사할 수 있다. 따라서, 조명광(L1)이 완전 편광이고 직선 편광인 경우에는, 광축(C)이 시료(50)의 측정면에 직교하는 경우, 측정면에 입사하는 방향에 따라, 조명광(L1)은 P 편광의 부분도 있고 S 편광의 부분도 있을 수 있다. 조명광(L1)에서 P 편광의 부분은, P 편광으로서 반사될 수 있다. 조명광(L1)에서 S 편광의 부분은, S 편광으로서 반사될 수 있다.
집광 광학계(20)는, 조명광(L1)이 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)을 집광할 수 있다. 집광 광학계(20)는, 대물 렌즈(17), 빔 스플리터(16), 및 릴레이 렌즈(21, 22)를 포함할 수 있다. 대물 렌즈(17)는, 조명 광학계(10)의 부재이기도 하고, 집광 광학계(20)의 부재이기도 하다. 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)은, 대물 렌즈(17)의 동공 위치(23)를 통과할 수 있다. 또한, 동공 위치(23)는, 릴레이 렌즈(21, 22)에 의해, 화상 검출기(42) 상에 재결상 될 수 있다. 이와 같이, 집광 광학계(20)는, 대물 렌즈(17)의 사출동을 화상 검출기(42) 상에 결상시킬 수 있다. 대물 렌즈(17)는, 조명광(L1)이 시료(50)에서 반사된 반사광(R1)을 투과시켜 빔 스플리터(16)에 입사시킬 수 있다.
빔 스플리터(16)는, 입사한 반사광(R1)의 일부를 투과시킬 수 있다. 예컨대, 빔 스플리터(16)를 투과한 반사광(R1)은 하부 릴레이 렌즈(21)에 입사할 수 있다.
하부 릴레이 렌즈(21)는, 빔 스플리터(16)를 투과한 반사광(R1)을 집광시켜 상을 맺은 후에 상부 릴레이 렌즈(22)에 입사시킬 수 있다. 상부 릴레이 렌즈(22)는, 입사한 반사광(R1)을 투과시켜 편광 광학 소자부(30)에 입사시킬 수 있다.
편광 광학 소자부(30)는, 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)이 시료(50)의 측정면에서 반사된 반사광(R1) 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광 성분을, 반사광(R1)의 집광 광학계(20)의 광축(C)을 중심으로 한 방사(放射) 방향으로 분리할 수 있다. 편광 광학 소자부(30)는, 예컨대, 월라스톤 렌즈(Wollaston lens)를 포함할 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 편광 광학 소자부(30)는, 복수의 월라스톤 렌즈(W10, W20)를 포함할 수 있다. 하부 월라스톤 렌즈(W10)는, 2개의 복굴절 결정(W11, W12)을 포함할 수 있다. 상부 월라스톤 렌즈(W20) 역시, 2개의 복굴절 결정(W21, W22)을 포함할 수 있다.
제1 복굴절 결정(W11)은, 1축성(軸性) 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 제1 복굴절 결정(W11)은, 입사면이 평면 형상이고, 출사면이 오목면의 구면 형상일 수 있다. 제1 복굴절 결정(W11)은, X축 방향의 결정 광학축을 가질 수 있다. 제2 복굴절 결정(W12)은, 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 제2 복굴절 결정(W12)은, 입사면이 볼록면의 구면 형상이고, 출사면이 평면 형상일 수 있다. 제2 복굴절 결정(W12)은, Y축 방향의 결정 광학축을 가질 수 있다. 따라서, 하부 월라스톤 렌즈(W10)는, 서로 끼워맞춤하는 구면 형상을 갖는 2개의 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 하부 월라스톤 렌즈(W10)의 1축성 복굴절 결정들 각각의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하고, 또한 서로 직교할 수 있다.
제3 복굴절 결정(W21)은, 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 제3 복굴절 결정(W21)은, 입사면이 평면 형상이고, 출사면이 오목면의 구면 형상일 수 있다. 제3 복굴절 결정(W21)은, Y축 방향의 결정 광학축을 가질 수 있다. 제4 복굴절 결정(W22)은, 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 제4 복굴절 결정(W22)은, 입사면이 볼록면의 구면 형상이고, 출사면이 평면 형상일 수 있다. 제4 복굴절 결정(W22)은, X축 방향의 결정 광학축을 가질 수 있다. 따라서, 상부 월라스톤 렌즈(W20)는, 서로 끼워맞춤하는 구면 형상을 갖는 2개의 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 상부 월라스톤 렌즈(W20)의 1축성 복굴절 결정들 각각의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하며, 또한 서로 직교할 수 있다.
복굴절 결정들(W11, W12, W21 및 W22) 각각은, 재료로서 수정, 불화 마그네슘, 사파이어, 방해석, αBBO 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 편광 광학 소자부(30)에서, 월라스톤 렌즈(W10, W20)는 굴절력이 0일 수 있다. 따라서, 편광 광학 소자부(30)는, 반사광(R1)을 집광 또는 확산시키지 않을 수 있다.
하부 월라스톤 렌즈(W10)에서, 제1 복굴절 결정(W11)의 결정 광학축과, 제2 복굴절 결정(W12)의 결정 광학축은, 서로 수직이고 광축(C)에 대해 직교가 되도록 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 복굴절 결정(W11)의 결정 광학축은 X축 방향이고, 제2 복굴절 결정(W12)의 결정 광학축은 Y축 방향일 수 있다. 이에 의해, 2개의 서로 수직인 편광(도 4에서는 X 편광과 Y 편광)은, 광축(C)을 중심으로 한 방사상으로 분리되어 다른 방향으로 진행될 수 있다. 예컨대, X 편광은, Y 편광보다 광축(C)으로부터 떨어진 외측으로 분리될 수 있다. Y 편광은, X 편광보다 광축(C)에 가까운 내측으로 분리될 수 있다.
편광 광학 소자부(30)는, 다른 1 세트의 상부 월라스톤 렌즈(W20)를 더 포함할 수 있다. 상부 월라스톤 렌즈(W20)에서, 제3 복굴절 결정(W21)의 결정 광학축과, 제4 복굴절 결정(W22)의 결정 광학축은, 서로 수직이고 광축(C)에 대해 직교가 되도록 배치될 수 있다. 그러나 상부 월라스톤 렌즈(W20)에서, 복굴절 결정들 각각의 결정 광학축은 하부 월라스톤 렌즈(W10)의 복굴절 결정들 각각의 결정 광학축과 반대가 될 수 있다. 예컨대, 제3 복굴절 결정(W21)의 결정 광학축은 Y축 방향이고, 제4 복굴절 결정(W22)의 결정 광학축은 X축 방향일 수 있다. 그에 따라, 2 세트의 월라스톤 렌즈(W10, W20)는, 각각의 편광을 반대 방향으로 분리시키고, 화상 검출기(42) 상에서 2개의 편광광이 다시 동일점이 되도록, 배치와 곡률 반경이 설계될 수 있다. 따라서, 편광 광학 소자부(30) 및 검광자부(41)를 투과한 반사광(R1)의 2개의 편광 성분은, 화상 검출기(42) 상의 동일점에서 검출될 수 있다.
수광 광학계(40)는, 반사광(R1)을 수광하여, 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출할 수 있다. 수광 광학계(40)는, 검광자부(41), 화상 검출기(42), 및 해석 장치(43)를 포함할 수 있다. 검광자부(41)는, 예컨대, 소정 방향의 직선 편광 성분을 투과시키는 직선 편광자(H2)를 포함할 수 있다.
도 5는, 도 4의 엘립소미터에서, 검광자부를 투과하는 직선 편광을 보여주는 그래프이다. 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 검광자부(41)는, 편광 광학 소자부(30)가 분리시킨 X 방향의 편광 방향 및 Y 방향의 편광 방향과, 45° 기울어진 방향의 직선 편광의 성분을 투과시킬 수 있다. 따라서, 검광자부(41)는, X 방향의 편광 방향을 갖는 직선 편광 중에서, X 방향과 45°기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 또한, 검광자부(41)는, Y 방향의 편광 방향을 갖는 직선 편광 중에서, Y 방향과 45° 기울어진 편광 성분을 투과시킬 수 있다. 이와 같이, 상부 월라스톤 렌즈(W20)와 화상 검출기(42)의 사이에 직선 편광자(H2) 등의 검광자부(41)가 배치될 수 있다. 이 직선 편광자(H2)의 투과축 방향은, 월라스톤 렌즈(W10, W20)를 형성하는 2개의 1축성 복굴절 결정들 각각의 광학축의 중간(45°)이 되는 방위로 배치될 수 있다. 따라서, 검광자부(41)는, 서로 직교한 2개의 편광 성분을 각 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시킬 수 있다. 즉, 2개의 편광 성분은, 검광자부(41)를 투과함으로써, 같은 방향(45° 기울어진 방향)으로 편광한 편광 성분으로서 출사하면서 간섭할 수 있다.
화상 검출기(42)는, 입사한 반사광(R1)을 수광할 수 있다. 화상 검출기(42)는, 대물 렌즈(17)의 동공 위치(23)와 공역(共役)인 동공 공역 위치(24)에 배치될 수 있다. 반사광(R1)은, 서로 직교한 2개의 직선 편광에서 같은 방향의 편광 성분을 포함할 수 있다. 따라서, 반사광(R1)은, 화상 검출기(42) 상에서 간섭할 수 있다. 이에 의해, 화상 검출기(42) 상에 동심원 형태의 간섭무늬가 형성될 수 있다. 화상 검출기(42)는, 검광자부(41)를 투과한 각 편광 성분의 간섭무늬를 검출할 수 있다.
도 6은, 도 4의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 X 편광과 Y 편광에 대한 개념도들이다. 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 화상 검출기(42) 상의 간섭무늬는 동심원 형태의 형상을 가질 수 있다. 본 실시예의 엘립소미터(1)에서, 이러한 동심원 형태의 간섭무늬를 월라스톤 렌즈 간섭무늬라고 부른다. 월라스톤 렌즈 간섭무늬는, X 편광과 Y 편광의 간섭에 의해 형성될 수 있다. 월라스톤 렌즈 간섭무늬에서, 중심 부근의 줄무늬 간격은 크고, 브루스터 각으로 입사한 광에 대응하는 동공의 끝에서는 줄무늬 간격이 미세할 수 있다. 월라스톤 렌즈 간섭무늬는, 화상 검출기(42)의 주변 영역에 원형으로 X 편광과 Y 편광의 광로 길이차가 0의 위치를 가질 수 있다.
도 7 내지 도 9는, 도 4의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬의 해석 방법을 설명하기 위한 개념도들이다. 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 7을 참조하면, 해석 장치(43)는, 화상 검출기(42) 상에 검출된 화상을 취득할 수 있다. 그리고 해석 장치(43)는, 취득된 점대칭의 동심원 형태의 간섭무늬를 포함하는 화상에 대하여, 동심원의 중심이 좌표 원점이 되도록 극좌표로 좌표 변환할 수 있다. 다음에, 해석 장치(43)는, 좌표 변환 후의 화상을, 극좌표계의 반경(동경) 및 방위(편각)를 축으로 하는 2차원 좌표로 나타낼 수 있다. 해석 장치(43)는, 2차원 좌표 평면 상에서 화상에 대한 2차원 푸리에 변환을 수행하고, 변환 후의 주파수 공간 이미지에서, DC 성분과 AC 성분으로 나누어 트리밍할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 이후, 도 8에 도시된 바와 같이, 해석 장치(43)는, DC 성분에 대해, 피크 위치를 좌표 원점으로 시프트 한 후에 역푸리에 변환을 수행할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 해석 장치(43)는, AC 성분에 대해, 피크 위치를 좌표 원점으로 시프트 한 후에 역푸리에 변환을 수행할 수 있다. 해석 장치(43)는, AC 성분으로부터, 진폭 성분인 AC 성분(진폭)과 위상 성분인 AC 성분(위상)을 구할 수 있다. 얻어진 AC 성분(위상)은, 그대로 엘립소메트리 계측의 Δ에 대응할 수 있다. 엘립소메트리 계측의 Ψ은 하기의 식(1)로부터 구할 수 있다. 여기서, DC는 DC 성분을 나타내고, AC진폭은 AC 성분(진폭)을 나타낸다. 이와 같이, 해석 장치(43)는, 역푸리에 변환한 결과에 기초하여, 검출한 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출할 수 있다.
Ψ=tan-1[DC/AC진폭±√{(DC/AC진폭)2-1}].................식(1)
이하에서, 본 실시예의 엘립소미터(1)에 대한 효과를 설명한다.
도 10은, 도 4의 엘립소미터와 도 1의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬를 보여주는 사진들이다. 도 1 및 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예와 비교예의 간섭무늬를 이용하는 엘립소미터(1, 101)에서, 계측에 이용하는 광은 시간적, 및 공간적으로 부분 코히런트 광일 수 있다. 따라서, 간섭하는 2개의 편광광의 광로 길이차가 커지는 장소에서, 간섭무늬의 콘트라스트는 현저하게 저하될 수 있다. 이 때문에, 동공 내에 형성되는 간섭무늬의 개수는, 파장 폭이나 시야 영역에 의존하여 상한이 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 엘립소미터(1)에서 형성되는 동심원 형태의 간섭무늬와, 비교예의 엘립소미터(101)에서 형성되는 간섭무늬를 비교하기 위해, 예컨대, 둘 다 동일한 5개 정도의 줄무늬 개수로 한다. 그렇게 하면, 비교예의 엘립소미터(101)에서 간섭무늬는 동공 내에서 등간격일 수 있다. 이에 반해, 본 실시예의 엘립소미터(1)에서 간섭무늬는, 중앙 부근에서 드문드문하고, 주변 부근에서 조밀할 수 있다. 또한, 동일한 5개의 간섭무늬가 포함되는 폭은, 비교예의 엘립소미터(101)에서는 동공 직경인 것에 반해, 본 실시예의 엘립소미터(1)에서는 동공 반경에 해당할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 엘립소미터(1)는, 비교예의 엘립소미터(101)에 비해, 2배 조밀하게 간섭무늬를 배치할 수 있다. 특히, 동공의 주변 부근에서, 수배에서 10배 정도 조밀하게 간섭무늬를 형성할 수 있다.
이하에서, 엘립소메트리 계측에서 동공 상에서의 중요도를 고려해 보자.
도 11은, 도 4의 엘립소미터에서, 조명 광학계, 집광 광학계, 및 동공면의 배치를 보여주는 사시도로서, 동공면 상의 위치와 시료에의 광의 입사각과 입사 방위의 관계를 보여준다. 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 11을 참조하면, 동공 상의 중심 부근에는, 시료(50)에 수직으로 입사한 광이 도달할 수 있다. 한편, 시료(50)의 주변 부근에는, 시료(50)에 큰 입사각으로 입사한 광이 도달할 수 있다. 엘립소메트리 계측에서는, 후자의 경사 입사한 광이 보다 중요할 수 있다. 특히, 입사각이 60°~ 75°에 있는 브루스터 각 부근의 조명광(L1)을 이용한 엘립소메트리 계측은, 가장 감도가 높을 수 있다. 또한, 이러한 입사각의 조명광(L1)은 입사 각도 의존성과 입사 방위 의존성이 크기 때문에, 높은 분해능으로 계측할 수 있다.
도 12는, 도 4의 엘립소미터에서, 동공면 상의 위치와, 시료에의 광의 입사각 및 입사 방위의 관계를 보여주는 개념도이다. 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
도 12를 참조하면, 일반적인 대물 렌즈(17)의 NA의 상한인 NA=0.95는, 입사각 72°에 대응하며, 브루스터 각을 거의 포함할 수 있다. NA=0.7은, 입사각 45°에 대응할 수 있다. 본 실시예의 엘립소미터(1)는, 동공 상에서, 보다 중요한 주변 부근에 조밀한 간섭무늬를 형성할 수 있다. 따라서, 예컨대, 반도체 제조 공정의 고정밀도의 계측에 있어서, 매우 큰 우위성을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 엘립소미터(1)는, 다른 2개의 편광광으로 형성되는 동심원 형태의 간섭무늬로부터 Ψ 및 Δ을 산출하는 특징적인 측정 원리를 가질 수 있다. 특히, 광대역의 광원과 분광기를 조합하여 분광 엘립소메트리 측정을 수행하는 경우에, 동공 상의 분해능을 향상시키고, 광량을 증가시킬 수 있으므로, 측정 시간의 단축이 가능할 수 있다. 그에 따라, 측정 정밀도를 향상시키면서 처리율을 향상시킬 수 있다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 12의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터를 포함한 반도체 소자 검사 장치(1A, 이하, 간단히 '반도체 소자 검사 장치'라 한다)는 엘립소미터(1), 베이스(80), 아이솔레이터(81), 광학 정반(82), 스테이지(83), 웨이퍼 홀더(84), 프레임(85), 환경 챔버(86), 온도 컨트롤러 유닛(87), 및 기판 자동 반송 장치(88)를 포함할 수 있다. 엘립소미터(1)는, 예컨대, 도 4의 엘립소미터(1)일 수 있다. 그에 따라, 엘립소미터(1)는 조명 광학계(10), 집광 광학계(20), 편광 광학 소자부(30), 및 수광 광학계(40)를 포함할 수 있다.
베이스(80)는, 토대가 되는 받침대일 수 있다. 베이스(80) 상에 설치된 아이솔레이터(81)는, 바닥면으로부터의 진동을 제거할 수 있다. 광학 정반(82)은, 아이솔레이터(81) 상에 설치될 수 있다. 스테이지(83) 및 프레임(85)은, 광학 정반(82) 상에 배치될 수 있다. 스테이지(83)에는, 웨이퍼 홀더(84)에 장착된 실리콘(Si) 웨이퍼 등의 시료(50)가 탑재될 수 있다. 프레임(85)은, 광학계를 고정할 수 있다. 환경 챔버(86)는, 엘립소미터(1)의 몇 가지 부재, 베이스(80), 아이솔레이터(81), 광학 정반(82), 스테이지(83), 웨이퍼 홀더(84), 프레임(85) 등을 외부 환경으로부터 격리할 수 있다. 한편, 도 13에서, 환경 챔버(86) 내에 포함되지 않은, 조명 광학계(10) 중 광원(11)과 분광기(12)와 해석 장치(43)는 환경 챔버(86)의 외부에 별도로 도시되고 있다. 온도 컨트롤러 유닛(87)은, 환경 챔버(86) 내부를 소정의 온도로 유지할 수 있다. 기판 자동 반송 장치(88)는, 시료(50)를 반송할 수 있다.
엘립소미터(1)의 해석 장치(43)는, 카메라 등의 화상 검출기(42)로부터의 화상을 취득하여, 엘립소메트리 계측의 처리를 수행할 수 있다. 해석 장치(43)는, 컴퓨터 등의 제어부(91), 화상 검출기(42)로부터의 화상을 취득하여 처리하는 그래버 보드(92), 시료(50)를 탑재하는 스테이지(83)를 제어하는 스테이지 컨트롤러(93), 및 광원(11)과 분광기(12)를 제어하는 광원-분광기 컨트롤러(94)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 반도체 소자 검사 장치(1A)는, 도 4의 엘립소미터(1)를 포함할 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 검사에서 계측 정밀도를 향상시키고, 처리율을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 반도체 제조 공정에서 CD 계측과 오버레이(overlay) 평가에 있어서, 지금까지 1장의 웨이퍼 내에서 수 점의 측정에서 벗어나, 웨이퍼 상의 샷(shot) 내, 칩(chip) 내, 메모리 셀(memory-cell) 내의 분포 평가까지 수행할 수 있다. 이에 의해, 반도체 소자의 제조 수율과 생산성 향상에 기여하고, 반도체 소자의 비용 저감에도 기여할 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는, 도 4의 엘립소미터(1)에 대한 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1 내지 도 12의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 14를 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터(2)는, 원 편광을 포함한 조명광(L1)을 이용한다는 점에서, 도 4의 엘립소미터(1)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 엘립소미터(2)는, 편광자부(18)를 포함할 수 있다. 편광자부(18)는, 조명광(L1)의 광축을 중심으로 하여 좌회전 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광을 생성하는 원 편광자를 포함할 수 있다. 편광자부(18)의 원 편광자는, 직선 편광자(H1) 및 λ/4 파장판(H3)을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 엘립소미터(2)는, 검광자부(44)를 포함할 수 있다. 검광자부(44)는, 좌회전 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광 성분을 투과시키는 원 편광자를 포함할 수 있다. 검광자부(44)의 원 편광자는, 직선 편광자(H2) 및 λ/4 파장판(H4)을 포함할 수 있다.
나아가, 본 실시예의 엘립소미터(2)는, 편광 광학 소자부(31)를 포함할 수 있다. 편광 광학 소자부(31)는, 복굴절 결정(F1)을 포함할 수 있다. 복굴절 결정(F1)은, 집광 광학계(20)에서, 반사광(R1)이 집광 또는 확산되는 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 복굴절 결정(F1)은, 하부 릴레이 렌즈(21)와 상부 릴레이 렌즈(22)의 사이에서, 반사광(R1)이 확산되는 위치에 배치될 수 있다. 복굴절 결정(F1)은, 평행 평판 형상을 가질 수 있다. 따라서, 복굴절 결정(F1)은, 평행한 2개의 판면을 포함할 수 있다. 복굴절 결정(F1)은, 1축성 복굴절 결정일 수 있다. 복굴절 결정(F1)의 결정 광학축은, 판면에 직교하는 방향으로 배치될 수 있다. 복굴절 결정(F1)은, 판면이 광축에 직교하도록 배치될 수 있다. 따라서, 복굴절 결정(F1)의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 평행할 수 있다. 복굴절 결정(F1)은, 예컨대, 재료로서 αBBO를 포함할 수 있다. 또한, 복굴절 결정(F1)은 수정, 불화 마그네슘, 사파이어, 방해석 중 어느 하나를 포함할 수도 있다.
본 실시예의 엘립소미터(2)에서, 조명 렌즈(14)에 의해 평행광으로 변환된 조명광(L1)은, 직선 편광자(H1)를 투과하면서 직선 편광을 포함하게 된다. 이 후, 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)은, λ/4 파장판(H3)을 투과함으로써, 원 편광을 포함하는 조명광(L1)이 될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 조명광(L1)은, 타원 편광을 포함할 수도 있다.
조명광(L1)은, 빔 스플리터(16)를 거쳐 대물 렌즈(17)를 투과할 수 있다. 이에 의해, 대물 렌즈(17)의 NA 내의 모든 각도와 모든 방위로부터 시료(50)를 조명할 수 있다. 이때, 대물 렌즈(17)의 NA는, 시료(50)의 브루스터 각을 포함하는 값 이상일 수 있다.
시료(50)에서 반사된 반사광(R1)은, 방사형(radial) 편광 및 방위각(azimuth) 편광을 포함할 수 있다. 반사광(R1)은, 대물 렌즈(17)의 동공 위치(23)를 통과할 수 있다. 동공 위치(23)와 공역인 동공 공역 위치(24)는, 릴레이 렌즈(21, 22)에 의해, 화상 검출기(42) 상에 결상될 수 있다.
도 15는, 도 14의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 방사형 편광과 방위각 편광에 대한 개념도들이다. 도 14를 함께 참조하여 설명한다.
도 15를 참조하면, 반사광(R1)에 포함된 방사형 편광 및 방위각 편광이 복굴절 결정(F1)을 투과하였을 때의 작용을 고려해 보자. 우선, 방위각 편광은, 항상 복굴절 결정(F1)의 결정 광학축에 수직이다. 따라서, 방위각 편광은 상광(常光)일 수 있다. 한편, 방사형 편광은, 광축(C) 이외에서 편광 방향이 광축(C)에 대해 기울어져 있다. 이 때문에, 방사형 편광은, 복굴절 결정(F1)의 결정 광학축과 전기장이 평행이 되는 이상광(異常光)을 포함할 수 있다.
도 16은, 도 14의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도로서, 방사형 편광 및 방위각 편광의 전파 상태를 설명하기 위해, 검광자부의 직선 편광자 및 λ/4 파장판은 생략되어 있다.
도 16을 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터(2)의 편광 광학 소자부(31)에 있어서, 복굴절 결정(F1)을 투과하는 방사형 편광 및 방위각 편광은, 굴절률의 차이에 따라 진행 방향과 위상이 상대적으로 다를 수 있다. 즉, 이상광을 포함하는 방사형 편광은, 상광을 포함하는 방위각 편광보다 광축(C)으로부터 멀어지는 방향으로 확산되어 진행될 수 있다. 한편, 복굴절 결정(F1)을 투과한 후에는, 방사형 편광 및 방위각 편광은 서로 평행하게 시프트하여 진행할 수 있다.
그리고 상부 릴레이 렌즈(22)를 투과한 후에는, 방사형 편광 및 방위각 편광은 화상 검출기(42) 상(동공 상)의 같은 점으로 다시 복귀할 수 있다. 여기서, 주의할 점은, 2개의 편광의 위상차도 각각 다른 양만큼 지연된다는 점이다. 광축(C) 상에서는 방사형 편광 및 방위각 편광은 같은 위상이지만, 화상 검출기(42) 상(동공 상)의 주변부로 갈수록 위상이 달라질 수 있다.
화상 검출기(42)와 상부 릴레이 렌즈(22)의 사이에, λ/4 파장판(H4) 및 직선 편광자(H2)를 포함하는 검광자부(44)가 배치될 수 있다. 검광자부(44)는, 방사형 편광 및 방위각 편광의 공통의 편광 성분만을 투과시킬 수 있다. 이에 의해, 검광자부(44)를 투과한 방사형 편광 및 방위각 편광은 간섭을 일으켜, 화상 검출기(42) 상에 동심원 형태의 간섭무늬를 형성할 수 있다. 여기서, 방사형 편광은, 예컨대, 반도체 웨이퍼 등의 시료(50) 상에서 P 편광에 대응하고, 방위각 편광은, 시료(50) 상에서 S 편광에 대응할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 엘립소미터(2)는, 전방위(全方位)에 걸쳐 P 편광과 S 편광에 대한 엘립소메트리 계측을 가능하게 하며, 대칭성에 의해 계측 대상의 구조에 의존하지 않고 고감도의 계측을 할 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는, 도 4의 엘립소미터(1) 및 도 13의 반도체 소자 검사 장치(1A)에 대한 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1 내지 도 16의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 17을 참조하면, 전술한 도 14의 엘립소미터(2)에서, 방사형 편광 및 방위각 편광의 광로 길이차가 0인 위치는, 집광 광학계(20)의 광축(C) 상이다. 그에 반해, 본 실시예의 엘리소미터(3)에서는, 방사형 편광 및 방위각 편광의 광로 길이차가 0인 위치를 동공 상에서 보다 주변에 배치시킬 수 있고, 이에 의해, 간섭무늬의 줄무늬 개수를 조밀하게 하여 계측할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예의 엘립소미터(3)는, 편광 광학 소자부(32)를 포함할 수 있다. 편광 광학 소자부(32)는, 하부 복굴절 결정(F1) 외에 상부 복굴절 결정(F2)을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F2)은, 상부 릴레이 렌즈(22)와 검광자부(44)의 사이에 배치될 수 있다. 상부 복굴절 결정(F2)은, 입사면 및 출사면을 갖는 판형인데, 입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 가질 수 있다. 상부 복굴절 결정(F2)은, 말하자면 양면 액시콘 렌즈(axicon lens) 형상을 가질 수 있다. 상부 복굴절 결정(F2)은, 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F2)의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 평행할 수 있다.
상부 복굴절 결정(F2)은, 복굴절성이 하부 복굴절 결정(F1)과 반대일 수 있다. 구체적으로, 하부 복굴절 결정(F1) 및 상부 복굴절 결정(F2)은, 상광의 굴절률(n0)(이하, n0로 나타냄)<이상광의 굴절률(ne)(이하, ne로 나타냄), 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 가질 수 있다. 예컨대, 하부 복굴절 결정(F1)이 부결정(n0>ne)이면, 상부 복굴절 결정(F2)은 정결정(n0<ne)일 수 있다. 반대로, 하부 복굴절 결정(F1)이 정결정(n0<ne)이면, 상부 복굴절 결정(F2)은 부결정(n0>ne)일 수 있다.
도 18은, 도 17의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬에 대한 사진, 및 방사형 편광과 방위각 편광에 대한 개념도들이고, 도 19는, 도 17의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 하부 복굴절 결정(F1)에 상부 복굴절 결정(F2)를 더함으로써, 화상 검출기(42) 상에서, 방사형 편광 및 방위각 편광의 광로 길이차가 0인 위치를 광축(C)보다 외측의 위치로 이동시킬 수 있다. 한편, 도 19에서, 방사형 편광 및 방위각 편광의 전파 상태를 설명하기 위해, 검광자부(44)의 직선 편광자(H2) 및 λ/4 파장판(H4)은 생략되어 있다.
도 20 내지 도 23은, 도 17의 엘립소미터에서, 변형예에 따른 편광 광학 소자부에 대한 개념도들이다. 도 17을 함께 참조하여 설명하고, 도 17 내지 도 19의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 20 내지 도 23의 편광 광학 소자부들(33~36)이 도 19의 편광 광학 소자부(32)와 다른 구성을 취한 경우에서도, 도 19의 편광 광학 소자부(32)와 같은 원리에 의해, 방사형 편광 및 방위각 편광의 동심원 형태의 간섭무늬를 화상 검출기(42) 상에 형성할 수 있다.
도 20을 참조하면, 제1 변형예의 편광 광학 소자부(33)는, 하부 복굴절 결정(F1), 및 상부 복굴절 결정(F3)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 변형예의 편광 광학 소자부(33)는, 도 17의 엘립소미터(3)의 편광 광학 소자부(32)의 구성에서, 상부 복굴절 결정(F2)을 생략함과 아울러, 하부 복굴절 결정(F1)과 상부 릴레이 렌즈(22)의 사이에 상부 복굴절 결정(F3)이 배치될 수 있다. 따라서, 상부 복굴절 결정(F3)은, 집광 광학계(20)의 반사광(R1)이 집광 또는 확산되어 있는 영역에 배치될 수 있다. 상부 복굴절 결정(F3)은, 평행 평판 형상의 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F3)은, 평행한 2개의 판면을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F3)의 결정 광학축은, 판면에 직교할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F3)은, 판면이 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하도록 배치될 수 있다. 상부 복굴절 결정(F3)의 결정 광학축은, 광축(C)에 평행할 수 있다.
상부 복굴절 결정(F3)은, 복굴절성이 하부 복굴절 결정(F1)과 반대일 수 있다. 구체적으로, 하부 복굴절 결정(F1) 및 상부 복굴절 결정(F3)은, n0<ne 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 가질 수 있다. 예컨대, 하부 복굴절 결정(F1)이 부결정(n0>ne)이면, 상부 복굴절 결정(F3)은 정결정(n0<ne)일 수 있다. 반대로, 하부 복굴절 결정(F1)이 정결정(n0<ne)이면, 상부 복굴절 결정(F3)은 부결정(n0>ne)일 수 있다.
도 21을 참조하면, 제2 변형예의 편광 광학 소자부(34)는, 양면 액시콘 렌즈 형상의 상부 복굴절 결정(F2) 및 메니스커스 렌즈(meniscus lens) 형상의 하부 복굴절 결정(F4)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 변형예의 편광 광학 소자부(34)는, 도 17의 엘립소미터(3)의 편광 광학 소자부(32)의 구성에서, 하부 복굴절 결정(F1) 대신에, 하부 릴레이 렌즈(21)와 상부 릴레이 렌즈(22)의 사이에 배치된 하부 복굴절 결정(F4)을 포함할 수 있다. 따라서, 하부 복굴절 결정(F4)은, 집광 광학계(20)의 반사광(R1)이 집광 또는 확산되어 있는 영역에 배치될 수 있다. 하부 복굴절 결정(F4)은, 입사면 및 출사면을 포함할 수 있다. 하부 복굴절 결정(F4)은, 입사면이 오목면의 구면 형상을 가지며 출사면이 볼록면의 구면 형상을 가질 수 있다. 하부 복굴절 결정(F4)은, 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 하부 복굴절 결정(F4)의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 평행하게 되도록 배치될 수 있다.
하부 복굴절 결정(F4)은, 복굴절성이 상부 복굴절 결정(F2)과 반대일 수 있다. 구체적으로, 상부 복굴절 결정(F2) 및 하부 복굴절 결정(F4)은, n0<ne 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 가질 수 있다. 예컨대, 상부 복굴절 결정(F2)이 부결정(n0>ne)이면, 하부 복굴절 결정(F4)은 정결정(n0<ne)일 수 있다. 반대로, 상부 복굴절 결정(F2)이 정결정(n0<ne)이면, 하부 복굴절 결정(F4)은 부결정(n0>ne)일 수 있다.
도 22를 참조하면, 제3 변형예의 편광 광학 소자부(35)는, 하부 복굴절 결정(F1), 상부 복굴절 결정(F5), 및 액시콘 렌즈(25, 26)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제3 변형예의 편광 광학 소자부(35)는, 도 17의 엘립소미터(3)의 구성에서, 양면 액시콘 렌즈 형상의 상부 복굴절 결정(F2) 대신에, 요철의 액시콘 렌즈(25, 26) 사이에 평행 평판 형상의 상부 복굴절 결정(F5)을 배치한 구성을 가질 수 있다. 상부 복굴절 결정(F5)은, 평행 평판 형상의 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F5)은, 평행한 2개의 판면을 포함할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F5)의 결정 광학축은, 판면에 직교할 수 있다. 상부 복굴절 결정(F5)은, 판면이 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하도록 배치될 수 있다. 상부 복굴절 결정(F5)의 결정 광학축은, 광축(C)에 평행할 수 있다.
하부 액시콘 렌즈(25)는, 상부 릴레이 렌즈(22)와 상부 복굴절 결정(F5)의 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 하부 액시콘 렌즈(25)는, 상부 복굴절 결정(F5)의 입사면 측에 배치될 수 있다. 하부 액시콘 렌즈(25)는, 재료로서, 예컨대, 유리를 포함할 수 있다. 하부 액시콘 렌즈(25)는, 입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며, 출사면이 평면 형상을 가질 수 있다.
상부 액시콘 렌즈(26)는, 상부 복굴절 결정(F5)과 검광자부(44)의 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 상부 액시콘 렌즈(26)는, 상부 복굴절 결정(F5)의 출사면 측에 배치될 수 있다. 상부 액시콘 렌즈(26)는, 재료로서, 예컨대, 유리를 포함할 수 있다. 상부 액시콘 렌즈(26)는, 입사면이 평면 형상을 가지며, 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 가질 수 있다.
상부 복굴절 결정(F5)은, 복굴절성이 하부 복굴절 결정(F1)과 반대일 수 있다. 구체적으로, 하부 복굴절 결정(F1) 및 상부 복굴절 결정(F5)은, n0<ne 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 가질 수 있다. 예컨대, 하부 복굴절 결정(F1)이 부결정(n0>ne)이면, 상부 복굴절 결정(F5)은 정결정(n0<ne)일 수 있다. 반대로, 하부 복굴절 결정(F1)이 정결정(n0<ne)이면, 상부 복굴절 결정(F5)은 부결정(n0>ne)일 수 있다.
도 23을 참조하면, 제4 변형예의 편광 광학 소자부(36)는, 상부 복굴절 결정(F2), 하부 복굴절 결정(F6), 및 중간 복굴절 결정(F7)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제4 변형예의 편광 광학 소자부(36)는, 도 17의 엘립소미터(3)의 구성에서, 하부 복굴절 결정(F1) 대신에, 하부 복굴절 결정(F6)과 중간 복굴절 결정(F7)을 포함할 수 있다. 따라서, 하부 복굴절 결정(F6)과 중간 복굴절 결정(F7)은, 집광 광학계(20)의 반사광(R1)이 집광 또는 확산되어 있는 영역에 배치될 수 있다. 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)은, 평행 평판 형상의 1축성 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)은, 각각 평행한 2개의 판면을 포함할 수 있다. 하부 복굴절 결정(F6)의 결정 광학축, 및 중간 복굴절 결정(F7)의 결정 광학축은, 판면에 평행할 수 있다. 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)은, 판면이 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하도록 배치될 수 있다. 하부 복굴절 결정(F6)의 결정 광학축, 및 중간 복굴절 결정(F7)의 결정 광학축은, 집광 광학계(20)의 광축(C)에 직교하며, 또한 서로 직교할 수 있다.
하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)은, 복굴절성이 상부 복굴절 결정(F2)과 반대일 수 있다. 구체적으로, 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)과, 상부 복굴절 결정(F2)은, n0<ne 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 가질 수 있다. 예컨대, 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)이 부결정(n0>ne)이면, 상부 복굴절 결정(F2)은 정결정(n0<ne)이다. 반대로, 하부 복굴절 결정(F6) 및 중간 복굴절 결정(F7)이 정결정(n0<ne)이면, 상부 복굴절 결정(F2)은 부결정(n0>ne)일 수 있다. 이와 같이, 도 17의 엘립소미터(3), 및 제1 내지 제4 변형예들에 있어서, 편광 광학 소자부들(32 ~ 36)은, n0<ne 및 n0>ne의 서로 반대의 복굴절성을 갖는 복수의 복굴절 결정을 포함할 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는, 도 4의 엘립소미터(1), 도 13의 반도체 소자 검사 장치(1A), 및 도 14의 엘립소미터(2)에 대한 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘립소미터를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1 내지 도 23의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 24를 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터(4)에서, 편광자부(15)는 직선 편광자(H1)를 포함하고, 검광자부(41)는 직선 편광자(H2)를 포함할 수 있다. 편광 광학 소자부(37)는, 노마스키 프리즘(131, 132)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 편광 광학 소자부(37)는, n0<ne인 양의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정과 n0>ne인 음의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정을 포함하는 하부 노마스키 프리즘(131)과, 양의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정과 음의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정을 포함하는 상부 노마스키 프리즘(132)을 포함할 수 있다. 따라서, 편광 광학 소자부(37)는, 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)이 시료(50)의 측정면에서 반사된 반사광(R1)을, 서로 직교하는 직선 편광 방향의 2개의 직선 편광 성분으로 분리할 수 있다. 검광자부(41)는, 각 편광 방향과 다른 방향에서의 2개의 직선 편광 성분을 투과시켜 간섭시키며, 간섭무늬를 형성할 수 있다. 화상 검출기(42)는, 간섭무늬를 검출할 수 있다. 해석 장치(43)는, 검출한 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출할 수 있다.
도 25는, 도 24의 엘립소미터에서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬의 사진, 및 X 편광과 Y 편광에 대한 개념도들이고, 도 1의 엘립소미터에서의 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭무늬의 사진도 함께 보여주고 있다. 도 24를 함께 참조하여 설명한다.
도 25를 참조하면, 본 실시예의 엘립소미터(4)는, 도 4, 도 14, 및 도 17의 엘립소미터(1 ~ 3)와 달리, X 편광과 Y 편광의 간섭무늬를 동공 상에서 1차원 형상으로 세로 줄무늬로 형성시킬 수 있다. 다만, 2종류 이상의 복굴절성이 다른 결정을 이용함으로써, 2개의 편광의 분리각을 파장마다 바꿀 수 있다. 보다 구체적으로, 노마스키 프리즘(131, 132)은, 화상 검출기(42)의 직전에서의 2개의 편광의 분리 각도가, 장파장 측이 크고 단파장에서는 작아지도록 배치될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 엘립소미터(4)는, 색소실 노마스키 프리즘(132)을 포함함으로써, 비교예의 엘립소미터(101)에 비해 X축 방향으로 양단의 콘트라스트의 저하를 억제할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 간섭무늬의 간격의, 파장의 차이에 의한 변화를 줄일 수 있다. 따라서, 광대역의 광원을 이용한 계측에서도, 지금까지의 방법보다 간섭무늬의 간격을 좁히거나 파장 폭을 넓히는 것이 가능할 수 있다.
도 26은, 복굴절 결정의 각 재료에서의 복굴절성의 파장 의존성을 보여주는 그래프로서, x축은 파장을 나타내고, y축은 복굴절성을 나타낸다.
도 26을 참조하면, 그래프는, (n0-ne)/{(n0+ne)/2}의 값을, 파장이 400nm인 경우에, 1이 되도록 규격화하고, αBBO, 수정(Quartz), 불화 마그네슘(MgF2), 사파이어(Al2O3), 방해석(Calcit)의 각 재료로 노마스키 프리즘을 구성한 경우의 편광 분리각의 파장 의존성을 나타내고 있다. 그래프에 도시된 바와 같이, 불화 마그네슘이 비교적 편광 분리각의 파장 의존성이 작고, 방해석이 편광 분리각의 파장 의존성이 클 수 있다. 간섭무늬의 줄무늬 피치는 조명광의 복수의 파장에서 같은 값일 수 있다.
도 27은, 도 24의 엘립소미터에서, 편광 광학 소자부에 대한 개념도이다. 도 24를 함께 참조하여 설명한다.
도 27을 참조하면, 상부의 노마스키 프리즘(132)을 방해석으로 하고, 하부의 노마스키 프리즘(131)을 불화 마그네슘으로 구성하면, 화상 검출기(42) 직전의 편광 분리각은, 장파장 측에서 크고 단파장 측에서 작아질 수 있다. 이와 같이 설계함으로써, 간섭무늬의 간격의 파장 의존성을 작게 할 수 있다. 그 이외의 구성 및 효과는, 도 4의 엘립소미터(1), 도 13의 반도체 소자 검사 장치(1A), 도 14와 도 17의 엘립소미터(2, 3), 및 도 20 내지 도 23의 변형예들에 대한 설명 부분에서 설명한 바와 같다.
본 발명의 기술적 사상은, 전술한 실시예들에 한정된 것은 아니며, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예컨대, 도 4, 도 13, 도 14, 도 17, 및 도 20 내지 도 23의 실시예들의 각 구성은 서로 조합할 수 있다. 또한, 도 14, 도 17, 도 20 내지 도 23, 및 도 24의 실시예들의 엘립소미터를 구비한 반도체 소자 검사 장치도, 본 발명의 기술적 사상에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 직선 편광의 광을 대물 렌즈에 투과시켜 측정 시료를 복수의 입사각과 입사 방위로부터 동시에 조명하고, 측정 시료에서 반사된 반사광을 대물 렌즈에 입사시키며, 릴레이 렌즈와 편광 광학 소자부를 투과시킨 후, 대물 렌즈의 동공 공역 위치에 배치된 화상 검출기에서 수광한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 편광 광학 소자부는 적어도 2개의 1축성 복굴절 결정과 직선 편광자로 구성되고, 1축성 복굴절 결정은 결정 광학축이 서로 수직이며 광축에 대해 수직인 2개가 조합되고, 시료에서 반사 시에 2개의 편광 성분이었던 광에 대해 광축을 중심으로 한 방사 방향으로 분리한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 1축성 복굴절 결정은, 각각 적어도 한쪽 면이 볼록면 혹은 오목면인 구면이며, 2개가 조합된 상태에서는 굴절력을 가지지 않는다. 화상 검출기의 직전에 있는 직선 편광자에 의해, 1축성 복굴절 결정에서 분리된 2개의 편광 성분은, 화상 검출기 상에서 서로 간섭을 일으켜, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성한다. 얻어진 간섭무늬 화상의 콘트라스트와 위상 정보를 처리하여 엘립소메트리 계측 결과의 Ψ과 Δ를 구한다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 2, 3, 4, 101: 엘립소미터, 1A: 반도체 소자 검사 장치, 10, 110: 조명 광학계, 11, 111: 광원, 12, 112: 분광기, 13, 113: 파이버, 14, 114: 조명 렌즈, 15, 18: 편광자부, 16, 116: 빔 스플리터, 17, 117: 대물 렌즈, 20, 120: 집광 광학계, 21, 22, 121, 122: 릴레이 렌즈, 23: 동공 위치, 24: 동공 공역 위치, 25, 26: 액시콘 렌즈, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37: 편광 광학 소자부, 40, 140: 수광 광학계, 41, 44: 검광자부, 42, 142: 화상 검출기, 43, 143: 해석 장치, 50: 시료, 80: 베이스, 81: 아이솔레이터, 82: 광학정반, 83: 스테이지, 84: 웨이퍼 홀더, 85: 프레임, 86: 환경 챔버, 87: 온도 컨트롤러 유닛, 88: 기판 자동 반송 장치, 91: 제어부, 92: 그래버 보드, 93: 스테이지 컨트롤러, 94: 광원-분광기 컨트롤러, 115: 편광자, 130: 편광 광학 소자, 131, 132: 노마스키 프리즘, 141: 검광자, C: 광축, H1, H2: 직선 편광자, H3, H4: λ/4 파장판, F1, F2: 복굴절 결정, L1: 조명광, R1: 반사광, W10, W20: 월라스톤 렌즈

Claims (20)

  1. 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분을, 상기 반사광의 광학계의 광축을 중심으로 한 방사(放射) 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부;
    상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부;
    상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기; 및
    검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치;를 포함한, 엘립소미터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 조명광을 생성하는 광원;
    상기 광원으로부터 생성된 상기 조명광이 입사되고, 상기 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 상기 조명광을 투과시키는 편광자부;
    상기 조명광을 투과시킴과 아울러, 상기 조명광이 상기 시료의 상기 측정면에서 반사된 상기 반사광을 투과시키는 대물 렌즈; 및
    상기 대물 렌즈의 사출동을 상기 화상 검출기 상에 결상시키는 집광 광학계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 편광자부는, 직선 편광을 생성하는 직선 편광자를 포함하고,
    상기 검광자부는, 소정 방향의 직선 편광 성분을 투과시키는 직선 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는 월라스톤 렌즈(Wollaston lens)를 포함하고,
    상기 월라스톤 렌즈는, 서로 끼워맞춤하는 구면 형상을 갖는 2개의 1축성 복굴절 결정을 포함하고,
    2개의 상기 1축성 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 상기 광축에 직교하고, 또한 서로 직교하는 것을 특징으로 하는, 엘립소미터.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는 다른 월라스톤 렌즈를 더 포함하고,
    상기 편광 광학 소자부, 및 검광자부를 투과한 상기 반사광의 상기 2개의 편광 성분은, 상기 화상 검출기 상의 동일점에서 검출되는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 편광자부는, 상기 조명광의 광축을 중심으로 하여 좌회전, 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광을 생성하는 원 편광자를 포함하고,
    상기 검광자부는, 상기 좌회전, 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광 성분을 투과시키는 원 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는, 상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제1 복굴절 결정을 포함하고,
    상기 제1 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제1 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행한 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제1 복굴절 결정; 및
    입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며, 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 갖는 제2 복굴절 결정;을 포함하고,
    상기 제1 복굴절 결정, 및 제2 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제1 복굴절 결정의 결정 광학축, 및 제2 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행한 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제1 복굴절 결정; 및
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제3 복굴절 결정;을 포함하고,
    상기 제1 복굴절 결정, 및 상기 제3 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제1 복굴절 결정의 결정 광학축, 및 상기 제3 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행한 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치되고, 입사면이 오목면의 구면 형상을 가지며, 출사면이 볼록면의 구면 형상을 갖는 제4 복굴절 결정; 및
    입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며, 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 갖는 제2 복굴절 결정;을 포함하고,
    상기 제2 복굴절 결정, 및 제4 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제2 복굴절 결정의 결정 광학축, 및 제4 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행한 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제1 복굴절 결정;
    상기 평행 평판 형상을 갖는 제5 복굴절 결정;
    상기 제5 복굴절 결정의 입사면 측에 배치되고, 입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며, 출사면이 평면 형상을 갖는 제1 유리 기판; 및
    상기 제5 복굴절 결정의 출사면 측에 배치되고, 입사면이 평면 형상을 가지며, 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 갖는 제2 유리 기판;을 포함하고,
    상기 제1 복굴절 결정, 및 제5 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제1 복굴절 결정의 결정 광학축, 및 제5 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행한 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제6 복굴절 결정;
    상기 광학계에서 상기 반사광이 집광 또는 확산되는 위치에 배치된 평행 평판 형상을 갖는 제7 복굴절 결정; 및
    입사면이 오목한 원뿔 형상을 가지며, 출사면이 볼록한 원뿔 형상을 갖는 제2 복굴절 결정;을 포함하고,
    상기 제2 복굴절 결정, 제6 복굴절 결정, 및 제7 복굴절 결정은 1축성 복굴절 결정이며,
    상기 제2 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 광축에 평행하고,
    상기 제6 복굴절 결정의 결정 광학축, 및 상기 제7 복굴절 결정의 결정 광학축은, 상기 광학계의 상기 광축에 직교하고, 또한 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  13. 제6 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는, 상광(常光)의 굴절률(n0)<이상광(異常光)의 굴절률(ne), 및 상광의 굴절률(n0)>이상광의 굴절률(ne)의 서로 반대의 복굴절성을 갖는 복굴절 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 해석 장치는,
    상기 동심원 형태의 간섭무늬를 포함하는 화상에 대하여,
    동심원의 중심이 좌표 원점이 되도록 극좌표로 좌표 변환하고,
    상기 극좌표의 동경 및 편각을 축으로 하는 2차원 좌표 평면 상에서 2차원 푸리에 변환하며,
    상기 2차원 푸리에 변환 후의 주파수 공간 이미지에서, DC 성분과 AC 성분으로 나누어 트리밍하며,
    트리밍한 부분을 역푸리에 변환한 결과에 기초하여, Ψ와 Δ를 구하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  15. 직선 편광을 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광 성분으로 분리하는 편광 광학 소자부;
    상기 2개의 직선 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 줄무늬 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부;
    상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기; 및
    검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치;를 포함하고,
    상기 간섭무늬의 줄무늬 피치가 상기 조명광의 복수의 파장에서 동일한 값을 갖는, 엘립소미터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    상광의 굴절률(n0)<이상광의 굴절률(ne)인 양의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정과, 상광의 굴절률(n0)>이상광의 굴절률(ne)인 음의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정을 포함하는 제1 노마스키 프리즘(Nomarski prism); 및
    상기 양의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정과, 상기 음의 복굴절성을 갖는 1축성 복굴절 결정을 포함하는 제2 노마스키 프리즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  17. 엘립소미터;
    검사 대상인 반도체 소자가 배치된 스테이지; 및
    상기 엘립소미터의 일부와 상기 스테이지를 외부 환경으로부터 격리하는 환경 챔버;를 포함하고,
    상기 엘립소미터는,
    직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광이 시료의 측정면에서 반사된 반사광 중에서, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분을, 상기 반사광의 광학계의 광축을 중심으로 한 방사(放射) 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부,
    상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 서로 간섭시키며, 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는 검광자부,
    상기 간섭무늬를 검출하는 화상 검출기, 및
    검출한 상기 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 해석 장치를 포함하는, 반도체 소자 검사 장치.
  18. 직선 편광, 원 편광, 및 타원 편광 중 적어도 어느 하나를 포함하는 조명광으로 시료를 조명하는 조명 광학계;
    상기 조명광이 상기 시료의 측정면에서 반사된 반사광을 집광하는 집광 광학계;
    상기 반사광을, 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 편광 성분으로 분리하거나, 또는 상기 2개의 편광 성분을 상기 집광 광학계의 광축을 중심으로 한 방사 방향으로 분리하는 편광 광학 소자부; 및
    검광자부를 구비하고, 상기 검광자부를 통해 형성된 간섭무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ, Δ)를 산출하는 수광 광학계;를 포함하고,
    상기 검광자부는, 상기 2개의 편광 성분에 대하여, 각각의 상기 편광 방향과 다른 방향의 성분을 투과시켜 간섭시키며, 줄무늬 형태 또는 동심원 형태의 간섭무늬를 형성시키는, 엘립소미터.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 편광자부는,
    직선 편광을 생성하는 직선 편광자, 또는
    상기 조명광의 광축을 중심으로 하여 좌회전, 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광을 생성하는 원 편광자를 포함하고,
    상기 검광자부는,
    소정 방향의 직선 편광 성분을 투과시키는 직선 편광자, 또는
    상기 좌회전, 및 우회전 중 어느 하나로 회전하는 원 편광 성분을 투과시키는 원 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 편광 광학 소자부는,
    2개의 월라스톤 렌즈를 포함하는 제1 구성(도 4),
    1개의 복굴절 결정을 포함하는 제2 구성(도 14),
    2개의 복굴절 결정을 포함하는 제3 구성(도 17, 20, 21),
    2개의 복굴절 결정과 2개의 유리 기판을 포함하는 제4 구성(도 22)
    3개의 복굴절 결정을 포함하는 제5 구성(도 23), 및
    2개의 노마스키 프리즘을 포함하는 제6 구성(도 24) 중 어느 하나의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터.
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