KR20230099850A - 이미징 어셈블리 및 이를 포함하는 분광 영상 타원분광기 - Google Patents

이미징 어셈블리 및 이를 포함하는 분광 영상 타원분광기 Download PDF

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Abstract

분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리, 샘플 표면으로부터 반사된 반사광을 편광시키기 위한 분석기, 상기 분석기를 통과한 상기 반사광의 광로 상에 배치되며 오목면을 갖는 제1 미러 및 볼록면을 갖는 제2 미러를 포함하는 이미징 미러 광학계, 및 상기 이미징 미러 광학계를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기를 포함한다. 상기 반사광은 상기 제1 미러에 의해 1차 반사되고, 상기 1차 반사된 광은 상기 제2 미러에 의해 2차 반사되어 상기 제1 미러로 진행하고 상기 제2 미러에 의해 3차 반사되어 상기 광 검출기의 수광면에 결상된다.

Description

이미징 어셈블리 및 이를 포함하는 분광 영상 타원분광기{IMAGING ASSEMBLY AND SPECTRAL IMAGING ELLIPSOMETER INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이미징 어셈블리 및 이를 포함하는 분광 영상 타원분광기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 웨이퍼 표면으로부터 반사광을 결상하기 위한 이미징 어셈블리 및 이를 포함하는 분광 영상 타원분광기에 관한 것이다.
분광 타원편광 분석기술은 편광 빛을 시료에 조사하고 반사된 빛의 편광 상태 변화를 측정하는 기술이다. 파장에 따른 편광 변화(스펙트럼)는 시료의 물성 및 구조에 따라 다르다. 타원편광 분석기술을 통해 얻어진 스펙트럼을 이용하여 시료의 물성 및 구조 정보를 추출 및 계측할 수 있다. 분광 타원편광기는 상기 시료로부터 반사된 광을 결상하기 위하여 렌즈들을 포함하는 이미징 렌즈 광학계를 포함할 수 있다. 하지만, 광대역 파장에서의 광학 성능을 만족시키기 위하여 많은 수의 렌즈들이 사용되어 투과율이 저하되어 계측 속도가 저하되고, 색수차가 발생하여 파장별 포커스 편차가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 향상된 투과율을 제공하며 색수차 발생을 방지할 수 있는 광대역 고효율 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 이미징 미러 광학계를 포함하는 광대역 고효율 분광 영상 타원편광기를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리, 샘플 표면으로부터 반사된 반사광을 편광시키기 위한 분석기, 상기 분석기를 통과한 상기 반사광의 광로 상에 배치되며 오목면을 갖는 제1 미러 및 볼록면을 갖는 제2 미러를 포함하는 이미징 미러 광학계, 및 상기 이미징 미러 광학계를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기를 포함한다. 상기 반사광은 상기 제1 미러에 의해 1차 반사되고, 상기 1차 반사된 광은 상기 제2 미러에 의해 2차 반사되어 상기 제1 미러로 진행하고 상기 제2 미러에 의해 3차 반사되어 상기 광 검출기의 수광면에 결상된다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기는, 샘플 표면에 방향이 변화하는 편광을 조사하기 위한 광 조사부, 상기 샘플 표면으로부터 반사된 반사광을 편광시키기 위한 분석기, 상기 분석기를 통과한 상기 반사광의 광로 상에 배치되며 오목면을 갖는 제1 미러 및 볼록면을 갖는 제2 미러를 포함하는 이미징 미러 광학계, 상기 이미징 미러 광학계를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기, 및 상기 광 조사부 및 상기 분석기의 동작을 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러의 곡률 반경들의 중심들은 하나의 점에 일치하도록 배열되고, 상기 제1 및 제2 미러들에서 적어는 3번의 반사들이 이루어진다.
예시적인 실시예들에 따르면, 분광 영상 타원분광기는 웨이퍼 표면 상의 다중 지점들(multiple points)에 대하여 편광 성분을 갖는 광을 조사하기 위한 광 조사부 및 상기 웨이퍼로부터 반사된 반사광을 수광하여 복수 개의 지점들 각각에서 편광 상태에 따른 영상을 검출하기 위한 이미징 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 광 조사부는 광대역 파장에서 단파장 대역을 분리하기 위한 단색기를 포함하고, 상기 이미지 어셈블리는 상기 반사광을 편광시키기 위한 분석기, 상기 분석기를 통과한 상기 반사광의 광로 상에 배치되는 이미징 미러 광학계, 및 상기 이미징 미러 광학계를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기로서의 2차원 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 이미징 미러 광학계는 적어도 2개의 미러들로 구성된 미러 기반(mirror-based)의 결상 광학계일 수 있다. 상기 미러 기반의 결상 광학계를 사용할 경우, 상기 광학계의 투과율을 향상시켜 단파장 대역에서의 계측 민감도 및 광대역 파장 대역에서의 계측 속도를 향상시키고, 색수차 발생을 감소시켜 파장별 포커스 편차를 최소화할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원분광기를 나타내는 블록도이다.
도 2은 도 1의 분광 영상 타원분광기의 광 검출기에 의해 검출된 파장에 따른 분광 이미지들을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 분광 영상 타원분광기의 처리기에 의해 형성된 분광 매트릭스를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 하나의 픽셀에서의 파장에 따른 광량 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 검출부의 이미징 미러 광학계를 나타내는 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원분광기를 나타내는 블록도이다. 도 2은 도 1의 분광 영상 타원분광기의 검출기에 의해 검출된 파장에 따른 분광 이미지들을 나타내는 도면이다. 도 3은 도 1의 분광 영상 타원분광기의 처리기에 의해 형성된 분광 매트릭스를 나타내는 도면이다. 도 4는 도 2의 하나의 픽셀에서의 파장에 따른 광량 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 분광 영상 타원분광기(10)는 웨이퍼(W)와 같은 샘플 표면(A) 상에 방향이 변화하는 편광(Li)을 조사하기 위한 광 조사부(20) 및 상기 웨이퍼로부터 반사된 광(Lf)을 수광하여 샘플 표면(A)의 복수 개의 지점들 각각에서 편광 상태에 따른 영상을 검출하기 위한 검출부(30)를 포함할 수 있다. 또한, 분광 영상 타원분광기(10)는 광 조사부(20) 및 검출부(30)의 동작을 제어하기 위한 제어기(40), 검출된 영상의 데이터를 처리하기 위한 프로세서(42) 및 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 스테이지(50)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 분광 영상 타원분광기(10)는 웨이퍼 표면 상의 하나의 지점(point)이 아닌 다중 지점들(multiple points)을 측정하는 면 측정 방식의 영상 타원분광 장치일 수 있다. 또한, 분광 영상 타원 분광기(10)는 미세화된 반도체 구조, 두께, 물성 등에 대한 원하는 정보를 획득하기 위하여 광대역 파장의 광을 웨이퍼 표면에 조사할 수 있다. 이러한 영상 타원분광을 위하여, 광 조사부(20)는 광대역 파장에서 단파장 대역을 분리하기 위한 단색기(monochromator)(23)를 포함하고, 광 검출기(36)는 2차원 이미지 센서로서의 카메라를 포함할 수 있다.
웨이퍼(W)는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 기판은 실리콘, 스트레인 실리콘(strained Si), 실리콘 합금, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 게르마늄 카바이드(SiGeC), 게르마늄, 게르마늄 합금, 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 아세나이드(InAs) 및 III-V 반도체, II-VI 반도체 중 하나, 이들의 조합물, 이들의 적층물을 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 반도체 기판이 아닌 유기(organic) 플라스틱 기판일 수도 있다.
웨이퍼(W)는 스테이지(50) 상에 지지될 수 있다. 스테이지(50)는 계측 공정 중에 웨이퍼(W)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 스테이지(50)는 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 웨이퍼(W)를 이동시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광 조사부(20)는 웨이퍼(W) 표면을 향하여 방향이 변화하는 편광(Li)을 입사시킬 수 있다. 광 조사부(20)는 웨이퍼(W) 표면에 대하여 일정 각도로 편광(Li)을 입사시킬 수 있다. 측정 광 조사부(20)는 광원 어셈블리(21) 및 조명 어셈블리(24)를 포함할 수 있다. 광원 어셈블리(21)는 광원(22) 및 단색기(23)를 포함하고, 조명 어셈블리(24)는 조명 광학계(25), 제1 편광자로서의 편광기(polarizer)(26) 및 제2 편광자로서의 보상기(compensator)(28)를 포함할 수 있다.
광원(22)은 광대역의 광(broadband light)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 광원(22)은 가시광선을 방출할 수 있다. 상기 광의 파장대역은 측정 대상물에 따라 가변될 수 있으며, 통상적으로 UV 대역으로부터 NIR 대역까지의 대역폭을 가질 수 있다. 단색기(23)은 광원(22)으로부터 발생된 광으로부터 특정 파장의 광을 추출할 수 있다. 예를 들면, 단색기(23)는 광대역 광으로부터 단색광을 추출하여 조명 어셈블리(24)를 통해 상기 단색광을 조명할 수 있다.
광원 어셈블리(21)로부터 방출된 광은 조명 어셈블리(24) 내의 입사광(Li)의 경로를 따라 이동할 수 있다. 광원 어셈블리(21)로부터 조명 어셈블리(24) 내로 방출된 광은 조명 광학계(25)의 콜리메이터 렌즈에 의해 평행광으로 변환될 수 있다. 조명 어셈블리(24)의 조명 바디는 입사광(Li)의 경로와 동일한 방향으로 연장하고, 상기 조명 바디에는 편광기(26) 및 보상기(28)가 고정 설치될 수 있다. 입사광(Li)은 편광기(26) 및 보상기(28)를 거쳐 스테이지(50) 상에 놓여있는 웨이퍼(W)의 측정 영역(A)에 조사될 수 있다.
편광기(26)는 입사광(Li)의 편광 방향을 조절할 수 있다. 편광기(26)는 편광 방향을 조정할 수 있는 회전부를 포함하며, 제1 각도로 회전할 수 있다. 편광기(26)의 상기 제1 각도는 일정한 값을 갖도록 유지될 수 있다. 이와 다르게, 편광기(26)는 제어기(40)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어기(40)는 편광기(26)의 상기 제1 각도를 조정할 수 있다.
보상기(28)는 입사광(Li)의 위상차를 조절할 수 있다. 보상기(28)는 회전부를 포함하며, 제2 각도로 회전할 수 있다. 보상기(28)는 상기 회전부를 이용하여 입사광(Li)의 위상차를 조절할 수 있다. 보상기(28)는 제어기(40)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제어기(40)는 보상기(28)의 상기 제2 각도를 조정할 수 있다. 이에 따라, 광원(22)으로부터 발생된 광에서 추출된 단색광으로서의 입사광(Li)은 웨이퍼(W) 상의 측정 영역(A)에 조사되고, 웨이퍼(W)에서 반사된 반사광(Lr)은 검출부(30)의 이미징 어셈블리(31)로 이동할 수 있다.
검출부(30)는 웨이퍼(W)로부터 반사된 광(Lf)을 수광하여 편광 변화에 따른 샘플 표면(A)의 2차원 영상을 검출할 수 있다. 검출부(30)는 이미징 어셈블리(31)에 구비된 제3 편광자로서의 분석기(analyzer)(32), 이미징 미러 광학계(34) 및 광 검출기(36)를 포함할 수 있다. 이미징 어셈블리(31)의 출사 바디에는 분석기(32), 이미징 미러 광학계(34) 및 광 검출기(36)가 고정 설치될 수 있다.
분석기(32)는 웨이퍼(W)에 반사된 반사광(Li)의 편광 방향을 조절할 수 있다. 분석기(32)는 회전부를 포함하며, 제3 각도로 회전할 수 있다. 분석기(32)는 제어기(40)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제어기(40)는 분석기(32)의 상기 제3 각도를 조정할 수 있다. 분석기(32)는 상기 제3 각도에 맞는 선형 편광 성분만을 투과시킬 수 있다.
이미징 미러 광학계(34)는 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)을 광 검출기(36)의 수광면에 결상시킬 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)는 공역 평면들(conjugate planes)로서의 물체면 및 결상면을 가질 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)의 상기 물체면은 웨이퍼(W) 표면에 위치하고, 이미징 미러 광학계(34)의 상기 결상면은 광 검출기(36)의 상기 수광면에 위치할 수 있다.
이미징 미러 광학계(34)는 상대적으로 긴 작업 거리(WD, working distance)를 가질 수 있다. 분석기(32)는 상기 물체면과 이미징 미러 광학계(34) 사이에 위치할 수 있다. 분석기(32)의 회전부는 상기 제3 각도를 조정하기 위한 중공형 모터를 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 중공형 모터의 크기를 고려하여, 이미징 미러 광학계(34)는 상대적으로 긴 작업 거리를 갖도록 설계될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이미징 미러 광학계(34)는 적어도 2개의 미러들로 구성된 미러 기반(mirror-based)의 결상 광학계일 수 있다. 기존의 렌즈 기반(lens-based)의 광학계의 경우, 광대역 파장의 광학 성능을 만족시키기 위하여 많은 수(예를 들면, 8매 내지 16매)의 렌즈들이 사용되므로 투과율이 저하되고 색수차가 발생할 수 있다. 하지만, 상기 미러 기반의 결상 광학계를 사용할 경우, 색수차를 최소화하고 단파장 영역의 투과율을 확보할 수 있다.
광 검출기(36)는 이미징 미러 광학계(34)를 통과한 반사광(Lr)으로부터 분광 이미지(spectral image)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(36)는 특정 파장에 대한 분광 이미지를 검출할 수 있다. 광 검출기(36)는 반사광(Lr)을 감지할 수 있는 2차원 이미지 센서로서의 카메라를 포함할 수 있다.
제어기(40)는 단색기(23), 편광기(26), 보상기(28), 분석기(32), 광 검출기(36) 및 프로세서(42)와 연결되어 이들의 동작들을 제어할 수 있다. 제어기(40)는 프로세서(42)로부터 PCA 각도 세트를 입력받을 수 있다. 상기 PCA 각도 세트는 상기 제1 내지 제3 각도들을 포함할 수 있다. 제어기(40)는 상기 입력받은 PCA 각도 세트에 따라 편광기(26), 보상기(28) 및 분석기(32)를 제어하여 상기 제1 내지 제3 각도들을 변경할 수 있다.
제어기(40)는 기 설정된 값에 따라 상기 제1 내지 제3 각도를 변경하여 PCA 각도 세트를 생성할 수 있다. 예를 들면, 편광기(26) 및 보상기(28)의 상기 제1 및 제2 각도들을 일정한 값들로 유지하고, 분석기(32)의 상기 제3 각도를 변화시키면서 복수 개의 PCA 각도 세트를 생성할 수 있다.
프로세서(42)는 광 검출기(36)로부터 분광 이미지들(도 2 참조)를 입력받을 수 있다. 프로세서(42)는 상기 입력받은 분광 이미지들을 이용하여 PCAR(Polarizer, Compensator and Analyzer Rotating) 분광 매트릭스(60)(도 3 참조)를 생성할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(42)는 광 검출기(36)로부터 제1 PCA 각도 세트와 제1 파장에 대응되는 제1 분광 이미지 및 제2 PCA 각도 세트와 상기 제1 파장과 다른 제2 파장에 대응되는 제2 분광 이미지를 입력받고, 상기 제1 및 제2 분광 이미지들을 이용하여 PCAR 분광 매트릭스(60)를 생성할 수 있다.
또한, 프로세서(42)는 PCAR 분광 매트릭스(60)를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량(Intensity)의 변화를 나타내는 스펙트럼(70)(도 4 참조)을 생성할 수 있다. 프로세서(42)는 스펙트럼(70)을 분석하여, 측정 변수에 대한 최적 조건(optimal condition)의 PCA 각도 세트 및 파장 대역을 선택할 수 있다.
프로세서(42)는 데이터 분석기(data analyzer) 또는 스펙트럼 인식 알고리즘이 포함된 광 임계 범위(Optical Critical dimension(OCD)) 계측기를 포함할 수 있다. 상기 광 임계 범위 계측기는 웨이퍼(W) 검사 영역의 물리적인 파라미터들을 스펙트럼 데이터로부터 추출할 수 있다. 상기 광 임계 범위 계측기의 스펙트럼 인식 알고리즘은 엄격한 결합파 분석(Rigorous coupled-wave analysis, RCWA) 알고리즘을 이용할 수 있다. 엄격한 결합파 분석 알고리즘은 격자 구조의 표면으로부터 전자기파의 회절 또는 반사를 설명하는데 유용하게 사용될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 프로세서(42)는 웨이퍼(W) 내 프로파일 변화 경향 모니터링을 위하여 분광 이미지 타원해석 기술, 멀티 포인트 고속 측정 분광타원해석 기술 등이 적용될 수 있다. 또한, 프로세서(42)는 복수 스펙트럼으로부터 프로파일 변화값을 추출하기 위한 상관도 분석 알고리즘, 주성분 분석 알고리즘, 랭크 테스트(Rank test) 등의 변수 분리 알고리즘을 수행할 수 있다.
분광 영상 타원편광기(10)가 계측할 수 있는 측정 변수에는 임계 치수(Critical Dimension), 패턴의 높이(height), 리세스(recess), 오버레이(overlay) 또는 결함(Defect) 등이 있을 수 있다.
분광 영상 타원편광기(10)에 있어서, 편광 성분을 가지는 광이 측정 샘플(W)을 통과하게 되면, 편광 방향(p파, s파)에 따라 반사도 및 위상 값이 변하게 된다. 분광 영상 타원편광기(10)는 PCA 각도 세트의 조합을 변화시키면서 p파와 s파의 전자기장 값을 측정하게 된다. 편광기(26)의 상기 제1 각도는 시료에 입사되는 광의 편광 방향을 결정하며, 보상기(28)의 상기 제2 각도는 p파와 s파의 위상차를 결정할 수 있다. 분석기(32)의 상기 제3 각도는 시료를 통과한 후 광 검출기(36)에 입사되는 광의 편광 방향을 결정할 수 있다.
측정 변수에 따라 PCA 각도 세트를 선택할 수 있다. 예를 들어, 각각의 파장(λ)마다 다른 PCA 각도 세트를 선택할 수 있다. 상기 PCA 각도 세트는 랜덤하게 선택되거나, 미리 정한 순서에 의하거나, 또는 PCA 각도 셋 선정 알고리즘을 이용하여 선택될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광 검출기(36)에 의해 PCA 각도 세트마다 각각의 분광 이미지들이 획득될 수 있다. 상기 분광 이미지는 공간좌표 x(SPATIAL x) 및 공간좌표 y(SPATIAL y)에 대한 데이터로 구성될 수 있다. 각각의 파장 별로 PCA 각도 세트가 선정되고, 상기 파장 및 PCA 각도 세트에 대응되는 분광 이미지들이 각각 획득될 수 있다. 예를 들면, n개의 파장(λ1, λ2, λ3, ..., λn)에 대하여 n개의 분광 이미지들이 획득될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, PCAR 분광 매트릭스(60)는 광 검출기(36)에 의해 획득한 상기 분광 이미지들로부터 형성될 수 있다. PCAR 분광 매트릭스(60)는 공간 영역(spatial area)과 스펙트럼 영역(spectrum area)의 픽셀 재배열(resampling) 과정을 통해 얻어지는 가상적인 스펙트럴 데이터 구조를 의미할 수 있다. PCAR 분광 매트릭스(60)는 스펙트럴 큐브(spectral cube)라 명명될 수 있다. PCAR 분광 매트릭스(60)는 공간 좌표(Spatial Axes), 즉 공간(SPATIAL) X, 공간(SPATIAL) Y로 구성되고, 폭으로는 파장(λ)에 따른 복수 개의 분광 이미지들로 구성될 수 있다. 즉, PCAR 분광 매트릭스(60)는 상기 측정 샘플의 픽셀 어레이에 대한 공간좌표 X 및 공간좌표 Y, 그리고 파장 λ를 좌표축으로 갖는 스펙트럴 큐브(spectral cube) 형태의 데이터로 구성될 수 있다.
PCAR 분광 매트릭스(60)는 좌표로 I(x, y, λ)로 명명될 수 있다. 상기 분광 이미지(20)는 스펙트럴 도메인(Spectral Domain)으로 명명될 수 있다. PCAR 스펙트럴 매트릭스(60)는 광 검출기(36)에 포함된 광 센서의 FOV(Field Of View)에 의해 촬영된 각 픽셀(P)의 공간 좌표를 가진 상기 분광 이미지들과, 파장에 따른 각 픽셀(P)들의 스펙트럼을 포함할 수 있다. 즉, PCAR 분광 매트릭스(60)는 복수 개의 분광 이미지들과, 상기 분광 이미지들의 개개 픽셀(P)에서 파장에 따른 광량 변화를 나타내는 스펙트럼을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분광 이미지들로부터 화살표로 표시한 바와 같이 하나의 동일한 위치에서의 픽셀(P)에서 파장에 따른 광량 스펙트럼(70)을 획득할 수 있다. 스펙트럼(70)은 특정 위치(픽셀)에서의 반사광(Lr)의 파장에 따른 광량(Intensity)의 변화를 나타낸다.
이하에서는, 상기 이미징 미러 광학계에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다. 도 6은 도 5의 이미징 어셈블리의 이미징 미러 광학계를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 1의 분광 영상 타원편광기의 검출부를 나타내는 블록도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리는 샘플 표면(A)으로부터 반사되는 반사광(Lr)을 수광하여 편광 상태에 따른 샘플 표면(A)의 2차원 영상을 검출할 수 있다. 상기 이미징 어셈블리는 반사광(Lr)을 편광시키도록 구성된 분광자로서의 분석기(32), 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)의 광로 상에 배치되는 이미징 미러 광학계(34), 및 이미징 미러 광학계(34)를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기(36)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이미징 미러 광학계(34)는 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)을 광 검출기(36)의 수광면에 결상시킬 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)는 공역 평면들(conjugate planes)로서의 물체면 및 결상면을 가질 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)의 상기 물체면은 웨이퍼 표면(A)에 위치하고, 이미징 미러 광학계(34)의 상기 결상면은 광 검출기(36)의 상기 수광면에 위치할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 이미징 미러 광학계(34)는 오목면을 갖는 제1 미러(100) 및 볼록면을 갖는 제2 미러(120)를 포함할 수 있다. 제1 미러(100)는 구면 오목 거울(concave spherical mirror)이고, 제2 미러(110)는 구면 볼록 거울(convex spherical mirror)일 수 있다. 제1 미러(100) 및 제2 미러(110)는 광학계 내부에서 3번의 반사들을 생성하도록 배열될 수 있다. 제1 미러(100) 및 제2 미러(110)는 동심원을 이룬다. 제1 미러(100) 및 제2 미러(110)의 곡률 반경들(R1, R2)의 중심들은 하나의 점(P)에 일치할 수 있다. 제1 미러(100)의 반경(R1)은 제2 미러(110)의 반경(R2)의 2배일 수 있다. 제1 및 제2 미러들(100, 110)을 포함하는 이미징 미러 광학계(34)의 배율은 1일 수 있다.
상기 물체면은 제1 공역 지점에 위치하고, 상기 결상면을 제2 공역 지점에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 공역 지점으로부터 반사광(Lr)이 이미징 미러 광학계(34)의 제1 미러(100)로 입사 및 1차 반사되고, 상기 1차 반사된 광은 제2 미러(110)에 의해 2차 반사되어 다시 제1 미러(100)를 향하여 진행하고 이후, 제1 미러(100)에 의해 3차 반사되어 상기 제2 공역 위치로 반사될 수 있다. 상기 광학계의 기준 축(SA)은 점(P), 상기 제1 공역 지점 및 상기 제2 공역 지점을 통과하는 평면에 직교할 수 있다.
웨이퍼 표면(A)으로부터 반사된 반사광(Lr)은 분석기(32)를 통과하고, 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)은 제1 미러(100)의 제1 부분(102)에 충돌할 수 있다. 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)은 제1 미러(100)의 제1 부분(102)에 축외(off-axis) 입사될 수 있다. 제1 미러(100)의 제1 부분(102)은 상기 반사광을 1차 반사하여 제2 미러(110)를 향하도록 할 수 있다. 제2 미러(110)는 상기 반사광을 2차 반사하여 제1 미러(100)의 제2 부분(104)을 향하도록 할 수 있다. 제1 미러(100)의 제2 부분(104)은 상기 반사광을 3차 반사하고, 제1 미러(100)의 제2 부분(104)으로부터 3차 반사된 광(Lc)은 광 검출기(36)의 상기 수광면에 포커싱될 수 있다. 제1 미러(100)의 제2 부분(104)으로부터 3차 반사된 광(Lc)은 축외(off-axis) 출사될 수 있다. 제1 및 제2 부분들(102, 104)은 부분적으로 중첩될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이미징 미러 광학계(34)는 제3 미러(120)를 더 포함할 수 있다. 제3 미러(120)는 평면 미러일 수 있다. 제3 미러(120)는 제1 미러(100)의 제2 부분(104)으로부터 반사된 광(Lc)을 광 검출기(36)를 향하도록 편향시킬 수 있다. 제3 미러(120)는 광 검출기(36)의 위치를 변경시키기 위하여 제1 미러(100)의 제2 부분(104)으로부터 반사된 광(Lc)의 경로를 바꿀 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미징 미러 광학계(34)는 적어도 2개의 미러들(100, 110)로 구성된 미러 기반(mirror-based)의 결상 광학계일 수 있다. 반사 미러들로 구성되어 있으므로, 상기 광학계의 투과율을 향상시켜 단파장 대역에서의 계측 민감도 및 광대역 파장 대역에서의 계측 속도를 향상시키고, 색수차 발생을 감소시켜 파장별 포커스 편차를 최소화할 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다. 상기 이미징 어셈블리는 보상 렌즈가 추가되는 것을 제외하고는 도 5를 참조로 설명한 이미징 어셈블리와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리는 샘플 표면(A)으로부터 반사되는 반사광(Lr)을 편광시키도록 구성된 분광자로서의 분석기(32), 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)의 광로 상에 배치되는 이미징 미러 광학계(34), 및 이미징 미러 광학계(34)를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기(36)를 포함할 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)는 오목면을 갖는 제1 미러(100), 볼록면을 갖는 제2 미러(110), 제3 미러(120) 및 보상 렌즈(130)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이미징 미러 광학계(34)는 색수차를 보상하기 위한 보상 렌즈(130)를 더 포함할 수 있다. 보상 렌즈(130)는 제1 미러(100)로부터 3차 반사된 광(Lc)의 경로 상에 배치될 수 있다.
분석기(32)가 유리 재질의 기재를 포함하거나 크리스탈 타입의 편광자를 포함할 경우, 분석기(32)를 통과한 반사광에는 색수차가 발생할 수 있다. 보상 렌즈(130)는 이러한 분석기(32)에 의해 발생하는 색수차를 보상할 수 있다.
분석기(32)는 매우 얇은 두께의 기판을 포함하므로, 색수차를 보상하기 위한 보상 렌즈(130)의 렌즈들의 개수는 매우 작을 수 있다. 따라서, 상기 보상 렌즈에 의한 투과율의 저하는 매우 미미한 정도에 불과할 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다. 상기 이미징 어셈블리는 평면 미러가 추가되는 것을 제외하고는 도 5를 참조로 설명한 이미징 어셈블리와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리의 이미징 미러 광학계(34)는 오목면을 갖는 제1 미러(100), 볼록면을 갖는 제2 미러(110), 제3 미러(120), 제4 미러(102) 및 보상 렌즈(130)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이미징 미러 광학계(34)는 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)의 경로를 바꾸기 위한 제4 미러(102)를 더 포함할 수 있다. 제4 미러(102)는 평면 미러일 수 있다. 제4 미러(102)는 제1 내지 제3 미러들(100, 110, 120)의 위치를 변경시키기 위하여 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)이 제1 미러(100)을 향하도록 편향시킬 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다. 상기 이미징 어셈블리는 보상 렌즈가 추가되는 것을 제외하고는 도 8을 참조로 설명한 이미징 어셈블리와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리의 이미징 미러 광학계(34)는 오목면을 갖는 제1 미러(100), 볼록면을 갖는 제2 미러(110), 제3 미러(120), 제4 미러(102), 제1 보상 렌즈(130) 및 제2 보상 렌즈(132)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리의 이미징 미러 광학계(34)는 색수차를 보상하기 위한 제2 보상 렌즈(132)를 더 포함할 수 있다. 제2 보상 렌즈(130)는 제4 미러(102)로부터 반사된 반사광(Lr)의 경로 상에 배치될 수 있다. 제2 보상 렌즈(102)는 분석기(32)에 의해 발생하는 색수차를 보상할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리를 나타내는 블록도이다. 상기 이미징 어셈블리는 분석기의 구성 및 제2 보상 렌즈가 추가되는 것을 제외하고는 도 8을 참조로 설명한 이미징 어셈블리와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리는 샘플 표면으로부터 반사되는 반사광(Lr)을 편광시키도록 구성된 분광자로서의 분석기(32), 분석기(32)를 통과한 반사광(Lr)의 광로 상에 배치되는 이미징 미러 광학계(34), 및 이미징 미러 광학계(34)를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기(36)를 포함할 수 있다. 이미징 미러 광학계(34)는 오목면을 갖는 제1 미러(100), 볼록면을 갖는 제2 미러(110), 제3 미러(120), 제1 보상 렌즈(130) 및 제2 보상 렌즈(132)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 분석기(32)는 반사형 분광기(reflective polarizer)를 포함할 수 있다. 분석기(32)는 광대역 파장에 대하여 높은 반사율을 가질 수 있다. 분석기(32)는 반사형이므로 색수차가 발생되지 않을 수 있다. 이에 따라, 모든 광학요소가 미러들로 구성되므로, 색수차가 전혀 없는 이미징 광학계를 구성할 수 있다.
전술한 분광 영상 타원분광기는 로직 소자나 메모리 소자와 같은 반도체 소자를 제조하는 데 사용될 수 있다. 상기 반도체 소자는, 예를 들어 중앙처리장치(CPU, MPU), 애플리케이션 프로세서(AP) 등과 같은 로직 소자, 예를 들어 에스램(SRAM) 장치, 디램(DRAM), 고대역폭 메모리(HBM) 장치 장치 등과 같은 휘발성 메모리 장치, 및 예를 들어 플래시 메모리 장치, 피램(PRAM) 장치, 엠램(MRAM) 장치, 알램(RRAM) 장치 등과 같은 불휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 분광 영상 타원분광기 20: 광 조사부
21: 광원 어셈블리 22: 광원
23: 단색기 24: 조명 어셈블리
25: 조명 광학계 26: 편광기
28: 보상기 30: 검출부
31: 이미징 어셈블리 32: 분석기
34: 이미징 미러 광학계 36: 광 검출기
40: 제어기 42: 프로세서
50: 스테이지 60: PCAR 분광 매트릭스
70: 광량 스펙트럼 100: 제1 미러
102: 제4 미러 110: 제2 미러
120: 제3 미러 130, 132: 보상 렌즈

Claims (10)

  1. 샘플 표면으로부터 반사된 반사광을 편광시키기 위한 분석기;
    상기 분석기를 통과한 상기 반사광의 광로 상에 배치되며, 오목면을 갖는 제1 미러 및 볼록면을 갖는 제2 미러를 포함하는 이미징 미러 광학계; 및
    상기 이미징 미러 광학계를 통과한 광을 수광하여 스펙트럼 데이터를 수집하기 위한 광 검출기를 포함하고,
    상기 반사광은 상기 제1 미러에 의해 1차 반사되고, 상기 1차 반사된 광은 상기 제2 미러에 의해 2차 반사되어 상기 제1 미러로 진행하고 상기 제2 미러에 의해 3차 반사되어 상기 광 검출기의 수광면에 결상되는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미러는 구면 오목 거울을 포함하고, 상기 제2 미러는 구면 볼록 거울을 포함하는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러의 곡률 반경들의 중심들은 하나의 점에 일치하도록 배열되는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 미러의 반경은 상기 제2 미러의 반경의 2배인 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 분석기를 통과한 상기 반사광은 상기 제1 미러의 제1 부분에 축외(off-axis) 입사되고, 상기 제1 미러로부터 3차 반사된 광은 상기 제1 미러의 제2 부분으로부터 축외(off-axis) 출사되는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이미징 미러 광학계의 배율은 1인 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분석기에 기인한 색수차를 보상하기 위한 적어도 하나의 보상 렌즈를 더 포함하는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사광의 경로를 바꾸기 위한 적어도 하나의 평면 미러를 더 포함하는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 분석기는 반사형 분광기를 포함하는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광 검출기는 2차원 이미지 센서를 포함하는 분광 영상 타원편광기의 이미징 어셈블리.
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