KR20230120699A - Mueller matrix ellipsometer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어난 위상지연자를 사용하는 뮬러행렬타원계(Mueller matrix ellipsometer, MME)에서 위상지연자를 회전시키지 않고, 편광자의 방위각과 편광자측 위상지연자의 방위각 조합을 통해 시료에 입사하는 빛의 편광상태를 최적화하고 검광자의 방위각과 검광자측 위상지연자의 방위각 조합을 통해 반사하는 빛의 편광상태를 결정하는 뮬러행렬 측정기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광원-편광자-제1 위상지연자-시료-제2 위상지연자-검광자의 배치 구조를 갖는 뮬러행렬타원계는, 상기 제1 위상지연자와 제2 위상지연자는 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어난 위상지연자이고, 상기 편광자와 상기 제1 위상지연자의 방위각은 입사광 뮬러행렬 의 절대값 가 0.2 이상의 값을 갖도록 하는 입사광 스톡스벡터 를 만족하는 조합으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
The present invention does not rotate the phase retardant in a Mueller matrix ellipsometer (MME) using a phase retardant deviating from the 4-minute-wavelength phase retardation characteristic, and through a combination of the polarizer's azimuth angle and the polarizer-side phase retardant's azimuth angle, It relates to a Muller matrix measurement technique that optimizes the polarization state of incident light and determines the polarization state of reflected light through a combination of the azimuth angle of the analyzer and the azimuth angle of the analyzer-side phase retarder.
In the Muller matrix ellipsometer having the arrangement structure of the light source-polarizer-first phase retarder-sample-second phase retarder-analyzer according to the present invention, the first phase retarder and the second phase retarder have a quarter-wavelength phase A phase retarder deviating from the delay characteristic, and the azimuth angle of the polarizer and the first phase retarder is the incident light Muller matrix absolute value of Incident light Stokes vector such that is greater than 0.2 It is characterized in that it is set as a combination that satisfies.

Description

뮬러행렬타원계{Mueller matrix ellipsometer} Muller matrix ellipsometer {Mueller matrix ellipsometer}

본 발명은 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어난 위상지연자를 사용하는 뮬러행렬타원계(Mueller matrix ellipsometer, MME)에서 위상지연자를 회전시키지 않고, 편광자의 방위각과 편광자측 위상지연자의 방위각 조합을 통해 시료에 입사하는 빛의 편광상태를 최적화하고 검광자의 방위각과 검광자측 위상지연자의 방위각 조합을 통해 반사하는 빛의 편광상태를 결정하는 뮬러행렬 측정기술에 관한 것이다.The present invention does not rotate the phase retardant in a Mueller matrix ellipsometer (MME) using a phase retardant deviating from the 4-minute-wavelength phase retardation characteristic, and through a combination of the polarizer's azimuth angle and the polarizer-side phase retardant's azimuth angle, It relates to a Muller matrix measurement technique that optimizes the polarization state of incident light and determines the polarization state of reflected light through a combination of the azimuth angle of the analyzer and the azimuth angle of the analyzer-side phase retarder.

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.Ellipsometry is widely used as a non-destructive measurement method in industrial fields using various thin films, and is particularly useful for non-destructively measuring the thickness of thin films in the semiconductor field.

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.The elliptic method is a method for determining factors such as density change, optical thickness, and complex refractive index, which are factors that change polarization, by injecting light having a specific polarization state into a sample and then measuring and analyzing the changed polarization state of the reflected light. is called an ellipsometer.

타원계가 개발된 초기에는 단일파장에서 구동하는 단파장 타원계를 사용하여 단일 박막의 두께를 정밀하게 측정하였지만 넓은 파장대역에 걸쳐 다수의 타원상수 값들을 획득하는 분광타원계(spectroscopic elipsometer, SE)가 개발된 이후 많은 타원상수 측정값들을 모델링 분석하여 다층박막시료의 구조와 물성을 빠르고 정확하며 비파괴적으로 도출할 수 있게 되어 반도체를 비롯한 여러 산업현장에서 분광타원법(spectroscpic ellipsometry, SE)이 매우 유용하게 활용되고 있다. In the early days when ellipsometers were developed, short-wavelength ellipsometers operated at a single wavelength were used to precisely measure the thickness of a single thin film, but a spectroscopic ellipsometer (SE) was developed that acquires multiple elliptic constant values over a wide wavelength band. Since then, by modeling and analyzing many elliptic constant measurements, it has been possible to quickly, accurately, and nondestructively derive the structure and physical properties of multilayer thin film samples, making spectroscpic ellipsometry (SE) very useful in various industrial fields including semiconductors. It is being utilized.

그러나, 일반적인 타원계는 시료에 어떤 편광상태에 있는 빛을 조사하여 반사되는 광의 편광 상태 변화를 측정하여 타원상수를 얻어내는 기술로서, 편광이 없는 환경에서는 측정이 불가능하다.However, a general ellipsometer is a technique for obtaining an elliptic constant by irradiating a sample with light in a certain polarization state and measuring a change in the polarization state of the reflected light, and measurement is impossible in an environment without polarization.

특히, 최근 반도체가 미세 패턴화 되어가면서 빛이 미세 패턴과 기판 상의 소자 등에 의해 산란이 발생하면 편광 성분을 일부 잃어버리거나 편광이 없는 상태가 될 수 있다. In particular, as semiconductors are being finely patterned, when light is scattered by fine patterns and devices on a substrate, some polarization components may be lost or a non-polarized state may occur.

이와 같이 편광이 없는 환경에서도 타원상수를 얻어낼 수 있도록 고안된 기술이 뮬러행렬타원계이다.In this way, the Mueller matrix ellipsometer is a technology designed to obtain elliptic constants even in an environment without polarization.

일반적인 타원계에서는 편광상태의 표현은 1×2 존스벡터로 나타내고 편광소자에 의한 편광작용은 2×2 존스행렬로 나타내며 타원상수는 Δ,ψ 또는 이와 대응되는 두 개의 파라미터로 나타내는데 반해, 뮬러행렬타원계에서는 편광상태의 표현에서는 편광이 없어지는 상태인 편광지움 효과에 관한 성분(잃어버린 편광 정보)과 전체 빛의 세기 성분을 포함하는 1×4 스톡스벡터를 사용하며 편광소자의 편광작용은 4×4 뮬러행렬로 나타낸다.In a general ellipsometer, the polarization state is represented by a 1×2 Jones vector, the polarization action by a polarizer is represented by a 2×2 Jones matrix, and the elliptic constant is represented by Δ, ψ or two parameters corresponding thereto, whereas the Mueller matrix ellipse In the system, a 1×4 Stokes vector including a component related to the depolarization effect (lost polarization information) and a total light intensity component, which is a state in which polarization is lost, is used to express the polarization state, and the polarization action of the polarizer is 4×4 represented by the Mueller matrix.

뮬러행렬타원계는 일반적으로 편광자-보정기-시료-보정기-검광자(polarizer- compensator-sample-compensator-analyzer, PC1SC2A)의 배치를 가지며, 시료 전,후에 배치되는 보정기 즉, 각 위상지연자로는 위상지연값이 90도이고 빠른축과 느린축의 전기장 투과율비가 1.0인 이상적인 4분파장 위상지연자(quarterwave phase retarder)가 바람직하다.The Muller matrix ellipsometer generally has an arrangement of polarizer-compensator-sample-compensator-analyzer (PC 1 SC 2 A), and the compensators placed before and after the sample, that is, each phase As the retarder, an ideal quarterwave phase retarder having a phase retardation value of 90 degrees and an electric field transmittance ratio between fast and slow axes of 1.0 is preferred.

그러나, He-Ne 레이저와 같이 단일 파장의 빛을 사용할 경우에는 이상적인 4분파장 위상지연자를 구하는 것이 비교적 용이하지만, 넓은 파장대역에 걸쳐 구동하는 뮬러행렬 분광타원계(Mueller matrix spectroscopic ellipsometer, MMSE)에서 사용할 수 있는 비색성(achromatic) 4분파장 위상지연자는 실제 존재하지 않는다.However, it is relatively easy to obtain an ideal quarter-wavelength phase retarder when using a single wavelength light such as a He-Ne laser, but in a Mueller matrix spectroscopic ellipsometer (MMSE) that operates over a wide wavelength band There are practically no achromatic quarter-wavelength phase retarders that can be used.

이에 종래 뮬러행렬타원계를 이용한 측정 기술에서는 이상적인 4분파장 위상지연자에 가까운 형태의 보정기를 구현하는 많은 방법들이 제안되어 있으며, 가장 대표적인 형태로 2개의 보정기를 5:3의 각속도비로 회전시키는 이중 보정기 회전방식 다채널 분광타원계가 있다.Accordingly, in the conventional measurement technology using the Muller matrix ellipsometer, many methods for implementing a compensator in a form close to an ideal quarter-wavelength phase retarder have been proposed. There is a multi-channel spectroscopic ellipsometer with a compensator rotation method.

1. 한국등록특허 제10-1698022호 (명칭: 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법)1. Korean Patent Registration No. 10-1698022 (Name: Achromatic optical element-rotational ellipsometer and method for measuring Muller-matrix of specimen using the same) 2. 한국등록특허 제10-1509054호 (명칭 : 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 뮬러-행렬 측정 방법)2. Korean Patent Registration No. 10-1509054 (Name: Optical element-rotating Muller-matrix ellipsometer and method of measuring the Muller-matrix of a sample using the same)

본 발명은 이상적이지 않은 4분파장 위상지연자들을 사용하는 PC1SC2A 배치 구조의 뮬러행렬타원계에서, 종래 이중 보정기 회전방식과 달리 위상지연자들을 회전시키지 않고, 편광자의 방위각과 시료전의 위상지연자의 방위각의 조합, 그리고 시료후의 위상지연자의 방위각과 검광자의 방위각 조합을 통해 최적의 뮬러행렬을 결정할 수 있도록 해 주는 뮬러행렬타원계를 제공함에 기술적 목적이 있다.In the Muller matrix ellipsometer of the PC 1 SC 2 A arrangement structure using non-ideal quarter-wavelength phase delayers, the present invention does not rotate the phase delayers unlike the conventional double compensator rotation method, and the azimuth angle of the polarizer and the sample rotation The technical purpose is to provide a Muller matrix ellipse system that enables the optimal Mueller matrix to be determined through the combination of the azimuth angle of the phase retarder and the combination of the azimuth angle of the phase retarder and the azimuth angle of the analyzer after the sample.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 광원-편광자-제1 위상지연자-시료-제2 위상지연자-검광자의 배치 구조를 갖는 뮬러행렬타원계에 있어서, 상기 제1 위상지연자 및 제2 위상지연자는 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어난 위상지연자이고, 상기 편광자와 상기 제1 위상지연자의 방위각은 입사광 뮬러행렬 의 절대값 가 0.2 이상의 값을 갖도록 하는 입사광 스톡스벡터 를 만족하는 조합으로 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, in a Mullerian matrix elliptic system having a layout structure of a light source-polarizer-first phase retarder-sample-second phase retarder-analyzer, the first phase delay The ruler and the second phase retarder are phase retarders that deviate from the 4-wavelength phase retardation characteristics, and the azimuth angles of the polarizer and the first phase retardant are the incident light Muller matrix absolute value of Incident light Stokes vector such that is greater than 0.2 There is provided a Muller matrix elliptic system, characterized in that set to a combination that satisfies.

또한, 상기 편광자의 방위각 P, 제1 위상지연자의 방위각 C의 조합(P,C)은, (0,0),(

Figure pat00004
,
Figure pat00005
), (±
Figure pat00006
, ±
Figure pat00007
), (O,±
Figure pat00008
) 중에서 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.In addition, the combination (P, C) of the azimuth angle P of the polarizer and the azimuth angle C of the first phase retarder is (0,0), (
Figure pat00004
,
Figure pat00005
), (±
Figure pat00006
, ±
Figure pat00007
), (O, ±
Figure pat00008
) There is provided a Muller matrix elliptic system, characterized in that set in.

또한, 상기 입사광 뮬러행렬은 상기 (0,0),(

Figure pat00009
,
Figure pat00010
)조합에 대응되는 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터와, (±
Figure pat00011
, ±
Figure pat00012
) 조합에 대응되는 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터 및, (O,±
Figure pat00013
) 조합에 대응되는 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터들을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.In addition, the incident light Muller matrix is (0,0), (
Figure pat00009
,
Figure pat00010
) the incident light Stokes vector of the first group corresponding to the combination, (±
Figure pat00011
, ±
Figure pat00012
) the Stokes vector of incident light of the second group corresponding to the combination, and (O, ±
Figure pat00013
) is determined using the Stokes vectors of the third group of incident rays corresponding to the combination.

또한, 상기 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터는 , 상기 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터는 , 상기 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터는 이고, 상기 입사광 뮬러행렬은 각 그룹에서 적어도 하나의 입사광 스톡스벡터를 포함하여 결정하는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.In addition, the Stokes vector of the incident light of the first group is , the incident light Stokes vector of the second group is , the Stokes vector of the incident light of the third group is In addition, the Mullerian matrix elliptic system is provided, wherein the Mullerian matrix of the incident light is determined by including at least one Stokes vector of the incident light in each group.

또한, 상기 편광자의 방위각과 제1 위상지연자의 방위각 조합은, (P,C), (P+π,C), (P, C+π), (P+π, C+π)의 조합들 중 하나의 조합에 해당하는 순서쌍 중에서 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.In addition, the combination of the azimuth angle of the polarizer and the azimuth angle of the first phase retarder is a combination of (P, C), (P + π, C), (P, C + π), and (P + π, C + π). A Muller matrix elliptic system is provided, characterized in that it is set among ordered pairs corresponding to one combination of.

또한, 상기 방위각이 C인 제2 위상지연자와 방위각이 A인 검광자를 통과한 빛의 세기는 로서, 로 설정되며, 상기 입사광의 스톡스상수인 S0,S1,S2,S3 와 같이 제2 위상지연자와 검광자의 방위각 조합(A,C)에서 측정한 빛의 세기로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계가 제공된다.In addition, the intensity of light passing through the second phase retarder with the azimuth angle C and the analyzer with the azimuth angle A is as, , and the Stokes constants of the incident light S 0 , S 1 , S 2 , S 3 are As such, a Mueller matrix ellipsometer is provided, which is characterized in that it is determined from the intensity of light measured at the azimuth combination (A, C) of the second phase delay and analyzer.

본 발명에 의하면, PC1SC2A 배치 구조의 뮬러행렬타원계에서 위상지연자들을 회전시키지 않고, 편광자의 방위각과 시료전의 위상지연자의 방위각의 조합, 그리고 시료후의 위상지연자의 방위각과 검광자의 방위각 조합을 통해 최적의 뮬러행렬을 결정할 수 있게 됨으로써, 불완전한 위상지연자를 사용하는 경우에도 시료의 뮬러행렬을 용이하게 측정할 수 있게 하는 자유형 구동방식의 뮬러행렬타원계를 제공하는 것이 가능하다.According to the present invention, the combination of the azimuth of the polarizer and the azimuth of the phase retarder before the sample, and the azimuth of the phase retarder and the azimuth of the analyzer after the sample By making it possible to determine the optimal Mueller matrix through the combination, it is possible to provide a free-form driven Mueller matrix ellipsometer that enables easy measurement of the Mueller matrix of a sample even when an imperfect phase retarder is used.

이에 따라 위상지연자의 선택폭을 크게 넓혀주어 DUV부터 NIR에 걸친 넓은 파장대역에서 구동할 수 있도록 하는 뮬러행렬 분광타원계의 설계, 제작 및 구동을 보다 유용하게 함은 물론, 특히 반도체 산업현장에서의 OCD에 기반한 나노구조의 측정 및 평가에 크게 기여할 수 있다. Accordingly, it greatly expands the range of selection of the phase retarder, making it more useful to design, manufacture, and drive the Mueller matrix spectroscopic ellipsometer, which enables operation in a wide wavelength range from DUV to NIR. It can greatly contribute to the measurement and evaluation of nanostructures based on OCD.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 뮬러행렬타원계의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 편광자(200)와 제1 위상지연자(300)를 통과한 빛의 특성을 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 제1 위상지연자(300)의 위상지연각 및 전기장 투과율비 특성을 도시한 도면.
도4는 도2에 도시된 편광자(200)와 제1 위상지연자(300)의 방위각 조합으로 만들어진 뮬러행렬의 절대값 특성을 설명하기 위한 도면.
1 is a diagram showing a schematic configuration of a Muller matrix elliptic system according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a view for explaining the characteristics of light passing through the polarizer 200 and the first phase retarder 300 shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing the phase delay angle and electric field transmittance ratio characteristics of the first phase retarder 300 shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram for explaining the absolute value characteristics of a Muller matrix made of a combination of azimuth angles of the polarizer 200 and the first phase retarder 300 shown in FIG. 2;

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.The embodiments described in the present invention and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, so the scope of the present invention is limited to the embodiments and drawings described in the text. should not be construed as being limited by That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.

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.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as being consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings that are not clearly defined in the present invention.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 뮬러행렬타원계의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a schematic configuration of a Muller matrix ellipsometer according to a first embodiment of the present invention.

도1을 참조하면, 뮬러행렬타원계는 광원(100)과, 편광자(200), 제1 위상지연자(300), 제2 위상지연자(400) 및, 검광자(500)를 포함하여 구성되고, 검광자(500)의 후단에는 검광자(500)로부터 수신된 빛의 세기를 이용하여 시료(10)의 상태를 검사하는 검사부(600)가 구비된다.Referring to FIG. 1, the Muller matrix ellipsometer includes a light source 100, a polarizer 200, a first phase retarder 300, a second phase retarder 400, and an analyzer 500 At the rear end of the analyzer 500, an inspection unit 600 for inspecting the state of the sample 10 using the intensity of light received from the analyzer 500 is provided.

즉, 광원(100)과, 편광자(200), 제1 위상지연자(300)는 시료(10)의 일측에 배치되어 시료(10)로 광을 입사시키고, 제2 위상지연자(400) 및, 검광자(500)는 시료(10)의 타측에 배치되어 시료(10)로부터 반사되는 광이 입사되는 PC1SC2A 타원계 구조를 갖는다.That is, the light source 100, the polarizer 200, and the first phase retarder 300 are disposed on one side of the sample 10 to allow light to enter the sample 10, and the second phase retarder 400 and , The analyzer 500 is disposed on the other side of the sample 10 and has a PC 1 SC 2 A elliptical structure into which light reflected from the sample 10 is incident.

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. The light source 100 is a light generating device that irradiates incident light toward the sample 10, and generates light in various wavelength bands ranging from deep ultra violet (DUV) to near infrared, that is, white light.

편광자(200)는 광원(100)으로부터 출력되는 광을 선편광시켜 출력한다.The polarizer 200 linearly polarizes light output from the light source 100 and outputs the light.

제1 위상지연자(300)는 편광자(200)을 통과하여 입사되는 입사광의 편광상태를 가변하여 시료(10)측으로 투사한다. 이때, 제1 위상지연자(300)는 준 비색성 4분파장 위상지연자로서, 위상지연각도 δc 는 90도가 아니며 빠른축과 느린축의 전기장 투과율비 tc가 1.0으로부터 상당히 벗어나는 특성을 갖는다.The first phase retarder 300 changes the polarization state of the incident light incident through the polarizer 200 and projects it toward the sample 10 . At this time, the first phase retarder 300 is a quasi-chromatic quarter-wavelength phase retarder, and the phase delay angle δ c is not 90 degrees, and the electric field transmittance ratio t c of the fast axis and the slow axis significantly deviate from 1.0.

이때, 시료(10)로 입사된 광의 편광상태는 시료(10)의 복소 굴절률, 두께와 같은 광학적, 구조적 특징에 따라 변형된 형태로 반사되어 출력된다.At this time, the polarization state of the light incident on the sample 10 is reflected and output in a deformed form according to optical and structural characteristics such as the complex refractive index and thickness of the sample 10 .

제2 위상지연자(400)는 시료(10)측으로부터 입사되는 반사광의 편광상태를 가변하여 검광자(500)로 출력한다. 이때, 제2 위상지연자(400)는 준 비색성 4분파장 위상지연자로서, 제1 위상지연자(300)와 마찬가지로, 위상지연각도 δc 는 90도가 아니며 빠른축과 느린축의 전기장 투과율비 tc가 1.0으로부터 상당히 벗어나는 특성을 갖는다.The second phase retarder 400 changes the polarization state of the reflected light incident from the sample 10 side and outputs it to the analyzer 500. At this time, the second phase retarder 400 is a quaternary colorimetric quarter-wavelength phase retarder, and like the first phase retarder 300, the phase delay angle δ c is not 90 degrees, and the electric field transmittance ratio between the fast axis and the slow axis It has the characteristic that t c deviates significantly from 1.0.

검광자(500)는 제2 위상지연자(400)로부터 입사되는 반사광 중 특정 편광만을 검사부(600)로 출력한다.The analyzer 500 outputs only specific polarized light among reflected light incident from the second phase retarder 400 to the inspection unit 600 .

검사부(600)는 검광자(500)로부터 입력되는 측정광을 분석하여 편광자(200)와 제1 위상지연자(300)의 방위각 조합에 따르는 입사광의 스톡스벡터와 제2 위상지연자(400)와 검광자(500)간의 방위각 조합에 대응되는 출사광의 스톡스벡터를 이용하여 시료의 뮬러행렬을 결정하여 시료의 상태를 검사한다.The inspection unit 600 analyzes the measurement light input from the analyzer 500 to determine the Stokes vector of the incident light according to the azimuthal combination of the polarizer 200 and the first phase retarder 300 and the second phase retarder 400. The state of the sample is inspected by determining the Mueller matrix of the sample using the Stokes vector of the emitted light corresponding to the azimuthal combination between the analyzers 500.

이때, 입사광의 스톡스벡터(Stokes vector)와 출사광의 스톡스벡터를 각각 , 시료의 뮬러행렬을 와 같이 표현하면 에 해당하는 스톡스벡터의 원소들로 만들어진 입사광 뮬러행렬 와 출사광 뮬러행렬 는 하기 수학식1과 같은 관계를 만족한다.At this time, the Stokes vector of the incident light and the Stokes vector of the outgoing light are respectively , the Mueller matrix of the sample If expressed as Incident light Muller matrix made of the elements of the Stokes vector corresponding to and the outgoing light Muller matrix Satisfies the relationship shown in Equation 1 below.

여기서,, , 이고,here, , , ego,

, 이다. , am.

그리고, 상기 수학식1로부터 시료의 뮬러행렬 는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.And, the Mueller matrix of the sample from Equation 1 can be expressed as in Equation 2.

즉, 검사부(600)는 서로 다른 4개의 입사광의 스톡스벡터 각각에 대응되는 출사광의 스톡스벡터 들을 확보하여 이들로부터 입사 뮬러행렬 와 출사 뮬러행렬 를 각각 수학식1과 같이 구성하고, 수학식2에 따라 시료의 뮬러행렬 를 결정한다. That is, the inspection unit 600 determines the Stokes vectors of four different incident lights. Stokes vectors of the emitted light corresponding to each By securing them, the incident Mueller matrix from them and the outgoing Muller matrix are configured as in Equation 1, respectively, and the Mueller matrix of the sample according to Equation 2 decide

이때, 수학식2에서 역행렬 을 구하기 위해서는 이어야 하는데 를 구성할 때 편광상태가 동일한 두 개의 입사광이 포함되면 이 된다.At this time, in Equation 2, the inverse matrix in order to save should be If two incident lights with the same polarization state are included when constructing becomes

그리고, 를 구성하는 입사광들의 편광상태가 상호 독립적일수록 가 0으로부터 더 크게 벗어나며 결정오차가 작아지므로 가 최대한 큰 값을 가지도록 들을 구성해야 한다.and, As the polarization states of the incident lights constituting are mutually independent, deviates from 0 more Since the error of decision is small to have the largest possible value should configure them.

이에, 본 발명에서는 편광자(200)와 제1 위상지연자(300)의 방위각을 입사광 뮬러행렬 의 절대값 가 0.2 이상의 최대한 큰 값을 가지도록 입사광 스톡스벡터 들을 구성하기 위한 조합으로 설정한다. Accordingly, in the present invention, the azimuth angle of the polarizer 200 and the first phase retarder 300 is calculated as the incident light Muller matrix absolute value of Incident light Stokes vector so that has a maximum value of 0.2 or more set as a combination to construct them.

이하에서는 편광자(200)와 제1 위상지연자(300)의 방위각 결정과정에 대해 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the process of determining the azimuth of the polarizer 200 and the first phase retarder 300 will be described in detail.

먼저, 스톡스벡터가 인 빛이 도2와 같이 방위각이 인 편광자(200)와 빠른축의 방위각이 인 제1 위상지연자(300)를 연속으로 통과하면 제1 위상지연자(300)를 통과한 빛의 스톡스벡터 는 하기 수학식3과 같이 표현된다.First, the Stokes vector As shown in FIG. 2, the azimuth angle is The polarizer 200 and the azimuth angle of the fast axis are When the first phase retarder 300 continuously passes through the first phase retarder 300, the Stokes vector of the light passing through the first phase retarder 300 Is expressed as in Equation 3 below.

여기서, 는 각각 방위각이 인 위상지연자의 뮬러행렬과 방위각이 인 편광자의 뮬러행렬로써 이들은 방위각이 0도인 위상지연자의 뮬러행렬인 와 방위각이 0도인 편광자의 뮬러행렬인 , 그리고 회전각도가 인 광회전자의 뮬러행렬인 로, 수학식 4와 같이 표현된다.here, and are each azimuth The Mueller matrix and azimuth of the phase retarder with is the Muller matrix of the polarizer, which is the Muller matrix of the phase retarder with an azimuth angle of 0 degrees. and the Muller matrix of the polarizer with an azimuth angle of 0 degrees , and the rotation angle is is the Muller matrix of the optical rotor, , expressed as in Equation 4.

여기서, , 그리고 회전각도가 인 광회전자의 뮬러행렬 는 수학식 5와 같다.here, and , and the rotation angle is Mullerian matrix of phosphorus optical rotor Is equal to Equation 5.

여기서, , 그리고 는 광흡수 위상지연자의 흡수상수들과 위상지연각으로 이상적인 위상지연자의 경우 가 되며, 는 회전각도가 인 광회전자의 뮬러행렬이다.here, , and In the case of an ideal phase retarder with the absorption constants and phase delay angle of the optical absorption phase retarder becomes, is the rotation angle is the Mullerian matrix of the optical rotor.

그리고, 흡수상수 는 빠른축과 느린축의 전기장 투과비인 와 수학식 6과 같은 관계를 갖는다.And, the absorption constant is the electric field transmission ratio of the fast axis and the slow axis and has the same relationship as Equation 6.

그리고, 편광의존성이 없는 무편광이 입사할 경우, 상기 수학식 3의 스톡스벡터 는 수학식 7과 같이 표현된다.And, when unpolarized light having no polarization dependence is incident, the Stokes vector of Equation 3 above Is expressed as in Equation 7.

또한, 이상적인 4분파장 위상지연자의 경우(, , ), 수학식 7은 수학식 8과 같이 간단해 진다.In addition, in the case of an ideal quarter-wavelength phase delay ( , , ), Equation 7 becomes as simple as Equation 8.

한편, 제1 위상지연자(400)는 깊은 자외선(deep ultra violet, DUV)부터 근적외선(near infrared, NIR)에 걸친 넓은 파장대역에서 사용할 수 있는 광대역 위상지연자로, 도3에 도시된 바와 같이 위상지연각 는 파장에 따라 150°정도부터 25°정도까지 단조감소하며, 전기장 투과율비 는 1.0 근방에서 빠른 진동을 나타내는 특성을 갖는다.On the other hand, the first phase retarder 400 is a broadband phase retarder that can be used in a wide wavelength band ranging from deep ultra violet (DUV) to near infrared (NIR), and as shown in FIG. delay angle decreases monotonically from about 150° to about 25° depending on the wavelength, and the electric field transmittance ratio has a characteristic showing fast oscillation around 1.0.

선편광자(200)와 도2의 특성을 갖는 제1 위상지연자(300)을 통과한 빛의 스톡스벡터는 상기 수학식 7을 이용하여 산출할 수 있으며, 편광자(200)의 방위각 P와 제1 위상지연자(400)의 방위각 C의 대표적인 (P,C) 조합에 대응되는 스톡스벡터들이 표1에 예시되어 있다.The Stokes vector of the light passing through the linear polarizer 200 and the first phase retarder 300 having the characteristics of FIG. 2 can be calculated using Equation 7, and the azimuth P of the polarizer 200 and the first Table 1 shows Stokes vectors corresponding to a representative (P, C) combination of the azimuth angle C of the phase retarder 400.

표 1에서 편광상태는 3개의 그룹으로 나뉘어져 있으며, 제1 그룹(xy)은 투과축이 x축과 나란한 직선편광과 투과축이 y축과 나란한 직선편광으로 구성되고, 제2 그룹(±45)은 투과축이 x축과 +45도를 이루는 직선편광과 투과축이 x축과 -45도를 이루는 직선편광으로 이루어지며, 제3 그룹(circle)은 좌원편광과 우원편광(이상적인 4분파장 위상지연자를 사용할 경우)으로 각각 구성된다.In Table 1, the polarization states are divided into three groups, the first group (xy) consists of linear polarization with the transmission axis parallel to the x-axis and linear polarization with the transmission axis parallel to the y-axis, and the second group (±45) consists of linearly polarized light with its transmission axis at +45 degrees with the x-axis and linearly polarized light with its transmission axis at -45 degrees with the x-axis. When a delayer is used), each is composed of

이때, 6개의 편광상태는 상호 독립인 스톡스벡터들을 형성하며, 각 그룹에서 1개씩, 그리고 남은 3개의 스톡스벡터들 중에서 1개의 스톡스벡터를 무작위로 선택하여 4개의 스톡스벡터들을 선정할 수 있다.At this time, the six polarization states form mutually independent Stokes vectors, and four Stokes vectors can be selected by randomly selecting one Stokes vector from each group and one Stokes vector from among the remaining three Stokes vectors.

즉, 상기 입사광 뮬러행렬은 상기 (0,0),(

Figure pat00087
,
Figure pat00088
)조합에 대응되는 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터와, (±
Figure pat00089
, ±
Figure pat00090
) 조합에 대응되는 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터 및, (O,±
Figure pat00091
) 조합에 대응되는 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터들을 이용하여 생성되며, 이때 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터는 , 상기 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터는 , 상기 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터는 이고, 상기 입사광 뮬러행렬은 각 그룹에서 적어도 하나의 입사광 스톡스벡터를 포함하여 생성된다.That is, the incident light Muller matrix is (0,0), (
Figure pat00087
,
Figure pat00088
) the incident light Stokes vector of the first group corresponding to the combination, (±
Figure pat00089
, ±
Figure pat00090
) the Stokes vector of incident light of the second group corresponding to the combination, and (O,±
Figure pat00091
) is generated using the incident light Stokes vectors of the third group corresponding to the combination, wherein the incident light Stokes vectors of the first group are , the incident light Stokes vector of the second group is , the Stokes vector of the incident light of the third group is , and the incident light Muller matrix is generated by including at least one incident light Stokes vector in each group.

또한, 상기 편광자(200)의 방위각 P, 제1 위상지연자(300)의 방위각 C의 조합(P,C)과 광학적으로 등등한 조합들인 편광자(200)의 방위각 P대신 P+π를 사용하거나 제1 위상지연자(300)의 방위각 C대신 C+π를 사용한 조합들 즉 (P+π,C), (P, C+π), 그리고 (P+π, C+π)의 조합들 중 하나의 조합에 해당하는 순서쌍 중에서 설정하는 것도 가능하다.In addition, P + π is used instead of the azimuth angle P of the polarizer 200, which is a combination (P, C) of the azimuth angle P of the polarizer 200 and the azimuth angle C of the first phase retarder 300, which are optically equivalent combinations, or Among the combinations using C+π instead of the azimuth angle C of the first phase retarder 300, that is, combinations of (P+π,C), (P, C+π), and (P+π, C+π) It is also possible to set among ordered pairs corresponding to one combination.

예컨대, 상기 입사광 뮬러행렬은 (P+π, C+π) 조합에 해당하는 순서쌍에서 상기 (π,π),(π+

Figure pat00095
, π+
Figure pat00096
)조합에 대응되는 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터와, (π±
Figure pat00097
, π±
Figure pat00098
) 조합에 대응되는 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터 및, (π,π±
Figure pat00099
) 조합에 대응되는 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터들을 이용하여 생성될 수 있다.For example, the incident light Muller matrix is (π, π), (π +
Figure pat00095
, π+
Figure pat00096
) Stokes vector of incident light of the first group corresponding to the combination, (π±
Figure pat00097
, π±
Figure pat00098
) the Stokes vector of the incident light of the second group corresponding to the combination, and (π, π ±
Figure pat00099
) can be generated using the third group of incident light Stokes vectors corresponding to the combination.

이와같이 선정된 4개의 스톡스벡터들로 입사 뮬러행렬 를 구성하면 행렬식 도4와 같은 파장 의존성 특성을 나타낸다. The incident Muller matrix with the four Stokes vectors selected in this way Forming the determinant represents the wavelength dependence characteristic as shown in FIG.

도4에 의하면, 행렬식 는 제1 위상지연자(400)가 이상적인 4분파장 위상지연 특성을 보이는 270 nm 근방에서(도3 참조) 최대값인 2.0의 값을 가지며 이상적인 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어나는 파장영역에서는 2.0보다 점차적으로 작아지는 것을 확인할 수 있다. According to Figure 4, the determinant has a maximum value of 2.0 near 270 nm (see FIG. 3) where the first phase retarder 400 exhibits an ideal quarter-wavelength phase delay characteristic, and is greater than 2.0 in a wavelength range that deviate from the ideal quarter-wavelength phase delay characteristic. It can be seen that it gradually decreases.

이때, 행렬식의 크기와 파장의존성은 입사 뮬러행렬을 구성하는 스톡스벡터 의 내용에 따라 크게 달라지는데, 예컨대 표 1의 각 그룹에서 1개씩 스톡스벡터를 선택하고 , 에 대응되는 스톡스벡터를 추가하여 구성한 입사 뮬러행렬의 행렬식은 도4의 (b)와 같이 매우 작은 크기와 불규칙한 파장 의존성을 보임을 알 수 있다.At this time, the magnitude and wavelength dependence of the determinant is the Stokes vector constituting the incident Muller matrix It varies greatly depending on the contents of, for example, one Stokes vector is selected from each group in Table 1, , It can be seen that the determinant of the incident Mueller matrix constructed by adding the Stokes vector corresponding to shows a very small size and irregular wavelength dependence as shown in FIG. 4 (b).

또한, 검사부(600)는 4분파장 위상지연 조건을 만족하지 않으며 광흡수가 있는 제2 위상지연자(400)와 검광자(500)를 통과한 빛에 대한 출사광 스톡스벡터의 스톡스상수를 결정한다.In addition, the inspection unit 600 does not satisfy the 4-minute-wavelength phase delay condition, and the outgoing light Stokes vector for the light passing through the second phase retarder 400 having light absorption and the analyzer 500 Determine the Stokes constant of

즉, 검사부(600)는 스톡스벡터가 인 빛을 입사파로 하여 방위각이 C인 제2 위상지연자(400)와 방위각이 A인 검광자(500)를 연속으로 통과시킨 후 출사광의 세기를 (A,C)의 함수로 측정한 다음 이를 분석하여 스톡스상수를 결정한다.That is, the inspection unit 600 determines that the Stokes vector is After continuously passing the second phase retarder 400 having an azimuth angle C and the analyzer 500 having an azimuth angle A using the incident light as an incident wave, the intensity of the emitted light is measured as a function of (A, C), and then Analyze to determine the Stokes constant.

스톡스벡터가 인 빛이 제2 위상지연자(400)와 검광자(500)를 연속으로 통과하면 투과광의 스톡스벡터 는 수학식 9와 같다.Stokes vector If the light passes through the second phase retarder 400 and the analyzer 500 continuously, the Stokes vector of the transmitted light Is equal to Equation 9.

여기서,는 각각 방위각이 인 검광자의 뮬러행렬과 방위각이 인 위상지연자의 뮬러행렬로, 수학식 10과 같이 표현된다.here, and are each azimuth If the Mueller matrix and azimuth of the analyzer of is the Mueller matrix of the phase retarder, expressed as Equation 10.

즉, 수학식 10에 수학식 5를 대입한 후, 이를 수학식 9에 대입하여, 제2 위상지연자(400)와 검광자(500)를 통과한 빛의 세기를 수학식 11과 같은 A(검광자 방위각)와 C(제2 위상지연자 방위각)의 함수로서 나타낼 수 있다.That is, after substituting Equation 5 into Equation 10 and substituting it into Equation 9, the intensity of light passing through the second phase delayer 400 and the analyzer 500 is A as in Equation 11 ( It can be expressed as a function of analyzer azimuth) and C (second phase retarder azimuth).

여기서,here,

이며, is,

S0,S1,S2,S3는 입사광의 스톡스상수들로, 이들은 I(A,C)로 표현되는 빛의 세기 조합으로부터 결정할 수 있는데, 바람직하게 수학식 12를 만족하는 조합으로 결정될 수 있다.S 0 ,S 1 ,S 2 ,S 3 are Stokes constants of incident light, which can be determined from a combination of light intensities represented by I(A,C), preferably a combination that satisfies Equation 12. there is.

즉, 상기 실시예에 의하면 PC1SC2A 배치 구조의 뮬러행렬타원계에서, 위상지연자들을 회전시키지 않고, 편광자의 방위각과 시료전의 위상지연자의 방위각의 조합, 그리고 시료후의 위상지연자의 방위각과 검광자의 방위각 조합을 통해 최적의 뮬러행렬을 결정할 수 있다. That is, according to the above embodiment, in the Muller matrix ellipsoid of the PC 1 SC 2 A arrangement structure, without rotating the phase retarders, the combination of the azimuth angle of the polarizer and the azimuth angle of the phase retarder before the sample, and the azimuth angle of the phase retarder after the sample The optimal Mueller matrix can be determined through the azimuthal combination of analyzers.

100 : 광원, 200 : 편광자,
300 : 제1 위상지연자, 400 : 제2 위상지연자,
500 : 검광자, 600 : 검사부,
10 : 시료.
100: light source, 200: polarizer,
300: first phase delayer, 400: second phase delayer,
500: analyzer, 600: inspection unit,
10: sample.

Claims (6)

광원-편광자-제1 위상지연자-시료-제2 위상지연자-검광자의 배치 구조를 갖는 뮬러행렬타원계에 있어서,
상기 제1 위상지연자 및 제2 위상지연자는 4분파장 위상지연 특성으로부터 벗어난 위상지연자이고,
상기 편광자와 상기 제1 위상지연자의 방위각은 입사광 뮬러행렬 의 절대값 가 0.2 이상의 값을 갖도록 하는 입사광 스톡스벡터 를 만족하는 조합으로 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
In a Mullerian matrix elliptic system having a structure of arrangement of light source-polarizer-first phase retarder-sample-second phase retarder-analyzer,
The first phase retarder and the second phase retarder are phase retarders that deviate from the quarter-wavelength phase delay characteristics,
The azimuth angle of the polarizer and the first phase retardant is the incident light Muller matrix absolute value of Incident light Stokes vector such that is greater than 0.2 Muller matrix elliptic system, characterized in that set to a combination that satisfies.
제1항에 있어서,
상기 편광자의 방위각 P, 제1 위상지연자의 방위각 C의 조합(P,C)은,
(0,0),(
Figure pat00122
,
Figure pat00123
), (±
Figure pat00124
, ±
Figure pat00125
), (O,±
Figure pat00126
) 중에서 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
According to claim 1,
The combination (P, C) of the azimuth angle P of the polarizer and the azimuth angle C of the first phase retarder,
(0,0),(
Figure pat00122
,
Figure pat00123
), (±
Figure pat00124
, ±
Figure pat00125
), (O, ±
Figure pat00126
) Muller matrix elliptic system, characterized in that set in.
제2항에 있어서,
상기 입사광 뮬러행렬은 상기 (0,0),(
Figure pat00127
,
Figure pat00128
)조합에 대응되는 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터와, (±
Figure pat00129
, ±
Figure pat00130
) 조합에 대응되는 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터 및, (O,±
Figure pat00131
) 조합에 대응되는 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터들을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
According to claim 2,
The incident light Muller matrix is (0,0), (
Figure pat00127
,
Figure pat00128
) the incident light Stokes vector of the first group corresponding to the combination, (±
Figure pat00129
, ±
Figure pat00130
) the Stokes vector of incident light of the second group corresponding to the combination, and (O, ±
Figure pat00131
) Mullerian matrix ellipsoid, characterized in that determined using the third group of incident light Stokes vectors corresponding to the combination.
제3항에 있어서,
상기 제1 그룹의 입사광 스톡스벡터는 ,
상기 제2 그룹의 입사광 스톡스벡터는 ,
상기 제3 그룹의 입사광 스톡스벡터는 이고,
상기 입사광 뮬러행렬은 각 그룹에서 적어도 하나의 입사광 스톡스벡터를 포함하여 결정하는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
According to claim 3,
The incident light Stokes vector of the first group is ,
The incident light Stokes vector of the second group is ,
The incident light Stokes vector of the third group is ego,
The Muller matrix ellipsometer, characterized in that the incident light Muller matrix is determined by including at least one incident light Stokes vector in each group.
제2항과 제3항에 있어서,
또한, 상기 편광자의 방위각과 제1 위상지연자의 방위각 조합은, (P,C), (P+π,C), (P, C+π), (P+π, C+π)의 조합들 중 하나의 조합에 해당하는 순서쌍 중에서 설정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
According to claims 2 and 3,
In addition, the combination of the azimuth angle of the polarizer and the azimuth angle of the first phase retarder is a combination of (P, C), (P + π, C), (P, C + π), and (P + π, C + π). A Muller matrix elliptic system, characterized in that set among ordered pairs corresponding to one combination of.
제1항에 있어서,
상기 방위각이 C인 제2 위상지연자와 방위각이 A인 검광자를 통과한 빛의 세기는
로서,
로 설정되며,
상기 입사광의 스톡스상수인 S0,S1,S2,S3
와 같이 제2 위상지연자와 검광자의 방위각 조합(A,C)에서 측정한 빛의 세기로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 뮬러행렬타원계.
According to claim 1,
The intensity of the light passing through the second phase retarder with the azimuth angle C and the analyzer with the azimuth angle A is
as,
is set to
The Stokes constants of the incident light S 0 , S 1 , S 2 , S 3 are
Mueller matrix elliptic system, characterized in that it is determined from the intensity of light measured at the azimuth combination (A, C) of the second phase retarder and the analyzer.
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