WO2016148422A1 - 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법 - Google Patents

무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법 Download PDF

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analyzer
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조용재
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422—Investigating thin films, e.g. matrix isolation method

Definitions

  • the present invention relates to an optical ellipsometer, and more particularly, to an ellipsometer used to measure a Mueller matrix component of a specimen by measuring and analyzing a change in polarization state of light reflected or transmitted by the specimen.
  • Non-contact measurement and evaluation of thin film thickness and nanopattern shape and physical properties without damaging the nano specimens in the manufacturing process stages of industrial fields related to rapidly developing semiconductor devices, flat panel displays, nanobios, nano imprints, and thin film optics Technology is becoming increasingly important.
  • ellipsometers and methods using them are widely used with the development of light sources, photodetectors, and computers.
  • Korean Patent No. 1270260 discloses an ellipsometer for measuring the shape and physical properties of a specimen according to the prior art and a measurement method using the same.
  • Optical element-rotational ellipsometer solves the problem of residual polarization of the light source by making the light source linearly polarized by adding a stationary polarizer after the light source in the optical path of the polarizer rotary multichannel spectroscopic ellipsometer.
  • the polarization dependence problem of the photodetector was solved by additionally installing the stationary polarizer before the multichannel spectrometer in the optical paths of the rotary multichannel spectroscopic ellipsometers and transmitting the linearly polarized light to the photodetector.
  • the optical device-rotational ellipsometer according to the prior art was able to find the Fourier coefficients of the light intensity waveform, the ellipsometric angle of the specimen, and the unpolarized reflectance of the specimen from the exposure values measured by using three polarizers.
  • the method of measuring the muller-matrix of anisotropic specimens has not been described in detail. Accordingly, in order to detect the shape and physical properties of the anisotropic specimen, there is a problem that additional measurement is required to rotate the direction of the specimen or scan the fixed optical device.
  • Achromatic aberration optical element-rotational ellipsometer for achieving the above object is a light source for emitting incident light toward the specimen;
  • a fixed polarizer disposed between the light source and the specimen on a traveling path of the incident light and polarizing the incident light emitted from the light source;
  • An isotropically rotating polarizer disposed between the fixed polarizer and the specimen on the traveling path of the incident light, the light passing through the fixed polarizer is incident, and rotating at a constant speed to polarize the incident light;
  • a constant-speed rotational analyzer that is polarized while the light polarized by passing through the constant-speed rotational polarizer is reflected or transmitted by the specimen and is incident, and rotates at a constant velocity to polarize the incident light;
  • a fixed analyzer for polarizing light incident through the constant velocity analyzer and polarizing the incident light;
  • a photodetector in which polarized light passes through the fixed analyzer and detects an exposure amount of the incident light and output
  • the achromatic aberration optical element-rotational ellipsometer is a first coaxial stepping motor attached to the fixed polarizer for controlling the azimuth angle of the fixed polarizer;
  • a second pupil shaft constant velocity rotation motor attached to the constant velocity polarizer to rotate the constant velocity polarizer at constant velocity;
  • a third pupil shaft constant velocity rotation motor attached to the constant velocity analyzer to rotate the constant velocity analyzer at constant velocity;
  • the control unit for controlling the operation of the element may further include.
  • the constant-speed rotation polarizer rotates at a preset multiple of the reference angular velocity
  • the constant-speed rotation detector rotates at another predetermined multiple of the reference angular velocity
  • the photodetector changes the value of the radiant flux of light at least during the rotation period of the reference angular velocity.
  • a calculation unit configured to output a Fourier coefficient for the radiation waveform of the light from the value of the radiation rate of the light output by the photodetector and to calculate a muller-matrix component of the specimen from the Fourier coefficient.
  • the achromatic aberration optical element-rotating ellipsometer may further include: a storage unit storing the Fourier coefficients and the Mueller matrix component;
  • the display unit may display the muller matrix component.
  • N number of repetitions of Fourier coefficient measurement
  • P, A fixed polarizer, azimuthal position in the true coordinate coordinate system of the characteristic axis of the fixed analyzer
  • u, v preset integers given differently according to the type of optical element rotary spectroscopic ellipsometer used,
  • DOS detector optic system
  • PSG polarization state generator, including a fixed polarizer and a constant rotation polarizer
  • PSA polarization state analyzer including a constant velocity analyzer and a fixed analyzer.
  • P, A fixed polarizer, azimuthal position in the true coordinate coordinate system of the characteristic axis of the fixed analyzer
  • u, v preset integers given differently according to the type of optical element rotary spectroscopic ellipsometer used,
  • DOS detector optic system
  • PSG polarization state generator, including a fixed polarizer and a constant rotation polarizer
  • PSA polarization state analyzer including a constant velocity analyzer and a fixed analyzer.
  • the colorless aberration optical element-rotational ellipsometer is a specimen support for supporting the specimen; A specimen transfer system capable of moving the measurement position of the specimen; A specimen container for storing one or more specimens; It may further include a specimen transport device to take out one specimen from the specimen storage container to move to the specimen holder.
  • the achromatic aberration optical element-rotational ellipsometer further comprises a specimen alignment system for aligning the specimen to measure the exposure amount
  • the system for specimen alignment is a laser for emitting light, and It may include an optical system for injecting light into the specimen in a predetermined direction, and a photodetector for receiving the light reflected by the specimen.
  • the achromatic aberration optical element-rotational ellipsometer may further include a focusing optical system for focusing the incident light on the specimen; A collimator for converting the light reflected or transmitted by the specimen back into parallel light may be further included.
  • the light source may also be any selected from xenon lamps, tungsten-halogen lamps, deuterium lamps, gas lasers, laser diodes, and devices that transmit light emitted from them through an optical fiber. It can be one.
  • the photodetector may include a CCD, a CMOS, or a photodiode device, and pixels of a plurality of CCD, CMOS, or photodiode devices may be arranged in a linear or two-dimensional planar structure.
  • the photodetector may also be a single photodetector comprising photomultiplier tubes or photodiodes.
  • the photodetector may be provided with a cooling device.
  • Method for measuring the muller-matrix of the specimen using the achromatic aberration optical element-rotational ellipsometer for achieving the object as described above is equipped with a specimen mounting step (S10); An azimuth angle selection step (S20) of selecting a set azimuth angle of each of the fixed polarizer and the fixed analyzer; An azimuth shifting step of moving the azimuth of each of the fixed polarizer and the fixed analyzer to the set azimuth; An exposure dose measuring step (S40) of measuring an exposure amount of incident light according to a change in azimuth angle between the constant velocity rotation polarizer and the constant velocity rotation analyzer, and outputting a value of the radiant flux of light from the exposure amount; A Fourier coefficient calculating step (S50) of calculating Fourier coefficients of the radiation waveform of the light from the value of the radiation flux of the light;
  • the embodiment according to the present invention is a colorless aberration optical element-rotational ellipsometer which can measure the Mueller-matrix of anisotropic specimens as well as anisotropic specimens by using four polarizers, and a specimen using the same A muller-matrix measurement method can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic view of a conventional optical element-rotating muller-matrix ellipsometer.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a colorless aberration optical element-rotational ellipsometer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a conceptual diagram for describing each azimuth angle for a fixed polarizer, a constant-speed rotation polarizer, a constant-speed rotation analyzer and a fixed analyzer used in the colorless aberration optical device-rotational ellipsometer according to an embodiment of the present invention Drawing.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of measuring a muller-matrix of a specimen using achromatic aberration optical device-rotational ellipsometer according to the present invention.
  • first and second are used to distinguish one component from other components, and the scope of rights should not be limited by these terms.
  • a first component may be referred to as a second component. It may be named, and similarly, the second component may also be called the first component.
  • each step may occur differently from the stated order unless the context clearly dictates the specific order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional optical element-rotating muller-matrix ellipsometer
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a colorless aberration optical element-rotating ellipsometer according to an embodiment of the present invention.
  • a conventional optical device-rotating ellipsometer may include a light source 100, a polarization state generator 200, a specimen 300, a variable state analyzer 400, and a photodetector 500.
  • the key components of a conventional optical element rotating muller-matrix ellipsometer are placed on the light source 100, the polarization state generator 200, which is an optical system that makes the light emitted from the light source into a specific polarization state, and the propagation path of the modulated incident light.
  • a polarization state analyzer 400 which is an optical system for analyzing the polarization state of the reflected light (or transmitted light) on the path of the reflected light (or transmitted light) reflected from the specimen, of the light passing through the polarization state analyzer
  • the photodetector 500 may measure the amount of light to a value such as voltage or current.
  • a plurality of rotatable optical elements may be appropriately disposed according to the type of an ellipsometer, and the rotatable optical element may include linear polarizers and compensating elements.
  • the rotatable optical elements selected from the rotatable photons rotate at constant speed, and the other rotatable optical elements except for the constant-speed rotation optical elements move as a fixed optical element at a predetermined azimuth angle for measurement and are stopped during measurement. It may be.
  • Muller-matrix ellipsometers The most widely used in conventional Muller-matrix ellipsometers is a dual-optical device-rotational ellipsometer in which two optical devices rotate at constant speed with a constant speed ratio, and a double-compensator-rotational ellipsometer and rotation-compensator Examples include a rotation-probe ellipsometer, a rotation-polarizer rotation-compensator ellipsometer, and a rotation-polarizer rotation-aspector ellipsometer.
  • the principle of the optical element-rotational ellipsometer is that the incident light emitted from the light source 100 is incident on the polarization state generator, and the incident light is changed into a specific polarization state that can be controlled by the polarization state generator 200, and the polarization state
  • the modulated incident light is irradiated onto the specimen 300 and the polarization state is changed by the specimen to become reflected light (or transmitted light) having the property information of the specimen, and the reflected light (or transmitted light) is incident on the polarization state analyzer 400 and once again.
  • the reflected light that is changed to a specific polarization state that can be controlled and has undergone this series of changes is measured by using the photodetector 500 to finally reconstruct comprehensively the property information of the specimen 300.
  • an optical element-rotating muller-matrix ellipsometer has a light source 100, a fixed polarizer 210, a first coaxial stepping motor 211, and a constant velocity on an incident light path.
  • Rotating polarizer 220, second pupil axis constant speed rotation motor 221, focus optical system 230, specimen 300, specimen support 310, collimator 430, fixed analyzer 410, third pupil axis Constant velocity rotation motor 411, constant velocity rotation detector 420, fourth pupil shaft constant velocity rotation motor 421, photodetector 500, control unit 610, operation unit 620, storage unit 630 and display unit 640 may include.
  • the fixed polarizer 210, the first coaxial shaft stepping motor 211, the constant speed rotating polarizer 220, the second pupil axis constant speed rotating motor 221, and the focusing optical system 230 constitute a polarization state generator 200. It is an element.
  • the collimator 430, the fixed analyzer 410, the third pupil shaft constant velocity rotation motor 411, the constant velocity analyzer 412 and the fourth pupil axis constant velocity rotation motor 421 are the polarization state analyzer 400. It is an element that constitutes.
  • the controller 610, the calculator 620, the storage 630, and the display 640 may be implemented using the computer 600.
  • the light source 100 On the incident light line, the light source 100, the incident light 110 radiated in parallel from the light source toward the specimen, and a fixed polarizer 210 arranged between the incident light and the specimen to stop at a specified azimuth angle and pass the incident light into a linearly polarized state in a specific direction.
  • a constant velocity polarizer 220 which is disposed between the fixed polarizer and the specimen and rotates at a constant velocity during measurement to modulate the polarization state of the light that has passed through the fixed polarizer, and the light passing through the constant velocity polarizer is reflected (or transmitted) by the specimen.
  • the polarization state is changed, and is disposed between the specimen 300 and the photodetector to analyze the polarization state changed by the specimen of the reflected light (or transmitted light) on the reflected light (or transmitted light) line.
  • Constant velocity rotation detector 410 which is disposed between the constant velocity detector and the photodetector, which rotates at a constant constant velocity of another constant ratio
  • a fixed detector 420 stationary at a specified azimuth angle and a photodetector for measuring the exposure amount of the light passing through the fixed detector and outputting the value of the radiant flux of the corresponding light in order to pass only the linearly polarized light component of the light passing through the ruler in a specific direction. 500 may be provided.
  • the azimuth angle between the fixed polarizer 210 and the fixed analyzer 420 is controlled using the coaxial stepping motors 211 and 421, and the rotational speeds of the constant-speed rotating polarizer 220 and the constant-speed rotating analyzer 410 are constant-speed rotating motors.
  • the controller 610 which can be remotely controlled using 221, 411, calculates a Fourier coefficient for the radiation waveform from the values of the radiant flux of the light measured from the photodetector 500 and from the Fourier coefficient values for the muller matrix for the specimen.
  • a calculation unit 620 for calculating components, a storage unit 630 for storing Fourier coefficients for radiant-wave waveforms and the Muller matrix components of the specimen, and a display unit for displaying the calculated values on the screen of a monitor, if necessary 640 may be provided.
  • An optical device-rotating muller-matrix ellipsometer may include a specimen pedestal 310 to change the alignment and measurement position of the specimen, and one side of the specimen pedestal has three heights and left and right sides.
  • a specimen conveying system (not shown) with six degrees of freedom, including parallelism of degrees of freedom, tilt control with two degrees of freedom, and rotational functions, can be mounted.
  • the optical element-rotating muller-matrix ellipsometer is a specimen storage container for storing specimens for this purpose because it is important to measure a large number of wafer specimens in a short time.
  • the specimen transport device to take out the specimens one by one from the specimen storage container in order to measure the physical properties of the specimen and to move to the specimen stand, and transfer the specimen located on the specimen stand back to the specimen holder when the measurement is completed for the specified points (Not shown).
  • the optical element-rotating muller-matrix ellipsometer is a laser for emitting the specimen alignment light for the alignment of the specimen for measurement, an optical system for injecting the light emitted from the laser in the specific direction to the specimen And a specimen alignment system (not shown) including a photodetector configured to receive the light reflected by the specimen with respect to the incident light and determine a position of the received light.
  • the optical element-rotating muller-matrix ellipsometer When used in fields such as the semiconductor industry, the optical element-rotating muller-matrix ellipsometer according to an embodiment of the present invention focuses on the local region of the specimen because the size of the region to be measured on the specimen is very small, such as several tens of micrometers.
  • a focusing optical system 230 for forming a light source may be installed on the front path of the specimen, and may further include a collimator 430 for converting the light reflected or transmitted by the specimen back into parallel light.
  • the focusing optical system 230 and the collimator 430 may include one or more mirrors, or include one or more lenses of different materials, or one or more mirrors and one or more lenses to correct chromatic aberration for a wideband wavelength. It may be composed of an optical system including a may adopt a single thin film or multilayer thin film coated lenses or mirrors to improve the transmission or reflection efficiency.
  • the light source 100 may be a xenon lamp, a tungsten-halogen lamp, a deuterium lamp, a gas laser.
  • the laser diode and light emitted from the laser diode may be selected from those transmitted through the optical fiber.
  • Such light source devices may have residual polarization characteristics in which the intensity of light polarized in some directions is relatively larger than in other directions, but may be advantageous in generating light having a specific wavelength.
  • the photodetector 500 of the optical device-rotational muller-matrix ellipsometer is a spectrometer composed of a CCD, CMOS or photodiode array element in which pixels are arranged in a linear or two-dimensional planar structure.
  • a spectrometer composed of a CCD, CMOS or photodiode array element in which pixels are arranged in a linear or two-dimensional planar structure.
  • one selected from binning of one pixel or several pixels may be used as a component.
  • one selected from single photodetectors made of PMT, photodiode, or the like may be used as a component.
  • the photodetector maintains the standby state before the external trigger is transmitted, and when the external trigger is delivered, the exposure amount is measured for the specified integration time for each pixel of the photodetector, and the value of the radiant flux of light corresponding to the measured value is output or temporarily stored.
  • the exposure dose value can be output or temporarily stored for a specific integration time for each pixel of the photodetector.
  • a non-integrated photodetector such as a photodetector, it is possible to output or temporarily store an exposure dose value for a very short time, that is, an approximate radiant flux value of light.
  • the photodetector of the optical element-rotational Muller-matrix ellipsometer uses a light path for branching, such as nitrogen gas or argon gas, to measure the broadband wavelength in order to reduce an error caused by a change in the measurement environment.
  • a light path for branching such as nitrogen gas or argon gas
  • an ellipsometer on the vibration suppression system to reduce the effects of vibrations in the system and the measurement environment, and for the light source, the photons, the specimen, and the photodetector.
  • a thermostat system can be included to reduce measurement errors due to temperature changes. Instead of a thermostat, a chiller can be attached to the photodetector to reduce measurement errors with temperature.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for describing respective azimuth angles for a fixed polarizer, a constant velocity polarizer, a constant velocity analyzer, and a fixed analyzer used in achromatic aberration optical device-rotational ellipsometer according to an embodiment of the present invention.
  • the angle of incidence among the planes perpendicular to the plane of the specimen Path and reflection angle of the incident light 110 of The path of the reflected light 120 is defined as the incident surface 130 and the axis perpendicular to the specimen is defined as the reference axis 140.
  • the transmission axis direction 150 of the linear polarizer in the fixed polarizer the transmission axis direction 160 of the linear polarizer in the constant-speed rotation polarizer, the transmission axis direction 170 of the linear polarizer in the constant-speed rotation analyzer, and the fixed analyzer
  • the azimuth angles of the linearly polarized light polarizer 180 measured based on the incident surface 130 are respectively. Describe as.
  • the radiant flux value at the monochromatic wavelength to be measured by the photodetector at time in the ideal optical element-rotating muller-matrix ellipsometers without errors can be expressed by the following general waveform equation.
  • the angular velocity of the constant-speed rotating polarizer is a reference angular velocity.
  • Constants in ) Bain The angular velocity of the constant velocity analyzer is a reference angular velocity Constants in ) Bain Can be.
  • Equation (2) cannot be applied to an optical element-rotational ellipsometer using two fixed optical elements and one constant-rotation optical element, and two fixed optical elements and two constant-rotation optical elements are used.
  • the assumption of equation (2) can be applied to the colorless aberration optical element-rotational ellipsometer according to an embodiment of the present invention.
  • the angular velocity of the constant rotation polarizer is the reference angular velocity Constants in ) Bain
  • the angular velocity of the constant velocity analyzer is a reference angular velocity Constants in ) Bain This is because it assumes that there are two rotating optical elements that can rotate at different speeds.
  • optical element-rotating muller-matrix ellipsometers it is very important to accurately measure the Fourier coefficient of the radiation wave waveform using a photodetector.
  • State-of-the-art optical device-rotating muller-matrix ellipsometers feature CCDs or photo diode arrays that can collect the spectrum of Fourier coefficients as quickly as possible for high-precision real-time measurements. It is used as a detector.
  • CCD or PD arrays can be measured in a shorter time for a given amount of light because the sensitivity of the light is relatively good.
  • Each pixel or each binning pixel group in a CCD or PD array serves as a component of a photodetector.
  • the output signal of the CCD or PD array is called an integrated photodetector because it is proportional to the integration time as well as the radiation rate.
  • the data measurement process of CCD or PD array can be classified into frame acquisition and frame reading process.
  • the rotation period per reference rotation based on the reference angular velocity One reference pulse is generated each time, J equal-time pulses may be generated at equal intervals.
  • the reference pulse is the reference time indicating the start of the measurement in the ellipsometer, and the isochronous pulse can be delivered to an external trigger for controlling the data measurement of the CCD or PD array.
  • the detailed process of measuring the data of the CCD or PD array during the period T may proceed in a sequence as follows.
  • Integral time T i after a time delay for T d after one photodetecting element of each pixel or group of binning pixels in the CCD or PD array receives an isochronous pulse with an external trigger and before exposure starts.
  • the frame acquisition process is then performed to convert the measured exposure dose into an electrical signal or a radiation flux value of light corresponding to the exposure dose. It consists of the waiting time to receive a pulse.
  • the measured exposure dose data can be described by the integration of the next waveform.
  • equation (4) the set of J exposure doses measured during the period T time is Because it forms a group of linear equations consisting of four unknown Fourier coefficients You can simply write: Where the exposure dose And the Fourier coefficients Is a column vector, Is Is the coefficient matrix of. If J is ⁇ , for odd J ⁇ and ⁇ , for even J ⁇ , one of the elements of the union of integer sets, From the exposure dose S, the Fourier coefficient ( Can be solved.
  • the azimuth angle of the rotatable optical elements can be remotely controlled by the coaxial motor and the characteristic axes of the rotatable optical elements can be in different positions when located at the azimuth reference point of the coaxial motor, that is, the index origin. .
  • the azimuth position of each of the characteristic axes of the rotatable optical elements must be determined from a real origin parallel to the plane of incidence and perpendicular to the specimen plane.
  • the azimuth position of the characteristic axis of optical elements can be found in the real coordinate system. Therefore, if Equation (2) is converted to the real coordinate system, it is given as follows.
  • the data reduction function in the ellipsometer is used to extract the polarization ellipsometric parameters of the sample from the calibrated Fourier coefficients, it is very important to find a suitable data cleansing method for the optical device rotary spectroscopic ellipsometer used. It is important.
  • the Stokes vector of the light waves incident to pass through the polarization state generator The Mueller matrix of the sample And the Mueller matrix of the polarization state generator and the polarization state analyzer Wow , Each of which is where Are the effective transmission coefficients of the polarization state generator and the polarization state analyzer, respectively.
  • DOS detector optic system
  • the Stokes vectors of light waves incident on the photodetecting device can be described as follows.
  • the area of the photodetector Quantum efficiency The radiant flux measured by the photodetector when The solutions to the calibrated Fourier coefficients given by this relation are given in the form of simultaneous linear equations for the Muller matrix components of the sample, respectively.
  • This simultaneous linear equation more simply A column vector with Muller matrix components for the sample is introduced.
  • u and v are integers given differently depending on the type of optical device rotating spectroscopic ellipsometer used.
  • the corrected Fourier coefficients are given as scalar products as
  • the measured values of the polarization measurement parameters of the sample defined by the normalized Muller matrix components can be obtained as follows.
  • isotropic samples generally , And It can be simply expressed as a polarization ellipsometric parameter of the sample defined as.
  • an optical element-rotating muller-matrix ellipsometer is characterized by interfacial characteristics, thin film thickness, complex refractive index, nano-shape, anisotropy of the specimen from the measured Fourier coefficients or the measured Muller matrix components.
  • the analysis results can be analyzed for semiconductor device process measuring equipment, flat panel display measuring equipment, photovoltaic device measuring equipment, thin film optical measuring equipment, bio It can be used for sensors or gas sensors.
  • the analysis method is very complicated, such as nano-pattern shape measurement, first, the Fourier coefficients for the specimen to be measured Or obtain measurement data of Muller matrix components, establish an optical theory for the specimen, and calculate Fourier coefficients or Muller matrix components data calculated using values of a number of unknown parameters defined in the region set for the established formula.
  • the properties of the specimen can be obtained by obtaining a continuous function for the unknown parameters from the calculated data and optimizing the continuous function using the least-squares method for the measured data.
  • the ellipsometer of the present invention is a high performance parallel computer, rigid coupled-wave analysis (RCWA) algorithm to quickly find the physical properties of the specimen from the measured data of the Fourier coefficients or the Muller matrix components measured for the specimen. It can include a large-capacity high-speed computing system composed of based analysis software and large data storage.
  • Method for measuring the physical properties of the specimen using the optical element-rotational Muller-matrix ellipsometer of the present invention is a specimen mounting step (S10), azimuth selection step (S20), azimuth shift step (S30), exposure dose measurement step (S40) ), The Fourier coefficient calculating step (S50) and the Muller-matrix calculation step (S60).
  • the specimen mounting step (S10) is a step of mounting and aligning the specimen for measuring physical properties.
  • the azimuth selection step (S20) is a step of selecting azimuth values of the fixed optical elements required for the measurement.
  • a set azimuth angle of each of the fixed polarizer and the fixed analyzer may be selected.
  • the azimuth movement step (S30) is a step of moving to the set azimuth angle of the fixed optical elements by the control unit.
  • the exposure dose measuring step (S40) is a step of measuring an exposure amount of incident light according to a change in azimuth angle between the constant speed rotation polarizer and the constant speed rotation detector, and measuring the value of the radiant flux of light from the exposure amount by a photodetector.
  • the Fourier coefficient calculating step (S50) is a step of calculating Fourier coefficients of the radiation wave waveform of the light from the value of the radiation flux of the light.
  • the muller-matrix storing step S60 is a step of calculating the muller-matrix components of the specimen from Fourier coefficients.
  • the constant-speed rotation polarizer rotates at a preset multiple A of the reference angular velocity
  • the constant-speed rotation analyzer also rotates at the preset multiple B of the reference angular velocity.
  • the photodetector outputs the value of the radiant flux of light during at least the rotation period of the reference angular velocity.
  • the rotational speed of the constant-speed rotating polarizer and the rotational speed of the constant-speed rotating analyzer are different from each other.
  • the preset speed A and the rotational speed of the constant-speed rotating analyzer which determine the rotational speed of the constant-speed rotating polarizer are determined.
  • the predetermined multiple B for determining is different.
  • incident surface 140 incident angle reference axis
  • control unit 620 arithmetic unit

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Abstract

본 발명은 광소자 회전형 타원계측기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시편에 의해 반사 또는 투과된 광의 편광상태 변화를 측정 및 분석하여 시편의 뮬러 행렬성분을 측정하는데 사용되는 타원계측기에 관한 것이다. 본 발명은 일 실시예는 시편을 향하여 입사광을 방사하는 광원, 상기 입사광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시편 사이에 배치되며 상기 광원에서 방사된 상기 입사광을 편광시키는 고정 편광자, 상기 입사광의 진행경로 상 상기 고정편광자와 상기 시편 사이에 배치되며 상기 고정편광자를 통과한 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 편광자, 상기 등속회전 편광자를 통과하여 편광된 광이 상기 시편에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화되어 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 검광자, 상기 등속회전 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 고정 검광자, 상기 고정 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며 입사된 광의 노광량을 검출하고 상기 노광량에 상응하는 광의 복사속의 값을 출력하는 광검출기를 포함할 수 있다.

Description

무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법
본 발명은 광소자 회전형 타원계측기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시편에 의해 반사 또는 투과된 광의 편광상태 변화를 측정 및 분석하여 시편의 뮬러 행렬성분을 측정하는데 사용되는 타원계측기에 관한 것이다.
급격히 발전하고 있는 반도체 소자, 평판 디스플레이, 나노바이오, 나노 임프린트, 박막광학 등과 관련된 산업분야의 제조공정 단계에서 나노 시편을 손상시키지 않고 박막의 두께 및 나노 패턴의 형상 및 물성을 비접촉식으로 측정 및 평가할 수 있는 기술의 중요성이 점점 증대되고 있다.
이들 산업의 지속적인 발전함에 따라 박막의 두께는 점점 작아져서 몇 개의 원자층 수준까지 도달하게 되었고 나노 패턴의 형상은 기존의 2차원 구조에서 3차원 구조로 복잡화되는 추세이다. 따라서 나노 스케일의 시편의 형상 및 물성을 보다 정확하게 분석하기 위한 공정용 측정기술이 필요하다.
비접촉식으로 시편의 형상과 물성을 측정하는 기술 가운데 타원계측기와 이를 이용한 방법이 광원, 광검출기, 컴퓨터 등의 발전과 더불어 널리 이용되고 있다.
종래 기술에 따른 시편의 형상과 물성을 측정하기 위한 타원계측기 및 이를 이용한 측정 방법에 관한 선행문헌으로는 한국 특허 제1270260호가 있다.
종래 기술에 따른 광소자-회전형 타원계측기는 편광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 광경로 중에서 광원 이후에 정지상태의 편광자를 추가함으로서 광원을 선편광으로 만들어서 광원의 잔류편광 문제를 해결하고, 검광자 회전형 다채널 분광타원계측기들의 광경로 중에서 다채널 분광기 이전에 정지상태의 편광자를 추가로 설치하여 선편광된 광을 광검출기에 전달함으로써 광검출기의 편광 의존성 문제를 해결하였다.
그러나, 종래 기술에 따른 광소자-회전형 타원계측기는 3개의 편광자를 사용함으로서 측정된 노광량들로부터 광세기 파형의 푸리에 계수들, 시편의 타원계측 각 및 시편의 무편광 반사율은 찾아낼 수 있었으나, 비등방성 시편의 뮬러-행렬 측정방법은 구체적으로 제시하지 못하였으며, 그에 따라 비등방성 시편의 형상과 물성을 감지하기 위해서는 시편의 방향을 회전하거나 고정 광소자를 스캔하는 추가적인 측정이 필요한 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는 시편을 향하여 입사광을 방사하는 광원; 상기 입사광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 상기 입사광을 편광시키는 고정 편광자; 상기 입사광의 진행경로 상 상기 고정편광자와 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 고정편광자를 통과한 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 편광자; 상기 등속회전 편광자를 통과하여 편광된 광이 상기 시편에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화되어 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 검광자; 상기 등속회전 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 고정 검광자; 상기 고정 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며, 입사된 광의 노광량을 검출하고 상기 노광량에 상응하는 광의 복사속(radiant flux)의 값을 출력하는 광검출기;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는 상기 고정 편광자에 부착되어 상기 고정 편광자의 방위각을 제어하기 위한 제 1 동공축 스테핑 모터; 상기 등속회전 편광자에 부착되어 상기 등속회전 편광자를 등속으로 회전시키기 위한 제 2 동공축 등속회전 모터; 상기 등속회전 검광자에 부착되어 상기 등속회전 검광자를 등속으로 회전시키기 위한 제 3 동공축 등속회전 모터; 상기 고정 검광자에 부착되어 상기 고정 검광자의 방위각을 제어하기 위한 제 4 동공축 스테핑 모터; 상기 제 1 동공축 스테핑 모터와 상기 제 4 동공축 스테핑 모터를 제어하는 펄스와 상기 제 2 동공축 등속회전 모터와 상기 제 3 동공축 등속회전 모터의 회전속도를 결정하는 정보를 생성하고 상기 각 구성요소의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 등속회전 편광자는 기준 각속도의 기 설정된 배수로 회전하고, 상기 등속회전 검광자는 상기 기준 각속도의 또 다른 기 설정된 배수로 회전하고, 상기 광검출기는 광의 복사속의 값을 적어도 상기 기준 각속도의 회전주기 동안 출력하고, 상기 광검출기가 출력하는 상기 광의 복사속의 값으로부터 상기 광의 복사속 파형에 대한 푸리에 계수를 계산하고 상기 푸리에 계수로부터 상기 시편의 뮬러-행렬 성분을 계산하는 연산부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는 상기 푸리에 계수와 상기 뮬러 행렬 성분을 저장하는 저장부; 상기 뮬러 행렬 성분을 전시하는 디스플레이부;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 노광량에 관한 식은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000001
이고, 상기 광의 복사속 파형의 푸리에 계수의 평균값들은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000002
이다. 여기서,
(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000003
: 광의 복사속 파형,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000004
: 등속회전 광소자들의 기준 각속도,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000005
: 기준 각속도에 대한 회전주기,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000006
: 광의 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 직류(dc) 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000007
: 광의 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 교류(ac) 성분들,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000008
: 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
Ti : 적분시간,
Td : 지연시간,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000009
,
N : 푸리에 계수 측정 반복 횟수,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000010
)이다.
또한, 상기 노광량에 관한 식은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000011
이고, 상기 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수값들은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000012
Figure PCTKR2016002287-appb-I000013
Figure PCTKR2016002287-appb-I000014
이다. 여기서,
(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000015
: 광의 복사속 파형,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000016
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000017
: 기준 각속도에 대한 회전주기,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000018
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000019
: 실원점에 대해서 측정된 기준각속도에 의한 방위각 변화량,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000020
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000021
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000022
: 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
Ti : 적분시간,
Td : 지연시간)이다.
또한, 상기 노광량에 관한 식은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000023
이고, 상기 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수값들은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000024
이다. 여기서,
(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000025
: 광의 복사속 파형,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000026
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000027
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000028
: 실원점에 대해서 측정된 기준각속도에 의한 방위각 변화량,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000029
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000030
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000031
: 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
Ti : 적분시간,
Td : 지연시간,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000032
: 상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000033
Figure PCTKR2016002287-appb-I000034
: 광학 소자의 투과율 상태에 관련된 공통 인자,
P, A : : 고정 편광자, 고정 검광자의 특성 축의 실원점 좌표계에서 방위각 위치,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000035
: 시편의 Mueller행렬,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000036
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000037
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000038
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000039
: 광검출기의 양자효율,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000040
: 광검출기의 측정 유효 면적,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000041
: 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 유효 투과계수,
u, v : 사용된 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라 다르게 주어지는 기 설정된 정수,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000042
: 편광상태 발생기를 통과하기 위해 입사되는 광파(light wave)의 스토크스벡터,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000043
: 편광상태 분석기와 광검출기 사이에 배치된 검출 광학계(detector optic system; DOS)의 뮬러 행렬,
PSG : 고정 편광자와 등속회전 편광자를 포함하는 편광 상태 발생기,
PSA : 등속회전 검광자와 고정 검광자를 포함하는 편광 상태 분석기)이다.
또한, 상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해는
Figure PCTKR2016002287-appb-I000044
이다. 여기서,
(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000045
: 광의 복사속 파형,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000046
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000047
: 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000048
: 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
Ti : 적분시간,
Td : 지연시간,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000049
: 상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000050
: 보정된 푸리에 계수의 열 벡터
Figure PCTKR2016002287-appb-I000051
: 상기 행 벡터를 성분으로 구성된
Figure PCTKR2016002287-appb-I000052
계수 행렬
Figure PCTKR2016002287-appb-I000053
Figure PCTKR2016002287-appb-I000054
: 광학 소자의 투과율 상태에 관련된 공통 인자,
P, A : : 고정 편광자, 고정 검광자의 특성 축의 실원점 좌표계에서 방위각 위치,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000055
: 시편의 Mueller행렬,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000056
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000057
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000058
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000059
: 광검출기의 양자효율,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000060
: 광검출기의 측정 유효 면적,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000061
: 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 유효 투과계수,
u, v : 사용된 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라 다르게 주어지는 기 설정된 정수,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000062
: 편광상태 발생기를 통과하기 위해 입사되는 광파(light wave)의 스토크스벡터,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000063
: 편광상태 분석기와 광검출기 사이에 배치된 검출 광학계(detector optic system; DOS)의 뮬러 행렬,
PSG : 고정 편광자와 등속회전 편광자를 포함하는 편광 상태 발생기,
PSA : 등속회전 검광자와 고정 검광자를 포함하는 편광 상태 분석기)이다.
또한, 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는 상기 시편을 지탱해주는 시편 받침대; 시편의 측정 위치를 이동할 수 있는 시편 이송 시스템; 하나 이상의 시편을 보관할 수 있는 시편 보관용기; 상기 시편 보관용기로부터 하나의 시편을 꺼내어 상기 시편 받침대로 이동시키 시편운반장치;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는 상기 노광량을 측정하기 위해서 상기 시편을 정렬하는 시편 정렬 시스템을 더 포함하고, 상기 시편 정렬용 시스템은 광을 방사하는 레이저와, 상기 레이저에서 방사되는 광을 시편에 기 설정된 방향으로 입사시키는 광학계와, 상기 시편에 의해 반사된 광을 수광하는 광검출기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는, 상기 입사광의 초점이 상기 시편에 맺히게 하는 초점광학계; 상기 시편에 의해 반사 또는 투과된 광을 다시 평행광으로 변화시키는 시준기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원은 제논(xenon) 램프, 텡스텐(tungsten)-할로겐(halogen) 램프, 듀테륨(deuterium) 램프, 가스 레이져, 레이져 다이오드 및 이들에서 방사된 광을 광섬유를 통하여 전달하는 장치로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 광검출기는 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자를 포함하며, 다수의 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자로 이루어진 화소들이 선형 또는 2차원 평면구조로 배열된 것일 수 있다.
또한,상기 광검출기는 광전자증배관(Photomultiplier tubes) 또는 포토다이오드를 포함하는 단일 광검출기일 수 있다.
또한, 상기 광검출기는 냉각장치가 구비될 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법은 시편이 장착되는 시편장착단계(S10); 고정 편광자와 고정 검광자 각각의 설정 방위각을 선택하는 방위각선택단계(S20); 상기 고정 편광자와 상기 고정 검광자 각각의 방위각을 상기 설정 방위각으로 이동하는 방위각이동단계(S30); 등속회전 편광자와 등속회전 검광자의 방위각 변화에 따른 입사 광의 노광량을 측정하고, 상기 노광량으로 부터 광의 복사속의 값을 출력하는 노광량측정단계(S40); 상기 광의 복사속의 값으로부터 상기 광의 복사속 파형의 푸리에 계수들을 계산하는 푸리에계수계산단계(S50);
상기 푸리에 계수들로부터 상기 시편의 뮬러-행렬 성분들을 계산하는 뮬러-행렬계산단계(S60); 를 포함할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 4개의 편광자를 사용함으로서 등방성 시편뿐만 아니라, 비등방성 시편의 뮬러-행렬을 측정할 수 있는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법을 제공할 수 있다.
따라서, 종래 기술에 따른 시편의 형상과 물성을 측정하기 위한 타원계측기 및 이를 이용한 측정 방법에 비하여 신속하게 비등방성 시편의 형상과 물성을 측정할 수 있다.
도 1은 종래의 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기의 개략도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기의 개략도를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기에서 사용되는 고정 편광자, 등속회전 편광자, 등속회전 검광자 및 고정 검광자에 대한 각각의 방위각을 기술하기 위한 개념도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 무색수차 광소자-회전형 타원계측기를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법을 나타내는 순서도를 나타낸 도면이다.
발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 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.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 위에있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.
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 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하에서는 첨부된 도면을 첨부하여 본 발명의 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기 및 이를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법을 설명한다. 도 1은 종래의 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 광소자-회전형 타원계측기는 광원(100), 편광 상태 발생기(200), 시편(300), 변광 상태 분석기(400), 광검출기(500)를 포함할 수 있다. 종래의 광소자 회전형 뮬러-행렬 타원계측기들의 핵심 구성요소들은 광원(100), 광원에서 방사된 광을 특정한 편광상태로 만드는 광학계인 편광 상태 발생기(200), 변조된 입사광의 진행 경로 상에 놓여지는 시편(300), 시편에서 반사된 반사광(또는 투과광)의 진행 경로 상에 상기 반사광(또는 투과광)의 편광상태를 분석하기 위한 광학계인 편광 상태 분석기(400), 상기 편광 상태 분석기를 통과한 광의 광량을 전압 또는 전류와 같은 값으로 측정하는 광검출기(500)일 수 있다.
상기 편광 상태 발생기 또는 상기 편광 상태 분석기는 타원계측기의 종류에 따라서 복수개의 회전가능 광소자들이 적절히 배치되고, 상기 회전가능 광소자는 선형 편광자(linear polarizer)들과 보상기(compensating element)들로 구성될 수 있고, 상기 회전가능 광소자들 중에서 선택된 회전가능 광소자들은 등속으로 회전하고, 상기 등속회전 광소자들을 제외한 나머지 회전가능 광소자들은 고정 광소자로서 측정을 위하여 기지정된 방위각으로 이동하여 측정시 정지되는 것일 수 있다.
종래의 뮬러-행렬 타원계측기들에서 가장 널리 사용되고 있는 것은 두 개의 광소자가 일정한 속도비를 갖고 등속으로 회전하는 이중-광소자-회전형 타원계측기이며, 이중-보상기-회전형 타원계측기, 회전-보상기 회전-검광자 타원계측기, 회전-편광자 회전-보상기 타원계측기 및 회전-편광자 회전-검광자 타원계측기를 예로 들 수 있다.
광소자-회전형 타원계측기의 원리는 광원(100)으로부터 방사된 입사광을 편광 상태 발생기에 입사시키고, 입사광은 편광 상태 발생기(200)에 의해 통제될 수 있는 특정한 편광상태로 변화되고, 편광상태로 변조된 입사광은 시편(300)에 조사되어 시편에 의해 편광상태가 변화되어 시편의 물성정보를 가진 반사광(또는 투과광)이 되고, 반사광(또는 투과광)은 편광 상태 분석기(400)에 입사되어 다시 한번 통제될 수 있는 특정한 편광상태로 변화되고, 이러한 일련의 변화를 거친 반사광을 광검출기(500)를 사용하여 측정함으로써 최종적으로 시편(300)의 물성정보를 가진 종합적으로 재구성하는 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 입사광 경로 상에 광원(100), 고정 편광자(210), 제 1 동공축 스테핑 모터(211), 등속회전 편광자(220), 제 2 동공축 등속회전 모터(221), 초점광학계(230), 시편(300), 시편 받침대(310), 시준기(430), 고정 검광자(410), 제 3 동공축 등속회전 모터(411), 등속회전 검광자(420), 제 4 동공축 등속회전 모터(421), 광검출기(500), 제어부(610), 연산부(620), 저장부(630) 및 디스플레이부(640)를 포함할 수 있다. 여기서, 고정 편광자(210), 제 1 동공축 스테핑 모터(211), 등속회전 편광자(220), 제 2 동공축 등속회전 모터(221) 및 초점광학계(230)는 편광 상태 발생기(200)를 구성하는 요소이다. 또한, 시준기(430), 고정 검광자(410), 제 3 동공축 등속회전 모터(411), 등속회전 검광자(420) 및 제 4 동공축 등속회전 모터(421)는 편광 상태 분석기(400)를 구성하는 요소이다. 여기서 제어부(610), 연산부(620), 저장부(630) 및 디스플레이부(640)는 컴퓨터(600)를 이용해서 구현될 수 있다.
입사광 선상에서는 광원(100), 광원에서 시편를 향해서 평행하게 방사된 입사광(110), 입사광과 시편 사이에 배치되어 측정시 지정된 방위각에 정지해 통과된 입사광을 특정한 방향의 선편광 상태로 만드는 고정 편광자(210), 고정 편광자와 시편 사이에 배치되어 고정 편광자를 통과한 광의 편광상태를 변조시키기 위해 측정시 등속으로 회전하는 등속회전 편광자(220), 등속회전 편광자를 통과한 광은 시편에 의해 반사(또는 투과)되어 그 편광상태가 변화되고, 반사광(또는 투과광) 선상에서는 반사광(또는 투과광)의 시편에 의해 변화된 편광상태를 분석하기 위하여 시편(300)과 광검출기 사이에 배치되어 측정시 등속회전 편광자와는 다른 일정한 비율의 등속으로 회전하는 등속회전 검광자(410), 등속회전 검광자와 광검출기 사이에 배치되어 등속회전 검광자를 통과한 광의 특정한 방향의 선편광 성분만 통과시키기 위해 측정시 지정된 방위각에 정지해 있는 고정 검광자(420) 및 고정 검광자를 통과한 광의 노광량을 측정하고 이에 상응하는 광의 복사속의 값을 출력하는 광검출기(500)를 구비할 수 있다.
또한, 고정 편광자(210)와 고정 검광자(420)의 방위각을 동공축 스테핑 모터(211,421)를 사용하여 제어하고 등속회전 편광자(220)와 등속회전 검광자(410)의 회전속도를 등속회전 모터(221,411)를 사용하여 원격 제어할 수 있는 제어부(610), 광검출기(500)로부터 측정된 광의 복사속의 값들로부터 복사속 파형에 대한 푸리에 계수를 계산하고 상기 푸리에 계수값들로부터 시편에 대한 뮬러 행렬 성분들을 계산하는 연산부(620), 복사속 파형에 대한 푸리에 계수와 시편의 뮬러 행렬 성분들의 계산값을 저장하는 저장부(630) 및 필요시 모니터의 화면에 상기 계산값을 표시할 수 있는 디스플레이부(640)를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 시편의 정렬과 측정 위치를 변경하기 위하여 시편 받침대(310)를 포함할 수 있으며, 상기 시편 받침대의 일면에는 높이 및 좌우의 3 자유도의 평행이동, 2 자유도를 갖는 기울기 조절, 및 회전기능을 포함하는 6 자유도를 가지는 시편 이송 시스템(미도시)을 장착할 수 있다.
반도체 산업체 등과 같은 경우에, 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 다수의 웨이퍼 시편들을 빠른 시간 내에 측정을 하는 것이 중요하기 때문에 이를 위하여 시편들을 보관할 수 있는 시편 보관용기(미도시), 시편의 물성측정을 위해 시편 보관용기로부터 순차적으로 하나씩 시편을 꺼내어 시편 받침대로 이동시키며 지정된 지점들에 대해서 측정이 완료되면 시편 받침대에 위치한 시편을 다시 시편 보관함으로 이송하는 시편 운반장치(미도시)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 측정을 위한 시편의 정렬을 위해서는 시편 정렬용 광을 방사하는 레이저, 상기 레이저에서 방사되는 광을 시편에 특정 방향으로 입사시키는 광학계, 상기 입사된 광에 대해서 상기 시편에 의해 반사된 광을 수광하며 상기 수광된 광의 위치를 판별할 수 있는 광검출기를 구비하는 시편 정렬 시스템(미도시)이 포함될 수 있다.
반도체 산업와 같은 분야에 사용될 경우에 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 시편에서 측정하고자 하는 영역의 크기가 수십 마이크로미터 정도로 매우 작기 때문에 입사광이 시편의 국소 영역에 초점을 맺도록 하는 초점광학계(230)를 시편의 앞 경로에 설치하고 상기 시편에 의해 반사 또는 투과된 광을 다시 평행광으로 변화시켜주는 시준기(430)를 선택적으로 포함할 수 있다.
여기서 초점 광학계(230)와 시준기(430)는 광대역 파장에 대한 색수차 보정을 위하여 1개 이상의 거울을 포함하거나, 또는 1개 이상의 이종 재질의 렌즈를 포함하거나, 또는 1개 이상의 거울과 1개 이상의 렌즈를 포함하는 광학계로 구성될 수 있으며 투과 또는 반사 효율을 향상시키기 위하여 단일 박막 또는 다층 박막 코팅된 렌즈들 또는 거울들을 채택할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기에서 상기 광원(100)은 제논(xenon) 램프, 텡스텐(tungsten)-할로겐(halogen) 램프, 듀테륨(deuterium) 램프, 가스 레이져, 레이져 다이오드 및 이들에서 방사된 광을 광섬유를 통하여 전달되는 것에서 선택될 수 있다. 이러한 광원장치들은 일부 방향으로 편광된 광의 세기가 다른 방향 보다 상대적으로 크게 나타나는 잔류편광 특성을 가지고 있을 수 있지만, 특정 파장의 광을 발생하는데 유리한 장점이 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기의 광검출기(500)는 화소(pixel)들이 선형 또는 2차원 평면 구조로 배열된 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 어레이 소자로 구성된 분광기(spectrometer)에서 하나의 화소 또는 여러 개의 화소들을 비닝(binning)된 것 중에서 선택된 하나를 구성요소로 할 수 있다. 또한, PMT와 포토다이오드 등으로 만들어진 단일 광검출기들 중에서 선택된 하나를 구성요소로 할 수 있다.
광검출기는 외부 트리거가 전달되기 전에는 대기상태를 유지하다가 외부트리거가 전달되면 광검출기의 각 화소별로 지정된 적분시간동안 노광량이 측정되고, 측정된 값에 상응하는 광의 복사속의 값을 출력하거나 임시로 저장할 수 있다. 이 때, CCD, CMOS 또는 포토다이오드 어레이 소자를 사용하는 적분형 광검출기의 경우에는 광검출기의 각 화소별로 지정된 적분시간 동안 노광량 값을 출력하거나 임시로 저장할 수 있으며, PMT와 포토다이오드 등으로 만들어진 단일 광검출기와 같은 비적분형 광검출기의 경우에는 매우 짧은 시간 동안의 노광량 값, 즉 근사적으로 광의 복사속 값을 출력하거나 임시로 저장할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기의 광검출기는 측정환경의 변화에 따른 오차를 줄이기 위하여 광대역 파장에 대한 측정을 위해 광경로를 질소 가스 또는 아르곤 가스 등의 분기위 상태로 만드는 장치를 포함할 수 있으며, 시스템 및 측정환경의 진동에 의한 영향을 줄이기 위하여 제진 시스템 위에 상기 타원계측기를 설치할 수 있고, 상기 광원, 상기 광소자들, 상기 시편, 그리고 상기 광검출기에 대하여 온도 변화에 따른 측정 오차를 줄이기 위하여 항온시스템을 포함할 수 있다. 항온장치 대신 온도에 따른 측정오차를 줄이기 위하여 냉각장치를 광검출기에 부착하여 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기에서 사용되는 고정 편광자, 등속회전 편광자, 등속회전 검광자 및 고정 검광자에 대한 각각의 방위각을 기술하기 위한 개념도이다. 도 3을 참조하면, 시편의 면에 수직한 평면들 중에서 입사각
Figure PCTKR2016002287-appb-I000064
의 상기 입사광(110)의 경로와 반사각
Figure PCTKR2016002287-appb-I000065
의 상기 반사광(120)의 경로가 그 면 위에 존재하는 것을 입사면(130)으로 정의하고 상기 시편에 수직한 축을 기준축(140)으로 정의한다. 도 3에 도시한 바와 같이 고정 편광자에서 선편광자의 투과축 방향(150), 등속회전 편광자에서 선편광자의 투과축 방향(160), 등속회전 검광자에서 선편광자의 투과축 방향(170) 및 고정 검광자에서 선편광자의 투과축 방향(180)을 상기 입사면(130)을 기준으로 하여 측정한 방위각을 일반적으로 각각
Figure PCTKR2016002287-appb-I000066
로 기술한다.
주기가
Figure PCTKR2016002287-appb-I000067
인 임의의 복사속 파형 함수
Figure PCTKR2016002287-appb-I000068
는 시간(t)의 함수로 다음의 식으로 표시된다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000069
(1)
여기서 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 직류(dc) 성분
Figure PCTKR2016002287-appb-I000070
, 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 교류(ac) 성분들 (
Figure PCTKR2016002287-appb-I000071
) 및 등속회전 광소자의 기준 각속도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000072
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000073
은 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값이다.
따라서, 오류가 없는 이상적인 상기 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기들에서 시간 일 때에 광검출기에 의해 측정될 단색 파장에서의 복사속 값은 다음의 일반적인 파형 식으로 표시 할 수 있다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000074
(2)
여기에서,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000075
는 푸리에 계수의 직류 성분이며,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000076
는 푸리에 계수의 교류 성분들이고,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000077
는 등속도로 회전하는 광소자의 기준 각속도이며,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000078
는 0이 아닌 푸리에 계수의 교류 성분들 중에서 최상위 인덱스 값이다. 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기의 광검출기에서는 등속회전 편광자의 각속도는 기준각속도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000079
의 상수(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000080
) 배인
Figure PCTKR2016002287-appb-I000081
이고, 상기 등속회전 검광자의 각속도는 기준각속도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000082
의 상수(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000083
) 배인
Figure PCTKR2016002287-appb-I000084
일 수 있다.
주의할 것은, 종래의 2개의 고정 광소자와 1개의 등속회전 광소자를 사용하는 광소자-회전형 타원계측기에는 식 (2)가 적용될 수 없고, 2개의 고정 광소자와 2개의 등속회전 광소자를 사용하는 본 발명의 일실시예에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기에 식 (2)의 가정이 적용될 수 있다. 왜냐하면, 등속회전 편광자의 각속도는 기준각속도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000085
의 상수(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000086
) 배인
Figure PCTKR2016002287-appb-I000087
이고, 상기 등속회전 검광자의 각속도는 기준각속도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000088
의 상수(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000089
) 배인
Figure PCTKR2016002287-appb-I000090
인 것으로 하였으므로, 서로 다른 속도로 회전할 수 있는 회전 광소자가 2개 존재하는 것을 가정하고 있기 때문이다. 그러므로 앞으로 유도되는 식들은 종래의 기술에 따른 타원계측기에 적용되는 것이 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기와 같이 서로 다른 속도로 회전할 수 있는 2개의 회전 광소자를 구비한 타원계측기에 적용될 수 있다.
상기 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기들에서는 광검출기를 이용하여 복사속 파형의 푸리에 계수를 정확히 측정하는 것은 매우 중요하다. 최첨단 실시간 상기 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기들에서는 높은 정밀도의 실시간 측정을 위해 푸리에 계수의 스펙트럼을 가능한 한 빨리 수집할 수 있는 CCD(Charge coupled Device) 또는 PD 어레이(Photo Diode array)를 광 검출기로 사용하고 있다. CCD 또는 PD 어레이는 약한 빛에 대한 측정감도가 상대적으로 우수하기 때문에 정해진 광량에 대해서 보다 짧은 시간에 측정이 가능하다. CCD 또는 PD 어레이의 각 화소 또는 각 비닝(binning) 화소 군들은 광검출기의 구성요소로서의 역할을 하고 있다. CCD 또는 PD 어레이의 출력 신호는 복사속 뿐 만 아니라 적분 시간에 비례하기 때문에 적분형 광검출기라고 부른다.
CCD 또는 PD 어레이의 데이터 측정과정은 프레임 획득과 프레임 읽기과정으로 분류할 수 있으며 측정 주기, 즉 등속으로 회전하는 등속회전 광소자 시스템에서는 기준각속도에 의한 1회전당, 즉 기준 각속도에 대한 회전주기
Figure PCTKR2016002287-appb-I000091
마다 하나의 기준 펄스가 발생되고,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000092
의 등간격으로 J개의 등시간 펄스들이 발생될 수 있다. 기준펄스는 타원계측기에서 측정의 시작을 알리는 기준 시각이고, 등시간 펄스는 CCD 또는 PD 어레이의 데이터 측정을 제어하기 위한 외부 트리거로 전달될 수 있다. 등시간 펄스가 CCD 또는 PD 어레이에 외부 트리거로 전달된 후, 주기 T의 시간 동안에 CCD 또는 PD 어레이의 데이터 측정의 세부과정은 다음과 같이 일련의 순서대로 진행될 수 있다. CCD 또는 PD 어레이의 각 화소 또는 각 비닝(binning) 화소 군들 중에서 하나의 광검출 소자가 등시간 펄스를 외부 트리거로 받은 후 노광을 시작하기 전에 Td 동안의 시간 지연이 있은 후, 적분시간 Ti 동안의 입사된 광의 광자들을 광전자로 저장하는 노광량 측정 과정을 거치고, 그 후에 측정된 노광량을 전기적 신호 또는 상기 노광량에 상응하는 광의 복사속의 값으로 변환하기 위해 프레임 취득 과정이 진행되고 나면, 다음 등시간 펄스를 받기 위해 기다리는 대기시간으로 구성된다. 따라서 상기 측정된 노광량 데이터는 다음 파형의 적분으로 기술될 수 있다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000093
(3)
식 (2)와 식 (3)으로부터 측정된 노광량 식은 다음과 같은 형태로 유도된다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000094
(4)
여기서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000095
이다. 식 (4) 에서 주기 T시간 동안에 측정된 J개의 노광량 세트는 식 (2)의
Figure PCTKR2016002287-appb-I000096
개의 미지의 푸리에 계수들로 구성된 선형 방정식의 그룹을 형성하기 때문에
Figure PCTKR2016002287-appb-I000097
와 같이 간단히 표기할 수 있다. 여기서 노광량을 나타내는
Figure PCTKR2016002287-appb-I000098
와 푸리에 계수를 표현한
Figure PCTKR2016002287-appb-I000099
는 열 벡터(column vector)이고,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000100
는
Figure PCTKR2016002287-appb-I000101
의 계수 행렬이다. 만약에 J가 {
Figure PCTKR2016002287-appb-I000102
, for odd J}와 {
Figure PCTKR2016002287-appb-I000103
, for even J}}의 정수집합들에 대한 합집합의 원소들 중에 하나인 경우에는 최소 자승법을 사용하면
Figure PCTKR2016002287-appb-I000104
와 같이 노광량(S)으로부터 푸리에 계수(
Figure PCTKR2016002287-appb-I000105
)를 계산할 수 있는 해를 얻을 수 있다.
최근 식 (4)와 같이 측정된 노광량들에 대해서 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform)을 적용하는 새로운 원리가 개발되었는데 그 결과는 상기와 같이 최소 자승법에 의해 얻은 결과와 동일하지만 그 표현 방법은 다음과 같이 보다 더 간결한 장점이 있다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000106
(5)
여기에서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000107
와
Figure PCTKR2016002287-appb-I000108
는 실수함수이고, 꺾쇠 괄호는 기준 각속도의 회전주기 마다 한번의 측정이 수행될 때에 총 N번 측정을 하여 얻은 측정값들에 대한 평균값을 의미한다. 식(4)을 식(5)에 대입하고 삼각함수 시스템의 직교성을 활용하여 정리를 하면 측정된 푸리에 계수의 평균값들은 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000109
(6)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000110
(7)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000111
(8)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000112
(9)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000113
(10)
일반적인 타원계측기 구성에서는 광원으로부터 방사된 평행광이 편광 상태 발생기(PSG; polarization state generator)를 통과하고, 시편에 의해 반사(또는 투과)된 후에 편광상태 분석기(PSA; polarization state analyzer)를 통과하여 광검출 소자에 입사하면 복사속은 전기적 신호로 변환되게 된다. 광소자 회전형 분광타원계측기에서 사용되는 회전 가능한 광소자(rotatable element)들은 편광자(polarizer), 검광자(analyzer), 보상기(compensator)로 구분되며, 이들은 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라서 편광 상태 발생기와 편광상태 분석기에 다르게 배치된다. 광소자 회전형 분광타원계측기에서 회전 가능한 광소자들 중에서 최소한 하나의 광소자는 일정한 각 진동수로 등속회전을 해야 하고, 그 이외의 회전 가능한 광소자들은 각각 지정된 위치에 정지해 있다. 회전 가능한 광소자들의 방위각은 동공축 모터에 의해서 원격조정이 가능하며 동공축 모터의 방위각 기준점, 즉 인덱스 원점(index origin)에 위치했을 때에 회전 가능한 광소자들의 특성 축들이 각기 다른 위치에 있을 수 있다. 측정이 바르게 이루어지기 위해서는 입사면에 평행하고 시료면에 수직한 실원점(real origin)으로 부터 회전 가능한 광소자들의 특성 축의 방위각 위치를 각각 알아내야만 한다. 기존에 잘 알려진 교정법(calibration)을 사용하면 광소자들의 특성 축의 방위각 위치를 실원점 좌표계에서 각각 찾아낼 수 있다. 따라서 식 (2)를 실원점 좌표계에 대해서 변환하면 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000114
(11)
여기에서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000115
는 실원점에 대해서 측정된 기준각속도에 의한 방위각 변화량이고,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000116
는 보정된 푸리에 계수의 직류 성분이며,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000117
는 보정된 푸리에 계수의 교류 성분들이다. 식 (11)에서 방위각을
Figure PCTKR2016002287-appb-I000118
로 표기하면
Figure PCTKR2016002287-appb-I000119
는 t=0 일 때의
Figure PCTKR2016002287-appb-I000120
값이 되고, 미보정된 그리고 보정된 푸리에 계수들 간 관계식은 식 (2)와 식 (11)의 항등 관계식으로부터 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000121
(12)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000122
(13)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000123
(14)
타원계측기에서 데이터 정리(data reduction) 함수는 보정된 푸리에 계수들로부터 시료의 편광타원계측 매개변수를 추출하는 데 사용하기 때문에, 사용되는 광소자 회전형 분광타원계측기에 적합한 데이터 정리 방법을 찾는 것이 매우 중요하다. 스토크스(Stokes) 표현에 의하면 편광 상태 발생기를 통과하기 위해 입사되는 광파의 스토크스벡터는
Figure PCTKR2016002287-appb-I000124
로 두고, 시료의 뮬러 행렬은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000125
로 표기하고, 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 뮬러 행렬은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000126
와
Figure PCTKR2016002287-appb-I000127
로 각각 표기하며, 여기서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000128
는 각각 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 유효 투과계수이며,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000129
는 편광상태 분석기와 광검출기사이에 배치된 검출 광학계(detector optic system; DOS)의 뮬러 행렬이며, 마지막으로
Figure PCTKR2016002287-appb-I000130
는 광검출기에 입사되는 광파의 스토크스 벡터이다. 편광상태 발생기와 편광상태 분석기에 배치되어 있는 고정 편광자, 등속회전 편광자, 등속회전 검광자, 고정 검광자의 특성 축의 방위각 위치를 실원점 좌표계에서 각각
Figure PCTKR2016002287-appb-I000131
로 표기하고, 이들의 방위각 변화를 좌표계 회전에 대한 뮬러 행렬로 각각 기술한다.
준 단색 광파에 대해 광검출 소자에 입사되는 광파의 스토크스 벡터는 다음과 같이 기술할 수 있다
Figure PCTKR2016002287-appb-I000132
(15)
광검출기의 면적은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000133
이고, 양자효율이
Figure PCTKR2016002287-appb-I000134
일 때 광검출기에 의해 측정되는 복사속은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000135
로 주어지고 이 관계식에 의해서 구해진 보정된 푸리에 계수들에 대한 해들은 시료의 뮬러 행렬 성분들에 대한 연립 일차 방정식 형태로 각각 주어지게 된다. 이와 같은 연립 일차 방정식을 보다 간략히 표현하기 위해서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000136
와 같이 시료에 대한 뮬러 행렬 성분들을 갖는 열 벡터를 도입하였다. 여기서 u와 v는 는 사용된 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라 다르게 주어지는 정수들이다. 따라서 보정된 푸리에 계수들은 다음과 같이 스칼라 곱으로 주어진다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000137
(16)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000138
(17)
Figure PCTKR2016002287-appb-I000139
(18)
여기서,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000140
은 일반적으로 고정 광소자들의 방위각만의 함수이지만 만약에 보상기가 포함되어 있다면 보상기의 방위각과 위상 각(retardation angle)이 더 포함된 함수로써 행 벡터로 기술되어 있으며,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000141
는 광원의 세기와 편광특성, 광검출기의 유효 검출 면적 및 양자 효율, DOS의 편광 의존 특성, 그리고 광소자 회전형 분광타원계측기에서 사용되는 광학 소자의 투과율 상태에 관련된 공통 인자(common factor)로서 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000142
(19)
여기에서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000143
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000144
, 그리고
Figure PCTKR2016002287-appb-I000145
이다.
데이터 정리에 사용된 선형 방정식의 총 가지 수에 따라서 상기 연립 일차 방정식의 해는 고유의(unique) 또는 과잉 결정된(overdetermined) 형태로 주어지게 된다. 본 연구에서는 모든 형태의 광소자 회전형 분광타원계측기에 적용이 가능하며 보정된 모든 푸리에 계수들로부터 시료의 타원계측 매개변수를 얻을 수 있는 일반화된 데이터 정리 방법을 소개하고자 한다. 보정된 푸리에 계수의 열 벡터를
Figure PCTKR2016002287-appb-I000146
로 표기하고, 상기 행 벡터를 성분으로 구성된
Figure PCTKR2016002287-appb-I000147
계수 행렬을
Figure PCTKR2016002287-appb-I000148
로 표기하면 식 (16)~(18)은
Figure PCTKR2016002287-appb-I000149
와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000150
의 행렬 급수(matrix rank)가
Figure PCTKR2016002287-appb-I000151
에서의 미지의 행렬 요소들의 총 수와 같거나 보다 큰 경우에는 시료에 대한 뮬러 행렬 성분에 대한 벡터의 해는 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2016002287-appb-I000152
(20)
따라서 광학적 특성이 잘 알려진 기준 시편을 사용한 측정결과 또는 시료 없이 직선 상의 측정결과로부터 각 파장마다 식 (19)에서
Figure PCTKR2016002287-appb-I000153
의 값을 얻는다면 식 (20)을 사용하여 보정된 푸리에 계수들의 값으로부터 시료의 뮬러 행렬의 성분들을 직접 계산하는 것이 가능하다. 여기서 강조하고 싶은 것은 위와 같은 방법으로 계산된 뮬러 행렬 성분에 대한 벡터의 해는 비등방성 시료의 경우에도 적용될 수 있다.
그리고,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000154
의 값을 모른다 할지라도
Figure PCTKR2016002287-appb-I000155
와 같이 정규화된 뮬러 행렬 성분들로 정의되는 시료의 편광계측 매개변수들의 측정값을 얻을 수 있다. 또한, 등방성 시료의 경우에는 일반적으로
Figure PCTKR2016002287-appb-I000156
,
Figure PCTKR2016002287-appb-I000157
및
Figure PCTKR2016002287-appb-I000158
와 같이 정의된 시료의 편광타원계측 매개변수로 간단히 표현될 수 있다.
위와 같이 광의 복사속을 측정하고, 시편에 대한 광학적 이론식을 정립하고, 정립된 이론식에 대해 설정된 영역에 대한 다수의 미지의 매개변수들을 사용하여 시편의 뮬러-행렬 성분들의 데이터를 계산하고, 상기 데이터에 최소자승법 등을 이용하여 최적화를 함으로써 시편에서 구하고자 하는 물성 추측하는 것이 바람직하다. 즉 뮬러-행렬로부터 다른 물리적인 특성을 분석하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기는 상기 측정된 푸리에 계수들 또는 상기 측정된 뮬러 행렬 성분들로부터 시편의 계면특성, 박막두께, 복소 굴절률, 나노 형상, 비등방 특성, 표면 거칠기, 조성비, 및 결정성 등의 다양한 물성을 분석할 수 있으며, 이러한 분석 결과를 반도체 소자 공정용 측정장비, 평판 디스플레이 공정용 측정장비, 태양광 소자 측정장비, 박막광학 측정장비, 바이오 센서 또는 가스 센서 등에 활용이 가능하다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기에서 나노 패턴 형상측정과 같이 분석방법이 매우 복잡한 경우의 물성 분석 방법은 먼저, 측정하고자 하는 시편에 대한 푸리에 계수들 또는 뮬러 행렬 성분들의 측정 데이터를 얻고, 시편에 대한 광학적 이론식을 정립하고, 정립된 이론식에 대해 설정된 영역에서 정해진 다수의 미지 매개변수들의 값들을 사용하여 계산된 푸리에 계수들 또는 뮬러 행렬 성분들의 데이터를 얻고, 계산된 데이터에 대해서 미지의 매개변수들에 대한 연속함수를 만들고, 연속함수를 측정 데이터에 최소자승법을 이용하여 최적화를 함으로써 시편의 물성을 얻을 수 있다. 이러한 경우에 본 발명의 타원계측기는 상기 시편에 대해 측정된 상기 푸리에 계수들 또는 상기 뮬러 행렬 성분들의 측정 데이터로부터 상기 시편의 물성을 빠르게 찾아내기 위하여 고성능 병렬 컴퓨터, RCWA(rigorous coupled-wave analysis) 알고리즘 기반의 분석 소프트웨어 및 대용량 데이터 저장장치로 구성된 대용량 고속 연산시스템을 포함할 수 있다.
도 4를 이용하여, 본 발명의 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기를 이용하여 시편의 물성을 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기를 이용하여 시편의 물성을 측정하는 방법은 시편장착단계(S10), 방위각선택단계(S20), 방위각이동단계(S30), 노광량측정단계(S40), 푸리에계수계산단계(S50) 및 뮬러-행렬계산단계(S60)를 포함한다.
상기 시편장착단계(S10)는 물성을 측정하기 위한 시편을 장착하고 정렬하는 단계이다.
상기 방위각선택단계(S20)는 측정에서 필요한 고정 광소자들의 방위각 값들을 선택하는 단계이다. 본 발명에 따른 실시예에서는 고정 편광자와 고정 검광자 각각의 설정 방위각을 선택할 수 있다.
상기 방위각이동단계(S30)는 제어부에 의해 고정 광소자들의 설정 방위각으로 이동하는 단계이다.
상기 노광량측정단계(S40)는 등속회전 편광자와 등속회전 검광자의 방위각 변화에 따른 입사 광의 노광량을 측정하고, 상기 노광량으로 부터 광의 복사속의 값을 광검출기에 의해 측정하는 단계이다.
상기 푸리에계수계산단계(S50)는 광의 복사속의 값으로부터 상기 광의 복사속 파형의 푸리에 계수들을 계산하는 단계이다.
뮬러-행렬저장단계(S60)는 푸리에 계수들로부터 상기 시편의 뮬러-행렬 성분들을 계산하는 단계이다.
특히, 노광량측정단계(S40)에서 등속회전 편광자는 기준 각속도의 기 설정된 배수(A)로 회전하고 등속회전 검광자도 상기 기준 각속도의 기 설정된 배수(B)로 회전한다. 이 상황에서 광검출기는 적어도 상기 기준 각속도의 회전주기 동안 광의 복사속의 값을 출력하게 된다. 이 때 등속회전 편광자의 회전속도와 등속회전 검광자의 회전속도는 서로 다른 것이 바람직할 수 있는데, 다시 말하면, 등속회전 편광자의 회전속도를 결정하는 기 설정된 배수(A)와 등속회전 검광자의 회전속도를 결정하기 위한 기 설정된 배수(B)는 서로 다른 것이 바람직하다.
이상에서는 비록 한정된 실시예와 도면에 의하여 설명되었으나, 본 발명은 이러한 설명에 의하여 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
(부호의 설명)
100: 광원 110: 입사광
120: 고정 검광자를 통과하여 편광된 광
130: 입사면 140: 입사각 기준축
150: 고정 편광자의 선편광자 투과축 방향
160: 등속회전 편광자의 선편광자 투과축 방향
170: 등속회전 검광자의 선편광자 투과축 방향
180: 고정 검광자의 선편광자 투과축 방향
200: 편광 상태 발생기
210: 고정 편광자 211: 제 1 동공축 스테핑 모터
220: 등속회전 편광자 221: 제 2 동공축 등속회전 모터
230: 초점광학계
300: 시편
310: 시편 받침대
400: 편광 상태 분석기
410: 등속회전 검광자 411: 제 3 동공축 등속회전 모터
420: 고정 검광자 421: 제 4 동공축 등속회전 모터
430: 시준기
500: 광검출기
600: 컴퓨터
610: 제어부 620: 연산부
630: 저장부 640: 디스플레이부

Claims (16)

  1. 시편(300)을 향하여 입사광(110)을 방사하는 광원(100);
    상기 입사광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 광원에서 방사된 상기 입사광을 편광시키는 고정 편광자(210);
    상기 입사광의 진행경로 상 상기 고정편광자와 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 고정편광자를 통과한 광이 입사되며 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 편광자(220);
    상기 등속회전 편광자를 통과하여 편광된 광이 상기 시편에 의해 반사 또는 투과되면서 편광상태가 변화되어 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 등속으로 회전하는 등속회전 검광자(410);
    상기 등속회전 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 고정 검광자(420); 및
    상기 고정 검광자를 통과하여 편광된 광이 입사되며, 입사된 광의 노광량을 검출하고 상기 노광량에 상응하는 광의 복사속의 값을 출력하는 광검출기(500);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 고정 편광자에 부착되어 상기 고정 편광자의 방위각을 제어하기 위한 제 1 동공축 스테핑 모터(211);
    상기 등속회전 편광자에 부착되어 상기 등속회전 편광자를 등속으로 회전시키기 위한 제 2 동공축 등속회전 모터(221);
    상기 등속회전 검광자에 부착되어 상기 등속회전 검광자를 등속으로 회전시키기 위한 제 3 동공축 등속회전 모터(411);
    상기 고정 검광자에 부착되어 상기 고정 검광자의 방위각을 제어하기 위한 제 4 동공축 스테핑 모터(421); 및
    상기 제 1 동공축 스테핑 모터와 상기 제 4 동공축 스테핑 모터를 제어하는 펄스와 상기 제 2 동공축 등속회전 모터와 상기 제 3 동공축 등속회전 모터의 회전속도를 결정하는 정보를 생성하고 상기 각 구성요소의 동작을 제어하는 제어부(610);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 등속회전 편광자는 기준 각속도의 기 설정된 배수로 회전하고, 상기 등속회전 검광자는 상기 기준 각속도의 또 다른 기 설정된 배수로 회전하고, 상기 광검출기는 광의 복사속의 값을 적어도 상기 기준 각속도의 회전주기 동안 출력하고, 상기 광검출기가 출력하는 상기 광의 복사속의 값으로부터 상기 광의 복사속 파형에 대한 푸리에 계수를 계산하고 상기 푸리에 계수로부터 상기 시편의 뮬러-행렬 성분을 계산하는 연산부(620);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 푸리에 계수와 상기 뮬러 행렬 성분을 저장하는 저장부(630); 및
    상기 뮬러 행렬 성분을 전시하는 디스플레이부(640);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 노광량에 관한 식은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000159
    이고, 상기 광의 복사속 파형의 푸리에 계수의 평균값들은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000160
    인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
    (
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000161
    : 광의 복사속 파형,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000162
    : 등속회전 광소자들의 기준 각속도,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000163
    : 기준 각속도에 대한 회전주기,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000164
    : 광의 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 직류(dc) 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000165
    : 광의 복사속 파형의 푸리에 계수 성분들 중에서 교류(ac) 성분들,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000166
    : 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
    J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
    Ti : 적분시간,
    Td : 지연시간,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000167
    ,
    N : 푸리에 계수 측정 반복 횟수,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000168
    )
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 노광량에 관한 식은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000169
    이고, 상기 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수값들은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000171
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000172
    인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
    (
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000173
    : 광의 복사속 파형,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000174
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000175
    : 기준 각속도에 대한 회전주기,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000176
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000177
    : 실원점에 대해서 측정된 기준각속도에 의한 방위각 변화량,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000178
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000179
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000180
    : 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
    J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
    Ti : 적분시간,
    Td : 지연시간)
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 노광량에 관한 식은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000181
    이고, 상기 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수값들은
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000182
    인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
    (
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000183
    : 광의 복사속 파형,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000184
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000185
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000186
    : 실원점에 대해서 측정된 기준각속도에 의한 방위각 변화량,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000187
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000188
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000189
    : 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
    J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
    Ti : 적분시간,
    Td : 지연시간,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000190
    : 상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000191
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000192
    : 광학 소자의 투과율 상태에 관련된 공통 인자,
    P, A : : 고정 편광자, 고정 검광자의 특성 축의 실원점 좌표계에서 방위각 위치,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000193
    : 시편의 Mueller행렬,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000194
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000195
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000196
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000197
    : 광검출기의 양자효율,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000198
    : 광검출기의 측정 유효 면적,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000199
    : 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 유효 투과계수,
    u, v : 사용된 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라 다르게 주어지는 기 설정된 정수,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000200
    : 편광상태 발생기를 통과하기 위해 입사되는 광파(light wave)의 스토크스벡터,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000201
    : 편광상태 분석기와 광검출기 사이에 배치된 검출 광학계(detector optic system; DOS)의 뮬러 행렬,
    PSG : 고정 편광자와 등속회전 편광자를 포함하는 편광 상태 발생기,
    PSA : 등속회전 검광자와 고정 검광자를 포함하는 편광 상태 분석기)
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해는
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000202
    인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
    (
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000203
    : 광의 복사속 파형,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000204
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 직류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000205
    : 광의 복사속 파형의 보정된 푸리에 계수의 교류 성분,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000206
    : 0이 아닌 푸리에 계수 성분들 중에서 가장 큰 인덱스의 값,
    J : 회전주기 T 시간 동안에 측정된 노광량 세트의 수,
    Ti : 적분시간,
    Td : 지연시간,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000207
    : 상기 시편에 대한 뮬러 행렬 성분을 벡터로 표현한 해,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000208
    : 보정된 푸리에 계수의 열 벡터
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000209
    : 상기 행 벡터를 성분으로 구성된
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000210
    계수 행렬
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000211
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000212
    : 광학 소자의 투과율 상태에 관련된 공통 인자,
    P, A : : 고정 편광자, 고정 검광자의 특성 축의 실원점 좌표계에서 방위각 위치,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000213
    : 시편의 Mueller행렬,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000214
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000215
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000216
    ,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000217
    : 광검출기의 양자효율,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000218
    : 광검출기의 측정 유효 면적,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000219
    : 편광상태 발생기와 편광상태 분석기의 유효 투과계수,
    u, v : 사용된 광소자 회전형 분광타원계측기의 종류에 따라 다르게 주어지는 기 설정된 정수,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000220
    : 편광상태 발생기를 통과하기 위해 입사되는 광파(light wave)의 스토크스벡터,
    Figure PCTKR2016002287-appb-I000221
    : 편광상태 분석기와 광검출기 사이에 배치된 검출 광학계(detector optic system; DOS)의 뮬러 행렬,
    PSG : 고정 편광자와 등속회전 편광자를 포함하는 편광 상태 발생기,
    PSA : 등속회전 검광자와 고정 검광자를 포함하는 편광 상태 분석기)
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 시편(300)을 지탱해주는 시편 받침대(310);
    상기 시편의 측정지점을 다른 지점으로 이동해주는 시편이송장치;
    하나 이상의 시편을 보관할 수 있는 시편 보관용기; 및
    상기 시편 보관용기로부터 하나의 시편을 꺼내어 상기 시편 받침대로 이동시키는 시편운반장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 노광량을 측정하기 위해서 상기 시편을 정렬하는 시편 정렬 시스템을 더 포함하고,
    상기 시편 정렬용 시스템은 광을 방사하는 레이저와, 상기 레이저에서 방사되는 광을 시편에 기 설정된 방향으로 입사시키는 광학계와, 상기 시편에 의해 반사된 광을 수광하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 무색수차 광소자-회전형 타원계측기는,
    상기 입사광의 초점이 상기 시편에 맺히게 하는 초점광학계(230); 및
    상기 시편에 의해 반사 또는 투과된 광을 다시 평행광으로 변화시키는 시준기(430);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원(100)은 제논(xenon) 램프, 텡스텐(tungsten)-할로겐(halogen) 램프, 듀테륨(deuterium) 램프, 가스 레이져, 레이져 다이오드 및 이들에서 방사된 광을 광섬유를 통하여 전달하는 장치로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출기(500)는 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자를 포함하며, 다수의 CCD, CMOS 또는 포토다이오드 소자로 이루어진 화소들이 선형 또는 2차원 평면구조로 배열된 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출기(500)는 광전자증배관(Photomultiplier tubes) 또는 포토다이오드를 포함하는 단일 광검출기인 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출기(500)는 냉각장치가 구비된 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기.
  16. 제 1 항에 따른 무색수차 광소자-회전형 타원계측기를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법에 있어서,
    시편이 장착되는 시편장착단계(S10);
    고정 편광자와 고정 검광자 각각의 설정 방위각을 선택하는 방위각선택단계(S20);
    상기 고정 편광자와 상기 고정 검광자 각각의 방위각을 상기 설정 방위각으로 이동하는 방위각이동단계(S30);
    등속회전 편광자와 등속회전 검광자의 방위각 변화에 따른 입사 광의 노광량을 측정하고, 상기 노광량으로부터 광의 복사속의 값을 출력하는 노광량측정단계(S40);
    상기 광의 복사속의 값으로부터 상기 광의 복사속 파형의 푸리에 계수들을 계산하는 푸리에계수계산단계(S50);
    상기 푸리에 계수들로부터 상기 시편의 뮬러-행렬 성분들을 계산하는 뮬러-행렬계산단계(S60);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무색수차 광소자-회전형 타원계측기를 이용한 시편의 뮬러-행렬 측정 방법.
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