KR101057093B1

KR101057093B1 - 분광 타원해석기

Info

Publication number: KR101057093B1
Application number: KR1020080123129A
Authority: KR
Inventors: 안일신
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2011-08-16
Also published as: KR20100064612A

Abstract

본 발명의 시편의 표면 특성을 보다 더 정확하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 분광 타원해석기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분광 타원해석기는 시편을 향하여 광을 조사하는 광원과, 광의 진행경로 상 상기 광원과 시편 사이에 배치되며, 광원에서 조사된 광을 편광시키는 편광발생부와, 편광발생부에서 편광된 후 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 광이 입사되며, 입사된 광을 편광시키는 편광분석부와, 편광분석부를 통과한 광을 파장별로 분광시키는 분광기와, 분광기에서 파장별로 분광된 광의 광량을 측정하는 다중채널 검출기와, 모터구동펄스의 입력시 광의 편광방향이 변화되도록 편광발생부 및 편광분석부 중 적어도 하나를 기설정된 단위각도로 회전시키는 스테핑 모터와, 스테핑 모터의 회전속도가 제어되도록 모터구동펄스를 스테핑 모터로 출력하는 제어부를 포함한다.

분광기, 타원해석기, 시편, 스테핑 모터

Description

분광 타원해석기{Spectroscopic ellipsometer}

본 발명의 시편의 표면에서 반사되는 광의 편광상태 변화를 이용하여, 시편의 광특성이나 두께 등을 측정하는데 이용되는 분광 타원해석기에 관한 것이다.

분광타원해석기는 시편 표면의 광특성 또는 미세구조를 측정하는데 이용하는 장치이다. 종래의 분광타원해석기는, 백색광원에서 파장을 분리하는 분광기와, 분광기에서 분리된 광을 검출하는 단일 검출기로 구성되었다. 하지만, 단일 검출기를 사용하는 경우, 분광된 광의 파장에 따라 단일 검출기에서 검출되는 파장대를 수백번씩 변화시켜가면서 측정하여야 하므로 분광측정 속도가 매우 느려지게 된다. 따라서, 박막이 증착되거나 표면이 변화되고 있는 과정을 실시간으로 측정할 수 없다는 한계가 있었다.

상기 문제를 해결하기 위해, 1980년대 중반에 CCD(charge coupled device)나, PDA(photodiode array)와 같이 여러 파장의 광을 동시에 측정할 수 있는 다중채널 검출기가 분광타원해석기에 도입되었다. 도 1은 다중채널 검출기가 구비된 종래의 분광타원해석기의 구조도이며, 도 2는 도 1에 도시된 편광발생기의 구조도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 분광타원해석기(200)는 백색광원(210)과, 백생광원(210)에서 발광된 빛을 특정 편광상태로 변화시키는 편광발생기(220)와, 시편(s)에서 반사된 광의 편광상태를 분석하는 편광분석기(230)와, 편광분석기를 통과한 광을 파장별로 분광시키는 분광기(240)와, 분광기(240)에서 분광된 광이 검출되는 복수 개의 화소를 가지는 다중채널 검출기(250)로 구성된다. 그리고, 편광발생기(220)는 편광광학계(221)와, 직류 모터(222)와, 엔코더(223)로 구성이 되어 있다.

상기와 같이 구성된 분광타원해석기(200)의 작동과정을 살펴보면, 백생광원(210)에서 광이 조사되는 상태에서 직류 모터(222)가 회전하여 편광광학계(221)를 회전시키고, 직류 모터(222)에 연결된 엔코더(223)는 편광광학계(221)의 위치각에 따른 검출기 구동용 펄스신호(224)를 다중채널 검출기(250)로 출력한다. 다중채널 검출기(250)는 검출기 구동용 펄스신호(224)를 수신하고, 이 신호에 의해 동기화되어 각 화소에 축적된 파장별 노광량을 측정한다. 이때, 다중채널 검출기(250)에서 측정되는 밝기 신호는 편광광학계(221)의 위치각에 따른 삼각함수파형을 이루며, 이 파형을 분석하여 타원해석변수인 (Δ,Ψ)를 산출한다.

한편, 상기 다중채널 검출기(250)는 수천 개의 화소를 스캔하면서 데이터, 즉 밝기를 측정하기 때문에 단일 검출기에 비해 측정 속도가 매우 느리다. 따라서, 편광광학계(221)의 회전에 따라 실시간으로 위치각에 따른 각 화소의 밝기를 측정할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 다중채널 검출기는 노광형 검출기이기 때문에 노광시간이 길어지면 다중채널 검출기에 구비된 각 화소가 포화상태가 되어 측 정값의 의미가 없어지게 된다.

상기 문제를 해결하기 위해, 현재에는 다음의 두 가지 방식이 이용되고 있다.

첫 번째 방식은, 편광광학계(221)를 각 회전 위치에서 일시적으로 멈추고 다중채널 검출기(250)로 해당 위치각의 밝기 스펙트럼을 측정한 후, 다음 위치각으로 회전시키는 과정을 반복하는 것이다. 하지만, 이 방식은 편광광학계(221)가 일회전하는 동안 수십회 이상 정지하고 측정하는 과정을 반복하여야 하므로 측정속도가 매우 느려지게 되며, 따라서 다중채널 분석기를 도입한 목적, 즉 빠른 속도로 분광상태를 측정하기 위한 목적 자체가 훼손되는 문제점이 있다.

두 번째 방식은, 편광광학계(221)를 연속으로 회전시키면서 밝기 스펙트럼을 측정하되 다중채널 검출기(250)의 측정속도가 느린 것을 감안하여, 편광광학계의 일 회전 중 다중채널 검출기가 복수회, 예를 들어 약 10회 정도 밝기 스펙트럼을 측정하도록 엔코더(223)에서 검출기 구동용 펄스신호를 발신한다. 이 경우, 다중채널 검출기는 다음 펄스신호가 입력될 때까지 연속적으로 노광되기 때문에, 특정위치각에서의 밝기 신호가 아니라, 편광광학계가 36도 회전하는 동안에 변화하는 삼각함수파형의 밝기 신호가 누적된 노광량을 측정하게 된다. 그리고, 이와 같이 측정된 10개의 노광량을 분석하면, 삼각함수파형에 대한 정보를 산출할 수 있으며, 이로부터 타원해석변수인 (Δ,Ψ)를 산출할 수 있다.

하지만, 두 번째 방식의 경우,

ⅰ) 다중채널 검출기의 노광시간이 모터와 함께 일정한 속도로 회전하는 엔 코더에서 발신되는 검출기 구동용 펄스신호(224)의 간격에 의해 정해지는 바, 모터(222)의 회전속도가 일정하게 정해진 상태에서 노광시간을 조절하는 것이 불가능하다. 따라서, 시편의 반사율이 증가하는 경우에도 적절하게 노광시간을 감소시킬 수 없으므로, 다중채널 검출기가 포화상태가 되는 문제점 및

ⅱ) 다중채널 검출기(250)의 측정속도가 느린 점을 감안하여 직류 모터는 저속으로 회전하게 되는데, 이와 같이 직류 모터가 저속으로 회전하는 경우에는 직류 모터의 안전성이 떨어져 회전속도에 편차가 발생하게 된다. 이와 같이, 회전속도에 편차가 발생되면 다중채널 검출기의 노출시간이 달라지게 되므로 측정값에 오차가 발생되는 문제점이 있다.

따라서, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 방식의 타원해석기의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 정확하게 시편의 특성을 측정할 수 있도록 구조가 개선된 분광 타원해석기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분광 타원해석기는 시편을 향하여 광을 조사하는 광원과, 상기 광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 광원에서 조사된 광을 편광시키는 편광발생부와, 상기 편광발생부에서 편광된 후 상기 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 편광분석부와, 상기 편광분석부를 통과한 광을 파장별로 분광시키는 분광기와, 상기 분광기에서 파장별로 분광된 광의 광량을 측정하는 다중채널 검출기와, 모터구동펄스의 입력시 광의 편광방향이 변화되도록 상기 편광발생부 및 상기 편광분석부 중 적어도 하나를 기설정된 단위각도로 회전시키는 스테핑 모터와, 상기 스테핑 모터의 회전속도가 제어되도록 상기 모터구동펄스를 상기 스테핑 모터로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 모터구동펄스의 수를 조절함으로써 편광발생부의 회전속도를 정밀하게 조절할 수 있으며, 또한 노광 구간에서 편광발생부의 위치각을 정확하게 알 수 있다. 따라서, 타원해석변수를 정확하게 산출할 수 있게 되며, 그 결과 시편의 특성을 보다 더 정확하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 스테핑 모터의 회전속도와 관계없이 노광 시간을 변경할 수 있다. 따라서, 다중채널 검출기의 화소가 너무 많이 노광되어 포화상태가 되거나 또는 광량이 너무 낮아져 노이즈가 증가하는 경우에는, 노광 시간을 적절하게 변경함으로써 상기한 문제점들을 해결할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 개념도이며, 도 4는 모터구동펄스 및 검출구동펄스의 출력과정을 설명하기 위한 개념도이며, 도 5는 도 3의 다중채널 검출기에서 측정된 광량을 나타내는 그래프이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 분광 타원해석기(100)는 광원(10), 편광발생부(20), 편광분석부(30), 스테핑 모터(40), 분광기(50), 다중채널 검출기(60), 제어부(70) 및 연산부(미도시)를 포함한다.

광원(10)은 시편(s)을 향해 광을 조사하기 위한 것으로, 광원(10)은 시편(s)을 향하여 임의의 파장을 가지는 광, 즉 다양한 종류의 파장으로 이루어진 광이 혼합된 형태인 백색광을 시편(s)을 향해 조사한다.

편광발생기(20)는 광원(10)에서 조사된 광을 편광시키기 위한 것이다. 편광발생기(20)는 광의 진행경로 상 광원(10)과 시편(s) 사이에 배치되며, 편광발생기(20)로 입사된 광은 편광된 후 시편(s)으로 조사된다.

편광분석부(30)는 편광발생기(20)를 통과한 광이 시편(s)에서 반사되는 과정에서 이 광의 편광상태가 변화되는 것을 분석하기 위한 것이다. 편광분석부(30)는 광의 반사경로 상에 배치된다. 편광분석부(30)로 시편(s)에서 반사된 광이 입사되며, 편광분석부(30)는 입사된 광을 다시 편광시킨다. 즉, 편광분석부(30)는 입사된 광 중 특정방향의 성분만을 투과시킨다.

스테핑 모터(40)는 편광발생부(20) 및 편광분석부(30) 중 어느 하나에 결합된다. 특히, 본 실시예의 경우 스테핑 모터(40)는 편광발생부(20)에 결합된다. 스테핑 모터(40)는 후술할 제어부(70)와 전기적으로 연결되며, 제어부(70)로부터 모터구동펄스가 인가될 때 마다 단위각도 만큼씩 회전한다. 여기서, 기준각도는 스테핑 모터(40)의 제작시 설정하기에 따라 다양할 수 있으며, 보다 정밀한 회전을 위해서는 기준각도가 작은 것이 바람직하다. 그리고, 스테핑 모터(40)의 회전시, 편광발생부(20)가 함께 회전하게 되고, 이에 따라 편광발생부(20)를 통과하는 광의 편광방향이 달라지게 된다. 즉, 스테핑 모터(40)가 180도 만큼 회전할 때 마다 편광발생부(20)를 통과하는 광의 편광방향이 주기적으로 달라지게 되며, 이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 다중채널 검출기(60)에서 측정되는 광의 파형이 주기적으로 나타나게 된다. 한편, 본 실시예와 달리 스테핑 모터(40)를 편광분석부(30)에 결합시켜 편광분석부(40)를 회전시키면, 편광부석부(40)를 통과하는 광의 편광방향이 주기적으로 달라지게 되며, 이에 따라 도 5와 유사한 형태의 파형을 얻을 수도 있을 것이다.

분광기(50)는 광의 진행경로 상 편광분석부(30)의 후방에 배치된다. 편광분석부(30)를 통과한 광은 분광기(50)로 입사되며, 입사된 광은 파장별로 분광된다.

다중채널 검출기(60)는 분광기(50)를 통과한 광의 광량을 측정하기 위한 것 으로, CCD(charge coupled device)나 PDA(photodiode array)와 같은 것이 채용된다. 다중채널 검출기(60)는 후술할 제어부(70)와 전기적으로 연결되며, 제어부(70)에서 출력된 검출구동펄스에 의해 동기화 되어 파장별로 분광된 광의 광량을 측정한다. 그리고, 이와 같은 다중채널 검출기(70)에는 일회 노광시 노광되는 시간(c)을 제어하는 타이머가 마련되어 있다.

제어부(70)는 모터구동펄스와 검출구동펄스를 출력하기 위한 것으로, 입력기(71)와, 마이크로 스텝 구동기(72)와, 펄스 분할기(73)를 포함한다.

입력기(71)는 스테핑 모터(40)의 회전속도가 입력되는 곳으로, 사용자는 원하는 스테핑 모터(40)의 회전속도를 입력기(71)에 입력한다.

마이크로 스텝 구동기(72)는 입력기(71)와 전기적으로 연결되며, 입력기(71)에 입력된 스테핑 모터의 회전속도 데어터를 전송받는다. 마이크로 스텝 구동기(72)는 전송된 스테핑 모터(71)의 회전속도에 대응되는 모터구동펄스(Q)를 스테핑 모터(40) 및 펄스 분할기(73)로 출력한다. 즉, 입력된 스테핑 모터(40)의 회전속도가 빠른 경우에는 모터구동펄스(Q)를 짧은 시간간격으로 반복적으로 출력하고, 이에 따라 스테핑 모터(40)가 빠른 속도로 회전하게 된다. 반대로, 입력된 스테핑 모터(40)의 회전속도가 느린 경우에는 모터구동펄스(Q)를 긴 시간간격으로 출력하며, 이에 따라 스테핑 모터(40)가 느린 속도로 회전하게 된다.

펄스 분할기(73)는 다중채널 검출기(60)를 동기화 시키기 위한 검출구동펄스(T)를 생성하기 위한 것으로, 펄스 분할기(73)는 마이크로 스텝 구동기(72)와 전기적으로 연결되며 모터구동펄스(Q)를 전송받는다. 이하, 펄스 분할기(73)의 기능 에 대해 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스테핑 모터(40)에 결합된 편광발생부(20)가 회전함에 따라 다중채널 검출기(60)로 입사되는 광은 대략 사인파 형태의 파형을 가지게 된다. 그리고, 이미 알려진 바와 같이 분광 타원해석기(100)의 구동원리가, 편광발생부(20)의 위치각에 따라 누적되는 광량을 측정하고, 이 측정된 광량을 기초로 하여 광의 파형을 분석하는 것인 바, 다중채널 검출기(60)가 동기화 되는 시점, 즉 다중채널 검출기(60)의 화소가 노광되는 시점에서의 편광발생부(20)의 위치각을 정확하게 아는 것은 파형을 정확하게 분석하는데 있어 매우 중요한 요소이다.

한편, 스테핑 모터(40)는 모터구동펄스(Q)가 입력될 때 마다 단위각도 만큼씩 회전하는 바, 모터구동펄스(Q)가 출력되는 각 시점에서의 편광발생부(20)의 위치각은 이미 출력된 모터구동펄스(Q)의 개수와 기준각도를 곱한 각도가 된다. 이와 같이, 모터구동펄스(Q)가 출력되는 시점에서 편광발생부(20)의 위치각을 정확하게 알 수 있으므로, 모터구동펄스가 출력되는 시점과 동일한 시점에 다중채널 검출기(60)를 동기화 시키면 광의 파형을 정확하게 구할 수 있게 된다.

하지만, 스테핑 모터(40)를 부드럽게 회전시키기 위해, 모터구동펄스(Q)는 높은 주파수(수천 Hz)를 가지게 되므로, 측정속도가 느린 다중채널 검출기(60)를 동기화시키는데 직접 사용하는 것은 불가능하다.

이를 해결하기 위해, 펄스 분할기는 모터구동펄스(Q)를 기초로 하여 검출구동신호(T)를 생성한다. 즉, 펄스 분할기(73)는 전송된 모터구동펄스(Q)의 주파수를 기준 비율로 감소시켜 검출구동펄스(T)를 생성한다. 여기서, 기준 비율은 모터 구동펄스(Q)의 주파수(수천 Hz)와 다중채널 검출기에서 사용 가능한 주파수(수 ~ 수십 Hz)의 비율을 의미하며, 대략 수십 ~ 수백이 된다. 그리고, 펄스 분할기(73)는 생성된 검출구동펄스(T)를 다중채널 검출기(60)로 출력한다.

예를 들어, 본 실예의 경우 도 5에 도시된 바와 같이, 스테핑 모터(40)가 180도 만큼 회전하는 동안, 즉 편광발생부(20)가 반회전 하는 동안 검출구동펄스(T)를 4회 출력하며, 이에 따라 편광발생부(20)의 위치각이 각각 0도,45도, 90도, 135도인 시점에서, 다중채널 검출기에 미리 설정되어 있는 노광시간(c) 동안 노광되는 광량이 측정된다. 이와 같이, 모터구동펄스(Q)의 주파수를 기준 비율로 감소시킴으로써 생성되는 검출구동펄스(T)를 이용하여 다중채널 검출기(60)를 동기화시키면, 동기화되는 시점에서의 편광발생부(20)의 위치각을 정확하게 알 수 있으며, 다중채널 검출기가 광량을 충분히 측정할 수 있을 정도의 시간도 확보할 수 있다.

연산부에서는 측정된 광량을 이용하여 타원해석변수(Δ,Ψ)를 산출한다. 이하, 타원해석변수(Δ,Ψ)를 산출하는 과정에 대해 설명한다.

먼저, 편광발생부의 위치각(p)에서 광의 밝기(I)는 식(1)과 같이 알려져있다.

I(p) = I₀(1 + a*sin(2p) + b*cos(2p))...식(1)

여기서, I₀는 편광발생부(20)가 일회전 할 때의 평균밝기를 의미한다.

그리고, 편광발생부가 반회전 하는 동안 각 노광 구간에서 측정된 광량 즉, 도 5에 빗금으로 표시된 부분은 식(2)에 의해 계산되며, 그 결과는 각각 식(3) ~ 식(6)과 같다.

...식(2)

S₁ = I₀(c - a/2*cos(2c) + b/2*sin(2c) + a/2)...식(3)

S₂ = I₀(c - a/2*sin(2c) + b/2*cos(2c) + b/2)...식(4)

S₃ = I₀(c + a/2*cos(2c) - b/2*sin(2c) - a/2)...식(5)

S₄ = I₀(c + a/2*sin(2c) - b/2*cos(2c) + b/2)...식(6)

상기 식에서 a 및 b는 파형을 나타내는 푸리에 계수이며, c는 다중채널 검출기에 입력되는 해당하는 회전각으로 모터구동펄스(Q)의 주파수로부터 찾아낼 수 있다. 그리고 S₁ ~ S₄는 각 구간에서 노광되는 광량으로, 이 값은 다중채널 검출기(60)에서 측정된다. 따라서, 상기 식으로부터 푸리에 계수 (a,b)를 구할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 구하여진 푸리에 계수(a,b)와 하기하는 식(7) 및 식(8)을 이용하면 타원해석변수 (Δ,Ψ)를 구할 수 있으며, 구하여진 타원해석변수로부터 시편의 두께 또는 표면의 광특성 등을 파악할 수 있다.

a = (tan²(Ψ) - tan²(A)) / (tan²(Ψ) + tan²(A))...식(7)

b = 2cos(Δ)*tan(Ψ)*tan(A) / (tan²(Ψ) + tan²(A))...식(8)

여기서, A는 상수로 캘리브레이션 과정에서 찾아낼 수 있으며, 이는 잘 알려진 방법이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.

상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 모터구동펄스의 수를 조절함으로써 편광발생부(20)의 회전속도를 정밀하게 조절할 수 있으며, 또한 노광 구간에서 편광발생부(20)의 위치각을 정확하게 알 수 있다. 따라서, 타원해석변수를 정확하게 산출할 수 있게 되며, 그 결과 시편의 특성을 보다 더 정확하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 스테핑 모터의 회전속도와 관계없이 노광 시간(c)을 변경할 수 있다. 따라서, 다중채널 검출기의 화소가 너무 많이 노광되어 포화상태가 되거나 또는 광량이 너무 낮아져 노이즈가 증가하는 경우에는, 노광 시간(c)을 적절하게 변경함으로써 상기한 문제점들을 해결할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 다중채널 검출기가 구비된 종래의 분광 타원해석기의 구조도이다.

도 2는 도 1에 도시된 편광발생기의 구조도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 타원해석기의 개념도이다.

도 4는 모터구동펄스 및 검출구동펄스의 출력과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5는 도 3의 다중채널 검출기에서 측정된 광량을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...분광 타원해석기 10...광원

20...편광발생부 30...편광분석부

40...스테핑 모터 50...분광기

60...다중채널 검출기 70...제어부

71...입력기 72...마이크로 스텝 구동기

73...펄스 분할기

Claims

시편을 향하여 광을 조사하는 광원;

상기 광의 진행경로 상 상기 광원과 상기 시편 사이에 배치되며, 상기 광원에서 조사된 광을 편광시키는 편광발생부;

상기 편광발생부에서 편광된 후 상기 시편에서 반사되면서 편광상태가 변화된 광이 입사되며, 상기 입사된 광을 편광시키는 편광분석부;

상기 편광분석부를 통과한 광을 파장별로 분광시키는 분광기;

상기 분광기에서 파장별로 분광된 광의 광량을 측정하는 다중채널 검출기;

모터구동펄스의 입력시 광의 편광방향이 변화되도록 상기 편광발생부 및 상기 편광분석부 중 적어도 하나를 기설정된 단위각도로 회전시키는 스테핑 모터;

상기 스테핑 모터의 회전속도가 제어되도록 상기 모터구동펄스를 상기 스테핑 모터로 출력하는 제어부; 및

상기 다중채널 검출기에서 광량을 측정할 때 일 회 노광시의 노광시간을 제어하되, 상기 스테핑 모터의 회전속도에 대하여 독립적으로 상기 노광시간을 제어하는 타이머;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 타원해석기.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 상기 다중채널 검출기를 동기화시키는 검출구동펄스를 상기 다중채널 검출기로 출력하는 것을 특징으로 하는 분광 타원해석기.
제2항에 있어서,

상기 검출구동펄스는 상기 모터구동펄스의 주파수를 기준 비율로 감소시킴으 로써 생성되는 것을 특징으로 하는 분광 타원해석기.