KR20220169377A - Spectrosmeter, metrology systems and semiconductor inspection methods - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분광기, 계측 시스템 및 반도체 검사 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spectrometer, metrology system, and semiconductor inspection method.
반도체 제조 공정에 있어서, SR(Spectroscopic Reflectometry), SE(Spectoroscopic Ellipsometry) 등을 이용한 광학 측정기가 널리 사용되고 있다. 상기 광학 측정기는 실리콘 기판 상에 형성된 반도체 회로 구조의 막두께 등의 치수(Dimension)나 굴절률 등의 광학 상수의 고정밀도로 계측할 수 있다. 이러한 광학 측정기는 OCD(Optical Critical Dimension) 측정 장치라고도 지칭되며, 계측 결과를 반도체 회로 구조의 모델을 사용한 시뮬레이션(Simulation) 결과와 비교하고, 피팅시킴으로써, 반도체 회로 구조의 치수나 구성 물질의 광학 상수를 산출한다.In a semiconductor manufacturing process, optical measuring instruments using spectroscopic reflectometry (SR), spectroscopic ellipsometry (SE), and the like are widely used. The optical measuring device can measure optical constants such as refractive index or dimensions such as film thickness of a semiconductor circuit structure formed on a silicon substrate with high precision. Such an optical measuring device is also referred to as an OCD (Optical Critical Dimension) measuring device, and the measurement result is compared with a simulation result using a semiconductor circuit structure model, and by fitting, the dimension of the semiconductor circuit structure or the optical constant of the constituent material is measured. yield
최근 10년 정도로, 로직 반도체 소자의 FinFET 및 메모리 반도차 소자의 3 D-NAND 플래시 메모리 등과 같이 반도체 회로 구조는 3차원화가 진행되어 더 복잡한 구조가 되고 있다. 요구하는 대상의 구조가 복잡해지면, 피팅에 의해 플로팅 파라미터(Floating parameter)의 수가 증가한다. 예컨대, 현재의 FinFET의 OCD 측정 장치에 의한 계측에서는, 20-30개 정도의 플로팅 파라미터를 이용할 필요가 있다.In the last 10 years or so, semiconductor circuit structures such as FinFETs of logic semiconductor devices and 3D-NAND flash memories of memory semiconductor devices have been 3-dimensionalized and become more complex structures. If the structure of the object to be requested becomes complex, the number of floating parameters is increased by fitting. For example, in the current FinFET OCD measuring device measurement, it is necessary to use about 20 to 30 floating parameters.
모델에 피팅함에 있어서 치수의 값을 구하기 위해서는 최소한 플로팅 파라미터의 수보다 많은 개수의 측정치를 구하는 것이 필요하다. 예컨대, SR은 반사율 스펙트럼을 요구하고, SE은Ψ의 스펙트럼 및 Δ의 스펙트럼을 요구한다. 모델 피팅에서, 실제 치수와는 다른 플로팅 파라미터의 조합에 의해 피팅이 수렴하는 커플링 문제가 있다. 커플링을 회피하기 위해, 100개 이상의 파장에 대해 SR이나 SE를 실시 경우도 많다. 이러한 계측 정밀도 상의 요구에도 불구하고, 반도체 제조 공정에서의 OCD 측정에는 매우 단시간의 계측이 요구된다. 예컨대, 웨이퍼 1매당 허용되는 측정 시간은 많아도 수십 초 정도이고, 이에 따라 계측은, 웨이퍼 상의 극히 일부에 한정된다.In fitting a model, it is necessary to obtain a number of measurements greater than the number of floating parameters in order to obtain a dimension value. For example, SR requires a reflectance spectrum, and SE requires a spectrum of Ψ and a spectrum of Δ. In model fitting, there is a coupling problem in which the fitting converges by a combination of floating parameters different from actual dimensions. In order to avoid coupling, in many cases SR or SE is implemented for 100 or more wavelengths. In spite of such demands on measurement accuracy, very short time measurement is required for OCD measurement in a semiconductor manufacturing process. For example, the permissible measurement time per wafer is about several tens of seconds at most, and therefore measurement is limited to a very small portion of the wafer.
OCD 측정 장치에 있어서의 복수 파장의 계측은, 크게 나누어 두 종류 있다. 하나는 광원으로부터 출사한 광을 모노크로미터에 투과시켜 단색화하여 조명하는 방법이다. 또 하나는 넓은 파장 대역의 광으로 조명하여 반사된 광을 스펙트로미터로 분광하여 파장마다 계측하는 방법이다. 스펙트로미터를 이용한 분광 계측은 다파장을 동시에 계측할 수 있기 때문에, 고속 계측을 가능하게 하나, 넓은 시야의 화상 계측이나 동공 상에서의 반사율, 엘립소메트리 계측 등의 요인으로 인해 모노크로미터가 요구받는 경우도 많다.Measurement of multiple wavelengths in the OCD measuring device is roughly divided into two types. One is a method of monochromating light emitted from a light source through a monochromator to illuminate the light. Another is a method of measuring the reflected light by illuminating with light of a wide wavelength band by spectroscopy for each wavelength. Spectroscopic measurement using a spectrometer enables high-speed measurement because it can measure multiple wavelengths simultaneously, but a monochromator is required due to factors such as image measurement with a wide field of view, reflectance on the pupil, and ellipsometry measurement. There are many cases.
일반적으로는, 모노크로미터는 회절 격자나 분산 프리즘을 회전시키는 구성으로 되어 있고, 회전 스테이지의 가감속에 이용하는 시간에 따라, 파장 변환에는 수 10 msec 이상의 시간이 필요하다. 전환하는 파장수가 100개 이상이 된 경우에는, 전환 시간에만 몇 초 이상의 시간을 필요로 하므로, OCD 측정 장치 전체의 스루풋(Throughput)에 대해 큰 저하 요인이 되고 있다.In general, a monochromator has a structure in which a diffraction grating or a dispersion prism is rotated, and depending on the time used for acceleration and deceleration of the rotation stage, it takes several ten milliseconds or more for wavelength conversion. When the number of wavelengths to be switched is 100 or more, it takes several seconds or more for only the switching time, which is a major deterioration factor in the throughput of the entire OCD measuring device.
특허 문헌 1에는, 기계적인 구동 시간을 저감시키기 위해, 분산 소자를 2개 이용한 더블 모노크로미터의 구성으로 하고, 그 중간상 부근에 가동 슬릿을 배치한 스펙트로미터가 기재되어 있다. 특허 문헌 1의 구성을 베이스로 하여, SLM(Spatial Light Modulator)를 이용하여 파장 변환을 실시하는 방법이 제안되고 있다.
특허 문헌 2에는, SLM의 일 예시인 Digital Micro Mirror Device(DMD)의 기본 구성이 기재되어 있다. 특허 문헌 2와 같은 DMD를 실용화시킨 많은 시도가 행해지고 있다.
특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에는, SLM(예컨대, DMD)를 이용하여 파장 변환을 실시하는 방법이 제안되고 있다. 특허 문헌 4에서는 파장을 바꾸어 증폭 가능한 레이저 공진기 내의 분광에, SLM(예컨대, DMD)을 사용하고 있다. 구체적으로, 특허 문헌 4의 레이저 공진기 내에서는 SLM(예컨대, DMD)에서 반사한 특정한 파장의 광을 동일 광로 상에서 몇번이나 왕복시킴으로써 광을 증폭한다. 특허 문헌 4의 구성을 모노크로미터에 적용하는 경우에는 분광한 광의 취출 효율이 현저히 저하되는 문제가 있다.In
특허 문헌 5에는, 특허 문헌 4의 과제를 해결하기 위해, SLM(예컨대, DMD) 상에서의 반사 전후에 미러를 배치함으로써 SLM(예컨대, DMD)에 입사한 광과 반사된 광이 다른 광로를 갖게하여 광의 취출 효율을 향상시킨 구성이 기재되어 있다.In
특허 문헌 6 및 특허 문헌 7에는, SLM에 광이 비스듬하게 입사되도록 광학계를 구성한 후, 동공 분할로 하여, 미러가 없어도 광 취출 가능한 구성이 기재되어 있다.Patent Literature 6 and
반사형 SLM(Spatial Light Modulator)(예컨대, DMD(Digital Micro Mirror Device))을 이용한 분광기에 있어서는, 분광한 광을 취출하기 위해 SLM 표면을 경사시킨 구성이 특허 문헌 5 내지 7 등에서 제안되고 있다. 이러한 구성은 SLM 상의 각 화소의 미러가 SLM 표면에 대해 평행하다면 성립되는 것이다. 그러나, DMD를 시작으로, 고속에서의 구동이나 넓은 파장 범위의 분광이 가능한 Micro-Mirror-Array(MMA) 구조를 갖는 소자에 있어서, 각 화소의 미러는 ON과 OFF의 양측 모두에서 DMD 표면 전체에 대해 경사져 있다. 그 때문에, 특허 문헌 5 내지 7 등의 실시예에 기재된 배치에서는, DMD에 입사한 광은 포커싱 광학계 측으로 반사되지 않는다. 또한, DMD 각 화소의 미러 표면이 포커싱 광학계의 광축에 수직이 되도록 DMD를 경사지게 배치한 경우, 광은 포커싱 광학계를 향해 반사된다. 그러나, 이 배치에서는 DMD의 중심 부근 바깥으로 분산된 광의 초점이 맞지 않아 DMD의 중심 부근 이외에서는 초점 이탈에 의해 분광 성능을 향상시킬 수 없다.In a spectrometer using a reflective Spatial Light Modulator (SLM) (e.g., Digital Micro Mirror Device (DMD)), configurations in which the surface of the SLM is inclined in order to extract the split light have been proposed in
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 광의 이용 효율을 향상시키고, 분광 성능을 향상시킬 수 있는 분광기 및 계측 시스템을 제공한다.The present invention has been made to solve these problems, and provides a spectrometer and a measurement system capable of improving light utilization efficiency and spectroscopic performance.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 예시적인 실시예들에 따르면, 분광기가 제공된다. 상기 분광기는, 입사 슬릿을 통과한 광을 시준함(Collimate)으로써 평행 광을 생성하도록 구성된 콜리메이터 렌즈; 상기 평행 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킴으로써 분산된 광을 생성하도록 구성된 분산 광학 소자; 상기 분산된 광을 포커스시킴으로써 포커스된 광을 생성하도록 구성된 포커싱 렌즈; 및 상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 포커스된 광을 반사함으로써 반사 광을 생성하도록 구성된 SLM(Spatial Light Modulator);을 포함하되, 상기 반사 광은 상기 포커싱 렌즈 및 상기 분산 광학 소자를 경유하고 출사 슬릿을 통해 출사되고, 상기 입사 슬릿, 상기 출사 슬릿 및 상기 반사면은, 제1 면에 직교하는 제2 면 상에서 공역(Conjugate) 관계이고, 상기 제1 면은 상기 분산된 광의 광로를 포함하고, 및 상기 제2 면은 상기 콜리메이터 렌즈의 광축 및 상기 포커싱 렌즈의 광축을 포함한다.According to exemplary embodiments for solving the above technical problem, a spectrometer is provided. The spectrometer includes a collimator lens configured to generate collimated light by collimating the light passing through the entrance slit; a dispersive optical element configured to generate dispersed light by dispersing the collimated light at different angles according to wavelengths; a focusing lens configured to generate focused light by focusing the scattered light; and a Spatial Light Modulator (SLM) configured to generate reflected light by reflecting the focused light by the focusing lens, wherein the reflected light passes through the focusing lens and the dispersion optical element and is emitted through an exit slit. The entrance slit, the exit slit, and the reflective surface are in a conjugate relationship on a second surface orthogonal to the first surface, the first surface includes an optical path of the scattered light, and the second surface The plane includes an optical axis of the collimator lens and an optical axis of the focusing lens.
예시적인 실시예들에 따르면, 계측 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 검사 광을 생성하도록 구성된 분광기; 및 상기 분광기로부터 출사된 상기 검사 광을 이용하여 반도체를 검사하도록 구성된 반도체 계측 장치;를 포함하되, 상기 분광기는, 입사 슬릿 통과한 광을 시준함으로써 평행 광을 생성하도록 구성된 콜리메이터 렌즈; 상기 평행 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킴으로써 분산된 광을 생성하도록 구성된 분산 광학 소자; 상기 분산된 광을 포커스시킴으로써 포커스된 광을 생성하도록 구성된 포커싱 렌즈; 및 상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 포커스된 광을 반사함으로써 반사 광을 생성하도록 구성된 SLM(Spatial Light Modulator);을 포함하되, 상기 SLM은, 판상의 기판; 및 상기 기판의 기판 표면에 매트릭스로 배치된 복수의 화소 미러들을 포함하고, 상기 기판 표면의 법선과 상기 포커싱 렌즈의 광축은 평행하고, 상기 복수의 화소 미러들 각각의 미러면과 상기 기판 표면은 비스듬하며, 및 상기 콜리메이터 렌즈의 광축과 상기 포커싱 렌즈의 광축은 비스듬하다.According to example embodiments, a metrology system is provided. The system includes a spectrometer configured to generate inspection light; and a semiconductor measurement device configured to inspect a semiconductor using the inspection light emitted from the spectrometer, wherein the spectrometer includes: a collimator lens configured to generate parallel light by collimating light passing through an incident slit; a dispersive optical element configured to generate dispersed light by dispersing the collimated light at different angles according to wavelengths; a focusing lens configured to generate focused light by focusing the scattered light; and a Spatial Light Modulator (SLM) configured to generate reflected light by reflecting the focused light by the focusing lens, wherein the SLM includes: a plate-shaped substrate; and a plurality of pixel mirrors arranged in a matrix on a substrate surface of the substrate, wherein a normal of the substrate surface and an optical axis of the focusing lens are parallel, and a mirror surface of each of the plurality of pixel mirrors and the substrate surface are oblique. And, the optical axis of the collimator lens and the optical axis of the focusing lens are oblique.
예시적인 실시예들에 따르면, 분광기가 제공된다. 상기 분광기는, 입사 슬릿을 통과한 광을 시준함으로써 평행 광을 생성하도록 구성된 콜리메이터 렌즈; 상기 평행 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킴으로써 분산된 광을 생성하도록 구성된 분산 광학 소자; 상기 분산된 광을 포커스시킴으로써 포커스된 광을 생성하도록 구성된 포커싱 렌즈; 및 상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 포커스된 광을 반사함으로써 반사 광을 생성하도록 구성된 DMD;를 포함하되, 상기 DMD는, 판상의 기판; 및 상기 기판의 기판 표면에 매트릭스로 배치된 복수의 화소 미러들을 포함하고, 상기 복수의 화소 미러들 각각은 상기 광을 반사하는 미러면과, 상기 분산 광학 소자의 분산 방향으로 연장된 회전축을 갖는다.According to exemplary embodiments, a spectrometer is provided. The collimator includes a collimator lens configured to produce collimated light by collimating light passing through an entrance slit; a dispersive optical element configured to generate dispersed light by dispersing the collimated light at different angles according to wavelengths; a focusing lens configured to generate focused light by focusing the scattered light; and a DMD configured to generate reflected light by reflecting the focused light by the focusing lens, wherein the DMD comprises: a plate-shaped substrate; and a plurality of pixel mirrors arranged in a matrix on the substrate surface of the substrate, each of the plurality of pixel mirrors having a mirror surface reflecting the light and a rotation axis extending in a dispersion direction of the dispersion optical element.
예시적인 실시예들에 따르면, 반도체 검사 방법이 제공된다. 상기 방법은, DMD를 포함하는 분광기를 이용하여 검사 광을 생성하는 단계; 상기 검사 광을 반도체에 조사하고, 상기 반도체에 의해 반사된 검사 광을 검출하는 단계를 포함하되, 상기 DMD는, 판상의 기판; 및 상기 기판의 기판 표면에 매트릭스로 배치된 복수의 화소 미러들을 포함하고, 상기 복수의 화소 미러들 각각은 상기 광을 반사하는 미러면과, 상기 분산 광학 소자의 분산 방향으로 연장된 회전축을 갖고, 상기 검사 광을 생성하는 단계는, 상기 복수의 화소 미러들 중 상기 분산 방향에 수직한 방향을 따라 배열된 것들을 포함하는 취출 파장열을 설정함으로써, 상기 포커스된 광 중 상기 취출 파장열에 대응되는 파장 대역의 부분만을 반사하도록 구성된다.According to exemplary embodiments, a semiconductor inspection method is provided. The method may include generating inspection light using a spectrometer including a DMD; radiating the inspection light to the semiconductor and detecting the inspection light reflected by the semiconductor, wherein the DMD comprises: a plate-shaped substrate; and a plurality of pixel mirrors arranged in a matrix on a substrate surface of the substrate, each of the plurality of pixel mirrors having a mirror surface reflecting the light and a rotation axis extending in a dispersion direction of the dispersion optical element; The generating of the inspection light may include setting an extraction wavelength train including those of the plurality of pixel mirrors arranged along a direction perpendicular to the dispersion direction, so as to set a wavelength band corresponding to the extraction wavelength train among the focused lights. It is configured to reflect only a part of
본 발명에 의해, 입사 슬릿을 통과한 광의 이용 효율을 향상시키고, 분광 성능을 향상시킬 수 있는 분광기 및 계측 시스템을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a spectrometer and a measurement system capable of improving the utilization efficiency of light passing through an incident slit and improving spectroscopic performance.
도 1은 실시 형태 1에 관한 분광기를 예시한다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 분광기를 예시한다.
도 3은 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 4는 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 5는 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 사시도이다.
도 6은 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD(Digital Micro Mirror Device)의 화소 미러를 예시한다.
도 7은 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD의 화소 미러를 예시한 단면도로서, 화소 미러의 회전축에 직교하는 단면을 나타낸다.
도 8은 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD 상에 형성된 파장에 따라 위치가 다른 입사 슬릿의 상을 예시한다.
도 9는 실시 형태 1에 관한 분광기에 있어서, DMD 상에 형성된 파장에 따라 위치가 다른 입사 슬릿의 상을 예시한다.
도 10은 비교예에 관한 분광기를 예시한다.
도 11은 비교예에 관한 분광기를 예시한다.
도 12는 실시 형태 1의 변형예에 관한 계측 시스템을 예시한다.
도 13은 실시 형태 2에 관한 분광기를 예시한다.
도 14는 실시 형태 2에 관한 분광기를 예시한다.
도 15는 실시 형태 2에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 16은 실시 형태 2에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 17은 실시 형태 3에 관한 분광기를 예시한다.
도 18은 실시 형태 3에 관한 분광기를 예시한다.
도 19는 실시 형태 3에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 20은 실시 형태 3에 관한 분광기에 있어서, DMD를 예시한 단면도이다.
도 21은 실시 형태 4에 관한 분광기를 예시한다.
도 22는 실시 형태 4에 관한 분광기를 예시한다.
도 23은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템을 예시한다.
도 24는 실시 형태 5에 관한 계측 시스템에 있어서, 편광 광학 소자, 검광자 및 화상 검출기를 예시한 구성도이다.
도 25는 실시 형태 5에 관한 계측 시스템에 있어서, 검광자를 투과하는 직선 편광을 예시한다.
도 26은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템에 있어서, 화상 검출기에 입사하는 반사광에 포함된 각 직선 편광의 파면을 예시한다.
도 27은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템에 있어서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭 무늬를 예시한다.
도 28은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템에 있어서, 화상 검출기 상의 간섭 무늬로부터 구해진 엘립소메트리 계수를 예시한다.
도 29는 실시 형태 5의 다른 예에 관한 계측 시스템에 있어서, 화상 검출기 상에서 간섭한 반사광의 간섭 무늬를 예시한다.1 illustrates a spectrometer according to
2 illustrates a spectrometer according to
3 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to
4 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to the first embodiment.
5 is a perspective view illustrating a DMD in the spectrometer according to
6 illustrates a pixel mirror of a DMD (Digital Micro Mirror Device) in the spectrometer according to the first embodiment.
Fig. 7 is a cross-sectional view illustrating a pixel mirror of a DMD in the spectrometer according to
8 illustrates an image of an incident slit formed on a DMD having different positions according to wavelengths in the spectrometer according to
Fig. 9 illustrates an image of an incident slit formed on a DMD having different positions according to wavelengths in the spectrometer according to
10 illustrates a spectrometer according to a comparative example.
11 illustrates a spectrometer according to a comparative example.
12 illustrates a measurement system according to a modified example of
13 illustrates a spectrometer according to
14 illustrates a spectrometer according to
15 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to the second embodiment.
16 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to the second embodiment.
17 illustrates a spectrometer according to
18 illustrates a spectrometer according to
Fig. 19 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to
Fig. 20 is a cross-sectional view illustrating a DMD in the spectrometer according to
21 illustrates a spectrometer according to
22 illustrates a spectrometer according to
23 illustrates the measurement system according to the fifth embodiment.
24 is a configuration diagram illustrating a polarization optical element, an analyzer, and an image detector in the measurement system according to the fifth embodiment.
Fig. 25 illustrates linearly polarized light transmitted through an analyzer in the measurement system according to
26 illustrates the wavefront of each linearly polarized light included in the reflected light incident on the image detector in the measurement system according to the fifth embodiment.
27 illustrates an interference fringe of reflected light interfering on the image detector in the measurement system according to the fifth embodiment.
28 illustrates ellipsometry coefficients obtained from interference fringes on an image detector in the measurement system according to the fifth embodiment.
29 illustrates an interference fringe of reflected light interfering on an image detector in the measurement system according to another example of the fifth embodiment.
설명의 명확화를 위해, 이하의 기재 및 도면은, 적절히 생략 및 간략화가 이루어져 있다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 부여되어 있고, 필요에 따라 중복 설명은 생략되어 있다.For clarity of explanation, the following descriptions and drawings are appropriately omitted and simplified. In addition, in each figure, the same code|symbol is attached|subjected to the same element, and overlapping description is abbreviate|omitted as needed.
(실시 형태 1)(Embodiment 1)
실시 형태 1에 관한 분광기를 설명한다. 실시 형태 1의 분광기는, 예컨대, 반도체 검사 장치 또는 반도체 측정 장치 등의 반도체 계측 장치에서 이용되는 광의 파장을 전환하는 분광기(모노크로미터)이다. 구체적으로 분광기는 반도체 제조 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼(Wafer) 등의 시료 상에 형성된 회로 구조의 치수나 왜곡, 물성값의 계측 또는 결함을 검출하기 위한 광학 검사 장치 또는 광학 측정 장치에 이용된다. 또한, 실시 형태 1의 분광기는 반도체 계측 장치 이외에 이용될 수도 있다.The spectrometer according to
도 1 및 도 2는 실시 형태 1에 관한 분광기를 예시한 도면이다. 여기서, 분광기의 설명의 편의를 위해, XYZ 직교 좌표축계를 도입한다. 후술하는 분산 광학 소자에 의해 파장에 따라 다른 각도로 분산된 광을 포함하는 면을 XY면으로 한다. 도 1은, - Z축 방향으로 본(즉, Z 축에 수직한) XY면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 2는 +Y축 방향으로 본(즉, Y 축에 수직한) XZ면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 1 내에서의 실선, 파선 및 점선은 다른 파장 광을 구별하기 위해 사용된다.1 and 2 are diagrams illustrating the spectrometer according to the first embodiment. Here, for convenience of description of the spectrometer, an XYZ Cartesian coordinate axis system is introduced. A plane containing light dispersed at different angles depending on the wavelength by a dispersing optical element described later is referred to as an XY plane. Fig. 1 - shows the arrangement of each component in the XY plane as viewed in the Z-axis direction (i.e., perpendicular to the Z-axis). Figure 2 shows the arrangement of each component in the XZ plane viewed in the direction of the +Y axis (i.e., perpendicular to the Y axis). Solid lines, broken lines and dotted lines in Fig. 1 are used to distinguish different wavelength lights.
도면상, +X 축 방향, +Y 축 방향, +Z 축 방향, -X 축 방향, -Y 축 방향 및 -Z 축 방향이 도시되어 있으나, 설명의 편의상, ±X 축 방향은 간단히 X 방향이라고 지칭될 수 있고, ±Y 축 방향은 Y 방향이라고 지칭될 수 있으며, ±Z 축 방향은, 간단히 Z 방향이라고 지칭될 수 있다.In the drawing, +X axis direction, +Y axis direction, +Z axis direction, -X axis direction, -Y axis direction, and -Z axis direction are shown, but for convenience of explanation, ±X axis direction is simply referred to as X direction. The ±Y axis direction may be referred to as the Y direction, and the ±Z axis direction may be referred to simply as the Z direction.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 분광기(1)는 입사 슬릿(10), 콜리메이터 광학계(20), 분산 광학 소자(30), 포커싱 광학계(40), DMD(Digital Micro Mirror Device)(50), 출사 슬릿(60)을 구비하고 있다. 분광기(1)는 반사형 SLM(Spatial Light Modulator)인 DMD(50)를 포함한다. 또한, 분광기(1)는 반사형 SLM으로서, DMD(50)에 한정하지 않고, 액정을 이용한 SLM일 수도 있다.1 and 2, the
입사 슬릿 플레이트(11)는 입사 슬릿(10)을 포함할 수 있다. 또한, 입사 슬릿(10)은 광을 인도하는 파이버의 단면 출사구일 수도 있다. 입사 슬릿(10)은 광원에서 생성된 광을 통과시키고, 콜리메이터 광학계(20)로 인도한다.The incident slit
콜리메이터 광학계(20)는, 예컨대, 콜리메이터 렌즈(21), 빔 스플리터(22) 및 콜리메이터 렌즈(23)를 포함하고 있다. 콜리메이터 렌즈(21)는 입사 슬릿(10)을 통과한 광을 평행 광으로 변환한다. 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 생성된 평행 광은 빔 스플리터(22)로 입사된다.The collimator
빔 스플리터(22)는 +X축 방향의 광의 왕로(outward path)에 있어서, 입사한 평행광의 일부를 투과시키고, 분산 광학 소자(30)로 인도한다. 또한, 빔 스플리터(22)는 -X축 방향의 광의 복로(return path)에 있어서, 분산 광학 소자(30)를 투과한 광의 일부를 콜리메이터 렌즈(23)에 대해 반사시킨다. 콜리메이터 렌즈(23)는 빔 스플리터(22)에서 반사된 광을 집광하여 출사 슬릿(60)을 통과시킨다.The
분산 광학 소자(30)는 광을 분산시킨다. 구체적으로 분산 광학 소자(30)는 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 평행광으로 변환된 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킨다. 분산 광학 소자(30)에 의해 분산된 평행 광은 대체로(Alternatively) 분산된 광이라고 지칭될 수도 있다.The dispersing
즉, 분산 광학 소자(30)는 파장마다 다른 각도로 분산시킨다. 분산 광학 소자(30)는 회절 격자 또는 프리즘을 포함한다. 분산 광학 소자(30)는, 예컨대, 도 1의 점선, 파선 및 실선과 같이, 빔 스플리터(22)를 투과한 광이 파장에 따라 다른 각도로 진행하도록 빔 스플리터(22)를 투과한 광을 분산시킬 수 있다. 즉, 도 1에서, 점선, 파선 및 실선은 각각 서로 다른 파장의 광의 경로를 나타낸다. 분산 광학 소자(30)가 광을 분산시키는 Y축 방향을 분산 방향이라고 부른다.That is, the dispersion
포커싱 광학계(40)는 포커싱 렌즈(41)를 포함한다. 포커싱 렌즈(41)는 분산된 광을 집광시킨다. 예컨대, 도 1에 있어서, 분산 방향을 포함하는 XY면 내에서 포커싱 렌즈(41)는 포커싱 렌즈(41)의 -X축 방향측 초점 위치에 분산 광학 소자(30)가 위치하도록 배치될 수 있다. 포커싱 렌즈(41)는 포커싱 렌즈(41)의 +X축 방향측 초점 위치에 DMD(50)가 위치하도록 배치될 있다. 다시 말해, 포커싱 렌즈(41)의 -X축 방향측 초점 위치에 분산 광학 소자(30)가 위치하고, 포커싱 렌즈(41)의 +X축 방향측 초점 위치에 DMD(50)할 수 있다. 이에 따라, XY면 내에서는 파장에 따라 분산된 입사 슬릿(10)의 상(Image)이 DMD(50)에 형성된다.The focusing
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, XZ면 내에 있어서, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)은 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)으로부터 시프트된 위치에서, 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)에 평행하게 배치되어 있다. 예컨대, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)은 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)으로부터 +Z축 방향으로 시프트하고 있다. 즉, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)의 연장선과 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)의 연장선은 서로 일방향으로(예컨대, ±Z 방향으로) 이격될 수 있다. DMD(50)는 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A) 상에 배치될 수 있다. 2, in the XZ plane, the
도 2에 있어서, 포커싱 렌즈(41)는 렌즈 전체로부터 일부분을 절취한 구성으로 되어 있다. 절취된 부분의 형상은 점선으로 표시되어 있다. 포커싱 렌즈(41)를 실제로 절취할지 여부는 제품 사양에 따라 결정될 수 있다. 분산 광학 소자(30)를 투과한 분산된 광은 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)과 DMD(50)와의 교점을 향해 집광될 수 있다. 즉, 포커싱 렌즈(41)는 분산된 광에 기초하여 포커스된 광을 생성할 수 있다. 이 때문에, 주 광선(광의 중심축)과 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)에 대해 비스듬할 수 있다.In Fig. 2, the focusing
도 1에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면 내에 있어서는 광이 입사되는 입사 슬릿(10)의 파장 별 상이 DMD(50)에 형성된다. DMD(50)에서 반사된 광은 동일한 분산 광학 소자(30)를 다시 투과함으로써 파장 분산을 상쇄한다. 따라서, 파장에 의존하지 않는 동일한 위치(즉, 서로 다른 파장의 광들 각각에 동일한 위치)에 입사 슬릿(10)의 상이 형성된다. 따라서, 입사 슬릿(10)의 상이 형성되는 위치에 출사 슬릿(60)을 배치한다. 한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 분산 방향으로 수직인 XZ면 내에서, 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)으로부터 시프트된 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A) 상에 DMD(50)가 배치되어 있다.As shown in FIG. 1, in the XY plane including the dispersion direction, an image of each wavelength of the incident slit 10 through which light is incident is formed in the
분산면, 즉 다른 각도로 분산된 광의 광로를 포함하는 XY면을 제1 면으로 정의한다. 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A) 및 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)을 포함하여 제1 면에 직교하는 XZ면을 제2 면으로 정의한다. 이와 같이 제1 면 및 제2 면을 정의하였을 때, 제2 면 상에서, 입사 슬릿(10)의 면(19), 출사 슬릿(60)의 면(69) 및 DMD(50)의 반사면(59)은 분광기(1)의 광학계에 대해 공역 관계이다. 또한, 동공 위치(39)에 분산 광학 소자(30)가 배치되어 있다.A dispersion plane, that is, an XY plane including optical paths of light scattered at different angles is defined as the first plane. An XZ plane orthogonal to the first plane including the
도 3 및 도 4는 실시 형태 1에 관한 분광기(1)에 있어서, DMD(50)를 예시한 단면도이다. 도 3은 Z축 방향에 직교하는 단면도를 나타내고 있다. 도 4는 Y축 방향으로 직교하는 단면도를 나타내고 있다. 도 5는 실시 형태 1에 관한 분광기(1)에 있어서, DMD(50)를 예시한 사시도이다. 도 6은 실시 형태 1에 관한 분광기(1)에 있어서, DMD(50)의 복수의 화소 미러들(53)을 예시한 사시도이다. 도 7은, 실시 형태 1에 관한 분광기(1)에 있어서, DMD(50)의 화소 미러(53)를 예시한 단면도로서, 복수의 화소 미러들(53)의 회전축(55)에 직교하는 단면을 나타낸다.3 and 4 are cross-sectional views illustrating the
도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, DMD(50)는 포커싱 렌즈(41)에 의해 포커스된 광을 반사하는 반사면을 갖는다. DMD(50)는 판상의 기판(51)과, 복수의 화소 미러들(53)을 포함할 수 있다. 기판 표면(52)은 기판(51)의 -X축 방향측의 면이다. 복수의 화소 미러들(53)은 기판(51)의 기판 표면(52)에 매트릭스로 배치될 수 있다. 복수의 화소 미러들(53) 각각은 광을 반사하는 미러면(54)을 가지고 있다. 따라서, 미러면(54)은 포커싱 렌즈(41)에 의해 포커스된 광을 반사하는 복수의 화소 미러들(53) 각각의 반사면이다.As shown in FIGS. 3 to 5 , the
도 3에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면의 단면 상에서, 기판(51)의 기판 표면(52)(의 절단선)과 복수의 화소 미러들(53) 각각의 미러면(54)(의 절단선)은 평행하다. 이러한 기판 표면(52)(의 절단선) 및 미러면(54)(의 절단선)은 입사광의 주 광선(광의 중심축)과 실질적으로 수직할 된다. 이러한 배치에 의해, XY면 상에서, 분산한 모든 파장에서 광의 초점은 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 3, on the cross section of the XY plane including the dispersing direction, (cutting line of) the
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 분산 방향과 수직한 XZ면의 단면 내에 있어서 기판(51)의 기판 표면(52)과, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)은 수직이다. 복수의 화소 미러들(53) 각각의 미러면(54)은 입사광의 주 광선(광의 중심축)과 수직이다. 따라서, XZ면 상에서, DMD(50)에 입사되는 광의 중심축은 미러면(54)에 수직으로 입사된다. 이러한 배치에 의해, XZ면 내에 있어서, 분산된 모든 파장에서 광의 초점은 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 광 이용 효율 및 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in Fig. 4, the
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 복수의 화소 미러들(53) 각각은 회전축(55)을 가질 수 있다. 회전축(55)은, 예컨대, Y축 방향으로 연장될 수 있다. 따라서, 회전축(55)은 분산 방향으로 연장될 수 있다. 복수의 화소 미러들(53) 각각은 회전축(55)의 주위에서 회전한다. 복수의 화소 미러(53)의 미러면(54)은 기판(51)의 기판 표면(52)에 대해 소정의 각도를 취한다. 예컨대, 각 화소 미러(53)는 미러면(54)이 기판 표면(52)에 대해 소정의 제1 각도로 경사진 ON 상태와 미러면(54)이 기판 표면(52)에 대해 소정의 제2 각도로 경사진 OFF 상태를 취한다. 이와 같이, 각 화소 미러(53)는 2개의 상태로 전환이 가능하다. 그러나, 각 화소 미러(53)의 미러면(54)은 ON 상태 및 OFF 상태 모두에서 DMD(50) 기판(51)의 기판 표면(52)에 평행하지 않다.As shown in FIGS. 6 and 7 , each of the plurality of pixel mirrors 53 may have a
도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, ON 상태 및 OFF 상태의 각각에 있어서, 각 미러면(54)의 법선과 기판(51)의 기판 표면(52)의 법선을 포함하는 면(즉 XZ면)이 분산 광학 소자(30)에 의한 광의 분산 방향과 수직이 되도록 배치되어 있다. 이러한 구성에 따라, 입사 슬릿(10)과의 공역 관계를 DMD(50) 전면이 갖게 되므로, 파장 분해능이 높고, 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.As shown in FIGS. 5 to 7, in each of the ON state and the OFF state, the surface including the normal of each
분광기(1)를 반도체 계측 장치에서 사용하는 경우, 예컨대, DMD(50)의 각 화소 미러(53) 중 반도체 계측 장치에서 이용하고자 하는 파장의 광에 대응하는 화소 미러(53)만을 ON 상태로 한다. 그리고, ON 상태의 화소 미러(53)에서 반사된 반사광을, 다시 포커싱 광학계(40)를 향해 되돌아 오게 한다. 예컨대, DMD(50)는 Z축 방향을 따른 복수의 화소 미러(53)를 포함하는 취출 파장열을 설정한다. Z축 방향은 분산 방향으로 직교한다.When the
도 8 및 도 9는 실시 형태 1에 관한 분광기(1)에 있어서, DMD(50) 상에 형성된 파장에 따라 위치가 다른 입사 슬릿(10)의 상을 예시한다. 도 8 및 도 9에 있어서, 백색 부분은 취출 파장열(56)의 화소 미러(53)를 나타내고, 검은 부분은 취출 파장열(56) 이외의 화소 미러(53)를 나타낸다. DMD(50)는 취출 파장열(56)의 각 화소 미러를 ON 상태로 함으로써, 소정의 파장 대역을 포함하는 광을 출사 슬릿(60)을 통해 출사시킬 수 있다. 또한, DMD(50)는 복수의 취출 파장열(56)을 설정할 수 있다. 그리고, DMD(50)는 복수의 취출 파장열(56)의 각 화소 미러를 ON 상태로 함으로써, 복수의 파장 대역을 포함하는 광을 출사 슬릿(60)으로부터 출사시킬 수 있다.8 and 9 illustrate the images of the incident slit 10 formed on the
또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 슈퍼컨티뉴엄 레이저(Supercontinuum Laser, 이하, SC 레이저라고 함) 등의 백색 레이저를 사용한 경우에는 백색 레이저가 높은 공간 코히어런시(Coherency)에 의해 스페클(Speckle)로 불리는 입상(Particle shaped)의 광량 분포가 발생하는 경우가 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이, DMD(50)는 취출 파장열(56)의 각 화소 미러(53)를 ON 상태 또는 OFF 상태로 랜덤(Random)으로 변화시킨다. 이와 같이, 사용하는 파장 대역에 있어서, 다수의 화소 미러(53)의 ON 상태 및 OFF 상태를 랜덤으로 전환하면, 스페클을 저감시킬 수 있다. 한편, DMD(50)는 취출 파장열(56) 이외의 복수의 화소 미러(53)를 OFF 상태로 한다.In addition, as shown in FIG. 8, when a white laser such as a supercontinuum laser (hereinafter referred to as an SC laser) is used, the white laser speckles due to high spatial coherency. ), there is a case where a particle shaped light quantity distribution occurs. Therefore, as shown in Fig. 9, the
DMD(50)에서 반사된 광은 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 통해 출사 슬릿(60)으로부터 출사된다. 보다 구체적으로, DMD(50)에서 반사된 광은 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 투과하고, 콜리메이터 광학계(20)의 빔 스플리터(22) 및 콜리메이터 렌즈(23), 및 출사 슬릿(60)을 통과하여 모노크로미터로부터 출사된다. 이와 같이, 본 실시 형태의 분광기(1)는 Retro 배치를 포함할 수 있다.The light reflected by the
(비교예)(Comparative example)
이어서, 비교예에 관한 분광기를 설명한다. 도 10 및 도 11은 비교예에 관한 분광기를 예시한다. 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 비교예의 분광기(101)는 입사 슬릿(110), 콜리메이터 광학계(120), 분산 광학 소자(130), 포커싱 광학계(140), SLM(150), 출사 슬릿(160)을 구비하고 있다. 입사 슬릿(110)은 광원에서 생성된 광을 통과시키고, 콜리메이터 광학계(120)로 인도한다.Next, a spectrometer according to a comparative example will be described. 10 and 11 illustrate a spectrometer according to a comparative example. 10 and 11, the
콜리메이터 광학계(120)는 콜리메이터 렌즈(121), 콜리메이터 렌즈(123)를 포함하고 있다. 콜리메이터 렌즈(121)는 입사 슬릿(110)을 통과한 광을 평행광으로 변환한다. 콜리메이터 렌즈(121)에 의해 평행광으로 변환된 광은 분산 광학 소자(130)로 입사된다.The collimator
분산 광학 소자(130)는 콜리메이터 렌즈(121)에 의해 평행광으로 변환된 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킨다.The dispersion
포커싱 광학계(140)는 포커싱 렌즈(141)를 포함한다. 예컨대, 도 10의 분산 방향을 포함하는 XY면 내에 있어서는 포커싱 렌즈(141)는 포커싱 렌즈(141)의 -X축 방향측 초점 위치에 분산 광학 소자(130)가 위치하도록 배치되어 있다. 포커싱 렌즈(141)는 포커싱 렌즈(141)의 +X축 방향측의 초점 위치에 SLM(150)이 위치하도록 배치되어 있다. 이에 따라, XY면 내에서는 파장에 따라 분산한 입사 슬릿(110)의 상이 SLM(150)에 형성된다.The focusing
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, XZ면 내에 있어서, 포커싱 광학계(140)의 광축(141A)은 콜리메이터 렌즈(121)의 광축(121A)으로부터 시프트된 위치에서 평행하게 배치되어 있다. 예컨대, 포커싱 렌즈(141)의 광축(141A)은 콜리메이터 렌즈(121)의 광축(121A)으로부터 -Z축 방향으로 시프트하고 있다. SLM(150)은 포커싱 광학계(140)의 광축(141A) 상에 배치되어 있다. 분산 광학 소자(130)를 투과한 광은 포커싱 광학계(140)의 광축(141A)과 SLM(150)과의 교점을 향해 집광한다.11, in the XZ plane, the
비교예에 있어서는, SLM(150)의 반사면은 입사 슬릿(110), 출사 슬릿(160)과 공역 관계이고, 포커싱 렌즈(141)의 광축(141A)에 대해 수직이 되도록 배치되어 있다. 그러나, 분광기(101)에서는 SLM(150)의 중심 부근에서 반사된 경우만, 분산된 광의 초점이 맞는다. 한편, SLM(150)의 중심 부근 이외에서 반사한 분산광은 초점이 어긋난다. 따라서, 비교예에서는 초점 이탈에 의해 분광 성능을 향상시킬 수 없다는 문제가 있다.In the comparative example, the reflection surface of the
이어서, 본 실시 형태의 효과를 설명한다. 도 10 및 도 11에 나타내는 비교예와 비교하여, 실시 형태 1의 분광기(1)는 DMD(50)의 전면에 대해 분산된 광의 초점을 맞추면서, DMD(50)의 각 화소 미러(53)의 미러면(54)에 수직하게 광을 입사시킬 수 있다. 따라서, 입사 슬릿(10)을 투과한 광을 고분해능으로 분광할 수 있다. 이에 따라, 분광기(1)는 광 이용 효율 및 분광 성능을 향상시킬 수 있다.Next, the effect of this embodiment is demonstrated. Compared to the comparative example shown in FIGS. 10 and 11, the
또한, 본 실시 형태의 분광기(1)에 의하면, DMD(50)를 이용한 실용적인 분광기(1)를 실현할 수 있다. 구체적으로는, 지금까지의 회절 격자나 분산 프리즘을 기계적으로 회전시키는 분광기와 비교하여, 파장 변환이 1000배 이상 고속이 된다. 또한 100 nm 이상 떨어진 파장으로의 변환에서는, 10000배 이상의 고속화를 달성할 수 있다. 또한, 복수의 파장을 동시에 투과시킬 수 있고, 화상 검출기를 이용한 계측 시간도 대폭(2배 이상) 단축할 수 있다. 이로부터 반도체 계측 장치를 포함하는 계측 시스템에서의 스루풋(Throughput)을 향상시킬 수 있다.Further, according to the
(변형예)(modified example)
이어서, 변형예로서 실시 형태 1의 분광기(1)를 반도체 검사 장치 및 반도체 측정 장치 등의 반도체 계측 장치를 포함하는 계측 시스템에 적용한 예를 설명한다. 도 12는 실시 형태 1의 변형예에 관한 계측 시스템을 예시한다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 계측 시스템(1a)은 광원(LS), 분광기(1), 반도체 계측 장치(80), 처리 장치(90)를 구비하고 있다. 본 실시 형태의 계측 시스템(1a)은 분광 엘립소메트리를 원리로서 이용할 수 있다.Next, as a modified example, an example in which the
광원(LS)은, 예컨대, SC 레이저이다. 광원(LS)은 싱글 모드 파이버(SFB)에 접속되어 있다. 광원(LS)에서 생성된 광은 싱글 모드 파이버(SFB)를 통해 싱글 모드 파이버 단면(SFBT)으로부터 출사된다. 싱글 모드 파이버 단면(SFBT)은 전형적으로 φ4μm 내지 φ5μm이다. 싱글 모드 파이버 단면(SFBT)은 분광기(1)의 입사 슬릿(10)을 겸할 수 있다. 이와 같이, 광은 파이버로부터 출사한 레이저 광을 포함할 수도 있고, 입사 슬릿(10)은 파이버의 단면을 포함할 수도 있다.The light source LS is, for example, an SC laser. The light source LS is connected to a single mode fiber SFB. The light generated by the light source LS is emitted from the single mode fiber end face SFBT through the single mode fiber SFB. The single mode fiber cross-section (SFBT) is typically φ4 μm to φ5 μm. A single mode fiber cross-section (SFBT) can also serve as the entrance slit 10 of the
분광기(1)는 입사한 광을 분산시키고, 소망한 파장의 광을 출사광으로서 출사 슬릿(60)으로부터 출사시킨다. 분광기(1)로부터 출사한 광을 멀티 모드 파이버(MFB)에 입사시킨다. 또한, 멀티 모드 파이버(MFB)의 입구가 되는 멀티 모드 파이버 단면(MFBT)은 분광기(1)의 출사 슬릿(60)을 겸할 수 있다. 멀티 모드 파이버 단면(MFBT)에 입사한 분광 후의 광은 멀티 모드 파이버(MFB)를 통해 반도체 계측 장치(80) 내의 광학계(81)로 입사된다. 그리고, 필요한 측정 또는 검사에 이용된다.The
반도체 계측 장치(80)는 분광기(1)로부터 출사된 광을 이용하여 시료(89)를 검사 또는 측정한다. 시료(89)는, 예컨대, 반도체 기판, 반도체 회로 등의 반도체이다. 또한, 시료(89)는 반도체 이외의 부재일 수 있다. 반도체 계측 장치(80)는 광학계(81), 및 화상 검출기(88)를 구비하고 있다. 반도체 계측 장치(80)는 베이스, 아이솔레이터, 광학 정반, 프레임, 스테이지 및 웨이퍼 홀더를 더 포함할 수 있다.The
광학계(81)는 프레임에 장착될 수 있고, 프레임은 광학 정반에 고정될 수 있다. 정학 정반은 베이스 상에 배치될 수 있다. 광학 정반과 베이스 사이에 아이솔레이터가 배치될 수 있다. 스테이지는 시료(89)를 지지하는 웨이퍼 홀더를 구동할 수 있다. 스테이지 상에 시료(89)를 홀딩하는 웨이퍼 홀더가 배치될 수 있다. 스테이지는 광학계(81) 아래에 배치될 수 있다. 반도체 계측 장치(80)는 광학계(81)를 이용하여 시료(89)를 화상 검출기(88)로 촬상한다. 이에 따라, 시료(89)를 검사 또는 측정한다.The
처리 장치(90)는, 예컨대, 컴퓨터(91) 등의 정보처리 장치를 포함한다. 또한, 처리 장치(90)는 컴퓨터(91) 이외에, 예컨대, DMD 제어부(92), 화상 검출기 제어부(93), 스테이지 제어부(94)를 구비하고 있다. DMD 제어부(92)는 DMD(50)의 동작을 제어한다. 화상 검출기 제어부(93)는 화상 검출기(88)의 동작을 제어한다. 스테이지 제어부(94)는 스테이지(86)의 동작을 제어한다.The
반도체 계측 장치(80)는 분광기(1)로부터 출사된 복수의 파장을 포함하는 광을 독립적으로 이용하여 시료(89)를 검사 또는 측정할 수 있다. 또한, 반도체 계측 장치(80)는 시료(89)로부터 반사된 광 중 서로 다른 편광 성분의 광을 간섭시킨 간섭 무늬로부터 엘립소메트리 계측을 실시할 수 있다. 그리고, 반도체 계측 장치(80)는 간섭 무늬의 주파수 성분으로부터 복수 파장의 광 정보를 분리하여 엘립소메트리 계측을 실시할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.The
(실시 형태 2)(Embodiment 2)
이어서, 도 13 및 도 14에 예시된 실시 형태 2에 관한 분광기를 설명한다. 본 실시 형태의 분광기는 XZ면 내에서 입사광과 출사광과의 광로를 동공 분할로 나누고 있다. 그리고, DMD(50)의 각 화소 미러(53)의 미러면(54)에서 입사광의 중심축 입사각과 출사광의 중심축 출사각이 동일한 배치이다. 이에 따라, 콜리메이터 광학계(20)에 있어서, 빔 스플리터(22)를 이용하지 않고도 광 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.Next, the spectrometer according to
도 13 및 도 14는 실시 형태 2에 관한 분광기를 예시한다. 도 13은 XY면에 직교하는 Z축 방향에서 본 도면으로서, XY면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 14는 Y축 방향에서 본 도면으로서, XZ면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 15 및 도 16은, 실시 형태 2에 관한 분광기에 있어서, DMD(50)를 예시한 단면도이다. 도 15는 Z축 방향으로 직교하는 단면도를 나타내고 있다. 도 16은, Y축 방향으로 직교하는 단면도를 나타내고 있다.13 and 14 illustrate the spectrometer according to
도 13 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 분광기(2)에서는 XZ면 상에서, 미러면(54)으로 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하다.As shown in Figs. 13 to 16, in the
입사 슬릿(10)은 광원에서 생성된 광을 통과시켜 콜리메이터 광학계(20)로 인도한다. 본 실시 형태의 분광기(2)에 있어서, 콜리메이터 광학계(20)는 콜리메이터 렌즈(21) 및 콜리메이터 렌즈(23)를 포함하고 있다. 본 실시 형태의 콜리메이터 광학계(20)는 빔 스플리터(22)를 가지고 있지 않다. 콜리메이터 렌즈(21)는 입사 슬릿(10)을 통과한 광을 평행광으로 변환한다. 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 평행광으로 변환된 광은 분산 광학 소자(30)로 입사된다.The incident slit 10 passes the light generated by the light source and guides it to the collimator
분산 광학 소자(30)는 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 평행광으로 변환된 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킨다. 포커싱 광학계(40)는 포커싱 렌즈(41)를 포함한다. 포커싱 렌즈(41)는 분산된 광을 포커스시킨다. 예컨대, 도 13에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면 내에 있어서 포커싱 렌즈(41)는 파장에 따라 분산된 광을 DMD(50) 상에 포커스시킨다. 또한, 도 14에 나타낸 바와 같이, XZ면 내에 있어서, 포커싱 렌즈(41)는 분산 광학 소자(30)를 투과한 광을 DMD(50) 상에 포커스시킨다. The dispersion
본 실시 형태에 있어서, 포커싱 렌즈(41)는 DMD(50)에 입사되는 입사광의 중심축이 DMD(50)의 미러면(54)에 대해 입사각을 갖도록 입사시킨다. 이에 따라, DMD(50)의 미러면(54)으로 입사되는 광의 중심축 입사각을 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하게 한다.In this embodiment, the focusing
도 15에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면의 단면에 있어서, 기판(51)의 기판 표면(52)(의 절단선)과 화소 미러(53)의 미러면(54)(의 절단선)은 평행하다. 이러한 기판 표면(52)(의 절단선) 및 미러면(54)(의 절단선)은 입사광의 중심축과 실질적으로 수직할 수 있다. 이러한 배치에 의해, XY 평면상에서 분산된 모든 파장에서 초점은 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 15 , in the cross section of the XY plane including the dispersion direction, the cutting line of (the cutting line of) the
도 16에 나타낸 바와 같이, 분산 방향과 수직한 XZ면의 단면 내에 있어서, 기판(51)의 기판 표면(52)과 포커싱 광학계(40)의 광축(41A)은 수직을 이룬다. 화소 미러(53)의 미러면과 입사광의 주광선은 수직할 수 있다. 이에 따라, XZ면 상에서, 각 화소 미러(53)의 미러면(54)에 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하다. 이러한 배치에 의해, XZ 면 내에서도 초점이 화소 미러(53)의 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 광 이용 효율 및 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in Fig. 16, in the cross section of the XZ plane perpendicular to the dispersion direction, the
DMD(50)에서 반사된 광은 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 통해 출사 슬릿(60)으로부터 출사된다. 구체적으로 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 투과하고, 콜리메이터 렌즈(23) 및 출사 슬릿(60)을 통과하여 분광기(2)로부터 출사된다. 다만, 콜리메이터 렌즈(23)의 광축(23A)은 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)보다 -Z축 방향으로 어긋나 있다. 따라서, 콜리메이터 렌즈(23)를 투과하는 광은 콜리메이터 렌즈(21)를 투과하여 분산 광학 소자(30) 및 포커싱 렌즈(41)를 진행하는 입사광의 광로부터 -Z축 방향으로 이격된다. 이 경우에도, 본 실시 형태의 분광기(2)는 Retro 배치로 되어 있다.The light reflected by the
도 15에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면 내에 있어서는 광이 입사되는 입사 슬릿(10)의 파장별 상이 DMD(50)에 형성된다. DMD(50)에서 반사된 광은 동일한 분산 광학 소자(30)를 다시 투과함으로써 파장 분산을 상쇄한다. 따라서, 파장에 의존하지 않는 동일한 위치에 입사 슬릿(10)의 상이 형성된다. 따라서, 입사 슬릿(10)의 상이 형성되는 위치에 출사 슬릿(60)을 배치한다.As shown in FIG. 15, in the XY plane including the dispersion direction, an image of each wavelength of the incident slit 10 through which light is incident is formed in the
도 16에 나타낸 바와 같이, 분산 방향으로 수직인 XZ면 내에 있어서는 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)과 시프트되도록 배치된 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A) 상에 DMD(50)가 배치되어 있다. 따라서, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)은 DMD(50)의 기판 표면(52)과 수직이다.As shown in Fig. 16, in the XZ plane perpendicular to the dispersion direction, the
본 실시 형태의 분광기(2)도 파장에 따라 분산시킨 광의 초점은 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 분광 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 콜리메이터 광학계(20)에 있어서, 빔 스플리터(22)를 필요로 하지 않을 수 있다. 그 밖의 구성 및 효과는 실시 형태 1의 기재에 포함되어 있다.In the
(실시 형태 3)(Embodiment 3)
이어서, 도 17 및 도 18에 예시된 실시 형태 3에 관한 분광기를 설명한다. 본 실시 형태의 분광기는 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)을 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)으로부터 시프트시키는 대신에, 포커싱 렌즈(41)는 광학 소자(30)를 통과한 평행광에 대해 비스듬하게 배치된다. 실시 형태 3의 구성에서, 파장에 따라 분산시킨 광의 초점은 미러면(54)과 일치한다.Next, a spectrometer according to
도 17 및 도 18은, 실시 형태 3에 관한 분광기를 예시한다. 도 17은 XY면에 직교하는 Z축 방향에서 본 도면으로서, XY면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 18은 Y축 방향에서 본 도면으로서, XZ면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 19 및 도 20은 실시 형태 3에 관한 분광기에 있어서, DMD(50)를 예시한 단면도이다. 도 19는 Z축 방향으로 직교하는 단면도를 나타내고 있다. 도 20은 Y축 방향으로 직교하는 단면도를 나타내고 있다.17 and 18 illustrate the spectrometer according to
도 17 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A)은 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)에 대해 경사져 있다. 구체적으로, 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A) 및 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)은 XZ 평면 내에 위치하고 있다. 포커싱 렌즈(41)의 광축(41A) 및 콜리메이터 렌즈(21)의 광축(21A)은 XZ 평면 내에서 교차하고 있다. 또한, XZ면 상에서, 미러면(54)에 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축의 반사각과 동일하다.17 to 20, the
입사 슬릿(10)은 광원에서 생성된 광을 통과시켜 콜리메이터 광학계(20)로 인도한다. 콜리메이터 광학계(20)의 콜리메이터 렌즈(21)는 입사 슬릿(10)을 통과한 광을 평행광으로 변환한다. 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 생성된 평행광은 분산 광학 소자(30)로 입사된다.The incident slit 10 passes the light generated by the light source and guides it to the collimator
분산 광학 소자(30)는 콜리메이터 렌즈(21)에 의해 평행광으로 변환된 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킨다. 포커싱 광학계(40)의 포커싱 렌즈(41)는 분산된 광을 포커스시킨다. 예컨대, 도 17에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면 내에 있어서는 포커싱 렌즈(41)는 파장에 따라 분산된 광을 DMD(50) 상에 포커스시킨다. 또한, 도 18에 나타낸 바와 같이, XZ면 내에 있어서, 포커싱 렌즈(41)는 분산 광학 소자(30)를 투과한 광을 DMD(50) 상에 포커스시킨다. DMD(50)에 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하다.The dispersion
도 19에 나타낸 바와 같이, 분산 방향을 포함하는 XY면 상에서, 기판(51)의 기판 표면(52)의 절단선과, 화소 미러(53)의 미러면(54)의 절단선은 평행하다. 이러한 절단선과 입사광의 주 광선(광의 중심축)은 수직 배치가 된다. 이러한 배치에 의해, 분산된 모든 파장에서 초점은 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in Fig. 19, on the XY plane including the dispersion direction, the cutting line of the
도 20에 나타낸 바와 같이, 분산 방향과 수직인 XZ면의 단면 내에 있어서 기판(51)의 기판 표면(52)과, 포커싱 광학계(40)의 광축(41A)은 수직이다. XZ면 상에서, 각 화소 미러(53)의 미러면(54)에 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하다. 실시 형태 3의 배치에 의해, XZ 면 내에서도 초점이 DMD(50)의 화소 미러(53)의 미러면(54)과 일치한다. 따라서, 광 이용 효율 및 분광 성능을 향상시킬 수 있다.As shown in Fig. 20, the
DMD(50)에서 반사된 광은 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 통해 출사 슬릿(60)으로부터 출사된다. 구체적으로, 포커싱 렌즈(41) 및 분산 광학 소자(30)를 투과하고, 콜리메이터 광학계(20)의 콜리메이터 렌즈(23) 및 출사 슬릿(60)을 통과하여 모노크로미터로부터 출사된다. 다만, 출사되는 광의 광로는 콜리메이터 렌즈(21)를 투과하여 분산 광학 소자(30) 및 포커싱 렌즈(41)를 진행하는 입사광으로부터 -Z축 방향으로 이격된다. 이 경우에도, 본 실시 형태의 분광기(3)는 Retro 배치로 되어 있다.The light reflected by the
본 실시 형태에서도, 기판(51)의 기판 표면(52)과, 포커싱 광학계(40)의 광축(41A)은 수직이다. 또한, 각 화소 미러(53)의 미러면(54)에 입사되는 광의 중심축 입사각은 미러면(54)에서 반사된 광의 중심축 반사각과 동일하다. 따라서, 분산된 모든 파장의 광의 초점이 미러면(54)에서 일치한다. 따라서, 광 이용 효율 및 분광 성능을 향상시킬 수 있다. 이외의 구성 및 효과는 실시 형태 1 및 2의 기재에 포함되어 있다.Also in this embodiment, the
(실시 형태 4)(Embodiment 4)
이어서, 도 21 및 도 22에 예시된 실시 형태 4에 관한 분광기를 설명한다. 본 실시 형태의 분광기는 콜리메이터 광학계(20)와 분산 광학 소자(30) 사이에 계단 형상 프리즘을 배치시키고 있다.Next, a spectrometer according to
도 21 및 도 22는 실시 형태 4에 관한 분광기를 예시한다. 도 21은 XY면에 직교하는 Z축 방향에서 본 도면으로서, XY면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다. 도 22는 Y축 방향에서 본 도면으로서, XZ면 내의 각 구성의 배치를 나타낸다.21 and 22 illustrate the spectrometer according to
도 21 및 도 22에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 분광기(4)는 콜리메이터 광학계(20)와 분산 광학 소자(30) 사이에 광학 부재(25)가 배치되어 있다. 광학 부재(25)는 입사된 광을 분할하고, 분할된 광에 광로 차이를 부여하는 부재이다. 광학 부재(25)는 공간 지연기라고 지칭될 수도 있다. 광학 부재(25)의 일 예시는 계단형 프리즘을 포함한다.21 and 22, in the
본 실시 형태의 분광기(4)는 광로 차이를 부여하는 광학 부재(25)를 가지고 있다. 따라서, SC 레이저 등, 공간적 코히어런시가 높은 광원을 사용한 경우라도, 광학 부재(25)로 분할된 광에 간섭이 일어나는 거리 이상의 광로 차이를 마련함으로써, 공간적 코히어런시를 저감시킬 수 있다.The
또한, 분광기(4)의 동작에 있어서, DMD(50)의 기판 표면(52) 상에서 입사된 입사광이 반사되는 부분의 화소 미러(53)를 모두 ON 상태로 전환하는 것이 아니라, 절반 정도의 화소 미러(53)만을 랜덤한 배치로 반사시킴(예컨대, ON 상태로 전환 시킴)과 더불어, 그 랜덤한 배치가 시간과 더불어 변화되도록 DMD(50)를 구동시킨다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이, DMD(50)는 취출 파장열(56)의 각 화소 미러(53)를 ON 상태 또는 OFF 상태로 무작위로 변화시킨다. 이러한 동작은, 도 12의 컴퓨터(91)의 소프트웨어 및 DMD 제어부(92)를 통해 실현시킨다. 이에 따라, SC 레이저 등의 백색 레이저를 광원으로서 이용하는 경우, 스페클의 발생을 저감시키고, 반도체 계측 장치(80)에 이용되는 광의 조명광으로서의 질을 향상시킬 수 있다. 기타 구성 및 효과는 실시 형태 1 내지 3의 기재에 포함되어 있다.In addition, in the operation of the
(실시 형태 5)(Embodiment 5)
이어서, 실시 형태 5에 관한 분광기를 설명한다. 본 실시 형태는 자기 간섭 엘립소메트리를 원리로 하는 반도체 계측 장치(80)에 전술한 분광기(1, 2, 3, 4) 중 어느 하나를 적용한 경우의 계측 시스템이다.Next, the spectrometer according to
도 23은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템을 예시한다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 계측 시스템(5)은 SC 레이저 등의 광원(LS), 분광기(1 ,2, 3, 4) 중 어느 하나, 반도체 계측 장치(80), 처리 장치(90)를 구비하고 있다. 계측 시스템(5)은 조명광(L1)이 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)을 수광하여 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 측정한다.23 illustrates the measurement system according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 23, the
광학계(81)는 조명 렌즈(81a), 편광자(81b), 빔 스플리터(81c), 대물 렌즈(81d), 릴레이 렌즈들(81e, 81f), 편광 광학 소자(81g), 검광자(81h), 화상 검출기(88)를 포함한다. 검광자(81h)는, 예컨대, 편광판이다. 화상 검출기(88)는, 예컨대, 카메라이다.The
광학계(81)는 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)으로 반도체 등의 시료(89)를 조명한다. 또한, 광학계(81)는 조명광(L1)이 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)을 집광한다. 구체적으로 조명 렌즈(81a)는 조명광(L1)을 편광자(81b)에 조사시킨다. 예컨대, 조명 렌즈(81a)는 멀티 파이버(MFB)로부터 출사한 조명광(L1)을 평행광으로 변환한다. 그리고, 평행광으로 변환한 조명광(L1)을 편광자(81b)에 입사시킨다.The
편광자(81b)는 일 방향의 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)을 투과시킨다. 예컨대, 편광자(81b)는 편광 방향이 지면에 대해 45˚경사진 직선 편광의 조명광(L1)을 빔 스플리터(81c)로 출사된다. 빔 스플리터(81c)는 입사된 조명광(L1)의 일부를 반사하고, 일부를 투과시킨다. 빔 스플리터(81c)는 입사된 조명광(L1)의 일부를 대물 렌즈(81d)를 향해 반사한다. 빔 스플리터(81c)에서 반사된 조명광(L1)은 대물 렌즈(81d)로 입사된다.The
대물 렌즈(81d)는 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)으로 시료(89)를 조명한다. 대물 렌즈(81d)는 빔 스플리터(81c)에서 반사된 조명광(L1)을 도트 형상으로 집광시켜 시료(89)를 조명한다. 그리고, 대물 렌즈(81d)는 조명광(L1)이 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)을 투과시킨다. 본 실시 형태의 계측 시스템(5)에서는 시료(89)에 입사되는 조명광(L1)의 광축(C), 및 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)의 광축(C)은 시료(89)의 측정면에 대해 직교하고 있다.The
시료(89)를 조명하는 조명광(L1)은 일 방향의 직선 편광을 포함하고 있다. 그러한 일 방향의 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)은 집광되면서, 시료(89)의 측정면에 입사된다. 따라서, 조명광(L1)이 완전 편광이고, 직선 편광이며, 광축(C)이 시료(89)의 측정면에 직교하는 경우, 측정면에 입사되는 방위에 따라, 조명광(L1)은 P편광 성분 및 S편광 성분을 포함할 수 있다. 조명광(L1)의 S편광 부분은 S편광으로서 반사된다. 조명광(L1)의 P편광 부분은 P편광으로서 반사된다.The illumination light L1 illuminating the
대물 렌즈(81d)는 조명광(L1)이 시료(89)의 측정면에서 반사된 반사광(R1)을 투과시키고, 빔 스플리터(81c)로 입사시킨다. 빔 스플리터(81c)는 입사된 반사광(R1)의 일부를 투과시킨다. 예컨대, 빔 스플리터(81c)를 투과한 반사광(R1)은 릴레이 렌즈(81e)로 입사된다. 릴레이 렌즈(81e)는 빔 스플리터(81c)를 투과한 반사광(R1)을 집광시키고, 결상시킨 후에 릴레이 렌즈(81f)로 입사시킨다. 릴레이 렌즈(81f)는 입사된 반사광(R1)을 투과시켜 편광 광학 소자(81g)로 입사시킨다.The
도 24는 실시 형태 5에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 편광 광학 소자(81g), 검광자(81h) 및 화상 검출기(88)를 예시한 구성도이다. 도 24에 나타낸 바와 같이, 편광 광학 소자(81g)는 직선 편광을 포함하는 조명광(L1)이 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)을 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광으로 분리하여 출사시킨다. 편광 광학 소자(81g)는, 예컨대, 노마스키 프리즘이다.Fig. 24 is a configuration diagram illustrating the polarization
편광 광학 소자(81g)가 분리하는 서로 직교하는 편광 방향을 α방향 및 β방향으로 한다. 이 경우,α방향과 β방향이 만드는 면과 반사광(R1)의 광축은 직교한다. 그렇다면, 편광 광학 소자(81g)는 α방향의 직선 편광과 β방향의 직선 편광으로 분리한다. 그리고, 편광 광학 소자(81g)는 분리시킨 α방향의 직선 편광과 β방향의 직선 편광을 화상 검출기(88) 상에서 다시 동일점이 되도록 편향하여 출사시킨다. 또한, 편광 광학 소자(81g)는 노마스키 프리즘에 한정하지 않고, 월라스톤 프리즘, 또는 로션 프리즘을 포함할 수 있다.The mutually orthogonal polarization directions separated by the polarization
도 25는 실시 형태 5에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 검광자를 투과하는 직선 편광을 예시한다. 도 25에 나타낸 바와 같이, 검광자(81h)는 편광 광학 소자(81g)가 분리시킨 α방향의 편광 방향 및 β방향의 편광 방향과 45[deg]경사진 방향의 직선 편광의 성분을 투과시킨다. 따라서, 검광자(81h)는 α방향의 편광 방향을 갖는 직선 편광 중 α방향과 45[deg] 경사진 편광 성분을 투과시킨다. 또한, 검광자(81h)는 β방향의 편광 방향을 갖는 직선 편광 중 β방향과 45[deg] 경사진 편광 성분을 투과시킨다. 따라서, 서로 직교하는 2개의 직선 편광은 검광자(81h)를 투과함으로써, 동일 방향(45[deg]경사진 방향)으로 편광된 편광 성분으로서 출사된다. 검광자(81h)로부터 출사된 당해 편광 성분을 포함하는 반사광(R1)은 화상 검출기(88)로 입사된다.Fig. 25 illustrates linearly polarized light passing through the analyzer in the
화상 검출기(88)는 입사된 반사광(R1)을 수광한다. 화상 검출기(88)는 대물 렌즈(81d)의 동공 위치(19a)와 공역인 동공 공역 위치(19b)에 배치되어 있다. 반사광(R1)은 서로 직교하는 2개의 직선 편광 광의 동일 방향의 편광 성분을 포함하고 있다. 따라서, 반사광(R1)은 화상 검출기(88) 상에서 간섭한다. 이에 따라, 화상 검출기(88) 상에 간섭 무늬가 형성된다. 화상 검출기(88)는 검광자(81h)를 투과한 각 편광 성분의 간섭 무늬를 검출한다.The
도 26은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 화상 검출기(88)로 입사되는 반사광에 포함된 각 직선 편광의 파면(wave surface)을 예시한다. 도 27은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 화상 검출기(88) 상에서 간섭한 반사광의 간섭 무늬를 예시한다. 도 26 및 도 27에 나타낸 바와 같이, 편광 광학 소자(81g)에 의해 분리된 2개의 직선 편광(R1α 및 R1β)을 포함하는 반사광(R1)은 검광자(81h)를 투과하고, 화상 검출기(88) 상에서 간섭 무늬를 형성한다.26 illustrates the wave surface of each linearly polarized light included in the reflected light incident on the
처리 장치(90)는 화상 검출기(88)가 검출한 간섭 무늬로부터, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출한다. 예컨대, 처리 장치(90)는 간섭 무늬에 있어서의 반사광(R1)의 강도 분포 Ifringe를 이하의 (1) 식에 피팅함으로써, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 산출한다. 여기서, 강도 분포 Ifringe는 화상 검출기(88) 상의 위치의 함수이다.The
여기서, 엘립소메트리 계수(Ψ)는 (2)식으로부터 산출한다.Here, the ellipsometry coefficient Ψ is calculated from equation (2).
도 28은 실시 형태 5에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 화상 검출기(88) 상의 간섭 무늬로부터 구해진 엘립소메트리 계수를 예시한다. 도 28에 나타낸 바와 같이, 2개의 편광의 강도의 비(Ψ)와 위상차(Δ)를 변화시킨 경우에는, 화상 검출기(88)의 각 위치에 있어서, 간섭 무늬를 형성하는 반사광(R1)의 강도가 변화된다. 이 관계를 이용하여 간섭 무늬로부터, 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 구할 수 있다.28 illustrates ellipsometry coefficients obtained from interference fringes on the
예컨대, 굵은 선이 나타내는 강도 변화를 갖는 반사광(R1)에 대해서는, 2개의 편광의 강도비 E1:E2는 1:1이고, 위상차Δ는 0이다. 또한, 점선이 나타내는 강도 변화를 갖는 반사광(R1)에 대해서는 2개의 편광의 강도비 E1:E2는 1:1이고, 위상차Δ는 π/4이다. 또한, 가는 선이 나타내는 강도 변화를 갖는 반사광(R1)에 대해서는 2개의 편광의 강도비 E1:E2는 2:1이고, 위상차Δ는 0이다. 이와 같이, 광학계(81)는 분리된 각 편광 방향(α방향 및 β방향)의 직선 편광을 45[deg] 경사시킨 투과축을 갖는 검광자를 투과시킴으로써, 2개의 직선 편광의 성분을 간섭시키고, 화상 검출기(88) 상의 간섭 무늬로부터 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)를 산출한다.For example, for reflected light R1 having an intensity change indicated by a thick line, the intensity ratio E1:E2 of two polarizations is 1:1, and the phase difference Δ is zero. In addition, for the reflected light R1 having an intensity change indicated by a dotted line, the intensity ratio E1:E2 of the two polarizations is 1:1, and the phase difference Δ is π/4. In addition, for the reflected light R1 having an intensity change indicated by the thin line, the intensity ratio E1:E2 of the two polarizations is 2:1, and the phase difference Δ is zero. In this way, the
도 29는 실시 형태 5의 다른 예에 관한 계측 시스템(5)에 있어서, 화상 검출기(88) 상에서 간섭한 반사광의 간섭 무늬를 예시한다. 도 29에 나타낸 바와 같이, DMD(50)에서, 2개의 파장 I 및 파장 II에 대응되는 취출 파장열(56)의 화소 미러(53)를 ON 상태로 하고, 파장 I 및 파장 II를 포함하는 광을 반도체 계측 장치(80)로 인도할 수 있다. 이 경우의 간섭 무늬는 파장 I의 간섭 무늬 및 파장 II의 간섭 무늬가 합성된 것이 된다.29 illustrates an interference fringe of reflected light that has interfered on the
얻어진 간섭 무늬로부터 푸리에 변환에 의해 특정의 주파수 성분의 진폭과 위상의 정보를 얻음으로써, 시료(89)의 표면 상태를 해석한다. 두 개의 파장의 광들을 동시에 입사시킨 경우에는 푸리에 변환시의 윈도우 함수를 2개소에 마련함으로써, 두 개의 파장의 광들에 의한 간섭 무늬를 동시에 해석하는 것이 가능해진다.The surface state of the
이어서, 본 실시 형태의 효과를 설명한다. 본 실시 형태의 계측 시스템(5)은 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)의 측정에서, 편광 광학 소자(81g)를 이용한다. 편광 광학 소자(81g)는 시료(89)에서 반사된 반사광(R1)을 서로 직교하는 편광 방향의 2개의 직선 편광(R1α 및 R1β)으로 분리하고, 분리한 2개의 직선 편광으로부터 간섭 무늬를 화상 검출기(88) 상에 형성한다. 그 간섭 무늬의 콘트라스트 및 위상의 측정 결과로부터, 2개의 독립 파라미터인 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)를 직접 측정한다. 이에 따라, 지금까지의 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)의 측정에 필요한 회전하는 편광자나 보상자를 이용한 시계열의 적어도 4개의 편광 성분의 광량 측정을 불요하게 한다.Next, the effect of this embodiment is demonstrated. The
또한, 지금까지의 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)의 측정은, 복수가 다른 편광 상태의 광의 광량으로부터 스토크스(stokes) 파라미터를 구하고, 구한 스토크스 파라미터로부터 엘립소메트리 계수(Ψ 및 Δ)를 구하고 있다. 본 실시 형태에서는, 직접적으로, 또한 단일 화상으로부터 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)를 구할 수 있다. 따라서, 단시간에 측정 가능하므로, OCD 측정의 스루풋을 향상시킬 수 있다.In addition, in the measurement of the ellipsometry coefficients (Ψ and Δ) so far, a Stokes parameter is obtained from the light quantity of light in a plurality of different polarization states, and the ellipsometry coefficients (Ψ and Δ) are obtained from the obtained Stokes parameters. is looking for In this embodiment, the ellipsometry coefficients Ψ and Δ can be obtained directly and from a single image. Therefore, since measurement can be performed in a short time, the throughput of OCD measurement can be improved.
또한, 지금까지의 엘립소미터와 비교하여 가동부가 없으므로, 더욱 안정된 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)의 측정을 할 수 있다.In addition, compared to conventional ellipsometers, since there are no moving parts, more stable ellipsometry coefficients (Ψ and Δ) can be measured.
또한, OCD 측정 장치에 이용되는 많은 엘립소미터에서 시료(89)의 표면에 입사시키는 조명광(L1)의 입사각은 브루스터(brewster) 각도로 고정하였다. 그러나, 본 실시 형태에서는 대(大)NA(Numerical Aperture)의 대물 렌즈(17)의 동공 위치에 공역인 동공 공역 위치에 화상 검출기(42)를 배치시킴으로써, 임의의 입사각, 입사 방위에서의 엘립소메트리 계수(Ψ와 Δ)의 측정을 가능하게 한다. 이러한 구성은, 검광자 등을 회전시키는 지금까지의 엘립소미터의 구성으로는 용이한 실현이 불가능하다.In addition, in many ellipsometers used in OCD measuring devices, the angle of incidence of the illumination light L1 incident on the surface of the
그 결과, 예컨대, 웨이퍼 상의 미세 구조 모델로의 피팅에서, 보다 많은 조건에서의 계측 결과를 이용할 수 있고, OCD 측정 장치에서 문제가 되는 것이 많은, 다른 치수(Dimension)의 커플링 저감에도 연결되므로, 특히 3차원화가 진전된 현재의 반도체 구조의 계측에 있어서 정밀도 향상이 기대된다. 또한, 조명광(L1)에 의한 시료(89)의 조명 영역을 지금까지의 φ30[μm] 정도로부터 φ1[μm]이하까지 작게 할 수 있고, 칩 내의 치수 분포의 평가도 더 높은 위치 분해능으로 실시하는 것이 가능하다. 이러한 측정 결과를 석판 인쇄나 성막, 에칭 공정에 반영시키고, 반도체 제조의 프로세스 컨트롤을 적절히 실시할 수 있다. 이에 따라, 반도체 제조에 있어서의 제품 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.As a result, for example, in fitting to a microstructure model on a wafer, measurement results under more conditions can be used, and coupling reduction in other dimensions, which is a problem in OCD measuring devices, is also reduced. In particular, an improvement in precision is expected in the measurement of current semiconductor structures where three-dimensionalization has advanced. In addition, the illumination area of the
또한, 로직에 있어서, 반도체 칩 내에 배치되어 있는 엘립소메트리 계수의 측정용 테스트 패턴을 지금까지의 수십 [μm]각인 것을, 수[μm]각 이하까지 작게 할 수 있다. 이 때문에, 반도체 칩 내의 회로에 사용할 수 있는 영역이 증가하고, 반도체 디바이스의 코스트 저감에도 공헌할 수 있다.Further, in logic, test patterns for measuring ellipsometry coefficients arranged in a semiconductor chip can be reduced from several tens [μm] squares to several [μm] squares or less. For this reason, the area usable for the circuit in a semiconductor chip increases, and it can also contribute to cost reduction of a semiconductor device.
본 발명은 상기 실시의 형태에 한정된 것이 아니며, 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예컨대, 실시 형태 1 내지 5의 각 구성은 서로 조합할 수 있다.The present invention is not limited to the above embodiment, and appropriate changes are possible within a range not departing from the gist. For example, each configuration of
1, 2, 3, 4 분광기
1a, 5 계측 시스템
10 입사 슬릿
11 입사 슬릿부
19 면
20 콜리메이터 광학계
21 콜리메이터 렌즈
21A 광축
22 빔 스플리터
23 콜리메이터 렌즈
25 광학 부재
30 분산 광학 소자
40 포커싱 광학계
41 포커싱 렌즈
41A 광축
50 DMD
51 기판
52 기판 표면
53 화소 미러
54 미러면
55 회전축
56 취출 파장열
59 반사면
60 출사 슬릿
69 면
80 반도체 계측 장치
81 광학계
81a 조명 렌즈
81b 편광자
81c 빔 스플리터
81d 대물 렌즈
81e, 81f 릴레이 렌즈
81g 편광 광학 소자
81h 검광자
82 기대
83 아이소레이타
84 광학 정반
85 프레임
86 스테이지
87 웨이퍼 홀더
88 화상 검출기
89 시료
90 처리 장치
91 컴퓨터
92 DMD 제어부
93 화상 검출기 제어부
94 스테이지 제어부
101 분광기
110 입사 슬릿
120 콜리메이터 광학계
121 콜리메이터 렌즈
121A 광축
123 콜리메이터 렌즈
130 분산 광학 소자
140 포커싱 광학계
141 포커싱 렌즈
141A 광축
150 SLM
160 출사 슬릿
LS 광원
MFB 멀티 모드 파이버
MFBT 멀티 모드 파이버 단면
SFB 싱글 모드 파이버
SFBT 싱글 모드 파이버 단면1, 2, 3, 4 spectrographs
1a, 5 measurement system
10 entrance slits
11 entrance slit part
19 sides
20 collimator optics
21 collimator lens
21A optical axis
22 beam splitter
23 collimator lens
25 optical elements
30 Dispersive Optical Elements
40 focusing optics
41 focusing lens
41A optical axis
50 DMD
51 substrate
52 board surface
53 pixel mirror
54 mirror face
55 axis of rotation
56 take-out wavelength train
59 reflector
60 exit slits
69 sides
80 Semiconductor Measuring Device
81 Optics
81a lighting lens
81b polarizer
81c beam splitter
81d objective lens
81e, 81f relay lens
81g polarized optical element
81h Analyzer
82 expectations
83 Isolator
84 optical table
85 frames
86 stage
87 wafer holder
88 image detector
89 samples
90 processing unit
91 computer
92 DMD Control
93 image detector control unit
94 stage control
101 Spectrograph
110 entrance slit
120 collimator optics
121 collimator lens
121A optical axis
123 collimator lens
130 Dispersive Optics
140 focusing optics
141 Focusing Lens
141A optical axis
150 SLM
160 exit slits
LS light source
MFB multimode fiber
MFBT multimode fiber cross section
SFB singlemode fiber
SFBT singlemode fiber cross section
Claims (10)
상기 평행 광을 파장에 따라 다른 각도로 분산시킴으로써 분산된 광을 생성하도록 구성된 분산 광학 소자;
상기 분산된 광을 포커스시킴으로써 포커스된 광을 생성하도록 구성된 포커싱 렌즈; 및
상기 포커싱 렌즈에 의해 상기 포커스된 광을 반사함으로써 반사 광을 생성하도록 구성된 반사면을 갖는 SLM(Spatial Light Modulator);을 포함하되,
상기 반사 광은 상기 포커싱 렌즈 및 상기 분산 광학 소자를 경유하고 출사 슬릿을 통해 출사되고,
상기 입사 슬릿, 상기 출사 슬릿 및 상기 반사면은, 제1 면에 직교하는 제2 면 상에서 공역(Conjugate) 관계이고,
상기 제1 면은 상기 분산된 광의 광로를 포함하고, 및
상기 제2 면은 상기 콜리메이터 렌즈의 광축 및 상기 포커싱 렌즈의 광축을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.a collimator lens configured to generate collimated light by collimating the light passing through the entrance slit;
a dispersive optical element configured to generate dispersed light by dispersing the collimated light at different angles according to wavelengths;
a focusing lens configured to generate focused light by focusing the scattered light; and
A Spatial Light Modulator (SLM) having a reflective surface configured to generate reflected light by reflecting the focused light by the focusing lens;
The reflected light passes through the focusing lens and the dispersing optical element and exits through an exit slit;
The entrance slit, the exit slit, and the reflective surface have a conjugate relationship on a second surface orthogonal to the first surface,
The first surface includes an optical path of the scattered light, and
The second surface comprises an optical axis of the collimator lens and an optical axis of the focusing lens.
상기 포커싱 렌즈의 광축은 상기 콜리메이터 렌즈의 광축과 시프트된 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 1,
The optical axis of the focusing lens is shifted from the optical axis of the collimator lens.
상기 광은 파이버로부터 출사된 레이저 광을 포함하고,
상기 입사 슬릿은 상기 파이버의 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 1,
The light includes laser light emitted from the fiber,
Wherein the incident slit comprises a cross section of the fiber.
상기 콜리메이터 렌즈와 상기 분산 광학 소자와의 사이에 배치되고, 상기 시준된 광을 분할하고 분할된 상기 시준된 광에 광로 차이를 유발하는 광학 부재를 더 포함하는 분광기.According to claim 1,
and an optical member disposed between the collimator lens and the dispersing optical element, splitting the collimated light and causing an optical path difference in the divided collimated light.
상기 광학 부재는 계단형 프리즘을 포함하는 것을 분광기.According to claim 4,
The optical member is a spectrometer that includes a stepped prism.
상기 SLM은 판상의 기판과, 상기 기판의 기판 표면에 매트릭스로 배치된 복수의 화소 미러들을 포함하는 DMD(Digital Micro Mirror Device)이고,
상기 복수의 화소 미러들 각각은 상기 광을 반사하는 미러면과, 상기 제2 면에 직교하는 방향으로 연장된 회전축을 갖는 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 1,
The SLM is a DMD (Digital Micro Mirror Device) including a plate-shaped substrate and a plurality of pixel mirrors arranged in a matrix on the substrate surface of the substrate,
wherein each of the plurality of pixel mirrors has a mirror surface reflecting the light and a rotation axis extending in a direction orthogonal to the second surface.
상기 제2 면 상에서 상기 미러면으로 입사하는 상기 포커스된 광의 중심축은 상기 미러면에 수직인 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 6,
A central axis of the focused light incident on the mirror surface on the second surface is perpendicular to the mirror surface.
상기 제2 면상에서, 상기 미러면으로 입사하는 상기 포커스된 광의 중심축의 입사각은 상기 미러면에서 반사된 상기 광의 상기 중심축의 반사각과 동일한 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 6,
On the second surface, an incident angle of a central axis of the focused light incident on the mirror surface is equal to a reflection angle of the central axis of the light reflected from the mirror surface.
상기 포커싱 렌즈의 광축은 상기 콜리메이터 렌즈의 광축에 대해 경사지고,
상기 제2 면 상에서, 상기 미러면으로 입사하는 상기 포커스된 광의 중심축의 입사각은 상기 미러면에서 반사된 상기 반사 광의 중심축의 반사각과 동일한 것을 특징으로 하는 분광기.According to claim 6,
An optical axis of the focusing lens is inclined with respect to an optical axis of the collimator lens;
On the second surface, an incident angle of a central axis of the focused light incident on the mirror surface is equal to a reflection angle of a central axis of the reflected light reflected from the mirror surface.
상기 복수의 화소 미러들 각각은 상기 미러면이 상기 기판 표면에 대해 제1 각도로 경사진 제1 상태와, 상기 미러면이 상기 기판 표면에 대해 제2 각도로 경사진 제2 상태 중 어느 하나에 있는 분광기.
According to claim 6,
Each of the plurality of pixel mirrors is in any one of a first state in which the mirror surface is inclined at a first angle with respect to the substrate surface and a second state in which the mirror surface is inclined at a second angle with respect to the substrate surface. collimator.
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