(57)【要約】【課題】焦点楕円計測部で試片の特性を高速で測定した後に、特異点が現れる位置を精密測定部でより詳細に測定する高速大面積の精密測定装置及び方法を提供する。【解決手段】偏光された光を試片に集中照射した後、前記試片で反射した光を検出して前記試片の光学的特性を高速で測定する焦点楕円計測部；及び前記試片の光学的特性の中で特異点が現れる位置を再び原子単位まで測定する精密測定部；とを含む。【選択図】図１
2010530971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速大面積の精密測定装置であって、
偏光された光を試片に集中照射した後、前記試片で反射した光を検出して前記試片の光学的特性を高速で測定する焦点楕円計測部；及び
前記試片の光学的特性の中で特異点が現れる位置を再び原子単位まで測定する精密測定部；と
を含むことを特徴とする高速大面積の精密測定装置。
【請求項２】
前記焦点楕円計測部は、
光源で発生した光を偏光された光に分割する光分割部；
前記光分割部で分割された光を試片に集中照射させる光集中部；及び
前記試片で反射された後、前記光集中部及び前記光分割部を通過した光を検出する光検出部；と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項３】
前記光集中部は前記光分割部で分割された光を試片に焦点で集中させるための凸レンズを含むことを特徴とする請求項２に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項４】
前記光集中部は前記光分割部で分割された光を試片に線形で集中させるための円筒形光学系を含むことを特徴とする請求項２に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項５】
前記円筒形光学系は半円筒形レンズ、半円筒形鏡及び曲面鏡のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項６】
前記精密測定部は走査型プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項１に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項７】
前記走査型プローブ顕微鏡は、前記試片のナノパターンの不均一度を測定する、又は、前記試片に含まれた不純物の位置を測定することを特徴とする請求項６に記載の高速大面積の精密測定装置。
【請求項８】
高速大面積の精密測定方法において、
偏光された光を試片に集中照射した後、前記試片で反射した光を検出して前記試片の光学的特性を高速で測定する段階；
前記光源を除去する段階；及び
前記試片の光学的特性の中で特異点が現れる位置を走査型プローブ顕微鏡を使用して再び原子単位まで測定する段階；と
を含むことを特徴とする高速大面積の精密測定方法。
【請求項９】
前記高速大面積の精密測定方法は、
前記特異点が現れる位置をコンピュータに保存する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の高速大面積の精密測定方法。
【請求項１０】
前記原子単位まで測定する段階は、
水平で移動するＸＹ−並進器を用いて探針を特異点の位置に移動させる段階；及び
前記走査型プローブ顕微鏡のｘｙ−スキャナー及びｚ−スキャナーを用いて前記試片の光学的特性を測定する段階；と
を含むことを特徴とする請求項８に記載の高速大面積の精密測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速大面積の精密測定装置及び方法に関するものであって、より詳しくは焦点楕円計測部で試片の特性を高速で測定した後に、特異点が現れる位置を精密測定部でより詳細に測定する高速大面積の精密測定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に物理、化学、材料分野の研究において、物質の光学的特性を測定し、薄膜の厚さを測定することは非常に大事な要素である。特に、半導体産業体では多様なナノ薄膜の製造工程が使用されているが、製造されたナノ薄膜に対する物性を評価するために非破壊的且つ非接触式のリアルタイム測定技術である楕円計測器を工程用計測装備として広く使用している。
【０００３】
現在、物質の特性と薄膜の厚さを測定する原理としてよく知られている方法は多様である。この中で、楕円計測は光源、光検出器、コンピュータなどの発展と共にその性能がかなり改善され、また薄膜と表面を用いた工程が増えながら応用分野が大きく増加しつつある。尚、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope、以下「ＳＰＭ」という）は物質の表面を原子単位まで測定することができる装置であって、現在広い応用分野において用いられている。
【０００４】
楕円計測は反射型と透過型で分けられるが、この中で入射角を有して試片の表面で反射した光の偏光状態を分析する反射型楕円計測技術が広く使用されている。試片によって反射した光の偏光状態の変化を測定することで主に屈折率又は消光係数のような試片の光特性を抽出することに使用でき、試片の界面の状態などの特性を抽出することにも使用できる。
【０００５】
現在、光学系を使用して光を試片の表面に点形態で焦点を絞る場合には、一つの試片に対する厚さ又は特性を測定した後に他の試片を測定しなければならないため、多数の試片を同時に測定することができなくて時間がたくさん所要される問題点がある。
【０００６】
また、楕円計測器で試片の光学的特性を測定する場合に、垂直分解能及び水平分解能に劣って最も精密な試片の光学的特性を測定するに限界がある。この場合にＳＰＭのような垂直分解能及び水平分解能に優れる顕微鏡を用いて試片の精密な光学的特性を測定することができるが、楕円計測器とＳＰＭとが別途の装置で構成されていて、試片の精密な光学的特性を測定するにたくさんの時間が所要される問題点がある。即ち、楕円計測器で特異点を発見することはできるが、楕円計測器で測定した後にＳＰＭで測定する場合に前記特異点の正確な位置がわからなくて再び大面積を精密に測定しなければならなく、別途の装置で構成されたＳＰＭを設けなければならないため、手間がかかるという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような問題点を解決するために、本発明は高速で試片の光学的特性を測定した後に、特異点が現れる位置を詳細に測定することによって、試片の光学的特異点を迅速且つ精密に測定するための高速大面積の精密測定装置及び方法を提供することにその目的がある。
【０００８】
なお、試片の光学的特性を高速で測定するために、凸レンズを用いて光を試片に焦点で集中照射する装置のみならず、円筒形光学系を用いて光を試片に線形で集中照射する装置を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明は偏光された光を試片に集中照射（集束）した後、前記試片で反射した光を検出して前記試片の光学的特性を高速で測定する焦点楕円計測部（集束ビーム偏光解析部：focused-beam ellipsometric part）；及び前記試片の光学的特性の中で特異点（singular point）が現れる位置を繰り返して原子レベルにおいて測定する精密測定部；とを含むことを特徴とする高速大面積の精密測定装置を提供する。
【００１０】
前記焦点楕円計測部は、光源で発生した光を偏光された光に分割する光分割部と；前記光分割部で分割された光を試片に集中照射させる光集中部と；前記試片で反射された後、前記光集中部及び前記光分割部とを通過した光を検出する光検出部と；を含むことを特徴とする。
【００１１】
前記光集中部は前記光分割部で分割された光を試片に焦点で集中（合焦）させるための凸レンズを含み、又は前記光分割部から分割された光を試片に線形で集中（線形集束）させるための円筒形（シリンドリカル）光学系を含むことを特徴とする。ここで、前記円筒形光学系は半円筒形レンズ、半円筒形鏡、曲面鏡のうち少なくとも一つから構成される。
【００１２】
前記精密測定部は走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope）を含むことを特徴とし、前記走査型プローブ顕微鏡は前記試片のナノパターンの不均一度を測定したり、或いは前記試片に含まれた不純物の位置を測定することを特徴とする。
【００１３】
なお、前記の目的を達成するために、本発明は偏光された光を試片に集中照射した後、前記試片で反射した光を検出して前記試片の光学的特性を高速で測定する段階と；前記光源を除去する段階と；前記試片の光学的特性の中で特異点が現れる位置を走査型プローブ顕微鏡を使用して再び原子単位まで測定する段階と；を含むことを特徴とする高速大面積の精密測定方法を提供する。
【００１４】
前記高速大面積の精密測定方法は、前記特異点が現れる位置をコンピュータに保存する段階をさらに含み、前記原子単位まで測定する段階は、水平で移動するＸＹ−並進器を用いて探針（cantilever）を特異点の位置に移動させる段階と；前記走査型プローブ顕微鏡のｘｙ−スキャナー及びｚ−スキャナーを用いて前記試片の光学的特性を測定する段階と；を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例による高速大面積の精密測定装置の構造を示す図面である。
【図２】本発明の一実施例による焦点楕円計測部の構造を示す図面である。
【図３】本発明の一実施例による円筒形光学系の構造を示す図面である。
【図４】本発明の一実施例による試片の不均一度を測定する方法を示す図面である。
【図５】本発明の一実施例による試片の不純物の位置を測定する方法を示す図面である。
【図６】本発明の一実施例による高速大面積の精密測定装置を用いて試片の光学的特性を測定する方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明において使用される用語はできる限り現在広く使用されている一般的な用語を選んだが、特定な場合は出願人が任意で選定した用語もあり、この場合は該される発明の詳細な説明の部分でその意味を記載したため、単純な用語の名称でない用語の有している意味で本発明を把握すべきである。
【００１７】
以下、本発明の目的を具体的に実現することができる本発明の望ましい実施例を添付した図面を参照して説明するが、本発明が前記実施例によっていずれにも限られるものではない。
【００１８】
図１は本発明の一実施例による高速大面積の精密測定装置の構造を示す。図１を参照すれば、前記高速大面積の精密測定装置は焦点楕円計測部１００及び精密測定部２００とを含む。
【００１９】
前記焦点楕円計測部１００はZ-並進器１１０及び楕円計測器１２０とを含み、前記精密測定部２００はZ-スキャナー２１０、探針（Cantilever）２２０、XY-スキャナー２３０、及びXY-並進器２４０とを含む。Z-並進器１１０は楕円計測器１２０を上下に移動させることによって、楕円計測器１２０から出力された光が試片３００の上に焦点を形成するように絞る。
【００２０】
前記Z-並進器１１０は多様な形態及び構造で作られて前記機能が行われ、本発明は前記Z-並進器の形態及び構造に限られない。
【００２１】
楕円計測器１２０は偏光された光を試片３００に入射させた後、試片３００で反射される光を測定することによって試片の特性を測定する。前記楕円計測器１２０に関する説明は図２及び図３を参照して後述する。
【００２２】
焦点楕円計測部１００は試片３００の光学的特性を迅速且つ広範囲に測定する。この際、XY-並進器２４０が用いられる。例えば、前記焦点楕円計測部１００の垂直分解能は約０.１ｎｍであり、水平分解能は約１μｍであり、移動速度は４００ｍｍ／ｓになる。
【００２３】
その次、測定された光学的特性の中で特異点が発見されると、精密測定部２００は前記特異点の周辺を最も精密に測定する。前記精密測定部２００はＳＰＭから構成され得る。ＳＰＭを使用する場合、前記精密測定部２００の垂直分解能は約０．０５ｎｍであり、水平分解能は約０．１５ｎｍであり、測定時間は約３０,０００steps/sであり、測定領域は約５μｍ×５μｍである。
【００２４】
焦点楕円計測部１００の測定が終わると光源を遮断し、XY-並進器２４０を使用して探針２２０を特異点の周辺に移動させる。その次に前記特異点の周りをZ-スキャナー２１０及び／又はXY-スキャナー２３０を用いて精密に測定する。従って、ＳＰＭのみを用いて精密に測定する場合より最も早く特異点を精密に測定することができるという長所がある。本発明は前記Z-スキャナー２１０及びXY-スキャナー２３０の位置及び構造に限られない。
【００２５】
本発明に用いられるＳＰＭの種類はSTM（Scanning Tuning Microscope）、AFM（Atomic Force Microscope）、FMM（Force Modulation Microscope）、PDM（Phase Detection Microscope）、MFM（Magnetic Force Microscope）、EFM（Electrostatic Force Microscope）、SCM（Scanning Capacitance Microscope）などがある。前記ＳＰＭの原理は当業者によく知らせているため、具体的な説明は省略する。各種類のＳＰＭに対する概念は下記の通りである。
【００２６】
STMは探針を伝導体である試片の表面に原子一つ二つ大きさの間隔で接近させると、その間隔が非常に狭くて両端に適当な電圧を上げれば電子がエネルギーの壁を通り抜けて電流が流れる量子力学的トンネル（tunneling）現象を用いて、試片の特性を測定する。
【００２７】
AFMはカンチレバーと呼ばれる探針を試片の表面に原子一つ二つ大きさの間隔で接近させると、探針端の原子と試片の表面の原子の間に互いの間隔に応じて引力及び斥力が作用する現象を用いて、試片の特性を測定する。
【００２８】
FMMは探針が試片と接触する範囲内において探針を一定な振幅で振動させると、試片との接触によって探針の振幅と位相が変化する現象を用いて、試片の特性を測定する。
【００２９】
MFMは磁性体を覆わせた探針を用いて、試片の磁気的特性を測定する。
【００３０】
EFMは探針と試片間に交流電圧及び直流電圧を加えることによって発生する静電気力を用いて、試片の電気的特性を測定する。
【００３１】
SCMはキャパシタンスセンサー（Capacitance sensor）を探針に連結して探針と試片との間の静電容量を測定することによって、試片の特性を測定する。
【００３２】
本発明による精密測定部２００は前記ＳＰＭのうちからいずれ一つを含み、以後に開発される他の種類のＳＰＭも含まれる。
【００３３】
図２は本発明の一実施例による楕円計測器の構造を図示する。図２を参照すれば、前記楕円計測器は光源部１２１、偏光発生部１２２、光分割部１２３、アパーチャー１２４、光集中部１２５、偏光検出部１２６、光検出部１２７、及び演算処理部１２８とを含む。
【００３４】
前記偏光発生部１２２は光源部１２１から放出された平行光を特定偏光状態で作る。前記光分割部１２３は光源部１２１を通過した光の一部を分割する。分割された一部の光は光分割部１２３の下部に位置した光集中部１２５を通過するようになる。前記光集中部１２５は分割された光の一部を屈折させて試片３００に線形で集中照射させる。
【００３５】
選択的に、光分割部１２３で分割された一部の光は光集中部１２５を通過する前にアパーチャー（Aperture）１２４を通過することができる。前記アパーチャー１２４は光分割部１２３で分割された光の外郭部分を遮断し、中央部分のみ光集中部１２５に至るようにする。前記アパーチャー１２４及び前記光集中部１２５の形態及び構造は後述される。
【００３６】
試片３００で反射した光は光集中部１２５及び光分割部１２３を通過した後に、特定な偏光状態のみを選り分ける偏光検出部１２６を通過する。その次に、偏光検出部１２６を通過した光は光検出部１２７に入力され、光検出部１２７は入力された光の強度を測定する。光検出部１２７は複数の単位素子（画素：pixel）から構成されており、単位素子から獲得された情報は 演算処理部 １２８へ伝達されてデジタル信号で保存するようになる。
【００３７】
図３は本発明の一実施例による半円筒形レンズを用いて光を試片に線形で集中照射させる光集中部を図示する。本発明による光集中部１２５は図２に示されたように凸レンズで構成され得る。この場合に光分割部１２３から出力された光は光集中部１２６を通過して試片３００に焦点で集中される。
【００３８】
なお、本発明による光集中部１２５は図３に示されたように、円筒形光学系で構成され得る。図３を参照すれば、左図は光集中部１２５の斜視図であり、右図は前（ｘ軸）からみた光集中部１２５を図示する。光分割部１２３で分割された光はアパーチャー１２４を通過する。
【００３９】
前記アパーチャー１２４は中央部分に矩形の孔を有する矩形の形状を有し、光分割部１２３で分割された光の一部は矩形の孔を介して光集中部１２５に伝達され、一部はアパーチャー１２４によって遮断される。前述したように、前記アパーチャー１２４は選択的なものであり、光分割部１２３で分割された光がアパーチャー１２４を介せず直接光集中部１２５に伝達できる。前記アパーチャー１２４中央の矩形の孔は例示的なものであり、本発明は多様な形態の孔を有するアパーチャー１２４を含む。
【００４０】
図３に示されたように、光集中部１２５は半円筒形レンズから構成され、前記半円筒形レンズはアパーチャー１２４に隣り合った外周面は半円形曲面で形成され、試片３００に隣り合った外周面は矩形の断面で形成される。従って、半円筒形レンズで伝達された光は半円筒形レンズを通過しながら屈折された後に試片３００に線形で集中される。半円筒形レンズを通過した光は入射角（Ф）と同一な反射角（Ф）で試片３００で反射された後に、再び半円筒形レンズを通過しながら屈折されてアパーチャー１２４に伝達される。
【００４１】
前記光集中部１２５の構成形態は例示的なものであり、本発明は試片３００に焦点又は線形で光を集中照射させる如何なる形態の光集中部１２５も含む。
【００４２】
図４及び図５はそれぞれ本発明の一実施例による試片の不均一度及び試片の不純物の位置を測定する方法を図示する。図４を参照すれば、先ず焦点楕円計測部は試片を高速でスキャンする。もし、試片の表面に不均一な特異点が発見されると、特異点の位置情報（図４中、（x1,y1）座標）を保存する。その次に、精密測定部が前記特異点の周りを精密に測定する。図４ではAFMを用いて試片の不均一度を測定することを図示しているが、本発明はこれに限られなく、他の種類のＳＰＭを用いて試片の不均一度を測定することを含む。
【００４３】
図５を参照すれば、先ず焦点楕円計測部は試片を高速でスキャンする。もし、試片に不純物が含まれた特異点が発見されると、特異点の位置情報（図４中、（x1,y1）座標）を保存する。その次に、精密測定部が前記特異点の周りを精密に測定する。図５ではSCMを用いて試片に含まれた不純物の位置を測定することを図示しているが、本発明はこれに限られなく、他の種類のＳＰＭを用いて試片に含まれた不純物の位置を測定することを含む。
【００４４】
図６は本発明の一実施例による高速大面積の精密測定装置を用いて試片の光学的特性を測定する方法を示す流れ図である。以下で、図１の構成要素を参照して前記流れ図を記述する。
【００４５】
先ず、Z-並進器１１０を用いて試片３００上に焦点を形成する（S601）。前記焦点は光集中部の構成形態に応じて点又は線形で形成される。その次、楕円計測器１２０及びXY-並進器２４０を用いて高速で試片３００の光学的特性を測定する（S602）。
【００４６】
もし、測定の結果、特異点が発見されなければ（X603のNO）、Z-並進器１１０、楕円計測器１２０、及びXY-並進器２４０を用いて前記試片の他部分又は他の試片を測定する。
【００４７】
もし、測定の結果、特異点が発見されると（X603のYES）、特異点が発見された位置情報をコンピュータに保存する（S604）。その次に、シャッター（Shutter）を使用して光源を遮断し（S605）、XY-並進器２４０を用いて探針２２０を特異点の周りに移動させる（S606）。それから、特異点の周りをXY-スキャナー２３０及び／又はZ-スキャナー２１０を用いて精密に測定する。
【００４８】
以上のように、本発明では具体的な構成素子などのような特定事項と限られた実施例及び図面によって説明されたが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものだけであり、本発明は前記の実施例に限られるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を持っている者であれば、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。
【００４９】
従って、本発明の思想は説明された実施例に局限されて定めてはならなく、後述する特許請求の範囲のみならず、この特許請求の範囲と均等したり等価的な変形がある全てのものは本発明の思想の範疇に属すると言える。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明による高速大面積の精密測定装置及び方法は、焦点楕円計測部で試片の光学的特性を高速で測定した後に、特異点が現れる位置を精密測定部で再び精密に測定することによって、試片の光学的特異点を迅速且つ精密に測定することができる効果がある。
【００５１】
なお、試片の光学的特性を高速で測定するために、凸レンズを用いて光を試片に焦点で集中照射する装置のみならず、円筒形光学系を用いて光を試片に線形で集中照射する装置を提供することによって、多数の試片に対する光学的特性をより迅速且つ精密に測定することができる効果がある。
【符号の説明】
【００５２】
１００：焦点楕円計測部        １１０：Z-並進器（Translator）
１２０：楕円計測器            ２００：精密測定部
２１０：Z-スキャナー          ２２０：カンチレバー（Cantilever）
２３０：XY-スキャナー         ２４０：XY-並進器
【図６】
2010530971.tif 000003
【図１】
2010530971.tif 000004
【図２】
2010530971.tif 000005
【図３】
2010530971.tif 000006
【図４】
2010530971.tif 000007
【図５】
2010530971.tif 000008
【国際調査報告】
2010530971.tif 000009
2010530971.tif 000010