(57)【要約】【課題】偏光をより早くて効果的に測定できる楕円分光器、偏光測定装置および偏光状態測定方法を提供する。【解決手段】偏光測定装置は、光の偏光状態が分かるように入射される光を回折させる円形回折格子１４０と、円形回折格子１４０で回折された光を受光して、光の偏光状態を表示する検出器１５０と、を備える。円形回折格子１４０は、一定した溝を掘って形成された格子を有し、格子の間隔と溝の深さとを調節して光の偏光方向による透過率を調節する。円形回折格子１４０は、入射光をすべての方向に回折させる。検出器１５０は、回折された光を受光して、二次元的に検出する。検出器１５０の検出された二次元画面では、入射光の偏光程度を測定するデータが直接抽出可能である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の偏光状態が分かるように入射される光を回折させる回折格子と、
前記回折格子で回折された光を受光して、光の偏光状態を表示する検出器と、
を備えることを特徴とする偏光測定装置。
【請求項２】
前記回折格子は、一定した溝を掘って形成された格子を有し、前記格子の間隔と溝の深さとを調節して光の偏光方向による透過率を調節することを特徴とする請求項１に記載の偏光測定装置。
【請求項３】
前記回折格子は、円形回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の偏光測定装置。
【請求項４】
前記円形回折格子は、前記入射光をすべての方向に回折させることを特徴とする請求項３に記載の偏光測定装置。
【請求項５】
前記検出器は、前記回折された光を受光して、二次元的に検出することを特徴とする請求項４に記載の偏光測定装置。
【請求項６】
前記検出器の検出された二次元画面では、前記入射光の偏光程度を測定するデータが直接抽出可能であることを特徴とする請求項５に記載の偏光測定装置。
【請求項７】
光を発生させる光源と、
前記光源から発生した光を偏光させ、前記偏光された光を試片に提供する偏光器と、
請求項１の偏光測定装置と、
を備えることを特徴とする楕円分光器。
【請求項８】
前記回折格子は、一定した溝を掘って形成された円形格子を有し、前記格子の間隔と溝の深さとを調節して光の偏光方向による透過率を調節することを特徴とする請求項７に記載の楕円分光器。
【請求項９】
前記回折格子は、円形回折格子であることを特徴とする請求項７に記載の楕円分光器。
【請求項１０】
前記円形回折格子は、前記反射光をすべての方向に回折させることを特徴とする請求項９に記載の楕円分光器。
【請求項１１】
前記検出器は、前記すべての方向に回折された光を受光して、二次元的に検出することを特徴とする請求項１０に記載の楕円分光器。
【請求項１２】
前記検出器の検出された二次元画面では、前記反射光の偏光程度を測定するデータが直接抽出可能であることを特徴とする請求項１１に記載の楕円分光器。
【請求項１３】
前記検出器は、ＣＣＤ、またはＭＣＴであることを特徴とする請求項７に記載の楕円分光器。
【請求項１４】
前記偏光器は、光を特定の偏光状態の光に変えることを特徴とする請求項７に記載の楕円分光器。
【請求項１５】
回折格子に光を通過させて光の偏光状態が分かるように光を回折させる段階と、
前記回折格子で回折された光を検出器で受光して、光の偏光状態を表示する段階と、
を含むことを特徴とする光の偏光状態測定方法。
【請求項１６】
前記回折格子は、一定した溝を掘って形成された格子を有し、前記格子の間隔と溝の深さとのうち、少なくとも一つを調節して光の偏光方向による透過率を調節することを特徴とする請求項１５に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項１７】
前記回折格子は、円形回折格子であることを特徴とする請求項１５に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項１８】
前記円形回折格子は、前記入射光をすべての方向に回折させることを特徴とする請求項１７に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項１９】
前記検出器は、前記すべての方向に回折された光を受光して、二次元的に検出することを特徴とする請求項１８に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２０】
前記回折された光の強度の二次元分布を表示する段階と、
前記表示された回折された光の強度の二次元分布を使って、前記入射光の偏光程度を測定するためのデータを直接抽出する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２１】
光を発生させ、前記光を偏光させる段階と、
前記偏光された光を試片に入射させ、前記入射光を前記試片で反射されるようにする段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２２】
前記回折格子は、一定した溝を掘って形成された円形格子を有し、前記格子の間隔と溝の深さとのうち、少なくとも一つを調節して光の偏光方向による透過率を調節することを特徴とする請求項２１に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２３】
前記回折格子は、円形回折格子であることを特徴とする請求項２１に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２４】
前記円形回折格子は、前記反射光をすべての方向に回折させることを特徴とする請求項２３に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２５】
前記検出器は、前記回折されて入射された光を受光して、二次元的に検出することを特徴とする請求項２４に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２６】
前記回折された光の強度の二次元分布を表示する段階と、
前記表示された回折された光の強度の二次元分布を使って、前記入射光の偏光程度を測定するためのデータを直接抽出する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２７】
前記検出器は、ＣＣＤ、ＭＣＴであることを特徴とする請求項２１に記載の光の偏光状態測定方法。
【請求項２８】
前記偏光器は、光を特定の偏光状態の光に変えることを特徴とする請求項２１に記載の光の偏光状態測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光測定装置、楕円分光器及び光の偏光状態測定方法に係り、より詳細には、偏光をより早くて効果的に測定可能な偏光測定装置、楕円分光器及び光の偏光状態測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
楕円偏光分析技術（ellipsometry）は、光が試片に反射されながら変わる光の偏光状態を分析して試片の情報を分析する技術である。特定偏光状態を有している光が試片に入射されて反射されれば、偏光状態が変わる。ここで、反射された光の偏光状態を分析して試片の情報を分析できる。すなわち、光の偏光状態変化を測定して試片の表面及び薄膜構造と物性、物質の鉱物性などを研究するのに用いることができる。また、半導体製造工程、薄膜製造工程などで薄膜の厚さ、密度、屈折率、物質の組成比などを測定するか分析するのに用いることができる。
【０００３】
このような光の偏光状態を測定する機器を楕円分光器（ellipsometer）と言う。楕円分光器は、測定方式によって反射型、透過型、passive型、active型、そしてnull型、photometric型、interferometric型などに分類することができる。また、測定波長の領域によって単波長（single wavelength）、分光（spectroscopic）、赤外線、マイクロウエーブ、deep ＵＶ、vacuum ＵＶ、extreme ＵＶなどに分類することができる。
【０００４】
楕円分光器は、入射される光を線偏光させる偏光器、反射される光の偏光状態を測定する分析器、光の位相を変化させる補償器などを備える。一般的に、楕円分光器で試片から反射される光の偏光状態を把握するためには、偏光器、分析器または補償器を回転させながら回転による光の強さの変化を測定して光の偏光状態を測定する。
【０００５】
【特許文献１】韓国特許公開２００４−０４６２０５号（請求項１、６、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が果たそうとする技術的課題は、偏光をより早くて効果的に測定できる楕円分光器を提供することである。
本発明が果たそうとする他の技術的課題は、偏光をより早くて効果的に測定できる偏光測定装置を提供することである。
本発明が果たそうとするまた他の技術的課題は、偏光をより早くて効果的に測定できる光の偏光状態測定方法を提供することである。
本発明の技術的課題は、前述した技術的課題に制限されず、言及されていないさらなる技術的課題は、下記から当業者に明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記技術的課題を果たすための本発明による偏光測定装置は、光の偏光状態が分かるように入射される光を回折させる回折格子及び前記回折格子で回折された光を受光して、光の偏光状態を表示する検出器を備える。
前記技術的課題を果たすための本発明による楕円分光器は、光を発生させる光源と、前記光源から発生した光を偏光させて試片に提供する偏光器と、前記試片で反射された光の偏光状態が分かるように光を回折させる円形回折格子と、前記円形回折格子で回折された光を受光して、光の偏光状態を表示する検出器とを備える。
【０００８】
前記技術的課題を果たすための本発明による光の偏光状態測定方法は、回折格子に光を通過させて光の偏光状態が分かるように光を回折させる段階と、前記回折格子で回折された光を検出器で受光して、光の偏光状態を表示する段階と、を含む。
前記技術的課題を果たすための本発明による光の偏光状態測定方法は、光を発生させ、前記光を偏光させ、前記偏光された光を試片に入射させ、前記試片で反射された光を円形回折格子に通過させて光の偏光状態が分かるように回折させ、前記回折光を受光して、光の偏光状態を検出器で表示することを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体素子製造設備によれば、次のような効果が一つあるいはそれ以上ある。
第一に、偏光測定速度が速くなり、費用が減少しうる。
第二に、すべての方向の偏光状態を一目で確認できることによって、より早くて便利に偏光を測定できる。
第三に、偏光状態の変化を検出器で直ちに確認できるので、インサイチュ（in-situ）偏光分光器として使うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらの達成方法は、添付図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されず、相異なる多様な形態で具現でき、単に本実施形態は本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供され、本発明は請求項の範ちゅうにより定義されるだけである。明細書全体にわたって同一参考符号は、同一構成要素を指称する。
【００１１】
以下、図１から図４を参照して、本発明の一実施形態による偏光測定装置について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による偏光測定装置の概念図である。図２は、本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の斜視図である。
図３は、本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の平面図である。図４は、本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の断面図と一部拡大図である。
【００１２】
図１から図４を参照すれば、本発明の一実施形態による偏光測定装置１００は、円形回折格子１４０及び検出器１５０を備える。
円形回折格子１４０は、回折板１４２及び支持板１４６を有する。回折板１４２は、中心に円形格子１４４が形成されている平板である。回折板１４２は、円形に形成することができ、例えば、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2などから形成される。また、回折板１４２の厚さは、例えば約０．５〜１０μｍ程度である。
【００１３】
回折板１４２の中心領域には、円形格子１４４が形成されている。一方、回折板１４２の中心に形成された円形格子１４４は、照射光の波長に近接した周期Ｌを有するように形成される。ここで、円形格子１４４の周期Ｌは、格子縞の形成された一定間隔の幅を意味する。例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光である６３３ｎｍの波長を用いる場合、約６００〜７００ｎｍの周期Ｌを有するように形成される。
【００１４】
また、回折板１４２の円形格子１４４は、回折板１４２に円形の一定深さＨの溝を掘って形成する。例えば、回折板１４２の中心領域に電子ビーム（e-beam）で一定深さＨの溝を一定間隔に形成して円形格子１４４を形成することができる。ここで、回折板１４２の円形格子１４４の周期Ｌと溝の深さＨとを適切に調節すれば、入射される光の偏光方向による透過率を調節できる。
【００１５】
支持板１４６は、回折板１４２の下部に形成され、薄い回折板１４２を支持する。支持板１４６の中心領域は開けられているが、回折板１４２の円形格子１４４が形成されている領域の下の領域が開けられる。すなわち、支持板１４６は、所定厚さを有して回折板１４２を支持し、回折板１４２の円形格子１４４が形成された領域は開けられているために、光が通過できる。支持板１４６は、所定厚さを有した平板であることが望ましく、例えばＳｉ基板などを用いることができる。
【００１６】
円形回折格子１４０は、円形に配列された格子を含むので、入射された光がすべての方向に回折される。まず、円形回折格子１４０は、一定した周期Ｌ及び溝の深さＨを有する格子に形成されている。光が格子を通過すれば、回折または干渉することで回折される。このとき、回折格子の周期Ｌ及び溝の深さＨを調節すれば、入射される光の偏光方向による透過率を調節できる。すなわち、一定方向の光の透過率を他の方向に比べて顕著に大きくすることができる。このような場合、回折格子が既存の偏光器のような機能を有するようにすることができる。
【００１７】
また、円形回折格子１４０は、格子が円形に形成されている。したがって、中心から発散する方向に形成された格子がすべての方向にぐるりと取り巻いて形成されている。すなわち、円形回折格子１４０の周期Ｌ及び溝の深さＨを調節して一定方向偏光の透過率を高くすれば、光を通過させた場合に、光がすべての方向に回折されて円形回折格子１４０を回転させなくても、すべての方向の偏光状態を一度に分かる。
【００１８】
検出器１５０は、円形回折格子１４０を経て回折された光の強さ分布を検出する。検出器１５０としては、多様な光反応素子を適用可能である。例えば、電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）、ＭＯＳコントロールサイリスター（ＭＯＳ Controlled Thyristor：ＭＣＴ）などが使われうる。検出器１５０は、円形回折格子１４０ですべての方向に回折された光を受光して、二次元的に検出する。検出器１５０に検出された二次元画面では、円形回折格子１４０に入射された光の偏光程度を測定できるデータが直接抽出可能である。
【００１９】
本発明の一実施形態による偏光測定装置１００を使って光の偏光を測定すれば、測定速度が速くなり、生産性が向上し、より效率的に光の偏光状態を測定できる。
従来、光の偏光を測定するためには、偏光板を回転させてどの方向に光が偏光されたのかを見て、光の偏光状態を測定しなければならなかった。しかし、本発明の一実施形態による偏光測定装置１００を用いることにより、円形回折格子１４０を別途に動作させなくても光をすべての方向に回折させることによって、すべての方向の光の偏光状態を測定することができる。したがって、測定に要する時間が短縮され、回転に必要な設備が不要であり、費用を減少させることができる。
【００２０】
また、本発明の一実施形態による偏光測定装置１００によれば、検出器１５０にすべての方向に回折された光が二次元的に検出される。したがって、光の偏光状態を一目で分かることができてより早くて効率的に光の偏光状態を観察できる。
【００２１】
以下、図２から図５を参照して、本発明の一実施形態による楕円分光器について説明する。図５は、本発明の一実施形態による楕円分光器の概念図である。
楕円分光器１０５は、光源１１０、偏光器１２０、円形回折格子１４０及び検出器１５０を有する。
【００２２】
光源１１０は光を発生させる。光源１１０としては、レーザーまたは多様な種類のランプを適用することができる。一方、楕円分光器１０５で広いスペクトルが要求される時は、多様な種類のランプが適用されるが、例えば、ジュウテリウム（deuterium：Ｄ２）、キセノン（Xenon：Ｘｅ）、石英タングステンハロゲン（Quartz Tungsten Halogen：ＱＴＨ）などを適用することができる。
【００２３】
偏光器１２０は、光源１１０から発生した光のうち特定した偏光を有する成分のみ通過させ、残り成分は遮断する役割を果たす。偏光器１２０は、例えば、ヨード及び着色型染料が適用されたポリビニルアルコール（Poly Vinyl Alcohol：ＰＶＡ）フィルムを特定方向に延伸して形成した偏光フィルムを含む。
【００２４】
円形回折格子１４０は、回折板１４２及び支持板１４６を含む。円形回折格子１４０は、周期Ｌ及び溝の深さＨを調節して入射される光の偏光方向による透過率を調節できる。また、円形回折格子１４０は、円形に配列された格子を含むので、入射された光がすべての方向に回折される。したがって、偏光器１２０で偏光された光が試片１３０から反射されながら偏光状態が変わり、偏光された光が円形回折格子１４０を通過すれば、光がすべての方向に回折されて円形回折格子１４０を回転させなくても、すべての方向の偏光状態が一度に分かる。
【００２５】
検出器１５０は、円形回折格子１４０を経て回折された光の強さ分布を検出する。すなわち、検出器１５０によって測定された光の二次元強さ分布から光の偏光状態データを直接抽出できる。検出器１５０としては、多様な光反応素子が適用される。例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＭＯＳコントロールサイリスター（ＭＣＴ）などが使われうる。検出器１５０は、円形回折格子１４０ですべての方向に回折された光を受光して、二次元的に検出する。検出器１５０に検出された二次元画面では、円形回折格子１４０に入射された光の偏光程度を測定できるデータが直接抽出可能である。
【００２６】
以下、図２から図５を参照して、本発明の一実施形態による楕円分光器の偏光状態測定方法について説明する。図５で実線で表わしたものは光の移動経路であり、点線で表わしたものは光の偏光方向を表わす。
【００２７】
まず、光源１１０から光が発生する。光源１１０から発生した光は偏光されていない光である。光源１１０から発生した光は偏光器１２０を経れば、特定の偏光状態の光に変化する。このような光は、試片１３０へ入射されて反射される。このとき、特定の偏光状態の光が試片１３０に入射されて反射されながら光の偏光状態が変化する。すなわち、特定の偏光状態を有している光が試片１３０に入射されて反射されれば、試片１３０の薄い薄膜層と照射光との相互作用によって光の偏光状態が変化する。したがって、反射された光の偏光状態を分析して入射された光の偏光状態と比べると試片１３０の情報を分析できる。
【００２８】
このような光の偏光状態を分析するために、試片１３０で反射された光を円形回折格子１４０に通過させて回折させる。円形回折格子１４０では、試片１３０で反射された光を回折させて光の偏光状態を示すが、円形に格子が形成されているので、すべての方向に光を回折させる。次いで、すべての方向に回折された光を検出器１５０で受光して、その偏光状態を二次元的に検出する。検出器１５０に検出された二次元画面を確認すれば、試片１３０で反射された光の偏光程度を測定できるデータが直接抽出可能である。
【００２９】
本発明の一実施形態による楕円分光器１０５を使って光の偏光を測定すれば、測定速度が速くなり、生産性が向上し、より效率的に光の偏光状態を測定できる。
また、本発明の一実施形態による楕円分光器１０５を使えば、円形回折格子１４０を回転させずとも光を通過させるだけで一度に光の偏光状態が測定されて、検出器１５０に光のすべての方向の偏光状態が二次元的に表示される。したがって、時間が短縮され、回転に必要な設備が不要であり、費用が減少しうる。
【００３０】
本発明の一実施形態による楕円分光器１０５は、光の偏光状態変化を測定して試片１３０の表面及び薄膜構造と物性、物質の鉱物性などを研究するのに適用することができる。また、半導体製造工程、薄膜製造工程などで薄膜の厚さ、密度、屈折率、物質の組成比などを測定するか分析するのに適用することができる。例えば、フォト工程（photo process）で使われるフォトマスク（photo mask）上に形成される汚染膜または酸化膜の厚さを測定する場合、あるいはエッチング工程（etching process）、蒸着工程（deposition process）で薄膜の厚さを測定するのに適用することができる。本発明の一実施形態による楕円分光器１０５は、偏光状態の変化を検出器１５０に検出された画面で一目で確認できるので、半導体素子製造工程進行中に薄膜の厚さ変化を工程進行と共に測定することもできる。すなわち、インサイチュ偏光分光器として適用することもできる。
【００３１】
図６は、回折格子で深さの差によるＴＥ波（transverse electric wave）及びＴＭ波（transverse magnetic wave）の透過率を表わしたグラフである。ここで、入射光の波長は６３３ｎｍであり、回折格子の周期は６００ｎｍである。ＡはＴＥ波の透過率を表わしたものであり、ＢはＴＭ波の透過率を表わしたものである。
【００３２】
図６を参照すれば、回折格子の深さによってＴＥ波及びＴＭ波の透過率が変わることを確認できる。回折格子の深さが約０．２２μｍである時、ＴＭ波の透過率は大きく、ＴＥ波の透過率はほとんどない。すなわち、回折格子の深さを約０．２２μｍに調整する場合、ＴＭ波のみを透過する回折格子を形成できる。
【００３３】
図７Ａから図７Ｃは、本発明の一実施形態による偏光測定装置で、照射光の偏光状態が検出器に表示されたものを表わした図面である。
図７Ａは、本発明の一実施形態による偏光測定装置であり、偏光されていない光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。図７Ｂは、本発明の一実施形態による偏光測定装置であり、線偏光された光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。図７Ｃは、本発明の一実施形態による偏光測定装置であり、楕円偏光された光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。
【００３４】
図７Ａから図７Ｃを参照すれば、周期及び高さが適切に制御された円形回折格子を光が通過した場合、光の偏光状態が一目で確認されることを確認できる。
図７Ａでは、偏光されていない光が円形回折格子に入射されたので、すべての方向に均一に光が回折されていることを確認できる。図７Ｂでは、特定した偏光状態の光を円形回折格子に入射したので、一方向のみに光が回折されて分布する。
【００３５】
また、図７Ｃでは、楕円偏光された光を入射したのであり、ｐ方向のみに光が分布しないで、ｑ方向にも光が分布している。また、光が主に分布するｐ方向がθほど傾いていることを確認できる。ここで、ｐ方向及びｑ方向の光が分布する大きさの比とθなどを通じて入射光の偏光状態を分析できる。
【００３６】
以上、添付された図面を参照して、本発明の実施形態を説明したが、当業者ならば本発明がその技術的思想や必須な特徴を変更せず、他の具体的な形態に実施されるということを理解できるであろう。したがって、前述した実施形態は、あらゆる面で例示的なものであり、限定的ではないということを理解せねばならない。
【００３７】
（産業上の利用可能性）
本発明に適用される装置及び方法は、高集積回路半導体素子、プロセッサ、ＭＥＭ≡ｓ（Micro Electro Mechanical）素子、光電子（optoelectronic）素子、ディスプレイ素子（display device）などの製造工程及び分析方法などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による偏光測定装置の概念図である。
【図２】本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による偏光測定装置の円形回折格子の断面図と一部拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態による楕円分光器の概念図である。
【図６】回折格子で格子の溝の深さの差によるＴＥ波及びＴＭ波の透過率を表わしたグラフである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による偏光測定装置で偏光されていない光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による偏光測定装置で線偏光された光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態による偏光測定装置で楕円偏光された光を円形回折格子に照射した場合に、検出器に表示された映像を表わした図面である。
【符号の説明】
【００３９】
１００：偏光測定装置、１０５：楕円分光器、１１０：光源、１２０：偏光器、１３０：試片、１４０：円形回折格子、１４２：回折板、１４４：円形格子、１４６：支持板、１５０：検出器、Ｌ：円形回折格子の周期、Ｈ：円形回折格子の溝の深さ
【図１】
2007256292.tif 000003
【図２】
2007256292.tif 000004
【図３】
2007256292.tif 000005
【図４】
2007256292.tif 000006
【図５】
2007256292.tif 000007
【図６】
2007256292.tif 000008
【図７Ａ】
2007256292.tif 000009
【図７Ｂ】
2007256292.tif 000010
【図７Ｃ】
2007256292.tif 000011