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◈ ellipsometry의 종류 ◈
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일반분석 장비에 비해 ellipsometer는 그 종류가 매우 많다. 지금까지 발표된 것이 몇 가지나 될까?
백가지가 넘는다면 믿을까?. 이렇게 많은 이유는 완벽에 가까운
이상적인 ellipsometer가 없기 때문이다. 최근 본인이 공저자로 발표한 논문에 사용한 장비의 공식명칭은 'Double
rotating compensator형 실시간 multichannel 분광 Stokes parameter ellipsometer'가
되어야 하니, 이 많은 수식어만 봐서도 가히 그 종류를 짐작할 만 하다. 일반적으로 작동원리와 기능으로 분류를 할 수가 있다.
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▶ 측정 방식에 따른 분류
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측정방식으로는 (반사형, 투과형), (passive형, active형) 그리고 (null형, photometric형,
interferometric형) 등으로 분류할 수가 있는데 대부분 반사형 및 passive형으로 사용하고 있어 맨 후자의 분류를
많이 사용한다.
1. Null 방식: 수동식, 기계적인 회전방식, electro-optic을 이용한 방식 등이 있는데 polarizer,
compensator, 또는 시편의 입사각 등을 움직여 detector에 들어오는 빛을 없도록 하여 그 때의 광부품의
위치각으로부터 ellipsometry 각 (Δ, Ψ)를 구한다.
2. Photometric 방식: null 방식의 경우 빛을 없애는데 반해 빛의 밝기 변화로부터 ellipsometry 각
(Δ, Ψ)를 구하는 방법인데 modulation 방법에 따라 다시 phase modualtion 방식과 rotating
element 방식이 있다. 3. Interferometric 방식: Laser광원이나 적외선 ellipsometry에서 사용하는
방식인데 간섭현상을 이용한다.
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그림: Null ellipsometer의 구조. 각 A, P, C, 그리고
입사각 중 일부를 움직인다.
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그림: Photometric ellipsometer의 구조. Modulator는
회전 또는 광전자적 진동을 한다.
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그림: Interferometric ellipsometer의 구조 P1: polarizer, BS:
beam splitter, Ms: 시편 쪽 거울, Mcr: 역반사용 corner reflector, Mr: reference 쪽
거울, P2: Wollaston polarizer, Ds: s-파용 detector, Dp: p-파용 detector
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▶ 기능에 따른 분류
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1. 측정파장 영역: 단파장(single wavelength), 분광(spectroscopic), 적외선, 마이크로웨이브,
deep UV, vaccum UV, extreme UV 등의 수식어가 붙는다.
2. 측정속도: ultrafast,
실시간(realtime), ex situ 등의 수식어가 붙는다.
3. 기타: multi-angle-of-incidence,
imaging, Stokes parameter, Three-parameter, focusing 등의 수식어가 붙는다.
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그 밖에도 Psi-meter, comparison ellipsometry, RDS 등 많은 특수 기능 또는
특수 목적용 ellipsometry가 있다.
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▶ 단파장 ellipsometry
대 분광 ellipsometry
단파장 ellipsometry의 경우 가격이 저렴하고
측정속도가 빠른 이점이 있어 실시간 측정에 유용하다. 정적인 시편의 측정에 있어 분광 ellipsometry는 크게 두 가지의 이점이
있다.
첫째는 통계적인 이득이다. 두께와 같이 단순한 값의 측정에 있어서도 여러 파장을
동시에 이용하기 때문에 단파장의 경우보다 측정값에 대한 신뢰도가 크다. 또한 다층박막과 같이 구해야 할 미지수가 많은 경우에도 적용이
가능하다.
둘째, 물질의 파장 영역에 따른 광특성을 측정할 수 있다. 주로 물질의 광전자적
구조를 연구할 수 있다.
▶ Rotating polarizer
ellipsometry 와 rotating anlayzer ellipsometry
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Rotating Polarizer (RP)
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Rotating Analyzer (RA)
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비고
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분광기 위치
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detector쪽
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광원쪽
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분광측정시
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백색광
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단색광
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감광물질 측정: RP 불리
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편광오차
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광원잔류편광
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detector nonlinearity
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불완전한 부품오차
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Beam deviation
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크다
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작다
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측정오차요인:RP 불리
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외부입사광 영향
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작다
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크다
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실내등, 플라즈마: RA 불리
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측정시 환경
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소등
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RA: 사용자 불편
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참고: 원리와 구조상 거의 같음에도 불구하고 적용에 있어 큰 차이가 날 수가 있음을 보여 주고
있다.
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▶ 주요 ellipsometry의 특성
비교 (Aspnes 1974)
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구분
비교내용
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Null 형
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Photometric 형
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수동식
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자동식(modulator형)
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rotating analyzer
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polarization modulation
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측정시간
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> 1 min
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10 ms∼10 s
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5∼25 ms
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20∼100 ㎲
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정밀도 한계 요인
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기계적
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전기적/통계적
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통계적
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전기적
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정확도 한계 요인
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기계적
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전기적/통계적
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detector의 linearity
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detector의
linearity
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반사율 측정 가능
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불가능
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비실용적
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가능
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가능
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최적의 반사표면
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모든 것
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모든 것
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금속
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금속
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분광 범위 제한요인
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비실용적
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compensator
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광원과 detector
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modulator
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단점
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작동과정이 지겨움
S/N가 좋지
않음
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dark current 에 민감
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linear
detector필요
cosΔ=±1:저민감도
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linear detector필요
측정치가
많음
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장점
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간단한 기계적 구조
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정확도가 좋음
어떤 ρ도
측정함
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고정밀도, 파장에 관계된
부품이
없음
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고정밀도
빠른
측정속도
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참고: 최근 detector 및 data acquisition 기술의 발달로 상당히 많은 부분이 개선되고
있음.
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▲Top
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