Ellipsometry에 사용되는 광학부품(3) - Detector, Polarizer

• Detector

일반적으로 가장 많이 사용되는 Detector는 PMT(photomultiplier)와 silicon detector가 있다. PMT의 경우 진공관 tube의 유리 재질과 광전자를 발생시키는 물질에 따라 그 사용 파장 영역이 제한되는데 보통 100nm에서 1000nm 사이에서 선택하여 사용한다. Detector 선택에 있어 고려해야 할 또 다른 사항은 반응속도인데 ellipsometer의 modulation 속도보다 훨씬 빨라야 파형을 따라잡을 수 있다. 

 

- PMT: 민감도가 뛰어나 빛의 밝기가 낮은 경우에도 사용 가능하며, 측정 가능한 파장 범위도 튜브를 바꾸어야 하나 상당히 넓다. 아래의 그림과 같이 PMT는 광전음극, 다이노드, 전극으로 구성되어 있다. 광전음극은 빛을 받으면 광전효과에 의하여 전자를 방출한다. 알칼리 금속이나 그 화합물의 박층을 금속에 입힌 것이 광전자의 방출효율이 높다. 이 전자는 다이노드를 거치면서 증폭되고, 전극에 이르러 외부 장비로 읽을 수 있는 정도의 전류 신호가 만들어지는 원리이다. 연속된 다이노드를 충돌할 때마다 더 많은 2차 전자를 발생시켜 결국 증폭의 효과가 나타나는데 보통 10^6배 이상의 증폭도 할 수 있다. 외부 장치를 거치지 않고 바로 신호가 증폭되기 때문에, 매우 약한 빛 신호를 감지하는 데에 널리 사용된다. 보통 광전효과는 가시광선 이상의 주파수에 대하여 발생하므로, 그 이하 주파수의 빛에 대해서는 사용할 수 없다. 

 

출처: 네이버 지식백과

- Silicon detector: 일단 가격이 저렴하고 간단한 장점이 있으나, 반응 속도가 느리고 또한 silicon의 band gap보다 작은 광양자 에너지(긴 파장)에 해당하는 빛은 감지할 수 없다. PMT보다는 밝은 빛을 요구하나 편광에 따른 감도차이가 거의 없는 편이다. 

 

• Polarizer(편광기)

 편광기는 ellipsometer에서 가장 중요한 부품으로 선편광을 발생시키는 광학 부품이다. 'Analyzer'란 편광기가 구성상 놓인 위치와 역할에 따른 명칭이다. 편광을 발생시키는 방법으로는 dichroism, 브루스터 각을 이용한 reflection, 복굴절 프리즘 이용 등이 있는데 가시광선 영역대 근처에서는 대부분 프리즘을 사용하고, 적외선에서는 dichroic film이나 wire grid 등을 사용하고 진공 UV에서는 브루스터 reflection을 이용하기도 한다. 

 Dichroism은 전기석에서와같이 한 방향으로의 전기장을 다른 방향에 비해 더 많이 흡수하는 광학적 성질로 흔히 폴라로이드라고 불리는 편광판의 원리이다. 폴라로이드는 일종의 폴리머를 한 방향으로 잡아당겨 고분자의 선형적 배열을 형성하여 요오드 등을 염색하여 제작하는데, 가격은 저렴하나 소광비(extinction ratio)가 좋지 않고 사용할 수 있는 파장 영역이 제한적이다. 

 

1. 흡수형 편광기

흡수형 편광판의 작동 원리는 아래와 같다. 가장 왼쪽의 여러 방향의 화살표는 보통의 빛(자연광)의 편광 방향을 나타내는 것으로 그 방향이 시시각각 변한다. 이 빛에서 수직 방향 성분을 뽑아내려면 가운데에 보인 것처럼 가느다란 도선을 수평으로 나란히 배열한 판을 두는데, 이때 도선의 굵기와 간격은 빛의 파장보다 훨씬 작아야 한다. 왼쪽에서 들어오는 자연광은 편광 방향이 수직인 성분과 수평인 성분이 섞여 있으며, 이 빛이 편광판을 지나갈 때 수평 성분은 수평하게 나란히 놓인 도선 속의 전자가 그 방향으로 진동하면서 흡수한다. 그러나 수직 성분은 전자가 그 방향으로 진동할 수 없으므로 흡수하지 못하여 그냥 통과한다. 그 결과 편광판을 지난 빛은 수직 편광 성분뿐이다. 이것은 결국 매질이 빛을 흡수하는 특성이 편광 방향에 따라 다른 이색성(dichroism)을 이용한 것이다.

흡수형 편광기 작동 원리 (출처: 위키미디어)

 

2. 반사형 편광기

편광을 만드는 또 다른 방법은 경계면에서의 반사율이 편광 상태에 따라 다른 것을 이용한다. 등방성 매질에서도 빛이 평면 경계면에 비스듬히 들어갈 때는 편광 방향이 입사면에 대해 수직인 수직 전기(TE: transverse electric) 편광과 나란한 수직 자기(TM: transverse magnetic) 편광의 반사율이 일반적으로 다르며, 특히 입사각이 다음 조건에 맞는 편광각(브루스터 각)에서는 수직자기 편광은 모두 투과하여 반사율이 0이 된다: tanΘ=n2/n1. 여기에서 n1과 n2는 각각 첫째와 둘째 매질의 굴절률이다. 아래 그림은 빛의 입사각을 유리판 여러 장을 나란히 두고 입사각을 편광각에 맞추어 TE는 거듭 반사되어 차차 줄어들게 하여 결국 TM 편광만 나오는 것을 표현하고 있다.

브루스터 반사를 이용한 편광기 (출처: 위키미디어)

비등방성 물질에서도 경계면에서의 반사율이 편광 상태에 따라 다른 것을 이용하여 편광판을 만들 수 있다. 아래 그림은 복굴절 물질이 굴절률이 편광에 따라 다른 것을 이용하여 TE 편광 성분은 경계면에서 전반사되고, TM 편광 성분은 거의 대부분 투과되게 하여 두 성분이 분리되게 한 Glan-Taylor 편광 프리즘이다. 두 장의 프리즘을 보통의 광학유리로 만들고, 경계면에 광학 박막을 입혀 두 선편광 성분이 직각 방향으로 분리되는 편광 프리즘도 나온다.

Glan-Taylor의 편광 프리즘 (출처: 위키미디어)