Ellipsometry에 사용되는 광학부품(4) - Compensator 및 기타 Ellipsometry 부품

• Compensator

편광상태에 따라 진행파의 위상을 다르게 바꾸는 광학부품으로 'retarder'라고 한다. Quartz, mica, MgF2 등의 복굴절 물질로 만들어지는데 대부분 단축의 결정체로 광축이 판 모양의 retarder의 면과 평행하다. 선편광된 빛이 면에 수직으로 입사할 때 편광의 방향이 광축과 평행할 때와 두 방향에 대한 굴절률이 서로 다르므로, 투과하는 전자기파의 두 성분 역시 다른 속도를 가지게 된다. 따라서 위상변화가 한 쪽이 상대적으로 느려지게 된다. 이런 현상을 'retardation'이라고 부르며, 이 때 굴절률이 큰 방향을 'slow axis', 굴절률이 작은 방향을 'fast axis'라고 한다. 

 

1) Babinet-Soleil Compensator

아래 그림과 같이 광학 축 방향이 평행인 2개의 쐐기형으로 된 retardation plate와 광학축 방향이 이에 수직인 retardation plate로 구성되며, 1개의 쐐기를 미끄럼 운동시킴으로써 이 시스템을 투과하는 진동 방향이 서로 직교하는 편광 성분의 사이에 임의의 위상차를 준다. 

 

Babinet-Soleil Compensator (출처: 네이버 광용어사전)

2) Achromatic compensator

전반사를 이용하여 파장에 무관하게 일정한 위상변화를 보여줌.

Achromatic Compensator

 

• Phase modulator (Polarization modulator)

편광을 변조시키는데 사용하는 광학부품으로, fused quartz 조각과 crystal quartz 조각을 접합시킨 후 piezoelectric 성질을 지닌 crystal quartz에 AC 전압을 걸어 진동하는 strain을 발생시킨다. 이 strain은 다시 fused quartz에 전달되어 진동하는 복굴절(birefringence)을 발생시켜 마치 linear retarder처럼 작동하게 만드는데, 그 retardation 각의 크기가 시간에 따라 변하게 된다. 

 

• Depolarizer 

Ellipsometry에서 편광발생장치와 분석장치 및 시편 외에는 어떤 광학부품도 편광상태에 영향을 끼쳐서는 안된다. 이러한 경우에는 물리적으로 제거하거나 이론적 보정을 해주어야 하는데, polarizer가 변조되는 ellipsometry에서 광원에 잔류 편광(residual source polarization)이 있는 경우나 analyzer가 변조되는 ellipsometry에서 detector가 편광민감도(polarization sensitivity)가 있을 경우가 이런 경우에 해당된다. 이론적으로 보정하는 경우는 소프트웨어적으로 대부분 보정이 이루어지며, 물리적인 제거의 경우, depolarizer를 광원 바로 다음 또는 detector 바로 앞에 설치하게 된다. 이때 가장 많이 사용하는 것은 삼각 프리즘 형태의 quartz를 통과시키는 것이다. 삼각 프리즘 quartz를 통과하게 함으로써 공간적으로 크기가 잇는 빛이 각기 다른 경로를 지나게 되어 quartz의 optical activity에 의해 각기 다른 각도로 편광의 방향을 바꿔 전체적으로 부분편광되게 하는 방법이다. 

 

• 기타 부품

- goniometer: 각종 광학부품을 설치하도록 양쪽 팔을 가진 광학대이다. 회전이 가능한데 그 회전의 중심에 시편이 놓이게 된다. 입사각 설정을 위한 눈금이 있는데 총 연장이 길수록 유리하다. 광학대의 회전을 수평으로 할 경우 시편은 수직으로 설치되고 클립이나 진공척의 지지를 받게 된다. 만일 회전을 수직 방향으로 할 경우 시편은 자연스럽게 수평 방향으로 놓여 별도의 지지 장치가 필요 없게 된다. 특히, 진공 장비 속이나 화학용 cell 속에 시편을 설치할 경우 다른 부품과의 조화를 위해 시편의 설치 방향을 잘 고려해야 한다. 

 

- 시편장착대: 시편이 수평으로 높인 경우, 수직 이동 장치와 앞뒤 및 좌우 기울기 장치가 필요하다. 

 

- 회전 장치: polarizer, analyzer, compensator 등 일정 각속도로 연속적으로 돌리는 경우와 stepping motor를 사용하여 일정각을 움직이는 경우가 있다. 전자의 경우는 속도의 안정성이 중요한데 만일 속도가 변할 경우 amp의 증폭률이 변하여 측정 error를 초래할 수도 있고, 적분형 detector의 경우는 속도의 변화는 바로 노광량에 영향을 주므로 측정 error가 되고 또한 calibration 값의 변화를 일으킨다. Stepping motor를 사용할 경우 정확한 각의 제어가 중요한데, 기계적으로 또는 소트프웨어적으로 이를 보정해야 한다. 

 

- shutter: detector 자체가 지니고 있는 noise나 in situ 측정에서 플라즈마 등에 의한 background 신호를 제거하기 위해 광원 쪽에 설치하여 매 측정시 또는 필요시마다 광원을 막고 dark cycle을 측정하여 실체 측정값에서 그 만큼을 제거하여야 한다. 

 

- opticla window(광학창): 진공 chamber나 액체 cell을 사용한 in situ 작업에 있어서는 빛이 입사되거나 반사된 빛이 나올 수 있는 광학창이 필요하다. 각종 유리를 사용할 수 있는데 특히, 투과할 수 있는 파장의 범위, optical activity의 유무, 그리고 장착시 stress에 의한 복굴절 발생 여부를 따져 봐야 한다. Crystal quartz, sapphire, MgF2 등은 자외선 투과율은 좋으나 광학적으로 등방성이 아니기 때문에 ellisometry용 광학창으로는 적합하지 않다. 약 350nm보다 짧은 파장 영역에 관심이 없다면 BK7(borosilicate crown glass) 등이 괜찮은데 자외선 영역을 측정하고자 한다면 fused quartz나 fused silica를 많이 사용한다. 이들은 다결정 물질이고 광학적으로 등방성이데 인공적으로 합성한 fused silica에 비해 fused quartz의 경우 불순물 때문에 자외선(253.7nm)에 대한 fluorescense(형광에 의한 발광)가 있다. 이들을 이용하여 광학창을 제작할 경우 stress가 생기는 것에 주의하여야 한다.