Ellipsometry의 종류 및 원리(1) - Ellipsometry 종류 및 분류

현재 사용되고 있는 Ellipsometry는 그 종류가 매우 다양한데, 이는 응용분야에 따라 그에 맞는 특성을 강조하다 보니 각기 기능과 특성이 다른 Ellipsometry가 생겨난 것이다. 아직 완벽한 Ellipsometry는 없는데 여기서 완벽하다는 것은 측정 스펙트럼의 범위가 원하는 만큼 넓고, 측정 속도가 매우 빠르며 또한 어떤 경우에 있어서도 측정의 정확성이 높다는 것이다. 또한, 물질에 관계된 광학적 정보를 빠짐없이 측정 분석할 수 있어야 하며, 어느 경우에나 사용이 가능하고 운용이 편리해야 한다. 

 

## Ellipsometry의 종류 ##

 

1) 작동원리에 따른 분류(Data를 얻는 광학적인 방법에 따른 분류)

측정형식에 따라 반사형과 투과형으로 나눌 수 있고, 또 파형을 얻는 방식이 시간적인지 또는 공간적인지에 따라 active형과 passive형으로 분류할 수 있다. 하지만 대부분의 경우 반사형이고 active형이기 때문에 data를 얻는 광학적인 방법에 따라 나누면 다음과 같다. 

 

a. Null ellipsometry: 수동식, 기계적 회전방식, Electro-Optic 방식 등 존재하며, Polarizer, compensator, 시편의 입사각 등을 움직여 detector에 들어오는 빛을 없도록 하여 그 때의 광부품의 위치각으로 부터 Ellipsometry 각(delta, Psi)를 구한다.

 

b. Photometric ellipsometry: 빛의 밝기 변화로부터 Ellipsometry 각을 계산하며 Modulation 방법에 따라 다시 Phase modulation/ Rotating Element 방식이 있다.

 

c. Interferometric ellipsometry: Laser 광원이나 적외선 Ellipsometry에서 사용하는 방식으로 간섭현상을 이용한다. 

 

 

2) 기능에 따른 분류 - 사용하는 파장 영역에 따른 구분

a. 단파장(single wavelength) Ellipsometry

파장 하나만을 사용하는데 주로 6328 Å의 He-Ne laser이 많이 사용된다. Laser는 밝기가 세고 collimination이 잘 되어 있기 때문에 사용이 용이하다. 반면 백색광과 분광기를 사용하면 특정 파장을 선택할 수 있으며, 단파장 ellipsometry의 경우 측정값이 한쌍(psi, delta) 뿐이지만 구성이 간단하여 SiO2등 투명 박막 측정 등에 많이 사용되고 있다.

 

b. 분광(spectroscopic) ellipsometry

원리상 단파장 ellipsometry와 대부분 같으나 단지 백색광과 분광기를 사용하여 파장별 측정이 가능하도록 한 경우이다. 대부분의 경우 파장 영역이 약 250~800nm 사이(근자외선~근적외선)를 의미한다. 광학 스펙트럼을 측정하여 물질의 band structure 등 광전자적인 특성 연구 뿐만 아니라 다층 박막의 두께 측정 등에도 활용이 가능하다.

 

c. 근적외선(near infrared) 분광 ellipsometry

InGaAs linear array detector 등을 사용하여 근적외선 영역의 분광스펙트럼(900~2500nm)을 측정할 수 있다. Band gap이 작은 반도체 물질의 연구에 주로 사용된다. 

     

d. Infrared ellipsometry

대부분의 분광 ellipsometry는 빛에 대한 물질의 전자적 반응을 측정한다고 볼 수 있는데, 적외선 영역의 경우는 화학적인 결합에 대한 정보를 준다는 점에서 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy) 등과 같은 적외선 spectroscopy와 같다. Infrared ellipsometry의 경우는 적외선 spectroscopy와 비교하여 더 유리한 점이 있는데, monolayer scale에서 기판에 부착된 물질의 vibrational state를 측정하여 화학적인 결합에 관한 정보를 측정해 낼 수 있고 또한 적외선 영역에서의 물질의 광학상수를 이끌어 낼 수 있다는 것이다.

그리고 사용하는 부품들도 전부 적외선 영역에 적합한 부품들로 교체해야 하는데, 광원은 제논 방전(Xe-arc) 램프 대신 SiC globar를, 프리즘 polarizer 대신에 BaF2판 위에 형성된 금속 grid polarizer를, 그리고 PMT 대신에 HgxCd1-xTe(2~14um)나 InSb(2.5~5.5um)로 제작된 detector를 사용해야 한다. infrared ellipsometry는 다른 적외선 장비들과 마찬가지로 적분시간이 길다는 단점이 있다. 

 

e. 진공자외선(Vacuum UV) ellipsometry

Synchrotron radiation(방사광 가속기)이나 deep UV, vacuum UV(5~10eV)영역에서 작동하기 위해서는 모든 광부품의 성능이 이 광양자 에너지 영역을 감당할 수 있어야 한다. 광원으로 deuterium 램프를 사용하던지 밝기가 부족할 시에는 입자 가속기에서 발생하는 방사광(Synchrotron radiation)을 이용할 수 있다. Johnson의 경우 synchrotron radiation을 이용하여 (40~250nm) 반도체와 유전체의 내각 전자 transition을 연구하는데 이용하였다. 편광기의 경우 MgF2로 제작된 것이 적합하나 불순물 등에 의한 흡수가 클 수 있어, 투과형 polarizer 대신에 다중반사형 polarizer를 사용하기도 한다. Detector의 경우 silicon diode detector나 GaAsP, GaP Schottky diode detector를 사용할 수 있는데, silicon detector의 경우 quantum efficiency는 좋으나 안정성이 떨어진다. 이를 보완하여 개발된 것이 inversion layer silicon photodiode이다. 190 nm이하의 자외선은 공기 중의 산소와 수증기 등에 의해 급격히 흡수가 되는 특성이 있어 진공자외선 ellipsometry는 공기 중 작동이 불가능하다. 따라서, 진공환경이나 고순도 질소 purge 장치를 갖춘 glove box 속에서 운용을 한다. 진공자외선 ellipsometry는 ArF 엑시머 레이저(193nm)를 이용하는 deep UV 반도체 노광공정 물질연구, high-k, low-k 물질 개발 연구, wide bandgap 반도체 연구에 유용하게 사용이 가능하다.