Ellipsometry: 종류 및 원리(2) - 측정 속도에 따른 Ellipsometry의 종류

측정속도가 빨라 실시간 측정이 가능한 경우 실시간(Real Time) ellipsometry가 되고 일반적으로 정적인 시편을 측정하는 ellipsometry는 ex-situ ellipsometry가 된다. 수동식 null ellipsometry 빼고는 전부 실시간 측정이 가능하다고 보면 된다. 

 

A. 실시간 단파장 ellipsometry (real-time single wavelength ellipsometry)

Stepping motor로 분광기를 돌려 파장을 선택하는 경우 상당한 시간적 지체가 유발된다. 이런 방식으로 100개 정도의 파장을 가진 스펙트럼을 측정하려면 적어도 수 분 ~ 수십 분이 걸린다.  따라서 이런 방식은 단일 파장에 고정시켜야 빠른 측정이 가능하다. 

 

B. 실시간 분광 ellipsometry(real-time spectroscopic ellipsometry)

분광 스펙트럼의 측정속도가 시편의 변화속도에 비해 충분히 빨라 실시간 측정도 가능한 경우이다. 1984년 Muller와 Farmer가 interference filter를 회전시키는 방법으로 400 nm에서 700 nm사이에 400개의 data를 가진 스펙트럼을 3초에 측정하였는데, 이 장비의 단점은 filter의 제한적 투과도 때문에 분광범위가 좁은 것이었다. 특히 3.1eV 이하까지만 측정이 가능하여 그 보다 높은 에너지 영역에서 transition이 많은 반도체 물질 연구에는 부적합하다. 그 이후 OMA(optical multichannel analyser) detection system이 개발되어 1.5~5.0eV 사이에 128개의 data를 가진 스펙트럼을 약 1초 안에 측정이 가능하게 되었다. 

 

C. Multi angle ellipsometry

Multiple-Angle-Of-Incidence 또는 variable angle of incidence ellipsometry라고도 불린다. 브루스터 각을 측정할 수 있기도 하며 stepping motor로 시편과 goniometer의 한축을 각각 Θ와 2Θ만큼 자동으로 움직이게 하여 입사각 조절이 용이하게 되어 있다. 입사각을 바꾸는 이유는 입사각을 브루스터 각에 놓음으로써 ellisometry 각 Δ가 90도가 되어 측정의 민감도가 높아지기 때문이다. 대부분의 반도체 물질은 굴절률이 크기 때문에 사용 입사각이 70도 이상이 되고 유리와 같은 유전체는 60도 근처가 된다. 또한 입사각을 바꾸어 가며 여러 번 측정함으로써 미지수에 비해 측정 횟수를 높이게 되고 통계적으로 미지수 추출에 도움이 된다. 특히 투명한 박막을 측정하는 경우 입사각을 바꾸어 빛의 투과 길이를 바꾸게 되면서 독립적인 측정값을 얻게 된다. 

 

D. Imaging ellisometry

Spatially resolved ellipsometry 또는 micro imaging ellisometry 등으로 불리는데 beam의 크기를 최소화하여 표면을 scan하며 측정하여 박막 두께의 균질성 또는 미세패턴의 image화 하는데 사용했다. imaging ellipsometry는 하나의 파장으로 측정한 값으로 이차원 상을 만들기 때문에 단파장 ellipsometry이다. 즉, 단파장 ellipsometry 광학구조에 상을 형성하는 렌즈와 검출기 대신 2차원 이미지 센서를 도입한 경우라고 보면 된다. 물론 파장을 바꾸어가며 측정함으로써 한 부분에 대한 분광 data를 구할 수도 있으나 사용하는 광학부품 및 측정원리 상 분광 data의 질이 매우 낮아 실효성이 적다. Imaging ellipsometry의 작동원리로 null 방식을 사용하면 하나의 상을 얻을 수 있는데, null 조건을 만족시킨 영역과 만족시키지 못한 영역(off-null)의 구분이 상으로 나타난다. 즉, 측정된 상에서 null 조건이 만족된 부분은 까맣게 나타나고 off-null 영역은 null 조건에서 벗어난 정도에 따라 밝기차로 나타나게 된다. 만일 이것이 두께분포에 의한 것이라면 null 부분의 두께는 분석이 가능하나 off-null 영역은 일일이 전부 null 상태를 만들어 보지 않는 한 두께 분석이 어렵다.

 

E. Mueller matrix ellipsometry

시편을 표현한 Jones matrix에서 비등방 시편에 나타나는 nondiagonal 성분을 측정할 수 있는 경우 generalized ellipsometry라고 한다. 이 경우, 보통 많이 사용하고 있는 rotating analyzer ellipsometer를 이용하여 다수의 polarizer 각에서 측정하여 구할 수도 있고 또는 rotating compensator ellisometer를 이용하여 다수의 polarizer 및 compensator 각에서 측정한 값으로부터 구할 수도 있다. 하지만 Mueller Matrix ellipsometry를 이용하면 비등방 시편뿐만 아니라 시편의 구조적 특성 등으로 인하여 depolarization이 발생하는 경우나 표면거칠기로 인하여 scattering이 심한 경우에도 적용이 가능하여 다양한 원리로 사용된다.