Ellipsometry의 원리 및 종류(4) - Null Ellipsometry

## Null ellipsometry ##

가장 먼저 사용된 기술로 측정속도가 너무 느리지만 그 정확성 때문에 현재까지 이용되고 있다. 그 구성은 polarizer-compensator-sample-analyzer(PCSA)로 되어 있는데, 시편을 제외한 광부품의 위치각 또는 입사각을 detector에 빛이 들어오지 않을 때까지 조절하여 그 때의 광부품의 위치로 ellipsometry 각 (Δ, ψ)을 찾아낸다. 이와 같이 detector에 들어오는 빛을 없도록 하는 것을 null(또는 소광)이라고 한다. 시편에서 반사된 빛이 선편광이 되도록 polarizer와 compensator의 위치각과 retardation 각이 조합을 이루어야 하고 이때 analyzer의 편광축을 이 선편광에 수직이 되도록 돌려보면 null점을 찾을 수 있게 된다. 처음에는 빛의 감지를 육안에 의존하였으나 점차 PMT등 detector를 이용하여 불편함을 크게 줄이고 정확성 역시 향상시켰다. null ellipsometer는 nulling시키는 작업이 수동이었기 때문에 한 파장에서 한 쌍의 (Δ, ψ)를 측정하는데 수분~수십분이 걸리며 눈의 피로 역시 심했으나 현재는 분광 ellipsometry로 이러한 불편함 역시 해결하였다. 

Null Ellipsometer의 구성

 

Jones Matrix를 통한 Null ellipsometry의 광학계 표현

구성은 위의 그림과 같은데 일반적으로 compensator의 위치각은 입사면에 대해 45º로 고정을 시킨 채 polarizer와 analyzer만 위치각을 조절하여 null점을 찾는다. null ellipsometer의 광학계를 Jones matrix를 사용하여 표현해보면 위와 같은 식으로 역시 표현이 가능하다. Jones matrix에서 확인한 바와 같이 서로 수직인 전기장의 두 성분에 대해 서로 다르게 작용한다. 즉, polarizer는 한쪽 성분(편광축 방향)은 통과시키고 다른쪽 성분(소광축 방향)은 흡수하며, compensator는 fast axis방향과 slow axis방향으로 진동하는 전자기파에 대해 속도차(위상차)를 유발시키며, 시편의 경우 입사면에 수직성분과 평행성분에 대한 반사율이 다르다. 따라서 polarizer나 analyzer의 경우 편광축의 위치각(P, A)이, compensator의 경우 fast axis의 위치각(C)이 상대적으로 어디에 높여 있는지를 고려해 주어야 한다. Ellipsometry 운영에 있어 항시 시편, 즉 입사면을 기준으로 한다. polarizer나 analyzer아 같은 광부품의 회전축에는 그 위치각을 나타내는 눈금 혹은 encoder를 통한 각위치가 설정되어 있는데 이는 상대적인 위치 파악만 가능한 것이지 절대적인 위치각으로서는 의미가 없다. 이는 시편을 align할 때마다 입사면이 상대적으로 바뀔 수 있기 때문이며, calibration 과정을 통해 절대적인 위치각을 찾게 된다. 

위 식의 구체적인 설명은 다음과 같다.

 

- Null ellipsometry에서의 calibration(영점보정)

Ellipsometer 운용에 있어 모든 광부품의 위치각은 시편의 위치에 의한 입사면이 기준이 된다. 따라서 시편을 교환할 때 마다 조금씩 변동이 될 수 있는 입사면을 찾아 이를 보정하는 과정이 필요한데, 이를 'calibration'이라고 한다. 그 자세한 과정은 다음과 같다.

 

a. Polarizer와 analyzer의 영점(입사면에 해당하는 눈금) 찾기: compensator를 일시적으로 goniometer에서 제거하여 사용하는 시편(S)의 브루스터 각 근처로 입사각을 놓아 PSA(polarizer-sample-analyzer)의 구조를 이룬다. Analyzer를 입사면에 대해 90º근처에 놓고 polarizer를 0º 근처를 움직이며 빛의 밝기가 최소가 되는 polarizer의 눈금을 기록한다. 다시 analyzer를 조금 움직인 뒤(0.1º정도) 같은 과정을 반복한다. 이러한 과정을 반복하면 눈금이 선형적인 변화를 나타낸다. 이번에는 polarizer를 0º근처에 두고 analyzer를 90º근처를 움직이며 밝기가 최소가 되는 analyzer의 눈금을 기록한다. 이 역시 analyzer와 polarizer가 각 좌표상에서 선형적인 변화를 이루는데 이 두선의 교차점이 입사면이 된다. 즉, 교차점에 해당하는 polarizer의 눈금이 입사면(영점)이 되고 analyzer의 눈금은 입사면+90º인 지점이 되게 된다. 

 

b. Compensator의 영점 찾기(입사면에 해당하는 fast axis의 눈금): compensator를 goniometer에 원위치시키고 일직선 형을 만들거나 또는 시편이 있는 상황에서 polarizer의 방위각을 정확히 입사면에 둔다. 이렇게 하면 analyzer에 입사하는 빛이 선편광이 되므로 analyzer의 방위각을 수직이 되게 놓으면 null 조건이 형성되게 된다. 이때 compensator의 fast axis를 입사면 근처를 움직이면서 밝기가 null이 되는 곳을 찾으면 compensator의 영점이 된다. 이는 null이 되는 곳에서는 polarizer의 편광축과 compensator의 fast axis가 평행이 되기 때문이다.