Ellipsometry의 원리와 종류(6) - RPE vs RAE 특성비교, RC2

• Rotating polarizer ellipsometry(RPE)와 Rotating analyzer ellipsometry(RAE)의 특성비교

구분	Rotating polarizer (RP)	Rotating analyzer (RA)	비고
분광 측정 시	백색광	단색광	RPE: 반사 후 분광 RAE: 반사 전 분광
분광기 위치	Detector 쪽	광원 쪽	이유: 분광기의 편광 의존도 큼
측정 시 환경	상관 없음	소등	RA: 사용자가 불편함
편광 오차 원인	(a) 광원 부분 편광	(b) 검출기의 편광 의존도	(a): polarizer의 회전각에 따라 선편광이 된 빛의 밝기 변화. (b): analyzer의 회전각에 따라 검출기의 반응이 다름.

RPE나 RAE는 다른 종류의 ellipsometry에 비해 우선 그 광학적 구성 및 원리가 비교적 간단하다는 장점이 있다. 하지만 시편에서 반사된 빛이 선편광을 이룰 때 측정한 Δ가 0º나 180º근처에 놓이는데 이에 대한 감도가 낮아 오차가 크게 나타나므로 나중 data를 해석할 때 주의가 필요하다. 이를 피하고자 한다면 compensator를 부착하면 된다. 또 하나의 단점은 시편에서 반사된 타원 편광의 회전 방향을 알 수 없다는 것인데 이미 Δ의 부호결정이 안 되는 것에서 알 수 있으며 data 분석에는 크게 지장이 없다. 

 

• 참고내용

분광기의 위치는 항시 회전하는 편광기가 놓인 반대편 광학대임을 알 수 있다. 이는 내부 구조를 보면 알 수 있는데 분광 및 빛의 방향을 조절하기 위해 grating(prism)과 다수의 거울에서 반사과정을 거치게 된다. 빛이 표면에서 비스듬히 반사하면 p파와 s파의 반사율이 다르다. 따라서 분광기를 통과시키면 다음과 같은 현상이 발생한다. 첫번째, 분광기를 통과시킨 빛은 부분편광이 된다. 둘째, 편광기를 통과한 빛의 밝기는 편광기에 입사한 빛의 편광상태에 따라 다르다. 

 

6) Rotating compensator ellipsometer

 그 구조는 아래와 같으며 rotating polarizer 또는 rotating analyzer 형에 비해 광학 부품을 하나 더 사용하기 때문에 그 운영이 더 복잡해진다. 하지만 compensator를 도입함으로써 생기는 장점은 다음과 같다.

첫째, polarizer와 analyzer가 data를 얻는 동안 그 위치가 고정되어 있으므로 광원이 가지고 있는 부분편광이나 detector가 가지고 있는 polarization sensitivity의 문제가 전혀 없다.

둘째, 반사된 후 생기는 타원편광의 부호를 알 수 있다. 즉, 측정값이 cosΔ이 아니라 Δ가 된다. 따라서, 반사된 후의 편광이 선편광일 때 실험오차가 커지는 경향이 없다.

셋째, depolarization을 발생시키는 시편에 대해 그 정도를 알 수 있다.

 

 결국 rotating polarizer(analyzer) ellipsometry가 지닌 단점을 상당히 제거하였다. 그러나 광부품이 도입되면서 단점 역시 생겼는데, compensator의 도입으로 인해 각 파장에 따른 retardation 각을 찾아내야 하는 점이다. Calibration을 할 경우, compensator의 fast axis의 영점을 찾아야 한다. 

 단파장 ellipsometry에 사용하는 compensator의 경우 그 파장에 대한 retardation 각이 1/4파장 또는 1/2파장 등으로 고정되어 있어 별 문제가 안된다. 주로 많이 사용하는 것이 quartz와 mica인데 mica의 경우는 파장에 따른 retardation 각 차이가 심하지 않아 분광 ellipsometry용으로 사용이 적합하나 자외선 영역에 대한 흡수가 큰 것이 결점이다. quartz의 경우 넓은 파장 영역에서 투과성은 좋으나 한 조각의 판으로 된 경우에 multiple-order에 의한 retardation이 되는데 파장에 따라 그 값이 크게 변하므로 실험오차의 가능성이 매우 크다. 분광 ellipsometry에는 비싸지만 retardation 각이 서로 반대로 작동하는 두 개의 quartz 판을 붙여 그 차이에 의한 retardation을 이용하는 zero-order 형을 사용해야 한다. zero-order형은 retardation 각의 크기가 온도나 입사각 변화에 덜 민감한 장점이 있다. optic activity가 문제가 될 경우 고가의 MgF2를 이용하면 된다. 

 

• 각 Ellipsometry의 장단점 정리

Tpye	장점	단점
PSAr(PrSA)	- 광학 구성이 간단하다. - 색 수차가 없다.	-S3 측정이 불가하다. - Δ=0º, 180º에서 측정오류가 발생한다.
PSCAr(PCSAr)	- 모든 범위의 (Δ, ψ) 측정이 가능하다. - Depolarization spectrum 측정이 가능하다. - Polarizer와 analyzer가 고정되어 있어 polarization sensitivity 문제가 없다.	- Data acquisition 시간이 길다 - 광학 구성이 복잡하다. - 색 수차가 없다.
PSCrA(PCrSA)	- 모든 범위의 (Δ, ψ) 측정이 가능하다. - Depolarization spectrum 측정이 가능하다. - Polarizer와 analyzer가 고정되어 있어 polarization sensitivity 문제가 없다.	- 광학 구성이 복잡하다. - 색 수차가 없다.
PSMA(PMSA)	- 측정 시간이 빠르다. - 실시간 측정(Real time)이 가능하다. - 적외선 영역에서의 스펙트럼 분석 측정이 가능하다.  - Depolarization spectrum 측정이 가능하다.	- S1, S2 측정이 불가하다. (단일 측정 시) - 특정 (Δ, ψ) 영역에서의 측정 오류가 발생한다. - 색 수차가 없다.