Ellipsometry의 원리 및 종류(8) - Real Time Ellipsometry 측정 및 분석

• 실시간 분광 ellipsometer

최초의 실시간 ellipsometer는 Muller(1984)에 의해 개발 되었는데 interference filter를 회전시키는 self nulling 방식의 실시간 분광 ellipsometry가 그 것이다. 이는 1.8~3.0 eV 사이에 있는 약 400개의 ellipsometry data를 약 3초에 측정하였다. 하지만 그 에너지 영역이 너무 제한적이고 분광기 대신에 interference filter를 사용했기 때문에 분광 resolution이 좋지 못하고 또한 더 빠른 측정시간의 실현이 어려워 큰 각광을 받지 못했다. 이를 보완하여 array detector를 이용하는 ellipsometry가 개발되었다. Array detector를 사용할 경우 정확도가 일반 ellipsometry보다 떨어지는 단점이 있으나 대부분의 박막 성장이나 표면변화 등을 실시간으로 측정하기에는 충분하여 많은 응용분야가 있다. 근본적인 구성은 rotating element type 또는 phase modulation ellipsometer를 바탕으로 하고 있고 detector에 있어서만 array를 사용한다는 것이 다르다. 단 이 경우, 측정속도는 detector에 의해 제한이 되기 때문에 phase modulation 형이 가진 빠른 측정 속도의 장점은 가질 수 없게 된다. 그리고 이 장비의 경우 SNR(isgnal to Noise)의 비도 좋지 않고 그 광양자 에너지 영역이 1.7~2.7 eV로 너무 제한적인데 rotating polarizer형에 비해 기계적으로 움직이는 부분이 없다는 것은 장점이다. 

 그러나 array detector를 사용할 경우 그 detector의 특성 때문에 실제에 있어 여러 가지 오차요인이 발생하게 된다. 또한 실시간 측정과 분광 측정이 동시에 되기 때문에 발생하는 엄청난 양의 data가 생기며, 또한 박막이 성장하는 진공챔버나 화학변화가 발생하는 chemical cell 등에 부착하여 사용하기 때문에 실험오차가 큰 편이다. 

 

1) 파형분석

PMT나 silicon detector는 순간의 밝기를 측정하는 반면 상당수의 array detector나 photon count detector는 노광량을 측정한다. 따라서 이 경우 측정량의 크기는 빛의 밝기뿐만 아니라 노출시간에도 비례하게 된다. Detector가 측정한 빛의 크기와 노출시간을 그래프로 나타내면 파형이 나오는데 이를 적분법을 사용하여 계산된 값이 한 pixel에서의 빛의 밝기 변화와 노광량이 된다. 

 실제에 있어 누적된 노광량을 읽어내는 짧은 시간동안은 detector가 반응을 하지 않기 때문에 이를 고려하지 않으면 이에 해당하는 오차가 발생하며 또한 detector 자체가 오차를 가지고 있는지도 확인이 필요하다. 

 또한, array detector의 경우 노광량을 측정하기 때문에 측정 가능한 최대 노광량이 정해져 있는데, 이 경우 특정 시편을 측정할 시 SNR을 높이기 위해 광량을 더 높이면 이 영역의 측정값이 포화가 되게 된다. 이 영역의 측정값을 포화상태 이하로 제한하면 SNR이 낮기 때문에 정확한 분석이 힘들게 된다.

 

2) Calibration 

 Array detector를 이용하여 수십~수백 개의 pixel에서 각기 다른 파장의 신호를 동시에 측정하는 경우 array로부터 data 추출방법이 serial형인지 parallel형인지를 알아야 한다. Serial인지 parallel형인지에 따라 그 처리 방법이 다른데 parallel의 경우 data 추출이 모든 pixel(즉, 파장)에 대해 동시에 일어나므로 Analyzer와 polarizer의 위치각 값이 그 원리상 파장의 함수가 아니게 된다. 하지만 대부분의 photodiode array나 CCD array의 경우 아주 짧은 시간이지만 data collection이 serial하게 이루어진다. 따라서 rotating polarizer ellipsometry의 경우 Analyzer 위치각 값은 파장에 무관하나(analyzer는 입사면에 해당하는 analyzer 눈금이므로 파장에 무관하다.), 회전하고 있는 polarizer에 있어 측정초기위치는 array로부터 serial하게 data를 추출하는 동안 변하게 된다. 보통 수백 개의 pixel로 구성된 array를 scan하는데 걸리는 시간은 수 msec는 걸리며, 이를 통해 polarizer가 얼마나 회전할지 계산이 가능하다. 

 완전하게 parallel일 경우 이론적으로 모든 파장에서 똑같은 polarizer 및 analyzer 위치각 값을 얻어야 하나 Δ값의 크기를 기준으로 사용한 calibration에 맞는 data만을 골라 평균을 내서 사용할지, SNR이 좋은 파장에서 산출한 data를 사용할지는 선택이 가능하다. 반면 serial detector의 경우 모든 파장에서의 polarizer 위치각을 산출해야 되므로 모든 pixel에서 얻은 data가 필요하게 된다. 따라서 SNR이 모든 pixel에서 좋을 수 없고 모든 파장의 Δ 값이 특정 calibration에 적합할 가능성도 낮다. 하지만 pixel을 읽어나가는 속도가 거의 일정하여 특정 스펙트럼 영역만을 가지고도 모든 파장에 대한 polarizer 값을 유추하여 산출해 낼 수 있다.