Ellipsometry 소개 및 역사

편광된 빛을 시편에 비스듬히 입사시키면 그로부터 반사된 빛은 시편의 특성에 따라 편광상태가 변하게 된다. Ellipsometry는 이 편광상태의 변화를 측정 분석하여 시편의 광학 특성이나 박막 두께 등을 찾아내는 기술이다. 이는 분석용 모델 설정을 위해 시편의 구조나 구성 물질 등에 대한 사전 정보가 필요한 기술이다. 최근의 컴퓨터 기술의 진보로 Ellipsometry 기술은 빠르게 발전했다. 이에 따라 Ellipsometry 적용 영역도 대폭 확대됐다. Ellipsometry에서는 빛을 투과 및 반사되어 나오는 정보를 통해 박막 성장을 포함한 공정 및 그 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다. 

 빛을 사용하여 박막 두께를 측정하는 개념은 상당히 오래되었는데, Brewster가 정유의 얇은 방울, 그리고 비누와 물부터 Robert Boyle의 색 변화를 관측한 것을 초기의 측정 결과로 보고 있다. 아이작 뉴턴은 볼록 렌즈들이 평평한 유리 조각 위에 위치할 때 간섭 고리들이 생기는 것을 측정하여 물질을 분류하고 색상을 측정하였다. 이는, Brewster의 방법으로 측정할 수 없던 투명한 물결들의 극미세한 두께를 측정할 수 있는 새로운 두께로 표현한 것으로 광범위하게 사용할 수 있다. 이러한 측정들은 간섭 현상에 기반을 두고 있으므로, interferometry 혹은 reflectometry라고 불리고 있다.

 

 Malus가 1810년 편광된 빛을 측정했지만, 실제로 서로 수직으로 편광된 빛의 위상차를 이용하여 박막의 두께를 측정한 ellipsometry기술의 적용은 불과 100여 년 전이고, Ellipsometry라는 용어는 빛의 편광 형태로부터 이름을 가지게 되었다. 다시 말해서, ‘Ellipsometry’라는 용어는 ‘Ellips (타원)’과 ‘Metry (측정기술에 해당하는 접미사)’의 합성어로서 ,특정한 편광상태를 지닌 빛이 시편에 입사하게 되면 반사된 빛의 형태는 부분 타원 편광형태로 나타나게 된다. 이러한 편광상태의 변화를 분석하여 시편이 지닌 정보를 찾아내는 기술이기 때문에 이와 같은 명칭을 가지게 되었다. 

 

 Reflectometry는 아이작 뉴턴에 의해서 학교와 연구소에서 사용되었고, ellipsometry는 Drude를 시조로 하여 박막 및 표면에 한 광학적 측정에 사용이 되어왔고, 최근에 와서 광원, 검출기(detector), 컴퓨터 등의 발전으로 인하여 그 성능이 많이 개선되고 또한 응용 분야도 많이 증가하게 되었다. 초기의 ellipsometer는 부분 수은등 등에서 나오는 단일 파장을 이용한 단파장 (single wavelength) ellipsometer이었으며, 그 측정 방법은 시편에서 반사된 빛이 사라지는 현상 (null)을 육안으로 측정하는 것이었기 때문에 추출해 낼 수 있는 정보의 양이 제한적이고 측정 속도 역시 매우 느렸다. 단파장 null ellipsometer의 경우, 숙련된 사용자라도 한 파장에서 한 쌍의 data를 산출하는데 수 분 이상을 소모하기에 분광 측정 자체가 힘들다. 그러던 중 70년 초반 photomultiplier tube (PMT) 등의 detector 도입과 컴퓨터를 이용한 측정의 자동화가 가능해지면서 ellipsometry의 측정 시간에 따른 문제를 해결할 수 있었으며, 측정 감도를 향상시킬 수 있었다. 또한 제논 방전 (Xe-arc) 램프나 텅스텐-할로겐 램프 등과 같은 broad-band source인 고휘도 방전등을 광원으로 이용하고 stepping motor를 장착한 분광기를 도입함으로써 비교적 넓은 분광 스펙트럼 (200∼1000㎚)을 정확히 측정할 수 있게 되었다. 측정 속도의 의 경우 ellisometry를 두 가지 방향으로 발전하게 했는데, 분광(spectroscopic)과 실시간 단파장(real-time single wavelength)이다. 전자의 경우, 분광기를 도입하여 파장을 자동 스캔함으로써 분광 스펙트럼을 측정할 수 있게 되었다. 후자는 고정된 파장에서 빠르게 변화하는 표면을 실시간으로 측정하는 데 사용하게 되었다. 

 

 70년 후반에는 물질의 굴절률 변화는 무시하고 단지 반사율의 차이만으로 두께를 측정하는, 비교적 간단한 알고리즘으로 두께의 변화를 분석할 수 있는 reflectometry가 나오게 된다. 또한, 각종 산업이 발전하면서 물질의 다양한 특성, 분석의 정확도, 분석 시간의 단축이 필요하게 되었기에 data 분석에 있어 분산 관계, 곡선 맞춤, 회귀 분석 등 새로운 분석 알고리즘이 개발 되었다. 이러한 발전이 ellipsometry 및 reflectometry를 다양화시키는 요소로 작용하였다. 이후 등방성 박막과 기판의 분석에서 간단한 구성으로 많이 사용된 rotating analyzer ellipsomettry (RAE) 원리를 이용하여 공간 해상도를 가진 ellipsometry를 개발하였다. 또한 charge coupled device (CCD) 를 detector로 이용하여 전기화학적 작용에 따른 금속 표면의 산화막 연구에 이용하고자 IE를 개발하였다. CCD를 사용함으로써 측정 속도가 빠르다는 장점은 있으나 공간 해상력에는 한계가 있음을 지적하였다. 다양한 ellipsometry들 중 rotating polarizer ellipsometry (RPE) 나 rotating analyzer (RAE) 는 다른 종류의 ellipsometry에 비해 광학적 구성 및 원리가 비교적 간단하다는 장점이 있지만 시료에서 반사된 빛이 선형편광을 이룰 때, 즉 측정한 Δ이 0° 나 180° 근처에 놓일 때, 이에 한 민감도가 약해 오차가 크게 나타나는 단점이 있다. 따라서 유리와 같은 투명 기판 위의 박막이나 반도체, 금속 기판 위의 두꺼운 유전물질을 측정할 때 data 값에 커다란 오차가 포함될 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 최근 rotating compensator spectroscopic ellipsometry (RCSE) 가 개발되었다. 이 시스템은 RPE나 RAE에서 알아낼 수 없었던 Δ의 부호뿐만 아니라 0° 나 180° 근처를 포함한 모든 범위에서 높은 정확도를 가지며 depolarization을 발생시키는 시편에 해서 그 정도를 알 수 있다. 등방성 박막과 기판의 분석에서 가장 적당한 ellipsometry라고 할 수 있다. 

J.A.Woollam's M2000 optic