Ellipsometry에 사용되는 광학부품(2) - 분광기

1-2. 분광기

물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 관찰하고 측정하는 장치를 말하며, 좁은 의미로는 전자파를 그 파장의 차이에 따라 분해하고, 그 강도 분포를 측정하는 기구를 가리킨다. 그리고 넓은 의미로는 전자파뿐만 아니라 전자선 등의 입자선의 에너지 분포를 조사하는 분석 장치도 분광기라고 부른다. 분광기의 종류로는 프리즘을 사용한 프리즘 분광기, 회절격자를 사용한 회절격자 분광기, 빛의 간섭을 이용한 간섭 분광기, 필터를 사용한 필터 분광기 등이 있으며 프리즘과 회절격자를 복합 사용한 분광기도 있다. 분광 관측은 별 빛을 파장별로 분산시킬 뿐만 아니라, 분광기 자체에서도 빛이 많이 손실되므로 관측에는 큰 망원경이 필요하다. 

 Ellipsometry에 사용하는 분광기의 경우, 원리는 같으나 사용처에 따라 구분해서 사용한다. spectrometer란 분광기란 뜻의 일반적인 용어이고, array detector 앞에 위치시키고 분광 된 빛이 동시에 퍼져 나오게 된 것을 spectrogragh, 분광 된 빛의 slit으로 막아 단파장만 나오도록 하였을 때 monochromator라 부른다. 프리즘 등을 회전시켜 각기 다른 파장의 빛이 slit을 통해 나오도록 만들었을 때, spectrometer 또는 automated monochrometer라고 부른다. 분광기와 detector의 조합, 때로는 광원까지 갖춘 완벽한 시스템의 spectrometer라고 부르는 경우도 있다. 

 

• 분광기 선택 시 고려해야 할 사항

1. 분광기의 형태: 프리즘이나 Grating을 어떻게 배열하느냐에 따라 여러 가지 분광기 형태가 있음. 

2. Array detector 용: 화소 위에 초점이 맺히는 imaging spectrograph를 사용하며, array 크기가 제한되어 있으므로 원하는 분광 범위가 확보되는지 확인하여야 한다.

3. Stray light(산란광): 주어진 파장에 해당하는 빛의 경로에 따라 파장의 빛이 들어오는 경우이다. 분광기마다 받아들일 수 있는 파장이 명시되어 있어 구입 시 참고로 하되 사용자 역시 주의를 기울여야 한다. 참고로 grating 분광기에서 0차는 분광이 안 된 백색광 그대로인데 밝기가 상당하므로 분광기 안에서 stray light를 발생시켜 오차를 유발할 수 있다. 

 

• 분광기의 원리

분광의 원리는 분산으로 파장이 다른 전자기파가 서로 다른 방향으로 진행하는 것이다. 빛을 분산시키는 주요 방법에는 프리즘이나 회절격자를 이용하는 두 가지 방법이 있다.

 

1. 프리즘과 빛의 굴절

빛을 분산하는 가장 단순한 방법은 아래 그림과 같이 프리즘을 이용하는 것이다. 빛이 프리즘으로 들어오면, 진공을 이동할 때와는 다르게 속도가 줄고, 굴절된다. 진공에서 빛의 속도는 일정하나, 대부분 매질에서의 빛의 속도는 주파수에 따라 다르므로 주파수에 따라 진행 방향의 변화도 다르다. 이에 따라 프리즘을 통해 색이 분리되어 보인다. 모든 파장이 섞여 있는 백색광이 삼각형 모양의 유리 프리즘에 들어오면서 빛이 분산되는 것을 보이고, 프리즘에서 나가면서 더욱 분산된다.

2. 회절격자, 회절과 간섭

회절격자(grating)는 빛의 회절과 간섭의 특징을 이용하여 빛을 분산한다. Grating은 홈이 일정 간격으로 평행하게 파여 있는 것을 통칭하며, 홈이나 배수구의 일정한 간격도 grating이라 한다.

빛은 좁은 구멍이나 얇은 슬릿을 지날 때 회절한다. 회절하는 정도는 파장과 비교해서 구멍이나 슬릿의 크기에 비례한다. 파장보다 슬릿의 크기가 크다면 회절의 범위가 좁다. 슬릿이 여러 개 있다면 한 개의 슬릿에서 회절된 빛은 다른 슬릿에서 회절된 빛과 중첩되어 간섭을 일으킨다. 이때 파장에 따라 보강간섭이 일어나는 방향이 약간 달라져 파장에 따라 빛이 분산된다.

 

• Grating을 이용한 분광

프리즘의 경우 재질과 모양에만 의존하여 분광 능력이 거의 고정되어 있다. 그러나 grating의 경우, groove 밀도로 분산의 파장 범위를 쉽게 조절할 수 있고, blaze angle을 조절하여 파장에 따른 효율을 임의로 조절할 수 있다. 또한 대량생산 및 소형 제작이 가능하다. 반면 프리즘과 비교하여 단점은 high order diffraction이 발생한다는 점이다. 위치에 따른 빛의 분산을 나타내는 grating 방정식은 다음과 같다.

여기서 n은 회절(diffraction) 차수, d는 grating 홈의 간격, ΘA와 ΘB는 각각 입사각과 회절각이다.

식과 같이 분광된 빛의 간격은 파장에 비례한다. 

 그림과 같이 백색광(다색광)이 입사하면 격자에 의해 회절현상이 생기고, 격자면을 거울로 보고 입사와 반사의 법칙에 따라 대칭으로 반사되어 나가는 빛이 0차 빛이고 백색광(빨간색 ΘB)이다. 그 다음에는 1차, 2차, 3차.. 그리고 0차 오른편으로 -1차.. 등이 생긴다. 분광학에서는 대부분 1차 회절에 의해 생긴 스펙트럼을 사용하며, 여기서 문제는 파장영역이 넓은 광원을 사용할 경우에는 2차 회절에 의해 생긴 스펙트럼 일부와 겹친다는 것이다. 나머지 차수에 의한 영향은 미미하며, 2차 회절에 의해 생기는 스펙트럼 밝기는 약하긴 하지만 ellipsometry의 데이터에는 치명적이다.    

 이러한 경우를 방지하는 방법으로는 회절 제거용 필터(order sorting filter, cutoff filter)를 사용하는 것이다. 즉, detector가 1차 회절의 긴 파장 영역을 측정할 때 겹쳐 들어오는 2차 회절의 짧은 파장을 선택적으로 제거할 수 있는 filter를 광경로에 삽입하는 것이다. 또 다른 방법으로는 분광된 빛을 한 번 더 분광하는 것인데, 이 두 가지 방법은 array detector에는 사용하기는 어렵다. Array detector는 모든 파장 스펙트럼을 동시에 측정하기 위해 사용되는데, 광원에 filter를 끼우면 2차 회절의 짧은 파장뿐만 아니라 1차 회절의 짧은 파장 역시 차단해 버리기 때문이다.