Ellipsometry의 원리 및 종류(5) - Phase Modulation Ellipsometry, RPE, RAE

Phase modulation ellipsometry

 표면반사에 수반되는 편광상태의 변화 속에 함유된 시편의 정보를 이끌어 내기 위해서는 측정장비의 편광 발생 또는 인식 상태를 공간 또는 시간적으로 변화시켜야 하는데 이를 변조(modulation)시킨다고 한다. Rotating polarizer형이나 rotating analyzer형에서는 편광기의 회전이 이에 해당한다. 하지만 이런 기계적인 방법을 사용하지 않고 polarizer-modulator를 사용하여 광전자적으로 변조시키는 것이 가능하다. 아래 그림과 같이 PMSA(Polarizer-Modulator-Sample-Analyzer)로 compensator를 사용하는 PCSA(Polarizer-Compensator-Sample-Analyzer) 구성과 같은데 Compensator에 있어 retardation 각 δ가 시간의 함수가 되는 차이가 있다. 

즉, δc(t) = δ0sinωt로 여기서 δ0는 modulator의 작동전압과 파장의 함수가 된다. modulator는 변조 주파수 ω/2π가 보통 50KHz로 측정 속도가 빠르고 Δ값이 0º에서 360º까지 연속이며 rotating polarizer나 rotating analyzer ellipsometry의 경우와는 달리 0º에서 180º근처에서의 민감도와 관련된 문제가 없다. 

 

Rotating element형 ellipsometry

 Rotating element형 ellipsometry는 그 회전속도가 대략적으로 10~100 Hz정도 되어 Phase modulation 보다는 측정 속도가 느리다. 그러나 Phase modulation ellipsometry나 self-compensating ellipsometry에서는 modulator나 compensator가 파장에 의존하는 특성이 있기 때문에 측정을 통하여 calibration 하여야 하므로 정확도가 저하될 수 있다. 반면 rotating polarizer나 rotating analyzer 형에 있어서는 파장에 무관한 편광기만 사용하기 때문에 비교적 넓은 광양자 에너지 영역에서 정확도가 높은 data를 얻을 수 있고 또한 구조가 단순하여 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 시편에서 반사된 빛이 선편광일 경우 그 측정 정확성이 떨어지는 단점이 있다. 이 경우는 compensator를 도입하기도 하는데 그 사용목적은 null ellipsometry의 경우와는 달리 감도를 향상하기 위해 Δ값을 0º나 180º근처에서 멀리하여 선편광을 피하는데 있다.  

 

Rotating polarizer ellipsometry (RPE)

 구성은 collimation이 된 광원, 수십 Hz로 회전하는 polarizer, 미세조절이 가능한 시편 장착 장치, stepping motor로 구동되는 analyzer, 그리고 분광기와 detector 등의 순으로 되어 있다. 입사면은 시편에 의해 결정이 되어 시편을 조금이라도 건드리게 되면 기준면이 바뀌게 된다. 따라서 polarizer와 analyzer값도 그 때마다 변하게 되는데 측정을 하기 전에 calibration과정이 필요하다. 

 

Rotating analyzer ellipsometry (RAE)

 Rotating analyzer ellipsometry는 그 구동원리 및 data 산출과정이 rotating polarizer ellipsometry와 동일하다. Rotating polarizer ellipsometry의 경우 polarizer가 회전하고 있어 광원에 부분편광이 없어야 한다. 그런데 분광기는 내부에 거울이나 grating등의 광부품들이 있고 빛이 이들 표면에서 반사하는 과정에서 부분편광을 발생시킨다. 따라서 RPE의 경우 분광기를 광원 쪽에 두면 분광된 빛이 부분편광이 되어 polarizer에 입사하므로 polarizer를 통과한 빛의 광량은 polarizer의 회전위치에 따라 그 값이 변하게 된다. 따라서, RPE의 경우 분광기는 analyzer 뒤쪽인 detector 앞에 설치가 되어야 한다. 이에 반해 RAE의 경우에는 analyzer가 회전하므로 detector의 반응이 밝기에만 의존해야하지 편광상태에 의존을 하면 안 된다. 따라서 RAE 경우는 편광에 따라 그 출력이 달라지는 분광기는 광원 쪽으로 설치해야 하고 detector도 편광을 타지 않는 것을 사용해야 한다. RAE의 경우는 분광기를 통과한 빛이 부분편광이 되어 있더라도 polarizer가 고정되어 있어 polarizer를 통과한 빛의 광량은 일정하다. 

 일반적으로 RPE의 경우 분광기가 detector 쪽에 설치되어 있으므로 시편에 도달하는 빛은 백색광으로 매우 밝다. 반면 RAE의 경우 광원 쪽에서 이미 분광이 되어 나오므로 시편에 도달하는 빛은 단색광이다. 이는 사용자가 실험실의 조명 아래서 육안으로 작업하기가 힘들다는 단점이 된다. 반면 RPE의 단점은 polarizer가 가진 beam deviation이나 회전축의 align이 완벽하지 않은 것 때문에 회전하는 polarizer를 지난 빛은 진동(wobbling)을 보이는데 polarizer와 detector사이가 멀기 때문에 detector가 그 진동에 의한 밝기 변화를 크게 본다. 이 현상은 detector의 입구 크기가 작을수록 심각한데 rotating analyzer의 경우 detector와 거리가 가깝기 때문에 그 영향이 작다.