엘립소미터(Ellipsometer), 엘립소메트리(Ellipsometery)

엘립소미트리(Ellipsometry)란 빛의 편광특성을 이용하여 박막의 두께, 굴절률과 같은 광학적 특성을 측정할 수 있는 기술이며, 이를 측정하는 장치를 엘립소미터(Ellipsometer)라 한다. Ellipsometer는 "Ellipse"(타원)라는 단어와 "Meter" 혹은 "Metry"라는 단어가 합성되어 이루어진 단어이다. Ellipsometry는 1888년 폴 드루드(Paul Drude)가 최초로 사용하기 시작했으며, 1945년 경부터 학문적으로 사용되기 시작했다.

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원리

빛은 파장이며, 다양한 형태의 파장을 가지고 있는데 이를 자연광이라 할 수있다. 한편 한 종류, 혹은 한 방향의 파장을 가진 빛을 편광이라고 볼 수 있다. 편광의 정도를 알고 있는 빛(광원에서 방출된 빛을 편광판(polarizer)등 이용하여 조정 가능)을 측정하고자 하는 시료에 조사시키면 시료표면에 의해 반사되는 편광상태가 바뀌며, 이 빛의 편광상태를 측정하여 박막의 두께 및 굴절률을 알 수 있다. 구체적으로 종파(p편광), 횡파(s편광)의 위상차(phase difference, Δ, Delta), 반사진폭비각(amplitude component, Ψ), 복사반사계수비(complex reflectance ratio, ρ), 종파 밈 횡파의 진폭(rp, rs)의 관계를 통해 계산 가능하다.

그러나, 얻어진 데이터만 가지고 박막 등의 두께, 굴절률 등의 정보를 얻기 어려우며, 적합한 모델링이 필요하다. 따라서, 모델링에 따라 해석결과가 틀려질 수 있다.

그림. Ellipsometer의 개요도(출처 : https://commons.wikimedia.org/)

 

 

특징

엘립소미터는 CCD 측정기와 같은 다채널 측정기를 이용하여 다양한 스펙트럼에서 측정하여 데이터를 수집하여 박막의 특성을 분석할 수 있다. 시료를 파괴하지 않고 시료에 물리적으로 접촉하지 않은 상태에서 특성을 측정할 수 있다는 점은 엘립소미터의 주요한 장점이라고 볼 수있다.

엘립소미터는 반도체 물리학, 전자공학, 생물학에 이르기까지 기초 연구부터 산업 응용에 이르기까지 여러 분야에서 응용된다. 또한 입사 방사선에 초점을 맞출 수 있기 때문에 작은 표본을 이미징 할 수 있고, 심지어 상당히 넓은 영역의 표면에 대해 매핑도 가능하다. 엘립소미터를 통해 측정할 수 있는 박막의 두께는 물질마다 틀리나 최저 수 옹스트롬(Å) 단위에서 수백 마이크로미터 단위까지 측정 가능하다.

또한 대기중의 비편광된 빛은 측정에 영향을 거의 미치지 않기 때문에 광학특성이면서도 측정에 굳이 암실이 필요하지 않다. 또한 입사된 빛과 반사된 빛의 비율을 측정하는 것이기 때문에 광학장비 중 대기 상태 혹은 입사 광원의 상태에 상대적으로 영향을 받지 않는 편이다.