KR100222320B1 - Magneto-optical and ellipsometric spectrometer - Google Patents
Magneto-optical and ellipsometric spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- KR100222320B1 KR100222320B1 KR1019970032574A KR19970032574A KR100222320B1 KR 100222320 B1 KR100222320 B1 KR 100222320B1 KR 1019970032574 A KR1019970032574 A KR 1019970032574A KR 19970032574 A KR19970032574 A KR 19970032574A KR 100222320 B1 KR100222320 B1 KR 100222320B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- optical
- magneto
- light
- sample
- incident
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 37
- 230000005374 Kerr effect Effects 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000001615 p wave Methods 0.000 description 1
- 238000012887 quadratic function Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0275—Details making use of sensor-related data, e.g. for identification of sensor parts or optical elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N21/211—Ellipsometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R13/00—Arrangements for displaying electric variables or waveforms
- G01R13/40—Arrangements for displaying electric variables or waveforms using modulation of a light beam otherwise than by mechanical displacement, e.g. by Kerr effect
- G01R13/401—Arrangements for displaying electric variables or waveforms using modulation of a light beam otherwise than by mechanical displacement, e.g. by Kerr effect for continuous analogue, or simulated analogue, display
- G01R13/403—Arrangements for displaying electric variables or waveforms using modulation of a light beam otherwise than by mechanical displacement, e.g. by Kerr effect for continuous analogue, or simulated analogue, display using passive display devices, e.g. liquid crystal display or Kerr effect display devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
본 발명은 광자기 커 회전각과 타원율을 빛의 파장을 바꾸어가면서 측정할 수 있는 광자기 커 분광기(magneto-optical Kerr spectrometer)와 광학적 특성을 측정할 수 있는 분광 타원 해석기(spectroscopic ellipsometer)의 기능을 동시에 갖춘 광자기ㆍ타원 분광기에 관한 것으로, 특히 2개의 서로 다른 방향에 놓인 제1 시료 및 제2 시료에 조사하는 빔을 발생시키는 광원과; 상기 광원에서 조사된 빔이 자기장안에 놓인 제1 시료의 광자기 커 효과에 의하여 타원평광되는 빔이 후기의 이중 광검출 수단에 입력되도록 하는 자기 광학적 수단과; 상기 광원에서 조사된 빔이 제2 시료의 광학적 성질에 의하여 그 편광상태가 변화되어 이중 광검출 수단에 입력되도록 하는 분광 타원 해석적 수단과; 상기 자기 광학적 수단 및 분광 타원 해석적 수단에서 입력되는 광을 선택적으로 받아들여 광측정 수단에 출력하는 이중 광검출 수단 및 상기 이중 광검출 수단에서 입력되는 빛을 이용하여 선택적으로 커 회전각 및 타원율을 측정하는 광자기 커 분광 분석 기능을 수행하거나 복소 굴절율을 측정하는 분광 타원 해석기능을 수행하는 광측정 수단으로 구성되는 광자기ㆍ타원 분광기 제공하여, 각기 다른 장비인 광자기 커 분광기와 분광 타원 해석기를 독립적으로 이용해야만 하는 광자기 효과에 대한 연구를 하나의 장비를 이용해서 가능케 하여, 제작시의 단가 절감은 물론 데이터의 분석과 해석의 용이함을 극대화할 수 있다.The present invention simultaneously performs the functions of a magneto-optical Kerr spectrometer that can measure the magneto-optical rotation angle and ellipticity by changing the wavelength of light and a spectroscopic ellipsometer that can measure the optical characteristics. An optical magneto-ellipse spectrometer provided, comprising: a light source for generating a beam for irradiating a first sample and a second sample placed in two different directions; Magneto-optical means for causing the beam irradiated by the magneto-optical effect of the first sample placed in the magnetic field on the beam irradiated from the light source to be input to a later double photodetector; Spectroscopic elliptic analysis means for causing the beam irradiated from the light source to change its polarization state by the optical property of the second sample and input the dual light detection means; Rotation angle and ellipticity are selectively increased by using dual light detecting means for selectively receiving the light input from the magneto-optical means and the spectroscopic elliptic analysis means and outputting the light to the optical measuring means. Provides a magneto-optic and ellipscopy spectrometer composed of optical measuring means for performing a magneto-optical spectroscopic analysis function or a spectroscopic ellipsoid analysis function for measuring a complex refractive index. It is possible to study the magneto-optical effect that must be used independently by using a single device, thereby maximizing the ease of analysis and interpretation of data as well as the cost reduction in manufacturing.
Description
본 발명은 광자기 커 회전각과 타원율을 빛의 파장을 바꾸어가면서 측정할 수 있는 광자기 커 분광기(magneto-optical Kerr spectrometer)와 광학적 특성을 측정할 수 있는 분광 타원 해석기(spectroscopic ellipsometer)의 기능을 동시에 갖춘 광자기ㆍ타원 분광기에 관한 것이다.The present invention simultaneously performs the functions of a magneto-optical Kerr spectrometer that can measure the magneto-optical rotation angle and ellipticity by changing the wavelength of light and a spectroscopic ellipsometer that can measure the optical characteristics. It relates to a magneto-optical and ellipscopy spectrometer equipped.
광자기 커 효과란 자성체에서 반사된 빛이 자화된 시료의 영향으로 그 편광 상태가 변하는 현상을 의미한다. 이때, 일반적으로 선 편광된 빛이 타원 편광되었을 경우 편광축이 회전한 각도를 커 회전각이라 하고 타원의 장축과 단축의 비의 구형 탄젠트(arc tangent)가 타원율이다.The magneto-optical effect is a phenomenon in which the polarization state of the light reflected from the magnetic material is changed by the influence of the magnetized sample. In this case, when the linearly polarized light is elliptically polarized, the angle of rotation of the polarization axis is increased, and the rotation angle is referred to as an ellipticity of an arc tangent of the ratio between the long axis and the short axis of the ellipse.
이러한 광자기 커 효과란 시료의 스핀 편극된 띠 구조에 기인하여 스핀이 양의 방향으로 정렬된 전자들과 음의 방향으로 정렬된 전자들의 빛에 대한 반응이 달라지기 때문에 생기는 물리적 현상이다. 이러한 효과를 이해하기 위해서는 시료의 유전율 텐서에 대한 측정이 필요하다. 이때 가장 간단한 경우인 z 방향으로 자화된 시료의 유전율 텐서는 아래의 식 1 과 같은 모양을 가진다.This magneto-optical effect is a physical phenomenon that occurs due to the spin-polarized band structure of the sample, which causes the electrons aligned in the positive direction and the electrons aligned in the negative direction to the light. To understand this effect, a measurement of the dielectric tensor of the sample is required. At this time, the dielectric constant tensor of the sample magnetized in the z direction, which is the simplest case, has the shape as shown in Equation 1 below.
상기 식 1에서 대각성분인 XX xx n2의 관계를 가진다.Diagonal component in the formula 1 XX xx has a relationship of n 2 .
또한, 굴절률이 n0인 매질에서 빛이 입사하는 경우 광자기 커 효과(Kerreffect) θK와 타원율 K는 아래와 같은 식 2로 나타내진다.In addition, when light is incident on a medium having a refractive index of n 0 , the magneto-kerr effect θ K and the ellipticity K is represented by following formula (2).
따라서, 광자기 커 효과(Kerr effect)의 원인은 바로 유전율 텐서의 비대각 성분인 xy에 있다고 정의할 수 있다. 그러므로, 광자기 커 효과(Kerr effect)를 제대로 이해하기 위해서는 반드시 유전율 텐서의 비대각 성분인 xy를 측정해야 한다.Thus, the cause of the magnetoelectric Kerr effect is the non-diagonal component of the dielectric constant tensor. Can be defined to be in xy . Therefore, in order to understand the Kerr effect properly, the non-diagonal component of the dielectric tensor xy should be measured.
이때, 일반적으로 유전율 텐서의 비대각 성분인 xy를 측정하기 위해서는 커 회전각과 타원율, 그리고 복소 굴절률을 독립적으로 측정해야 하는 것으로 알려져 있다(W. Reim and J. Schoenes, "Ferromagnetic Materials," Vol. 5 edited by E. P. Wohlfarth, and K. H. J. Buschow, North-Holland, Ch.2, 134 (1990) 참조).In this case, the non-diagonal component of the dielectric constant tensor In order to measure xy , it is known that Kerr rotation angle, ellipticity and complex refractive index must be measured independently (W. Reim and J. Schoenes, "Ferromagnetic Materials," Vol. 5 edited by EP Wohlfarth, and KHJ Buschow, North- See Holland, Ch. 2, 134 (1990)).
따라서, 광자기 커 효과(Kerr effect)를 제대로 연구하기 위해서는 광자기 커 효과(Kerr effect)와 타원율을 측정할 수 있는 광자기 커 분광기와 복소 굴절률을 측정할 수 있는 분광 타원 해석기가 반드시 필요하다.Therefore, in order to properly study the Kerr effect, a magneto-optical spectrometer capable of measuring the Kerr effect and the ellipticity and a spectroscopic elliptic analyzer capable of measuring the complex refractive index are necessary.
먼저, 광자기 커 효과(Kerr effect)를 측정하는 장비들을 살펴보면 가장 기본적인 방법으로 직교 편광자 방법이 있는데, 이 방법의 장점은 장치가 간단하다는 것이다. 그러나 정확성이 떨어지고, 타원율의 측정이 곤란하므로, 현재는 많이 사용되고 있는 방법은 아니다.First, looking at the instruments that measure the Kerr effect, the most basic method is the quadrature polarizer method. The advantage of this method is that the device is simple. However, since accuracy is poor and ellipticity is difficult to measure, it is not currently widely used.
또 다른 방법으로 패러데이 셀(Faraday Cell)을 이용하는 방법과 회전 검광자를 이용하는 방법이 있으나, 이 방법들 모두는 타원율을 측정하기 위해서는 각파장에 적합한 λ/4 판이나 솔레일-바비넷 보정기(Soleil-Babinet compensator)를 각 파장에 맞게 조절할 필요가 있다. 따라서 커 회전각과 타원율을 한꺼번에 측정할 수 있는 광 탄성 변조기(PEM : photoelastic modulator)를 이용한 위상 변조 방식의 커 분광기가 이 응용에는 가장 적합하다고 할 수 있다(유천열, 이해승, 신성철, 응용물리 8(3) 296 (1995)).Alternative methods include Faraday Cell and Rotational Probe, but both of these methods use λ / 4 plates or Soleil-Barnet Compensators (Soleil-) suitable for each wavelength to measure ellipticity. Babinet compensators need to be adjusted for each wavelength. Therefore, Kerr spectroscopy of phase modulation method using photoelastic modulator (PEM) that can measure Kerr rotation angle and ellipticity at the same time is the most suitable for this application. 296 (1995)).
또, 광학적 성질을 나타내는 분광 타원 해석기의 경우도 가장 보편화된 방법으로는 회전 검광자/편광자 방법이 있다(김상열, 한국광학회지 1, (1) 73 (1990), R. M. Azzam and N. M. Bashara, "Ellipsometry and polarized light," (North-Holland Co. 1979).In the case of a spectroscopic ellipsometer showing optical properties, the most common method is a rotational analyzer / polarizer method (Sang-Yeul Kim, 1, 73 (1990), RM Azzam and NM Bashara, "Ellipsometry and polarized light, "(North-Holland Co. 1979).
또 다른 방식으로는 광 탄성 변조기(photoelastic modulator)를 이용한 위상변조 방식의 분광 타원 해석기가 있는데, 이 경우는 빠른 분석 속도로 인해 최근 실시간 측정에 있어서 많은 각광을 받고 있는 방법이다.Another method is a phase modulated spectroscopic ellipsometer using a photoelastic modulator, which is a popular method in recent real-time measurement due to the fast analysis speed.
따라서, 앞에서 지적한 바와 같이 광자기 효과의 연구를 위해서는 광자기 커 분광기와 분광 타원 해석기가 반드시 필요하다. 그러나, 두가지 장비를 각각 독립적으로 제작하거나 구입하여야 함으로써, 그 비용 부담이 매우 크다는 문제점이 발생되었다.Therefore, as pointed out above, the magneto-optical spectrometer and the spectroscopic ellipsometer are essential for the study of the magneto-optical effect. However, since the two pieces of equipment have to be manufactured or purchased independently, a problem arises in that the cost is very large.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 광자기 효과의 연구에 필수적인 두 가지 장비인 광자기 커 분광기와 분광타원 해석기의 공통적인 점을 이용하여 두 가지 장비를 합쳐 하나의 장비로 구성하기 위한 광자기ㆍ타원 분광기(magneto-optical and ellipsometric spectrometer)를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to combine the two devices into a single device by using the common point of the two devices, the magneto-optical spectrometer and the spectroscopic ellipsometer which are essential for the study of the magneto-optical effect To provide a magneto-optical and ellipsometric spectrometer for.
제1도는 본 발명에 따른 광자기ㆍ타원 분광기의 개략도.1 is a schematic diagram of a magneto-optical and ellipscopy spectrometer according to the present invention.
제2도는 제논등(Xe-lamp)의 하우징에 대한 개략도.2 is a schematic view of a housing of a Xe-lamp.
제3도는 이중 단색 분광기(double-monochromator)의 개략도.3 is a schematic representation of a double-monochromator.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 광원 2 : 제1타원경1: light source 2: first ellipsoid
3 : 제1편광자 4 : 제1 시료3: first polarizer 4: first sample
5 : 전자석 6 : 제1광탄성변조기5: electromagnet 6: first photoelastic modulator
7 : 제1검광자 8 : 제2타원경7: first analyzer 8: second ellipsoid
9 : 이중 광검출 수단 10 : 광측정 수단9 double light detecting means 10 light measuring means
11 : 제3타원경 12 : 제2편광자11: third ellipsoidal 12: second polarizer
13 : 제2광탄성변조기 14 : 제2 시료13 second photoelastic modulator 14 second sample
15 : 제2검광자 16 : 제4타원경15: second analyzer 16: fourth ellipsoid
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예 따른 구성은 제1도에 나타낸 바와 같다.Configuration according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is as shown in FIG.
즉, 서로 다른 방향에 놓인 제1 시료 및 제2 시료에 조사하는 빔을 발생시키는 광원과, 상기 광원에서 조사된 빔이 자기장안에 놓인 제1 시료의 광자기 커 효가에 의하여 타원편광되는 빔이 후기의 이중 광검출 수단에 입력되도록 하는 자기 광학적 수단과, 상기 광원에서 조사된 빔이 제2 시료의 광학적 성질에 의하여 그 편광상태가 변화되어 이중 광검출 수단에 입력되도록 하는 분광 타원 해석적 수단과, 상기 자기 광학적 수단 및 분광 타원 해석적 수단에서 입력되는 광을 선택적으로 받아들여 광측정 수단에 출력하는 이중 광검출 수단 및 상기 이중 광검출 수단에서 입력되는 빛을 이용하여 선택적으로 커 회전각 및 타원율을 측정하는 광자기 커 분광 분석 기능을 수행하거나 복소 굴절율을 측정하는 분광 타원 해석 기능을 수행하는 광측정 수단을 포함하여 구성된다.That is, a light source for generating beams irradiated to the first sample and the second sample placed in different directions, and a beam that is elliptically polarized by the magneto-optical effect of the first sample placed in the magnetic field is emitted from the light source. Magneto-optical means for inputting to the dual photodetecting means, spectroscopic elliptic analytical means for changing the polarization state of the beam irradiated from the light source due to the optical properties of the second sample and inputting the dual photodetecting means; Rotation angle and ellipticity are selectively increased by using dual light detecting means for selectively receiving the light input from the magneto-optical means and the spectroscopic elliptic analysis means and outputting the light to the optical measuring means. Optical measuring means for performing a magneto-optical spectroscopic function for measuring or for performing a spectroscopic elliptic analysis for measuring complex refractive index It is configured to include.
또한, 상기 자기 광학적 수단은 상기 광원에서 발생되는 조사빔이 상기 제1 시료에 수직으로 입사하도록 소정 형태로 소정 위치로 놓이며, 입사되는 빛의 강도를 높이는 제1타원경과, 상기 제1타원경을 통과하는 빔을 편광시키는 제1편광자와, 상기 제1편광자를 통과한 조사빔이 제1 시료에 수직으로 입사되어 반사될 때에 자기 광학 효과에 의해 타원편광되도록 자기장을 발생시키는 전자석과, 타원편광된 조사빔이 상기 이중 광검출 수단으로 입사되는 경로에 순차적으로 놓이는 광의 위상을 변조하는 제1광탄성 변조기, 편광상태의 빛에서 광학축의 방향으로 투영된 성분을 검출하는 제1검광자 및 제1검광자를 통과한 빛을 이중 광검출 수단의 입사슬릿으로 반사시키는 제2타원경을 포함한다.In addition, the magneto-optical means is placed at a predetermined position in a predetermined shape so that the irradiation beam generated from the light source is incident perpendicularly to the first sample, the first ellipsoidal mirror to increase the intensity of the incident light, and the first ellipsoidal mirror A first polarizer for polarizing the beam passing therethrough, an electromagnet for generating a magnetic field so as to be elliptically polarized by a magneto-optical effect when the irradiation beam passing through the first polarizer is incident and reflected perpendicularly to the first sample, and an elliptical polarization A first photoelastic modulator for modulating the phase of light sequentially placed on a path where the irradiated beam is incident on the dual light detecting means, a first analyzer for detecting a component projected in the direction of the optical axis from the polarized light, and a first detector And a second ellipsoid reflecting the light passing through the ruler to the incident slit of the double photodetecting means.
그리고, 상기 분광 타원 해석적 수단은, 상기 광원에서 발생되어 제3타원경을 통한 조사빔을 선편광시키는 제2편광자와, 선편광된 조사빔이 제2 시료에 소정의 경사각으로 입사하기 전에 광의 위상을 변조하는 제2광탄성변조기와, 상기 제2 시료의 광학적 성질에 의해서 그 편광상태가 변화되어 반사되는 조사빔이 상기 이중 광검출 수단으로 입사되는 경로에 순차적으로 놓이는 편광상태의 빛에서 광학축의 방향으로 투영된 성분을 검출하는 제2검광자 및 제2검광자를 통과한 빛을 이중 광검출 수단의 입사슬릿으로 반사시키는 제4타원경을 포함한다.In addition, the spectroscopic elliptic analysis means includes a second polarizer for linearly polarizing the irradiation beam generated by the light source and a phase of light before the linearly polarized irradiation beam is incident on the second sample at a predetermined inclination angle. A second photoelastic modulator for modulating and a polarized state whose polarization state is changed by the optical properties of the second sample, and the light of the polarization state in which the reflected beam is sequentially placed on the path incident to the dual photodetector means in the direction of the optical axis And a second ellipsometer for detecting the projected component and a fourth ellipsoid for reflecting the light passing through the second analyzer to the incident slit of the dual photodetecting means.
또한, 상기 이중 광검출 수단은 상기 자기 광학적 수단과 분광 타원 해석적 수단으로부터 빔이 입력되도록 2개의 입사 슬릿을 구비하며, 2개의 입사 슬릿 중 어느 하나의 슬릿으로 조사빔이 선택적으로 입사되도록 하는 평면 거울과, 상기 평면 거울의 각도를 조절할 수 있는 각도조절수단과, 상기 평면 거울에서 반사되는 빔이 출력 슬릿을 통해 광측정 수단에 입력되도록 경로를 설정하는 경로설정수단을 포함한다.In addition, the dual light detecting means has two incidence slits for inputting the beam from the magneto-optical means and the spectroscopic elliptic analytical means, and a plane for selectively irradiating the irradiation beam to any one of the two incidence slits. And a mirror, an angle adjusting means for adjusting the angle of the planar mirror, and routing means for setting a path so that the beam reflected from the plane mirror is input to the optical measuring means through an output slit.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광자기ㆍ타원 분광기의 작용에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the operation of the magneto-optical and ellipscopy spectrometer according to a preferred embodiment of the present invention having the above-described configuration.
우선, 본 발명에서 결합하고자 하는 광자기 커 분광기와 분광 타원 해석기의 동작상의 특성을 살펴보면, 우선 광자기 커 분광기의 원리는 선 편광된 빛을 외부자기장이 인가된 시료에 수직으로 입사시켜서 광자기 커 효과(Kerr effect)에 의해서 변화된 빛의 편광상태를 측정하는 것이다.First, the operation characteristics of the magneto-optical spectrometer and the spectroscopic ellipsometer to be combined in the present invention, first of all, the principle of the magneto-optical spectrometer is to inject the linearly polarized light perpendicularly to the sample to which the external magnetic field is applied The polarization state of light changed by the Kerr effect is measured.
분광 타원 해석기의 경우는 선 편광된 빛이 시료에 경사각으로 입사할 때 빛의 p파와 s파의 반사계수의 차이에 기인하여 생기는 타원 편광의 상태를 측정하는 것이다. 따라서, 두 장비의 공통점은 편광의 변화 상태를 측정하는 것이고 다른 점은 빛의 입사각과 인가 자기장의 유무이다.In the case of a spectroscopic ellipsometer, the state of the elliptical polarization caused by the difference in the reflection coefficients of the p wave and the s wave of the light when the linearly polarized light is incident on the sample at an oblique angle. Thus, the commonality between the two instruments is to measure the state of change in polarization, and the difference is the angle of incidence of light and the presence of an applied magnetic field.
따라서, 공통된 광원과 공통된 광검출기 부분을 이용하여서 단지 타원경 2개와 추가로 제작하고, 편광자와 검광자 및 광탄성 변조기를 공통으로 사용한다면, 손쉽게 광자기 커 분광기에다가 분광 타원 해석기를 추가할 수 있을 것이라는 점이 본 발명의 기술적 사상이라 할 수 있다.Thus, if you build only two ellipsoids with a common light source and a common photodetector part, and use a polarizer, a detector, and a photoelastic modulator in common, you can easily add a spectroscopic ellipsometer to the photomagnetic beaker spectrometer. This is the technical idea of the present invention.
상술한 바와 같은 기술적 사상에 의해 제안된 광자기ㆍ타원 분광기는 제1도에 나타낸 바와 같이, 광원(제논등; 1)에서 나온 빛이 제1타원경(2)에서 반사되어 제1편광자(3)을 통과한 후 전자석(5)에 의해 발생되는 자기장 안에 놓인 제1 시료(4)에 거의 수직으로 입사한다. 이때, 상기 제1편광자(3)를 통과하는 빛은 선편광된 상태로 상기 제1 시료(4)에 입사하게 되는데, 자기장안에 놓인 상기 제1 시료(4)에서 반사된 빛은 상기 제1 시료(4)의 자기광학 효과에 의해서 타원 편광이 된다.The magneto-optic and ellipsoidal spectrometer proposed by the above-described technical idea, as shown in FIG. 1, light emitted from the light source (xenon lamp) 1 is reflected by the first ellipsoidal mirror 2, and thus the first polarizer 3 After passing through), it is incident almost perpendicularly to the first sample 4 placed in the magnetic field generated by the electromagnet 5. At this time, the light passing through the first polarizer 3 is incident on the first sample 4 in a linearly polarized state, and the light reflected from the first sample 4 placed in the magnetic field is reflected in the first sample ( It becomes elliptical polarization by the magneto-optical effect of 4).
이후, 상기 제1 시료(4)의 자기광학 효과에 의해서 타원 편광되어 반사된 빛은 제1광탄성변조기(6)에 입사되어 위상이 변조되고, 편광상태의 빛은 제1검광자(7)에서 광학축의 방향으로 투영된 성분이 검출되어 제2타원경(8)에 반사된 후 입사슬릿을 통하여 이중 광 검출 수단(9)으로 입사한다.Subsequently, the light reflected by being elliptically polarized and reflected by the magneto-optical effect of the first sample 4 is incident on the first photoelastic modulator 6 to modulate the phase, and the light in the polarized state is emitted from the
이때의 빛의 편광 상태의 변화를 죤스 행렬(Jones matrix)을 이용해서 나타내면 다음 식 3과 같이 나타낼 수 있다.The change in the polarization state of light at this time can be expressed by the following Equation 3 using a Jones matrix.
여기서 P, A, S, M은 편광자와, 검광자와, 시료, 및 광탄성 변조기를 나타내며, 각각 다음의 식 4와 같이 주어지는 죤스 행렬(Jones matrix)이다.P, A, S, and M are polarizers, analyzers, samples, and photoelastic modulators, respectively, and are Jones matrices given by Equation 4 below.
여기서, 0sin 로 주어지는데, 0는 광탄성 변조기의 광학 헤드 부분의 변조 크기이며,는 진동수이다. 또,는 각각 좌, 우 원편광의 반사계수이다.here, 0 sin Given by 0 is the modulation size of the optical head portion of the photoelastic modulator, Is the frequency. In addition, Are the reflection coefficients of left and right circularly polarized light, respectively.
이때, 시료를 제외한 나머지 광학계는 선편광계에서 기술이 되어있고, 시료는 좌, 우 원편광 상태를 기저벡터로 하는 원편광계를 기준으로 기술되어 있다. 따라서 이들 두 좌표계를 변화시키는 데는 다음의 식 5와 같은 F 라는 행렬이 필요하다.At this time, the other optical system except for the sample is described in the linear polarization system, and the sample is described based on the circular polarization system with the left and right circularly polarized states as the basis vector. Therefore, to change these two coordinate systems, we need a matrix called F as shown in Equation 5 below.
이때, 측정되는 빛의 세기는 검광자의 각도를 일 예로 aπ/4 이라고 하면 경우 아래의 식 6과 같이 된다.At this time, the measured intensity of light is an example of the angle of the analyzer as a In the case of π / 4, Equation 6 below is used.
여기서 다음과 같은 정의와 베셀(Bessel) 함수의 성질을 이용하면, 아래의 식 7과 같이 관계식을 얻을 수 있다.Here, using the following definition and the properties of the Bessel function, a relational expression can be obtained as shown in
따라서, 상기 식 7에 따라 아래의 식 8과 같은 결과를 얻을 수 있다.Therefore, according to
여기서, J0, J1, J2는 각각 베셀(Bessel) 함수의 0, 1, 2차 함수이고, A, B는 정량화 과정을 통하여 결정되는 상수이다. 따라서, 구하고자 하는 커 회전각과 타원률은 광측정 수단(10)에서 측정되는 빛을 광탄성 변조기의 변조 주파수에 대한 직류성분과 1차 조화파, 2차 조화파를 각각 측정함으로서 측정할 수 있다.Here, J 0 , J 1 , and J 2 are 0, 1, and quadratic functions of the Bessel function, respectively, and A and B are constants determined through quantification. Therefore, the Kerr rotation angle and the ellipticity to be obtained can be measured by measuring the direct current component, the first harmonic wave, and the second harmonic wave with respect to the modulation frequency of the photoelastic modulator.
이번에는 분광 타원 해석기의 측정 원리에 대해서 살펴보자, 광자기 커 분광기의 경우와 비슷하게 광원(1)에서 나온 빛은 제3타원경(11)에 반사되어 제2편광자(12)를 통과해서 선편광이 된 후 제2광탄성변조기(13)를 통과하면서 광의 위상이 변조된 후 제2 시료(14)에 경사각(60-700)으로 입사한다.Now, let's take a look at the measuring principle of the spectroscopic ellipsometer. Similar to the case of the magneto-optical spectrometer, the light from the light source 1 is reflected by the
이때, 상기 제2 시료(14)에서 반사된 빛은 다시 시료의 광학적 성질에 의해서 그 편광상태가 변하게 된다. 이렇게 시료의 광학적 성질에 대한 정보가 담겨 있는 빛은 다시 제2검광자(15)에서 광학축의 방향으로 투영된 성분이 검출되어 제4타원경(16)에 반사되어 이중 광검출 수단(9)의 입사 슬릿으로 입사된다.In this case, the polarized state of the light reflected by the second sample 14 is changed again by the optical property of the sample. The light containing the information about the optical properties of the sample is detected again by the
이와 같은 과정을 위와 마찬가지로 죤스 행렬(Jones matrix)을 써서 나타내면 아래의 식 9와 같다.This process can be expressed using the Jones matrix as shown above, as shown in Equation 9 below.
여기서, 위의 수학식 3과 다른 점은 시료의 죤스 행렬(Jones matrix)을 나타내는 방법이다. 분광 타원 해석기의 경우는 시료의 죤스 행렬(Jones matrix)이 다음과 같이 주어진다.Here, the difference from Equation 3 is a method of representing the Jones matrix of the sample. For the spectroscopic ellipsometer, the Jones matrix of the sample is given by
이때,이고, 각각은 p파와 s파의 복소 반사계수이다.At this time, Are the complex reflection coefficients of the p and s waves.
이때 일반적으로 분광 타원 해석기의 해석에서 사용되는 인자인,는와 같이 정의된다. 편광자의 각도가 0, 광탄성 변조기의 각도가 π/4 이며, 검광자의 각도가 π/4 일 때에 광검출기에서 검출되는 빛의 세기는 다음과 같다.In this case, a factor generally used in the analysis of a spectroscopic ellipsometer , Is Is defined as: When the angle of the polarizer is 0, the angle of the photoelastic modulator is π / 4, and the angle of the analyzer is π / 4, the intensity of light detected by the photodetector is as follows.
여기서 다시와의 정의를 이용하고, 베셀(Bessel) 함수의 성질을 이용하면 다음의 식 12와 같은 결과를 얻을 수 있다.From here again Wow Using the definition of and using the properties of the Bessel function, we can obtain the result as in
여기서을 만족시키면, 다음의 식 13을 얻을 수 있다.here If the following is satisfied, the following equation (13) can be obtained.
따라서 우리는 타원 해석기의 인수인와를 실험적으로 얻을 수 있다.So we take the argument of the elliptic solver Wow Can be obtained experimentally.
일반적으로와를 얻으면 여기서 간단한 구조를 가진 시료의 경우 직접적인 계산 방법으로, 복잡한 구조를 가진 시료의 경우 수치해석적인 모델링 과정등을 통해서 시료의 광학적 성질을 얻어낼 수 있다.Generally Wow In this case, the optical properties of the sample can be obtained by the direct calculation method for the sample with the simple structure and through the numerical modeling process for the sample with the complicated structure.
광자기 커 분광기와 분광 타원 해석기의 측정원리를 간단히 살펴보았다. 여기서 두 가지 장비가 그 원리나 측정 장비의 부품들이 상당히 유사하다는 것을 알 수 있다. 이 점에 착안한 것이 바로 본 발명이다. 각 부분별로 본 발명의 특징을 살펴보도록 하자.The measurement principles of the magneto-optical spectrometer and the spectroscopic ellipsometer are briefly discussed. It can be seen here that the two instruments are quite similar in principle or components of the measuring instrument. It is this invention that focuses on this point. Let's look at the features of the present invention for each part.
먼저 광원부터 살펴보면, 광원은 Hamamatsu사의 type L2175 제논등(Xe lamp)를 사용했다. 이때 제논등(Xe-lamp)의 형태는 일반적으로 원통형의 대칭성을 가지고 있게 된다. 그러나 통상 램프의 하우징은 첨부한 제2도와 같이 직육면체에 한쪽면에 빛이 나갈 수 있는 구멍을 만들어 놓아 램프에서 나오는 빛의 극히 일부분만을 사용한다. 혹은 구멍의 반대편에 구면경을 설치하여 사용할 수 있는 빛의 강도를 높이기도 한다.First of all, the light source used Hamamatsu's type L2175 Xen lamp. At this time, the shape of the Xen-lamp generally has a cylindrical symmetry. However, the lamp housing generally uses only a portion of the light emitted from the lamp by making holes in one side of the rectangular parallelepiped as shown in FIG. Alternatively, spherical mirrors can be installed on the opposite side of the hole to increase the available light intensity.
본 발명에서는 이러한 하우징을 개선하여 기존의 구멍이 있는 옆면에 추가의 구멍을 뚫음으로써 광원의 빛을 두 방향으로 이용할 수 있도록 하였다. 따라서 하나의 광원에서 서로 수직한 방향으로 빛을 발하는 "점 광원"을 얻을 수 있게 된다.In the present invention, such a housing was improved to drill additional holes on the side with existing holes so that the light of the light source could be used in two directions. Therefore, it is possible to obtain a "point light source" that emits light in a direction perpendicular to each other in one light source.
이 때 만약 셋 혹은 네 군데의 방향으로 빛을 이용하려 한다면, 마찬가지로 추가로 구멍을 뚫음으로서 가능하다.If you want to use light in three or four directions, you can do this by drilling additional holes as well.
첨부한 제1도에서 보이는 바와 같이 광원(1)에서 서로 수직 방향으로 나온 빛 중 제1조사빔은 제1타원경(2)에서 반사되어 제1편광자(3)를 통과한 후 전자석(5)속에 위치한 제1 시료(4)에 거의 수직하게 입사한다. 상기 제1 시료(4)에서 반사된 빛은 다시 제1광탄성변조기(6)와 제1검광자(7)를 통과한 후 제2타원경(8)에 반사되어 이중 광검출 수단(9)의 제1입사 슬릿으로 입사된다.As shown in FIG. 1, the first irradiation beam of the light emitted from the light source 1 in the perpendicular direction to each other is reflected by the first ellipsoid 2 and passes through the first polarizer 3, followed by the electromagnet 5. It is incident almost perpendicularly to the first sample 4 located therein. The light reflected from the first sample 4 passes through the first photoelastic modulator 6 and the
상기 제1조사빔에 수직한 방향으로 나온 제2조사빔은 제3타원경(11)에서 반사되어서 제2편광자(12)와 제2광탄성변조기(13)를 통과한 후 소정의 경사각을 갖는 상태로 제2 시료(14)에 입사한다. 상기 제2 시료(14)에서 반사된 빛은 다시 제2검광자(15)를 통과하여 제4타원경(15)에 반사되어 상기 이중 광검출 수단(9)의 제2입사 슬릿에 입사한다.The second irradiation beam emitted in a direction perpendicular to the first irradiation beam is reflected by the
이 때 사용되는 이중 광검출 수단(9)은 Oriel사의 제품인데(모델번호 77200), 그 상세 내부 구조는 다음 제3도와 같다.The double photodetecting means 9 used at this time is a product of Oriel Corporation (model number 77200), and its detailed internal structure is as shown in FIG.
여기서 특기할 점은 제3도의 확대된 즉 참조번호 A로 표시되는 부분에 있다.It should be noted that an enlarged view of FIG. 3, that is, a portion indicated by reference numeral A is used.
이중 광검출 수단(9)은 두 개의 입사 슬릿(21)(22)이 있는데, 두 슬릿 중의 하나에서 들어오는 빛이 선택되도록 이중 광검출 수단(9)안의 평면 거울(23)을 조절할 수 있도록 각도조절수단을 구비하고 있다. 따라서, 평면 거울(23)을 조절함으로써 양쪽 방향에서 들어오는 빛 중의 하나만을 선택하여 이중 광검출 수단(9) 내에 경로 설정수단, 즉 제1구면경(24), 제1그레이팅(grating : 25), 제2구면경(26), 제2평면경(27), 제3평면경(28), 제3구면경(29), 제2그레이팅(30), 제4구면경(31)을 순차적으로 통과하도록 하여 단색 분광을 한 후 출력 슬릿(32)에 부착되어 있는 광측정 수단(10)으로 입사하도록 할 수 있다. 따라서, 광원(1)과 이중 광검출 수단(9)의 입사 슬릿의 위치 선정이 매우 중요하다.The dual light detection means 9 has two
이렇게 입사된 빛은 광검출 수단(10)내의 광증배관(미도시)에서 빛의 세기에 비례하는 전류로 바뀌어 두 장비가 공동으로 이용할 수 있는 광측정 부분으로 입력된다. 따라서 광자기 커 분광기로 사용될 때와 분광 타원 해석기로 사용될 때를 단지 이중 광검출 수단(9)에 있는 평면 거울(23)을 조절함으로써 조절이 가능하다.The incident light is converted into a current proportional to the intensity of the light in a light multiplier (not shown) in the light detecting means 10 and input to a light measuring part that can be used jointly by the two devices. Thus, it can be adjusted by adjusting the
광측정 수단(10)은 두 장비가 공통으로 사용할 수 있는데, 광측정 수단(10)의 내부는 도시되지 않았지만 광증배관, 광증배관의 전치증폭기(preamplifier), 록인앰프(lock-in amp.) 2대, 그리고 컴퓨터 등으로 이루어진다. 이들 부분의 공통 활용은 제작 단가의 측면 뿐만 아니라 측정된 신호의 분석이나 해석에 있어서도 그 활용성을 극대화시킬 수 있다.The optical measuring means 10 may be used by two devices in common. Although the inside of the optical measuring means 10 is not shown, an optical amplifier, a preamplifier of the optical amplifier, a lock-in amp 2 And a computer. The common use of these parts can maximize the utilization not only in terms of manufacturing cost but also in the analysis and interpretation of the measured signals.
본 발명에 의하면, 기존에는 각기 다른 장비인 광자기 커 분광기와 분광 타원 해석기를 독립적으로 이용해야만 하는 광자기 효과에 대한 연구를 하나의 장비를 이용해서 가능케 한 것이다. 두가지 장비를 합치게 됨으로써 제작시의 단가의 절감은 물론이고 측정된 데이터의 분석과 해석의 용이함을 극대화시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to study the magneto-optical effect that must be used independently of each other, the magneto-optical beaker spectroscopy and the spectroscopic ellipsometer using one device. By combining the two instruments, you can reduce manufacturing costs and maximize the ease of analysis and interpretation of the measured data.
따라서, 본 발명을 이용하면 광자기 효과의 연구에 있어서 가장 중요한 유전율텐서의 비대각 성분을 손쉽게 구할 수 있는 등의 효과가 있다.Therefore, the present invention has an effect that the non-diagonal component of the dielectric constant tensor, which is most important in the study of the magneto-optical effect, can be easily obtained.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019970032574A KR100222320B1 (en) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Magneto-optical and ellipsometric spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1019970032574A KR100222320B1 (en) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Magneto-optical and ellipsometric spectrometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR19990009974A KR19990009974A (en) | 1999-02-05 |
KR100222320B1 true KR100222320B1 (en) | 1999-10-01 |
Family
ID=19514342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1019970032574A KR100222320B1 (en) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Magneto-optical and ellipsometric spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100222320B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102125068B1 (en) | 2018-12-27 | 2020-06-19 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Ellipsometer |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113310907B (en) * | 2021-06-09 | 2022-07-05 | 华中科技大学 | Magnetic ellipsometry measuring device |
CN117110205B (en) * | 2023-08-24 | 2024-05-31 | 晶诺微(上海)科技有限公司 | Single-wavelength ellipsometry device with continuously variable angle and measurement method |
-
1997
- 1997-07-14 KR KR1019970032574A patent/KR100222320B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102125068B1 (en) | 2018-12-27 | 2020-06-19 | 한양대학교 에리카산학협력단 | Ellipsometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR19990009974A (en) | 1999-02-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sato | Measurement of magneto-optical Kerr effect using piezo-birefringent modulator | |
Vavassori | Polarization modulation technique for magneto-optical quantitative vector magnetometry | |
US4647207A (en) | Ellipsometric method and apparatus | |
US7889339B1 (en) | Complementary waveplate rotating compensator ellipsometer | |
US20060238759A1 (en) | Spectroscopic polarimetry | |
US4309110A (en) | Method and apparatus for measuring the quantities which characterize the optical properties of substances | |
US6483584B1 (en) | Device for measuring the complex refractive index and thin film thickness of a sample | |
US6985227B2 (en) | Birefringence measurement at deep-ultraviolet wavelengths | |
CN109507467A (en) | Optical current mutual inductor and its current measuring method based on catoptric arrangement | |
CN114324247B (en) | Optical measurement method for double-channel detection based on quantum weak measurement and application thereof | |
Collett | Measurement of the four Stokes polarization parameters with a single circular polarizer | |
CN113567351B (en) | Complex magneto-optical angle measuring system and method based on quantum weak measurement | |
RU2135983C1 (en) | Process measuring transmission, circular dichroism and optical rotation of optically active substances and dichrograph for its realization | |
KR100222320B1 (en) | Magneto-optical and ellipsometric spectrometer | |
CN113687290A (en) | Calibration device and method for weak field of Hall magnetometer based on spin noise spectrum | |
Liu et al. | Generalized theory and application of Stokes parameter measurements made with a single photoelastic modulator | |
US4298284A (en) | Method and apparatus for measuring magnetooptic anisotropy | |
Pindera et al. | Response of the integrated polariscope | |
US3527538A (en) | Absorption scattering and fluorescence measuring method and apparatus | |
WO2017018953A1 (en) | Multi functional sample holder and high resolution detection system for magneto optical kerr effect measurements | |
US3545867A (en) | Method of and apparatus for measuring the density of a plasma or transparent semiconductor | |
KR970029393A (en) | Magneto-optical characteristic measuring device | |
US5694384A (en) | Method and system for measuring Kerr rotation of magneto-optical medium | |
JP2005003386A (en) | Refractive index measuring instrument and refractive index measuring method | |
JP2713190B2 (en) | Optical property measuring device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20080627 Year of fee payment: 10 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |