KR100757378B1 - Ｌｅｄ를 이용한 현미경 타원해석기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타원 해석기에 미세 영역 이메징 기능을 더한 현미경 타원해석기에 관한 것으로 특히, 일정치 이상의 조도를 유지하며 소정의 밴드 폭을 갖는 단색광을 조사하는 LED(300)와; 상기 LED로부터 조사되어지는 빛을 입력받아 빛의 진행 방향을 산란시켜 빛의 균질도를 향상시켜 출력하는 확산기(310)와; 상기 확산기를 경유하여 입사되는 빛을 타원편광으로 전환하여 시편측으로 출력하는 타원편광 형성수단과; 상기 시편(150)에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 빛을 확대시켜 출력하는 현미경(160); 및 상기 현미경(160)에 의해 확대되어진 빛을 입력받아 전기적인 신호로 인식하고 그에 따른 밝기의 상을 형성하는 2차원 어레이 검출기(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 현미경 타원해석기를 제공하여, 광원으로 LED를 사용함으로써 레이저와 유사한 단색성을 확보하되 가격이 매우 저렴하며, 광원의 크기가 매우 작고 광원을 위한 별도의 전원공급부가 필요가 없어 장비의 소형화를 실현할 수가 있고, 광원이 매우 가벼워 입사각 조절에 대형 광학대 조절기구가 필요가 없어 장비의 이동이 용이하며, 수명이 매우 길고 견고하며 유지보수의 필요성이 거의 없다는 장점을 제공한다.
LED, Imaging ellipsometer, 현미경, 타원 해석기

Description

ＬＥＤ를 이용한 현미경 타원해석기{Imaging ellipsometer using LED as a light source}
도 1은 일반적인 분광 타원해석기의 구성 예시도
도 2는 레이져(laser)를 광원으로 하는 종래의 현미경 타원해석기의 구성도
도 3은 백색광, 분광기를 광원으로 하는 종래의 현미경 타원해석기의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 구성도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
300 : LED 310 : 확산기
320 : 레이저 라인 필터 330 : 와이어 타입 편광기
150 : 시편 140A : 위상 지연판
340 : 와이어 타입 분석기 160 : 현미경
180 : 2차원 어레이 검출기
본 발명은 타원 해석기에 미세 영역 이메징(imaging) 기능을 더한 현미경 타 원해석기(imaging ellipsometer)에 관한 것으로 특히, 기존 고출력 레이져 또는 고출력 할로겐램프, 제논램프와 분광기을 사용하는 방식에서 탈피하여 단색 LED(light emitting diode)와 확산기(diffuser)와 레이저라인 필터(laser line filter) 및 그리드(grid) 편광기를 도입함으로써 제작비를 줄이고 장비의 크기를 축소시킬 수 있었으며 사용을 간편하게 유지할 뿐 아니라 일정 수준 이상의 신뢰성을 유지할 수 있도록 하기 위한 LED를 이용한 현미경 타원해석기에 관한 것이다.
일반적으로, 타원해석기(Ellipsometer)는 타원해석법(ellipsometry)을 이용한 측정 기기로서, 타원해석법이란 특정 편광상태를 가지고 있는 광을 시편에 입사시킨 후, 그 반사된 광의 변화된 편광상태를 분석하여 시편이 지니고 있는 광학적 정보를 수집하는 기술이다. 이는 시편이 지닌 광학적 성질을 파악할 수 있을 뿐 만 아니라, 시편이 박막인 경우, 시편의 두께도 추출할 수 있다.
상기의 기술을 이용하여 시편을 분석하는 타원해석기의 일반적인 구성과 동작 개념을 첨부한 도 1을 기준으로 살펴보면, 기존의 일반적인 타원해석기는 광원부(11), 편광 발생부(12), 측정하고자 하는 시편(13)이 놓인 시편 장착대(14), 시편 장착대(14)를 이동시키기 위한 X축 아암(15A)과 Y축 아암(15B)으로 구성된 X-Y축 이동 스테이지(15A/15B), 편광 분석부(16), 광 검출부(17), 광학대(18) 및 광학대 장착부(19)로 구성된다.
광학대(18)에는 두개의 아암이 부착되어 있으며 하나의 아암에 광원부(11)및 편광 발생부(12)가 설치되며 다른 아암에는 편광 분석부(16) 및 광 검출부(17)가 설치된다.
상술한 종래 타원해석기의 동작을 간략히 살펴보면, 광원부(11)에서 나온 광이 편광 발생부(12)를 통해 편광상태를 갖는 광이 되어 시편(13)으로 입사되면 상기 시편(13)으로부터 반사되어 나온 편광을 편광 분석부(160)가 특정한 방향으로 편광된 광만 통과시킨다.
통과된 광은 파장별로 광 검출부(170)에서 검출하고 검출된 신호를 컴퓨터 등으로 파형을 분석하여 시편이 가지고 있는 광학 정보가 분석되며, 시편(13)의 전 면적의 광학적 특성을 측정할 경우는 상기 시편 장착대를 이동하여 측정하고자 하는 시편상 위치의 광학적 특성을 측정한다.
그런데 이러한 장비에는 사용하는 빛의 단면적이 수 ㎜ 정도이기 때문에 그 보다 작은 영역에 대한 공간해상도가 없다.
따라서 공간해상도가 필요한 경우에 이 타원해석기에 현미경 광학계를 도입함으로써 수 마이크론 길이의 공간 해상도를 가진 타원해석기 변수의 이차원 현미경 상을 측정할 수 있도록 한 현미경 타원해석기(imaging ellipsometer)가 사용이 되고 있다.
첨부한 도 2와 도 3은 기존의 현미경 타원해석기의 구성 중 광 경로를 따른 구성들을 나타내는 구성 예시도로서, 도 2는 레이져(laser)를 광원으로 하는 종래의 현미경 타원해석기의 구성도이고, 도 3은 백색광과 분광기를 광원으로 하는 종래의 현미경 타원해석기의 구성도이다.
첨부한 도 2와 도 3에 도시되어 있는 구성을 참조하여 그 동작을 간략히 살펴보면, 레이져(110) 또는 백색광원(210)과 분광기(220)를 통해 나오는 단색광이 편광기(130)와 보상기(retarder, 140)를 통과하면서 특정한 편광상태가 형성되고 이 빛은 다시 시편(150)에서 반사되면서 편광상태의 변화가 야기된다.
이빛을 현미경(160)을 통하여 확대시킨 후 분석기(170)를 통과하면서 특정 편광성분만이 이차원 어레이(array) 검출기(180)에 상을 맺게 된다.
이런 밝기 상을 편광기(130), 보상기(140), 그리고 분석기(170)를 회전하면서 그 전체적 밝기를 최소화(nulling)시키는 과정을 반복한다. 그 밝기분포가 최소화되는 시점에서의 편광기(130), 보상기(140), 그리고 분석기(170)의 회전 위치각으로부터 타원해석기 상을 얻게 된다.
이와 같이 단색광을 사용하여야 하는 현미경 타원해석기에서는 시편의 작은 면적에서 반사된 빛을 현미경으로 확대하여 보통 수만에서 수십만 개의 화소(pixel)로 이루어진 넓은 이차원 어레이 검출기에 분산을 시키기 때문에 각 화소에 도달하는 빛의 밝기가 매우 약해진다.
이를 보상하기 위해 기존의 현미경 타원해석기에서는 대부분 고출력 레이져(110)를 광원으로 사용을 하고 있다. 일부에서는 수백 와트의 할로겐램프(210)에서 나온 백색광을 분광기(220)를 통과시켜 단색광을 내는 방법을 사용하기도 한다.
이들 기존 장비에 있어 레이져(110)를 사용할 경우 빔 사이즈가 작아 약간 넓은 범위를 관찰해야 할 저배율 현미경 영역에서는 빔 확장기를 설치하여야 하며, 또한 초점 형성을 위해서는 레이져가 가진 직진성을 렌즈 등을 사용하여 제거하여야 한다.
할로겐램프(210)의 경우는 분광기(220)를 부착하여야 단파장을 선택할 수 있 으며, 파장이 긴 쪽 광원을 사용하기 위해서는 오더 소팅 필터(order sorting filter)(220)를 동시에 사용하여 이차항 회절을 방지하여야 한다.
이러한 기존 광원들의 경우 밝기를 증가시키기 위해 비교적 높은 출력을 가지는데 그에 따른 전력 소모가 크며, 가격도 비교적 고가이고 또한 광원의 크기가 큰 동시에 별도의 전원공급기(power supply)및 광원의 밝기를 조절 할 수 있는 제어 장치를 필요로 하여 궁극적으로 기존 현미경 타원해석기의 전체 크기를 확대시키는 요인이 된다. 또한 할로겐램프의 경우 램프 수명이 짧아 자주 램프를 교체하여야 한다.
상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 타원 해석기에 미세 영역 이메징 기능을 더한 현미경 타원해석기에 관한 것으로 특히, 기존 고출력 레이져 또는 할로겐램프와 분광기을 사용하는 방식에서 탈피하여 단색 LED와 확산기, 레이저라인 필터 및 그리드 편광기를 도입함으로써 제작비를 줄이고 장비의 크기를 축소시켜 사용을 간편하게 유지할 뿐 아니라 일정 수준 이상의 신뢰성을 유지할 수 있도록 하기 위한 LED를 이용한 현미경 타원해석기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 특징은, 일정치 이상의 조도를 유지하며 소정의 밴드 폭을 갖는 단색광 을 조사하는 LED와; 상기 LED로부터 조사되어지는 빛을 입력받아 빛의 진행 방향을 산란시켜 빛의 균질도를 향상시켜 출력하는 확산기와; 상기 확산기를 경유하여 입사되는 빛을 타원 편광으로 전환하여 시편측으로 출력하는 타원 편광 형성수단과; 상기 시편에 반사되어 편광 상태가 변한 편광을 수용하여 빛을 확대시켜 출력하는 현미경; 및 상기 현미경에 의해 확대되어진 빛을 입력받아 전기적인 신호로 인식하고 그에 따른 밝기의 상을 형성하는 2차원 어레이 검출기를 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 부가적인 특징으로, 상기 확산기와 타원편광 형성수단사이의 광 조사 경로 상에 위치하며 상기 확산기를 경유한 빛을 입력받아 특정 밴드 폭을 갖는 파장의 빛만을 투과시켜 레이저와 유사한 단색성을 확보하는 레이저 라인 필터를 더 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 부가적인 다른 특징으로, 상기 타원편광 형성수단은 상기 레이저 라인 필터를 통과한 빛을 입력받아 선형 편광시켜 출력하는 와이어 타입 편광기와; 상기 와이어 타입 편광기를 경유하여 편광상태를 갖는 선형적 빛을 입력받아 위상을 지연시켜 타원편광 상태로 전환한 후 시편에 조사하는 위상 지연판으로 구성되는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 부가적인 또 다른 특징으로, 상기 와이어 타입 편광기를 사용하는 경우, 상기 시편에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 특정 편광성분만을 입 력받아 투과시켜 상기 현미경측으로 제공하는 와이어 타입 분석기를 더 포함하는 데 있다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
우선 본 발명에 적용된 기술적 사상을 간략히 살펴보면, 기존의 현미경 타원해석기의 문제점이 결국 광원의 밝기를 확보하기 위하여 광원으로 기존의 수십 밀리와트의 레이져나 수백 와트 출력의 할로겐램프와 분광기 조합을 사용함에 따라 이에 대한 유지보수의 비용 상승과 그 관리 어려움에 근거하기 때문에 광원을 상대적으로 저가이며 유지보수에 편리성을 제공할 수 있는 광원을 찾고자 하는 것이다.
따라서, 밝기가 충분하고 밴드 폭이 20㎚ 정도의 단색광을 발생시킬 수가 있는 최근 개발되어진 수 와트의 고출력 단색 LED를 사용한다면 종래기술의 문제점을 해소 할 수 있을 것이라는 데 착안한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 광 경로를 따른 구성들을 나타내는 구성 예시도로서, 일정치 이상의 조도를 유지하며 밴드 폭이 20㎚ 정도의 단색광을 조사하는 LED(300)와, 상기 LED(300)로부터 조사되어지는 빛을 입력받아 빛의 진행 방향을 산란시켜 빛의 균질도를 향상시켜 출력하는 확산기(diffuser, 310)와, 상기 확산기(310)를 경유한 빛을 입력받아 특정 밴드 폭을 갖는 파장의 빛만을 투과시켜 레이저와 유사한 단색성을 확보하는 레이저 라인 필터(laser line filter)(320)와, 상기 레이저 라인 필터(320)를 통과한 빛을 입력받아 선형 편광시켜 출력하는 와이어 타입 편광기(330)와, 상기 와이어 타입 편광기(330)를 경유하여 편광상태를 갖는 선형적 빛을 입력받아 위상을 지연시켜 타원편광 상태로 전환한 후 시편(150)에 조사하는 위상지연판(140A)과, 상기 시편(150)에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 특정 편광성분만을 입력받아 투과시키는 와이어 타입 분석기(340)와, 상기 와이어 타입 분석기(340)를 통과한 특정 편광성분의 빛을 확대시켜 출력하는 현미경(160), 및 상기 현미경(160)에 의해 확대되어진 빛을 입력받아 전기적인 신호로 인식하고 그에 따른 밝기의 상을 형성하는 2차원 어레이 검출기(180)로 구성된다.
상술한 바와 같은 구성 중 확산기(310)가 구비되는 이유는 광원으로 사용되는 단색 LED(300)는 다수의 소형 전극으로 구성되어 있으므로 그 밝기의 균질도가 떨어지는 단점이 있으므로, 상기 단색 LED(300)로부터 조사되는 빛을 빛의 진행 방향에 대해 산란시켜 빛의 균질도를 향상시키기 위한 것이다.
또한, 상기 구성 중 레이저 라인 필터(320)는 상기 단색 LED(300)로부터 조사되는 빛의 밴드 폭을 더울 줄이고자 할 때 사용하는 구성이다.
이때, 확산기(310)와 레이저 라인 필터(320)의 병용은 빛의 밝기를 크게 떨어 뜨려 고출력 LED의 밝기만으로는 2차원 어레이 검출기(180)에 충분한 빛을 전달하지 못한다는 문제점을 내포하고 있다. 더욱이 측정하고자 하는 시편(150)의 반사율이 낮으면 빛의 양이 더욱 부족하게 된다.
따라서 상기 도 4에 도시되어 있는 실시예의 구성에서 참조번호 330과 340으로 지칭되는 와이어 타입 편광기와 분석기는 극히 최근에 개발된 광학부품으로써 기존의 폴라로이드식 평판 편광기와 분석기를 대체함으로써 수배이상의 투과율 향상을 가져온다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기의 동작을 살펴보면, LED(300)에서 조사되는 단색광은 확산기(310)를 통과하면서 균질성을 띄게 되고, 상기 확산기(310)를 경유함에 따라 균질성을 갖게 되어진 단색광은 레이저 라인 필터(320)를 통과하면서 더욱 향상된 단색성이 갖게 된다.
이후 와이어 타입 편광기(330)와 위상 지연판(140A)을 경유함에 따라 선형적 편광상태를 갖는 빛이 최종적으로 타원편광이 된다.
이 타원편광은 시편(150)에서 반사되면서 그 편광 상태가 변하고 이중 특정 편광 성분만이 고정된 와이어 타입 분석기(340)를 통과하면서 현미경(160)에 의해 확대되어 2차원 어레이 검출기(180)에 그 밝기 상이 형성이 된다.
이와 같은 과정을 상기 위상 지연판(140A)을 회전시켜가면서 다수 측정하여 분석함으로써 시편(150)에 대한 타원해석기 변수가 현미경상으로 표현이 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 LED를 이용한 현미경 타원해석기를 제공하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫 번째로는 광원으로 LED를 사용함으로써 레이저와 유사한 단색성을 확보하되 가격이 매우 저렴하며, 두 번째로는 광원의 크기가 매우 작고 광원을 위한 별도의 전원공급부가 필요가 없어 장비의 소형화를 실현할 수가 있고, 세 번째로는 광원이 매우 가벼워 입사각 조절에 대형 광학대 조절기구가 필요가 없어 장비의 이동이 용이하며, 마지막으로 수명이 매우 길고 견고하며 유지보수의 필요성이 거의 없다는 점이다.

Claims (4)

  1. 일정치 이상의 조도를 유지하며 소정의 밴드 폭을 갖는 단색광을 조사하는 LED;
    상기 LED로부터 조사되는 빛을 입력받아 빛의 진행 방향을 산란시켜 빛의 균질도를 향상시켜 출력하는 확산기;
    상기 확산기를 경유한 빛을 입력받아 특정 밴드 폭을 갖는 파장의 빛만을 투과시켜 레이저와 유사한 단색성을 확보하는 레이저 라인 필터;
    상기 레이저 라인 필터를 경유하여 입사되는 빛을 타원편광으로 전환하여 시편측으로 출력하는 타원편광 형성수단;
    상기 시편에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 빛을 확대시켜 출력하는 현미경; 및
    상기 현미경에 의해 확대된 빛을 입력받아 전기적인 신호로 인식하고 그에 따른 밝기의 상을 형성하는 2차원 어레이 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 현미경 타원해석기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 타원편광 형성수단은 상기 레이저 라인 필터를 통과한 빛을 입력받아 선형 편광시켜 출력하는 와이어 타입 편광기; 및
    상기 와이어 타입 편광기를 경유하여 편광상태를 갖는 선형적 빛을 입력받아 위상을 지연시켜 타원 편광 상태로 전환한 후 시편에 조사하는 위상 지연판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 LED를 이용한 현미경 타원해석기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 와이어 타입 편광기를 사용하는 경우,
    상기 시편에 반사되어 편광상태가 변한 편광을 수용하여 특정 편광 성분만을 입력받아 투과시켜 상기 현미경측으로 제공하는 와이어 타입 분석기를 더 포함하는 LED를 이용한 현미경 타원해석기.
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