KR102125068B1 - 타원해석기 - Google Patents

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KR102125068B1
KR102125068B1 KR1020180170564A KR20180170564A KR102125068B1 KR 102125068 B1 KR102125068 B1 KR 102125068B1 KR 1020180170564 A KR1020180170564 A KR 1020180170564A KR 20180170564 A KR20180170564 A KR 20180170564A KR 102125068 B1 KR102125068 B1 KR 102125068B1
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안일신
박성모
이찬양
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

본 발명은 시편의 광특성 및 박막의 두께를 측정하는 타원해석기에 관한 것으로, 광대역 파장 전 영역에서 동시에 사용가능한 타원해석기를 제공한다. 본 발명에 따른 타원해석기는 기준시편 장착대, 상기 기준시편에 입사시키는 광원부, 원편광을 출사시키는 광대역 원편광기, 기준시편에서 반사되는 광의 편광방향을 회전시키는 광대역 편광회전기, 원편광을 제거하는 광대역 원편광 필터, 측정시편 장착대 및 측정시편에서 반사되는 광의 영상을 획득하는 광영상부를 포함할 수 있다.

Description

타원해석기{Ellipsometer}
본 발명은 타원해석기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편의 광특성 및 박막의 두께를 측정하는 광학장치인 회전편광기형 분광 타원해석기에 관한 것이다.
타원해석기술(Ellipsometry)은 19세기 말부터 사용되었는데, 물질에 입사된 빛이 매질의 표면에서 반사되거나 투과할 때 그 매질의 굴절률이나 두께에 따라 빛의 편광상태가 변화하는 성질을 이용하여 물질의 광학적인 특성을 조사하는 분석법이다.
구성 광학계와 작동방식에 따라 수많은 종류의 타원해석기가 존재하는데, 도 1에 도시된 바와 같은 널(null) 이미징 타원해석기와 도 2에 도시된 바와 같은 비교형 이미징 타원해석기가 있다.
도 1을 참조하면, 널(null) 이미징 타원해석기는 단색광원(100), 광원측 선편광기(110), 보상기(120), 검출기측 선편광기(130), 그리고 이미징 렌즈(140) 및 2차원 카메라(150)로 구성된다.
널(null) 이미징 타원해석기는 광원측 선편광기(110), 보상기(120), 검출기측 선편광기(130)를 각각 독립적으로 회전시킨다. 이 광 부품들의 회전각이 특정 조합을 이룰 때는 2차원 카메라(150)로 입사되는 광이 사라지게 된다.
이러한 현상을 소광(null) 상태라 하고, 이 특정 회전각의 조합으로부터 편광상태의 변화량을 나타내는 타원해석기 변수인 {Δ와 Ψ}값이 산출될 수 있다.
널(null) 이미징 타원해석기에 시편표면(S) 적용하여, 시편표면의 상태를 확인할 수 있는데, 시편표면(S)의 광 특성이 균질한 경우에는, 관측하는 영역의 광 특성이 모두 같으므로 소광(null)된 상(image)을 얻을 수 있다. 즉, 2차원 카메라(150)에 들어오는 빛이 없는 까만 상(image)을 얻을 수 있다.
만약 시편표면(S) 일부가 오염되었거나 불량상태일 경우에는, 시편표면(S) 부분은 광 특성이 다르기 때문에, 소광(null)되지 않았으므로 상(image)의 일부분은 밝은 지점이 나타난다.
따라서, 시편을 대량 생산하는 공정에는 널(null) 이미징 타원해석기를 사용하여 시편에 있을 수 있는 불량지점을 검출할 수 있으므로, 널(null) 이미징 타원해석기는 매우 유용하게 사용될 수 있다.
그러나 널(null) 이미징 타원해석기를 이용하여 불량시편이나 불량지점을 검출하기 위해서는, 소광상태가 될 때까지, 광원측 선편광기(110), 보상기(120), 검출기측 선편광기(130)를 회전시키면서 측정하므로, 측정시간이 오래 걸린다. 즉, 2차원 카메라(150)가 측정한 상의 대부분의 영역(불량이 없는 영역)이 까맣게 될 때까지 광원측 선편광기(110), 보상기(120), 검출기측 선편광기(130)를 회전시키면서 측정하기 때문에 측정시간이 오래 걸린다.
또한 사용자가 널(null) 이미징 타원해석기의 장비운용에 대한 상당한 지식과 숙련도가 필요하다. 따라서, 측정시간 또는 측정오차를 감소시키면서, 불량시편이나 불량지점을 효과적으로 검출할 수 있는 비교형 이미징 타원해석기가 개발되었다.
비교형 이미징 타원해석기는 측정시편을 표준시편과 직접 비교하여 소광(null) 여부를 확인할 수 있는 타원해석기이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 비교형 이미징 타원해석기를 설명한다. 도 2는 종래의 비교형 이미징 타원해석기를 나타내고, 도 3은 두 편광성분의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 비교형 이미징 타원해석기는 단색광원(100), 광원측 선편광기(110), 90도-편광회전기(160), 검출기측 선편광기(130), 그리고 이미징 렌즈(140) 및 2차원 카메라(150)로 구성된다.
이 때 광원측 선편광기(110)와 검출기측 선편광기(130)는 편광축이 서로 평행하도록 위치한다. 그리고, 90도-편광회전기(160)는 기준시편(S1)에서 발생한 편광의 방향을 90도 회전시키는 역할을 한다.
따라서, 도 3을 참조하면, 광원측 선편광기(110)에서 나온 선편광(R1)의 성분 중에서, 입사면에 평행한 편광성분인 p-파와 입사면에 수직한 편광성분인 s-파는 기준시편(S1)에서 각각 다르게 반사되면서 편광상태의 차이가 발생한다.
그런데, 이렇게 편광상태가 변한 빛(R2)이 90도-편광회전기(160)를 통과하면 편광방향이 90도 회전을 하므로, p-파가 s-파가 되고, s-파는 p-파가 된 상태의 광이 측정시편(S2)에 입사하게 된다.
이 때, 측정시편(S2)의 광 특성이 기준시편(S1)과 동일하면 편광상태의 변화가 역으로 발생하므로 두 시편에서 발생한 편광변화는 상쇄된다. 다만, 편광변화는 상쇄되나, 편광방향은 90도 회전된다.
따라서, 광원측 선편광기(110)에서 나온 선편광은 그대로 선편광 상태를 유지하되, 편광방향은 90도 회전하여 검출기측 선편광기(130)에 입사된다.
그런데, 검출기측 선편광기(130)와 광원측 선편광기(110)의 편광축이 서로 평행하게 놓여 있으므로 이 빛은 검출기측 선편광기(130)를 통과하지 못하게 된다. 즉, 소광(null) 상태가 되어 2차원 카메라(150)에 들어오는 빛은 없다.
만일, 비교가 되는 측정시편(S2)의 일부분이라도 그 특성이 기준시편(S1)과 다르면, 기준시편(S1)과 특성이 다른 측정시편(S2)의 부분에 대해서는 소광(null) 상태가 되지 않으므로 2차원 카메라(150)로 측정한 상(image)에서 그 부분은 밝게 나타난다.
이 비교형 이미징 타원해석기는 앞에서 소개한 널(null) 이미징 타원해석기에서처럼 광원측 선편광기(110), 보상기(120), 그리고 검출기측 선편광기(130)를 각각 독립적으로 회전시키면서 소광(null)이 되는 경우를 찾는 과정이 필요 없으므로 측정속도가 매우 빠르다.
또한, 사용자가 타원해석기의 장비운용에 대한 상당한 지식이나 숙련이 필요가 없어 매우 편리하지만, 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 90도-편광회전기(160)는 파장에 따라 편광을 회전하는 각도가 다르므로, 비교형 이미징 타원해석기는 하나의 파장에서만 작동한다. 따라서, 기준시편과 측정시편과의 광 특성 차이가 발생하는 파장영역이 측정에 사용하는 파장과 다를 경우에는, 두 시편에 차이가 있음을 감지하지 못하게 되는 문제점이 있다.
둘째, 파장을 변경할 경우 매번 변경된 파장에 맞는 90도-편광회전기(160)를 장착하여야 하기 때문에, 사용에 번거로운 문제점이 있다.
셋째, 검출기측 선편광기(130)의 편광축과 광원측 선편광기(110)의 편광축은 서로 평행하게 장착을 하여야 하는데, 도 2에 나타난 바와 같이, 타원해석기의 구조상 검출기측 선편광기(130)와 광원측 선편광기(110)가 일직선 상태가 아니므로, 장착과정에서 오차가 발생할 가능성이 큰 문제점이 있다.
넷째, 이 비교형 이미징 타원해석기에서는 상의 일부분이 소광(null)이 되지 않을 경우 기준시편(S1)과 측정시편(S2)의 광 특성이 다르다는 정도의 정성적인 정보만을 제공하여 한계가 있다.
(KR) 등록특허 제10-0222320호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 광대역 파장을 동시 사용가능케 하는 타원해석기를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기존의 선편광기 장착에 따르는 오차를 배제하고, 기준시편과 측정시편의 광 특성 차이를 정량적으로 분석가능한 타원해석기를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기는 기준시편이 장착되는 기준시편 장착대; 상기 기준시편 장착대의 일단에 마련되며, 광을 발생시켜 상기 기준시편에 입사시키는 광원부; 상기 광원부에서 발생한 광을 광대역 파장에서 원편광으로 출사시키는 광대역 원편광기; 상기 기준시편 및 측정시편 사이의 광 경로상에 마련되어, 상기 기준시편에서 반사되는 광의 편광방향을 회전시키는 광대역 편광회전기; 상기 광대역 원편광기에서 출사된 원편광을 제거하는 광대역 원편광 필터; 일단이 상기 기준시편 장착대의 타단에 결합되며, 측정시편이 장착되는 측정시편 장착대; 및 상기 측정시편 장착대의 타단에 마련되며, 상기 측정시편에서 반사되는 광의 영상을 획득하는 광영상부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 원편광기는 상기 광대역 원편광기를 통과한 원편광이 상기 기준시편에 입사되도록, 상기 광원부 및 상기 기준시편 사이의 광 경로상에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 원편광 필터는 상기 측정시편에서 반사된 광에서 원편광을 제거할 수 있도록, 상기 측정시편 및 상기 광영상부 사이의 광 경로상에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 원편광기는, 제1 선편광기 및 사분파장 프레넬 롬을 포함하고, 상기 제1 선편광기의 편광축은 상기 사분파장 프레넬 롬에 대하여 45°를 이루도록 상기 제1 선편광기 및 상기 사분파장 프레넬롬이 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 편광회전기는 반파장 프레넬 롬을 포함하고, 상기 반파장 프레넬 롬은 상기 기준시편에서 반사된 광의 입사면에 대해 45° 기운 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 원편광 필터는, 제2 선편광기 및 광대역 사분파장판을 포함하고, 상기 제2 선편광기 및 상기 광대역 사분파장판은 45°를 이루도록 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기는 필터선택부를 더 포함할 수 있고, 필터선택부는 기준시편 장착대에서 상기 광원부 및 상기 광대역 원편광기 사이에 마련되며, 파장영역 별로 구성된 복수의 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터선택부는 휠 형태로 구성되고, 상기 복수의 필터 각각은 상기 휠의 원주를 따라 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 광대역 편광회전기는 사용목적에 따라 제거되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기는 상기 광대역 편광회전기를 지지하는 지지장치를 더 포함하고, 상기 지지장치는 광대역 편광회전기를 제거하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기는 광대역 파장 전 영역에서 동시에 사용가능하기 때문에 측정시편의 광 특성이 기준시편과 일부 파장에서만 다른 경우에도 측정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 타원해석기는 원편광계를 사용하여 광대역 원편광기와 광대역 원편광 필터의 상대적 위치 설정 오차의 문제를 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 타원해석기는 측정시편과 기준시편의 광 특성 차이에서 기인한 소광(null)이 안되어 나타나는 밝기신호를 정량적으로 산출할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 널(null) 이미징 타원해석기를 나타낸다.
도 2는 종래의 비교형 이미징 타원해석기를 나타낸다.
도 3은 두 편광성분의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기는 기준시편 장착대(600), 광원부(200), 필터휠(210), 광대역 원편광기(300), 광대역 편광회전기(400), 광대역 원편광 필터(500), 측정시편 장착대(700) 및 광영상부를 포함한다.
광원측 구성요소인 광원부(200), 필터휠(210), 광대역 원편광기(300)는 기준시편 장착대(600)에 마련되고, 검출기측 구성요소인 광대역 원편광 필터(500) 및 광영상부는 측정시편 장착대(700)에 마련된다.
보다 구체적으로, 기준시편 장착대(600)는 바(bar) 형태로 형성되며, 일단에는 광원부(200)가 마련되고, 순서대로 필터휠(210), 광대역 원편광기(300)가 배치되며, 기준시편(S1)은 광대역 원편광기(300) 다음 순서에 장착된다.
측정시편 장착대(700)도 기준시편 장착대(600)와 마찬가지로 바(bar) 형태로 형성되며, 측정시편(S2)이 장착되고, 측정시편(S2)에서 반사된 광의 경로 방향으로 순서대로 광대역 원편광 필터(500), 이미징 렌즈(140) 및 카메라(150)가 배치된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광영상부는 상기 이미징 렌즈(140) 및 카메라(150)를 구성하는 것으로 지칭된다. 본 발명의 일 실시예에서, 카메라(150)는 2차원 카메라가 사용되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
측정시편 장착대(700)의 일단은 기준시편 장착대(600)의 타단에 연결된다. 측정시편 장착대(700)의 일단과 기준시편 장착대(600)의 타단의 결합에 의해 측정시편 장착대(700)는 기준시편 장착대(600)와 소정의 기울기를 형성하게 된다.
측정시편 장착대(700)의 일단과 기준시편 장착대(600)의 타단이 연결되는 부분에는 반파장 프레넬 롬(Fresnel rhomb, 400)으로 구성된 광대역 편광회전기가 마련된다.
광대역 편광회전기를 구성하는 반파장 프레넬 롬(400)은 기준시편(S1)에서 반사된 빛이 측정시편(S2)에 입사하는 광 경로 상에 위치하고, 기준시편(S1)에서 반사된 편광을 90°회전시키는 기능을 수행한다. 광대역 편광회전기(400)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
광원부(200)를 구성하는 광원은 예를 들어, 텅스텐 할로겐 램프, 제논램프(Xe arc lamp), 중수소 램프(deuterium lamp), 백색 LED 등과 같은 백색광원이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터휠(210)은 광원부(200)에서 발생한 백색광의 가시광선 파장 영역을 전부 선택하는 광대역 필터와 단색을 선택하는 대역통과필터(band-pass filter)를 구비하여, 사용자가 휠을 회전시켜 사용목적에 따라 파장영역을 선택할 수 있다.
다시 설명하면, 광원부(200)에서 발생한 백색광은 필터휠(210)에 장착된 필터들 중 어느 하나의 필터를 통과하여 가시광선 전부 또는 단색광이 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 가시광선 파장 영역을 전부 선택하는 광대역 필터를 사용하는 경우에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원편광기(300)는 광대역 파장에 대하여 원편광을 제작할 수 있는 것으로, 제1 선편광기(320)와 사분파장 프레넬 롬(Fresnel Rhomb, 310)으로 구성된다.
광대역 원편광기(300)를 구성하는 사분파장 프레넬 롬(310)은 가시광선 전 파장에 있어 p-파와 s-파에 대해 90°, 즉, 1/4 파장의 위상차를 제공한다. 종래의 기술은 오직 한 파장에 대해서만 작동하는 점이 본 발명과 차이가 있다.
광대역 원편광기(300)에서는 제1 선편광기(320)의 편광축이 사분파장 프레넬 롬(310)에 대하여 45°를 이루도록 제1 선편광기(320) 및 사분파장 프레넬 롬(310)이 결합되어 있는데, 이러한 구조는 사분파장 프레넬 롬(310)을 통과한 가시광선이 파장에 무관하게 원편광되게 할 수 있다.
다시 말해서, 광원측에 배치된 제1 선편광기(320)와 사분파장 프레넬 롬(310)은 기계적으로 고정 결합되어 있으며, 광대역 원편광기(300) 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편광회전기는 반파장 프레넬 롬(400)으로 구성되는데, 가시광선 전 파장에 있어 p-파와 s-파에 대해 반파장에 해당하는 180도의 위상차를 제공한다.
반파장 프레넬 롬(400)은 기준시편(S1)에서 반사된 광의 입사면에 대해 45° 기울어 있는데, 이 구조에 의하여 입사하는 가시광선의 편광을 파장에 무관하게 90° 회전시킬 수 있다.
그리고 반파장 프레넬 롬(400)을 지지하고 있는 지지장치(410)는 필요에 따라 반파장 프레넬 롬(400)을 광 경로에서 제거시키는 데 사용된다.
그리고, 지지장치(410)는 상기 기준시편에서 반사되는 광이 측정시편에 입사하도록 반파장 프레넬 롬(400)의 상하 위치를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 원편광 필터(500)는 제2 선편광기(520) 및 광대역 사분파장판(510)을 포함하는데, 제2 선편광기(520) 및 광대역 사분파장판(510)은 서로 45°기울도록 고정 결합된다.
광대역 원편광 필터(500)는 광대역 원편광기(300)가 발생시킨 원편광을 제거하는 기능을 한다.
한편, 사분파장 프레넬 롬(310)과 광대역 사분파장판(510)은 모두 가시광선 전 영역을 포함하는 광대역에서 90°(1/4 파장)의 위상차를 제공하나, 그 정밀도 측면에서는 사분파장 프레넬 롬(310)이 광대역 사분파장판(510)보다 우수하다.
하지만 사분파장 프레넬 롬(310)은 부품의 두께가 매우 두껍기 때문에 사분파장 프레넬 롬(310)을 통하여 상(image)을 관측하기는 매우 어렵다. 따라서, 이미징 렌즈(140)를 통해서 측정시편(S2)의 상(image)을 얻기 위해서는 광대역 원편광 필터(500)에서 두께가 얇은 광대역 사분파장판(510)를 사용한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 타원해석기의 동작 원리와 그에 따라 두 시편의 특성차를 이용하여 측정시편의 불량을 감지하는 방법을 설명한다.
광대역 원편광기(300)를 통과한 빛은 원편광이 되어 기준시편(S1)에 특정입사각(θ)으로 입사한다. 입사각(θ)은 기존의 타원해석기에서와 같이 측정감도가 좋은 70° 전후를 사용하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 기준시편(S1)과 측정시편(S2)에 빛이 들어오는 입사각(θ)은 동일하다.
기준시편(S1)에 입사한 원편광은 p-파와 s-파의 서로 다른 반사특성으로 인하여 반사된 편광의 특성이 변하게 된다. 즉, 기준시편(S1)에서 반사된 편광은 ‘p-파’와 ‘s-파’ 간의 위상차 Δ1과 ‘p-파’와 ‘s-파’ 간의 전기장 세기의 반사비 관련 값 Ψ1을 가지게 되고, 기준시편(S1)에서 반사된 편광은 일반적으로 타원편광이다.
기준시편(S1)에서 반사된 타원편광은 반파장 프레넬 롬(400)을 통과하면서 90° 회전하여 p-파와 s-파의 방향이 서로 바뀌게 된다. 90° 회전에 의해 방향이 바뀐 타원편광은 동일한 입사각(θ)을 가지고 측정시편(S2)에 입사한다. 즉, ‘p-파’와 ‘s-파’가 서로 바뀌어 측정시편(S2)에 입사하게 된다.
측정시편(S2)에서 반사된 편광은 'p-파’와 ‘s-파’ 간의 위상차 Δ2과 p-파’와 ‘s-파’ 간의 전기장 세기의 반사비 관련값 Ψ2을 가지게 된다.
그런데 ‘p-파’와 ‘s-파’가 서로 바뀌었으므로 이 {Δ2, Ψ2} 값은 원래 편광 기준에서 보면 {-Δ2, 1/Ψ2}가 된다. 따라서, 두 시편에서 반사된 후의 ‘p-파’와 ‘s-파’ 간의 위상차는 (Δ1-Δ2)가 되고 전기장 세기의 반사비율은 (Ψ1/Ψ2)가 된다. 만일, 기준시편(S1)과 측정시편(S2)의 광 특성이 같다면 (Δ1-Δ2)=0이 되어 위상차는 상쇄되어 없어지고, (Ψ1/Ψ2)=1이 되어 두 시편에 의한 반사특성도 사라지게 된다.
즉, 이 경우 두 시편에 의해 발생한 편광상태의 변화가 서로 반대로 작용하여 상쇄되므로, 처음 광대역 원편광기(300)에서 발생한 원편광이 원래의 원편광 상태를 유지하게 된다.
그런데 이 원편광은 광대역 원편광 필터(500)에 의해 제거되므로, 카메라(150)에 도달하는 빛은 없어진다. 즉, null 상태 또는 소광 상태가 된다.
만약, 두 시편의 특성이 다르다면(예컨대, 측정시편(S2)이 불량인 경우) 두 시편을 통과한 빛의 편광상태는 (Δ1-Δ2)≠0이 되고 (Ψ1/Ψ2)≠1이 되는데, 이것은 타원편광이다. 따라서, 이 타원편광의 경우 그 성분의 일부가 광대역 원편광 필터(500)를 통과하게 되어 카메라(150)에 그 영상이 측정된다.
본 발명에서는 검출방식으로 광영상부를 구성하는 이미징 렌즈와 2차원 카메라를 이용하므로 (Δ1-Δ2)와 (Ψ1/Ψ2)값에 따른 밝기의 2차원 영상을 획득할 수 있다.
즉, 두 시편의 광 특성이 같을 경우에는 입사하는 빛이 없어 까만 영상을 얻을 수 있다. 반면 일부 또는 전체 영역에서 두 시편의 특성 차이가 나면, 까만 영상 중에 일부 또는 전부에 밝은 영역이 생기게 되며, 그 밝기의 크기는 두 시편의 특성 차에 따라 달라진다.
즉, 측정한 영상 전체가 밝거나 영상 일부에서 밝은 영역이 발생하면 측정시편(S2)에 불량이 발생했음을 즉시 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 이 불량의 원인(예컨대, 두께차이 또는 물질의 특성 차이 등)까지 정량적으로 분석이 가능하다.
즉, 지지장치(410)를 이용하여 반파장 프레넬 롬(400)을 광 경로에서 제거한 다음 측정하여 얻은 밝기 영상을 분석함으로써, 기준시편(S1)에 대한 측정시편(S2)의 두께 차 등을 산출할 수 있다.
이하, 기준시편(S1)에 대한 측정시편(S2)의 두께 차 등을 산출하기 위하여 밝기 신호를 해석하는 방법에 대하여 존즈 매트릭스를 이용하여 설명한다.
광원부(200)에서 발생한 빛이 광대역 원편광기(300), 기준시편(S1), 반파장 프레넬 롬(400), 측정시편(S2) 및 광대역 원편광 필터(500)를 순서대로 거쳐 형성된 빛(
Figure 112018130989306-pat00001
)는 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018130989306-pat00002
수학식 1의 맨 오른쪽 에서부터,
Figure 112018130989306-pat00003
는 광대역 원편광기(300)가 만들어 낸 원편광을 의미한다.
Figure 112018130989306-pat00004
는 기준시편(S1)에 의한 p-파와 s-파에 대한 반사특성이다.
Figure 112018130989306-pat00005
는 p-파의 반사특성이고,
Figure 112018130989306-pat00006
는 s-파의 반사특성이다.
Figure 112018130989306-pat00007
는 측정시편(S2)에 의한 s-파와 p-파에 대한 반사특성이다. 단, 여기서 s-파와 p-파 성분의 위치가 기준시편(S1)의 경우에 비해 서로 바뀐 것은 두 시편 사이에 위치한 반파장 프레넬 롬(400)이 p-파와 s-파를 90° 회전시켰기 때문이다.
Figure 112018130989306-pat00008
는 광대역 원편광 필터(500)를 의미한다.
이를 바탕으로, 수학식1을 계산해 보면, 두 시편의 반사특성이 같을 경우, 즉,
Figure 112018130989306-pat00009
일 경우 통과한 빛(
Figure 112018130989306-pat00010
)은 0이다. 즉, 소광(null)이 되어 2차원 카메라가 측정한 상(image)은 까맣게 된다.
만일, 측정시편(S2) 일부분의 반사특성이 기준시편(S1)의 반사특성과 다르면
Figure 112018130989306-pat00011
이 되므로, 빛(
Figure 112018130989306-pat00012
)은 0이 되지 않는다. 즉, 통과한 빛(
Figure 112018130989306-pat00013
)이 있으므로 2차원 카메라가 측정한 상(image)에 밝은 부분이 나타나게 된다.
앞서 설명한 수학식 1에서 측정시편(S2)의 반사특성이 기준시편(S1)의 반사특성과 다르면
Figure 112018130989306-pat00014
이 되어 통과한 빛(
Figure 112018130989306-pat00015
)이 있게 되고, 2차원 카메라가 측정한 상(image)에 밝은 부분이 나타나게 된다. 이 때, 측정된 밝기 신호를
Figure 112018130989306-pat00016
라 지칭한다.
그리고, 지지장치(410)를 이용하여 반파장 프레넬 롬(400)을 광 경로에서 제거한 다음 측정한 신호를
Figure 112018130989306-pat00017
라 지칭한다. 이 두 신호를 서로 나누면 수학식 2와 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112018130989306-pat00018
여기서,
Figure 112018130989306-pat00019
는 각각 기준시편(S1)과 측정시편(S2)에서 p-파와 s-파 사이에 발생한 위상차이다.
Figure 112018130989306-pat00020
는 기준시편(S1)과 측정시편(S2)에서 p-파와 s-파 사이에 발생한 반사계수의 비율이다.
이 두 물리량
Figure 112018130989306-pat00021
값은 광학박막이론을 이용하여 계산이 가능하므로 측정값인
Figure 112018130989306-pat00022
와 상기 수학식 2를 이용하여 측정시편(S2)에 관한 굴절률 및 두께 수치를 정량적으로 산출할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 타원해석기를 이용하면, 측정시편(S2)에 관한 특성인 굴절률 및 두께 수치를 정량적으로 산출할 수 있는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 단색광원 110 : 광원측 선편광기
120 : 보상기 130 : 검출기측 선편광기
140 : 이미징 렌즈 150 : 카메라
160 : 90도-편광회전기
200 : 광원부 210 : 필터휠
300 : 광대역 원편광기 310 : 사분파장 프레넬 롬
320 : 제1 선편광기
400 : 광대역 편광회전기, 반파장 프레넬 롬 410 : 지지장치
500 : 광대역 원편광 필터 510 : 광대역 사분파장판
520 : 제2 선편광기
600 : 기준시편 장착대
700 : 측정시편 장착대

Claims (10)

  1. 기준시편이 장착되는 기준시편 장착대;
    상기 기준시편 장착대의 일단에 마련되며, 광을 발생시켜 상기 기준시편에 입사시키는 광원부;
    상기 광원부에서 발생한 광을 광대역 파장에서 원편광으로 출사시키는 광대역 원편광기;
    상기 기준시편 및 측정시편 사이의 광 경로상에 마련되어, 상기 기준시편에서 반사되는 광의 편광방향을 회전시키는 광대역 편광회전기;
    상기 광대역 원편광기에서 출사된 원편광을 제거하는 광대역 원편광 필터;
    일단이 상기 기준시편 장착대의 타단에 결합되며, 측정시편이 장착되는 측정시편 장착대; 및
    상기 측정시편 장착대의 타단에 마련되며, 상기 측정시편에서 반사되는 광의 영상을 획득하는 광영상부;를 포함하며,
    상기 광대역 원편광기는 전 파장의 p파와 s파에 대해 특정 파장만큼의 위상차이를 발생시키고,
    상기 광대역 원편광기는,
    제1 선편광기 및 사분파장 프레넬 롬을 포함하며,
    상기 제1 선편광기의 편광축은 상기 사분파장 프레넬 롬에 대하여 45°를 이루도록 상기 제1 선편광기 및 상기 사분파장 프레넬롬이 결합된 타원해석기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광대역 원편광기를 통과한 원편광이 상기 기준시편에 입사되도록,
    상기 광대역 원편광기는 상기 광원부 및 상기 기준시편 사이의 광 경로상에 마련되는 타원해석기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정시편에서 반사된 광에서 원편광을 제거할 수 있도록,
    상기 광대역 원편광 필터는 상기 측정시편 및 상기 광영상부 사이의 광 경로상에 마련되는 타원해석기.
  4. 삭제
  5. 기준시편이 장착되는 기준시편 장착대;
    상기 기준시편 장착대의 일단에 마련되며, 광을 발생시켜 상기 기준시편에 입사시키는 광원부;
    상기 광원부에서 발생한 광을 광대역 파장에서 원편광으로 출사시키는 광대역 원편광기;
    상기 기준시편 및 측정시편 사이의 광 경로상에 마련되어, 상기 기준시편에서 반사되는 광의 편광방향을 회전시키는 광대역 편광회전기;
    상기 광대역 원편광기에서 출사된 원편광을 제거하는 광대역 원편광 필터;
    일단이 상기 기준시편 장착대의 타단에 결합되며, 측정시편이 장착되는 측정시편 장착대; 및
    상기 측정시편 장착대의 타단에 마련되며, 상기 측정시편에서 반사되는 광의 영상을 획득하는 광영상부;를 포함하며,
    상기 광대역 원편광기는 전 파장의 p파와 s파에 대해 특정 파장만큼의 위상차이를 발생시키고,
    상기 광대역 편광회전기는 반파장 프레넬 롬을 포함하며,
    상기 반파장 프레넬 롬은 상기 기준시편에서 반사된 광의 입사면에 대해 45° 기운 것을 특징으로 하는 타원해석기.
  6. 기준시편이 장착되는 기준시편 장착대;
    상기 기준시편 장착대의 일단에 마련되며, 광을 발생시켜 상기 기준시편에 입사시키는 광원부;
    상기 광원부에서 발생한 광을 광대역 파장에서 원편광으로 출사시키는 광대역 원편광기;
    상기 기준시편 및 측정시편 사이의 광 경로상에 마련되어, 상기 기준시편에서 반사되는 광의 편광방향을 회전시키는 광대역 편광회전기;
    상기 광대역 원편광기에서 출사된 원편광을 제거하는 광대역 원편광 필터;
    일단이 상기 기준시편 장착대의 타단에 결합되며, 측정시편이 장착되는 측정시편 장착대; 및
    상기 측정시편 장착대의 타단에 마련되며, 상기 측정시편에서 반사되는 광의 영상을 획득하는 광영상부;를 포함하며,
    상기 광대역 원편광기는 전 파장의 p파와 s파에 대해 특정 파장만큼의 위상차이를 발생시키고,
    상기 광대역 원편광 필터는,
    제2 선편광기 및 광대역 사분파장판을 포함하며,
    상기 제2 선편광기 및 상기 광대역 사분파장판은 45°를 이루도록 결합된 타원해석기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준시편 장착대에서 상기 광원부 및 상기 광대역 원편광기 사이에 마련되며,
    파장영역 별로 구성된 복수의 필터를 포함하는 필터선택부를 더 포함하는 타원해석기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터선택부는 휠 형태로 구성되고, 상기 복수의 필터 각각은 상기 휠의 원주를 따라 마련된 것을 특징으로 하는 타원해석기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광대역 편광회전기는 사용목적에 따라 제거되는 것을 특징으로 하는 타원해석기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광대역 편광회전기를 지지하는 지지장치를 더 포함하고,
    상기 지지장치는 상기 광대역 편광회전기를 제거하는 것인 타원해석기.
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