KR20040073251A - 분광학적 타원해석법을 이용하여 강유전체 단결정의물리적 물성을 측정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

분광학적 타원해석법을 이용하여 강유전체 단결정의물리적 물성을 측정하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분광학적 타원해석법을 이용하여 강유전체 단결정의 물리적 물성을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 일련의 광학장치, 온도조절장치 및 컴퓨터를 포함하는 본 발명에 따른 장치를 이용하면 강유전체 단결정의 유전상수 및 상전이 온도를 간편하고 신속하게 측정할 수 있으며, 이로부터 단결정 표면 전체의 유전상수 및 조성의 균일성을 용이하게 판단할 수 있다.

Description

분광학적 타원해석법을 이용하여 강유전체 단결정의 물리적 물성을 측정하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING PHYSICAL PROPERTIES OF FERROELECTRIC SINGLE CRYSTAL USING SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETRY}
본 발명은 분광학적 타원해석법을 이용하여 강유전체 단결정의 물리적 물성을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명이 제공하는 장치를 사용하면, 강유전체 단결정의 유전상수 및 상전이 온도를 간편하고 신속하게 측정할 수 있으며, 특히 표면 전체의 유전상수 및 조성의 균일성을 쉽게 파악할 수 있다.
타원해석법은 편광된 빛이 물체 표면에서 반사될 때 변화되는 편광 상태를 측정하여 물질의 광학적 성질 및 표면, 미세 구조적 특성을 측정하는 분석 방법으로서, 현재 물리, 화학, 반도체, 재료 분야에서 널리 이용되고 있다. 이 타원해석법은 표면으로부터 반사되어 나온 빛의 위상차와 진폭변화를 서로 독립적으로 측정함으로써 표면상의 단층 수준의 변화뿐 아니라 진공, 공기, 반응성 기체, 용액, 플라즈마와 같은 극한 환경 속에서도 실시간 측정이 가능하며, 다른 어떤 측정 방법보다 절차가 간단하고 측정시간이 짧기 때문에 활용 방법에 따라 생산성 향상에 크게 도움을 줄 수 있다.
일반적인 타원해석 장치는 강유전체 물질의 물성을 직접 측정해 주지는 않고 Δ와 Ψ의 두개의 타원해석각을 제공하므로, 이로부터 물질의 물성을 파악하기 위해서는 측정 후 소정의 프로그램을 통한 분석 작업을 거쳐야 하는데, 예를 들어 다음과 같은 관계식을 이용하면 타원해석법에서 나온 데이터를 물질의 유전상수(전하를 저장하는 능력의 척도)값으로 변환할 수 있다.
여기서, ε은 유전상수이고, N은 굴절률이며, θ는 입사각이고, ρ는 복소반사계수비이다.
그러나, 분광학적 타원해석법에서 사용하는 빛의 주파수는 단결정 물질의 유전 상수를 측정하는데 일반적으로 사용되는 교류 주파수에 비해 굉장히 큰 값을 가지며, 유전 상수값은 주파수에 따라 달라지는 특성을 가지므로, 지금까지는 타원해석법을 이용하여 단결정 물질의 유전 상수를 측정하지는 못 하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 타원해석법을 이용하여 신속하게 강유전체 단결정의 물리적 물성을 측정하는데 사용될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 장치를 이용하여 단결정의 유전상수 또는 상전이 온도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 단결정의 물리적 물성 측정장치의 개략도이고,
도 2는 분광학적 타원해석법에 의해 일정 간격으로 측정된, 강유전체 단결정 웨이퍼 표면 전체에 대한 유전상수값들의 분포를 나타낸 도이며,
도 3은 분광학적 타원해석법 및 교류전계 인가에 의해 얻어진, 강유전체 단결정의 유전상수값들 간의 상관관계를 보여주는 그래프이며,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 방법 및 종래의 방법에 의해 얻어진 강유전체 단결정의 상전이 온도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 부호에 대한 간단한 설명>
10: 광원 20: 편광발생부
30: 단결정 탑재부 31: 가열기
40: 편광분석부 50: 분광검출부
60: 구동부 70: 가열기 제어수단
80: 전원공급부 90: 케이스
100: 컴퓨터
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
(A) 가시광 광원(10), 강유전체 단결정 탑재부(30), 상기 광원(10)과 단결정 사이에 위치하여 광원에서 나온 빛을 편광시키는 편광발생부(20), 단결정에 의해 반사된 편광을 분석하는 편광분석부(40), 및 상기 편광분석부(40)를 통과한 편광의 분광학적 특성을 측정하는 분광검출부(50)를 포함하는 광학장치;
(B) 단결정에 밀접하게 위치하여 그의 온도를 조절하는 가열기(31) 및 가열기 제어수단(70)을 포함하는 온도조절장치; 및
(C) 상기 광학장치와 연결되어, 상기 분광검출부(50)에서 검출된 분광값을 프로그램을 통해 원하는 물성값으로 변환시키는 컴퓨터(100)를 포함하는,
강유전체 단결정의 물리적 물성 측정장치를 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 강유전체 단결정의 물리적 물성 측정장치의 개략도로서 광학장치(광원(10), 편광발생부(20), 강유전체 단결정 탑재부(30), 편광분석부(40) 및 분광검출부(50)); 온도조절장치(가열기(31) 및 가열기 제어수단(70)); 및 컴퓨터(100)를 포함한다. 이때, 물성을 측정하고자 하는 강유전체 단결정 시료를 탑재부(30)에 장착한 다음 전원공급부(80)와 구동부(60)에 의해 본 발명의 장치를 구동시키며, 설치 및 사용상 편의를 위해, 광학장치를 비롯한 여러 부분들이 하나의 케이스(90) 내에 들어갈 수 있다.
본 발명에 따른 장치를 사용하여 강유전체 단결정의 물성을 분석하는 대표적인 절차는 다음과 같다; 광원(10)에서 나온 빛이 구동부(60)에 의해 조절되는 편광발생부(20)를 통과하여 일정한 방향으로 편광이 된다. 편광은 단결정의 표면에 특정한 각도로 입사되는데, 입사되는 빛의 파장은 200 내지 600 ㎚의 범위에서 변화한다. 입사된 빛은 단결정의 표면 특성에 따라 진폭과 위상이 변하여 반사되고, 반사된 편광은 편광분석부(40)에서 분석되어 분광검출부(50)에서 빛의 강도 및 Δ와 Ψ의 두 타원해석각으로 검출된다. 검출된 분광값은 컴퓨터(100)로 전송되어 소정의 프로그램을 통해 원하는 물성 값으로 변환된다. 가열기(31)로 단결정의 온도 프로파일을 변화시켜 온도에 따라 변하는 단결정의 물성을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 실시양태로서, 본 발명의 장치를 이용하여 강유전체 단결정의 유전상수를 측정할 수 있다.
구체적으로, (a) 강유전체 단결정 시료의 미리 정해진 위치에서 교류전계 인가에 의해 저주파 대역 유전상수값을 측정하는 단계;
(b) 상기 단결정 시료의 동일한 측정 위치들에서 분광학적 타원해석법에 의해 고주파 대역 유전상수값을 측정하는 단계;
(c) 상기 단계 (a) 및 (b)에서 각각 얻어진, 저주파 대역 및 고주파 대역 유전상수값들 간의 상관관계 수식을 구하여 본 발명의 장치의 컴퓨터(100)에 상관관계식을 입력하는 단계; 및
(d) 상기 시료와 동일한 조성을 갖는, 유전상수값을 측정하고자 하는 강유전체 단결정의 고주파 대역 유전상수값을 측정한 후, 이 측정치를 상기 컴퓨터를 이용하여 저주파 대역 유전상수값으로 변환시키는 단계를 수행함으로써, 강유전체 단결정의 유전상수를 측정할 수 있다.
단계 (a)에서의 교류전계 인가에 의한 저주파 대역 유전상수의 측정은 단결정의 상부면 및 하부면 위에 전극 물질을 증착한 후 교류전계를 인가함으로써 수행된다. 인가된 교류의 주파수는 1 내지 100 kHz 범위로 낮으며, 분광학적 타원해석법에서 사용된 빛의 주파수는 1.2×015내지 6.0×015Hz 범위로 높다.
본 발명의 방법은 강유전성의 유전상수값(저주파 대역 유전상수값)을 종래의 교류전계 인가법보다 더 간편하고 신속하게 제공할 수 있으며, 나아가, 강유전체 단결정 표면 전체의 유전상수 지도를 만들 수 있다.
예를 들어, 한국 특허공개 제2001-96505호에 기재된 방법으로 제조된 강유전체 단결정 (PMN-PT: 0.65[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.33[PbTiO3]0.02[LiTaO3]-1[Pt]1[NiO]) 웨이퍼의 고주파 대역 유전상수 지도를 분광학적 타원해석법으로 측정하여 도 2에 나타내었다.
가로 세로 5 ㎜ 간격의 측정점에 대하여 유전상수값을 측정하였으며, 사용된 입사광의 주파수는 1015Hz였다. 도 2에 도시된 영역(200)은 특정 기준값 이상의 유전 상수값이 고르게 분포하는 영역을 나타낸다.
도 3은, 상기 유전상수값들과, 교류전계 인가법에 의해 얻어진 도 2에 언급된 단결정 웨이퍼의 유전상수값들 간의 상관관계를 나타내는 그래프를 도시한다. 교류전계 인가를 위해, 104Hz의 주파수로 전압을 인가하기에 앞서 단결정 웨이퍼를 전극 물질로 코팅하였다. 도 3에서 만들어진 상관관계는 하기 식으로 표현될 수있다:
이에 따라, 상기 웨이퍼와 동일 조성을 갖는 강유전체 단결정의 ε ellipso 값을 측정하고, 얻어진 ε ellipso 값을 상기 등식을 이용하여 ε 10kHz 유전상수값으로 전환시킨다. 이때, ε 10kHz 는 10kHz의 주파수로 교류전계를 인가함으로써 얻어진 저주파 대역 유전상수값이며; ε ellipso 는 분광학적 타원해석법에 의해 얻어진 고주파 대역 유전상수값이다.
본 발명에 따른 또다른 하나의 실시양태로서, 본 발명 장치에 장착된 단결정의 온도를 상승시키면서 분광검출부(50)에서 얻어지는 타원해석각이 급변하는 때의 온도를 결정함으로써 강유전체 단결정의 상전이 온도를 측정할 수 있다.
강유전 특성을 갖는 물질들은 상온 근처에서는 강유전 특성을 나타내다가 어느 특정 온도를 넘어서면 결정 구조가 변하여 강유전 특성이 감소하거나 없어지게 된다. 이 온도를 큐리 온도(Tc)라 한다. 상전이 온도는, 통상적으로 전극 물질로 코팅된 양면을 갖는 단결정 시료를 액체 매체 중에서 가열하면서 온도에 따른 유전상수의 변화를 관찰함으로써 측정되었다.
본 발명에 따르면, 물질의 유전 특성 및 광학 특성은 그 근원이 같으므로,본 발명의 장치를 이용하여 온도에 따른 광학 특성, 즉 타원해석각의 변화를 감지함으로써 종래의 방법에 비해 보다 간편하고 신속하게 상전이 온도를 측정할 수 있으며, 나아가, 단결정 표면 전체의 상전이 온도 지도를 만들어 조성의 균일성을 판단할 수 있다.
예를 들어, 한국 특허공개 제2001-96505호에 기재된 방법으로 제조된 강유전체 단결정 (PMN-PT: 0.65[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.33[PbTiO3]0.02[LiTaO3]-1[Pt]1[NiO]) 웨이퍼의 상전이 온도의 표면 분포를 본 발명의 방법에 의해 측정할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 방법에 따라 측정된, 온도에 따른 타원해석각의 변화를, 그리고 도 4b는 종래의 방법에 따라 측정된, 온도에 따른 유전상수의 변화를 나타낸다.
먼저, 도 4b에서 약 105℃ 및 약 140℃에서 유전상수의 급작스런 변화가 일어남을 알 수 있다. 140℃는 상기 언급한 큐리 온도에 해당하며, 105℃는 웨이퍼의 사방정 결정구조가 정방정 결정구조로 변하는 온도(Trt)에 해당한다.
도 4a는 두 온도점, 즉 105℃와 136℃에서 타원해석각의 비교적 급작스런 변화가 일어남을 도시하는데, 이 온도는 각각 도 4b에서 관찰된 상전이 온도들과 일치하는 값이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 장치 및 방법을 이용하면, 임의의 조건하에서 임의의 형태의 강유전체 단결정의 유전상수 및 상전이 온도를 간편하고 경제적으로 측정할 수 있으며, 특히 표면 전체의 유전상수 및 조성의 균일성을 쉽게 파악할 수 있다.

Claims (6)

  1. (A) 가시광 광원(10), 강유전체 단결정 탑재부(30), 상기 광원(10)과 단결정 사이에 위치하여 광원에서 나온 빛을 편광시키는 편광발생부(20), 단결정에 의해 반사된 편광을 분석하는 편광분석부(40), 및 상기 편광분석부(40)를 통과한 편광의 분광학적 특성을 측정하는 분광검출부(50)를 포함하는 광학장치;
    (B) 단결정에 밀접하게 위치하여 그의 온도를 조절하는 가열기(31) 및 가열기 제어수단(70)을 포함하는 온도조절장치; 및
    (C) 상기 광학장치와 연결되어, 상기 분광검출부(50)에서 검출된 분광값을 프로그램을 통해 원하는 물성값으로 변환시키는 컴퓨터(100)를 포함하는,
    강유전체 단결정의 물리적 물성 측정장치.
  2. 제 1 항의 장치를 이용하여 강유전체 단결정의 유전상수 또는 상전이 온도를 측정하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    (a) 강유전체 단결정 시료의 미리 정해진 위치에서 교류전계 인가에 의해 저주파 대역 유전상수값을 측정하는 단계;
    (b) 상기 단결정 시료의 동일한 측정 위치들에서 분광학적 타원해석법에 의해 고주파 대역 유전상수값을 측정하는 단계;
    (c) 상기 단계 (a) 및 (b)에서 각각 얻어진, 저주파 대역 및 고주파 대역 유전상수값들 간의 상관관계 수식을 구하여 본 발명의 장치의 컴퓨터(100)에 상관관계식을 입력하는 단계; 및
    (d) 상기 시료와 동일한 조성을 갖는, 유전상수값을 측정하고자 하는 강유전체 단결정의 고주파 대역 유전상수값을 측정한 후, 이 측정치를 상기 컴퓨터를 이용하여 저주파 대역 유전상수값으로 변환시키는 단계
    를 수행하여 강유전체 단결정의 유전상수를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    단계 (a)에서의 교류전계 인가에 의한 저주파 대역 유전상수의 측정이, 단결정의 상부면 및 하부면 위에 전극 물질을 증착한 후 교류전계를 인가함으로써 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    제 1 항의 장치에 장착된 단결정의 온도를 상승시키면서 분광검출부(50)에서 얻어지는 타원해석각이 급변하는 때의 온도를 결정함으로써 단결정의 상전이 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    단결정 표면 전체의 유전상수 또는 상전이 온도 지도를 만들어 유전상수 또는 조성의 균일성을 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
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