KR20110015666A - 라만 및 광루미네선스 분광 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동시 존재하는 라만 및 광루미네선스 분광에 대한 시스템 및 그 기술에 대한 것이다. 샘플과 상호 작용하는 광이 라만 및 광루미네선스 컴포넌트를 포함한 파장 컴포넌트를 분리하도록 분산된다. 제 1 배열 검출기는 라만 컴포넌트를 수신하도록 위치되고, 제 2 배열 검출기는 광루미네선스 컴포넌트를 수신하도록 위치된다. 제 1 배열 검출기 및 제 2 배열 검출기는 같은 검출기 물질 또는 다른 검출기 물질을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 분광 시스템에 관한 것으로, 특히 라만 및 광루미네선스 분광 시스템에 관한 것이다.
물질의 특성을 이해하는 것은 많은 애플리케이션에 있어 중요하다. 분광 기술은 물질에 대한 중요한 정보, 특히 물질 표면 또는 그 주변에 대한 중요한 정보를 얻는데 사용될 수 있다.
하나의 분광 기술은 라만 효과에 기초한 라만 분광법이다. 라만 효과는 분자 극성(polarisability)(a)에 의해 결정된, 전기장(E)에서의 분자 변형의 결과로 발생한다. 하나의 레이저 빔은 전기 벡터(E)를 가진 발진 전자기파로 간주 될 수 있다. 샘플과의 상호 작용에 있어, 분자를 변형하는 전기 쌍극자 모멘트 P = a*E 를 유도한다. 주기적으로 변형된 분자는 특성 진동수 υm 으로 진동하기 시작한다. 진동의 진폭은 원자핵 변위로 알려졌다. 즉, 진동수 υ0 인 단색 레이저 광은 분자를 여기시켜 발진 쌍극자로 변형한다.
또 다른 분광 기술은 광루미네선스(phtotoluminescence)이다(본 명세서에서 "PL"로 명명됨). 광루미네선스는 보통 레이저를 사용하여 광자 여기에 의해 얻은 광 방출이다. 여기 광원(excitation light source)의 광자로부터의 에너지는 저에너지 상태로부터 고에너지 상태로 물질의 전자를 여기시킨다. 각각의 전자는 이후에 고에너지와 저에너지 상태 사이의 에너지 차이에 비례하는 진동수의 광자를 방출하면서, 저에너지 상태로 되돌아온다. 광루미네선스 기술은 반도체와 같은 물질의 비파괴 특성 추출에 사용될 수 있다. 상이한 물질은 광자를 생성하는 특정 전이에 따라서 상이한 파장의 광자를 방출하므로, 광루미네선스 분광의 하나의 일반적인 사용은 물질 구성을 판정하는 것이다.
물질의 특성을 이해하는 것은 많은 애플리케이션에 있어 중요하다. 분광 기술은 물질에 대한 중요한 정보, 특히 물질 표면 또는 주변에 대한 중요한 정보를 얻는데 사용될 수 있다. 본 발명은 라만 효과에 기초한 라만 분광법 및 특히, 레이저를 사용하여 광자 여기에 의해 얻은 광 방출에 기초한 광루미네선스 분광법을 사용하여 뛰어난 물질 특성화를 제공한다.
본 발명에 기술된 시스템 및 기술은 효율적이고 고품질의 분광을 제공한다. 라만 및 광루미네선스 스펙트럼은 샘플과 상호 작용한 광의 라만 및 광루미네선스 파장 컴포넌트를 수신하도록 위치되고 설정된 배열 검출기를 사용하여 샘플의 한 번의 스캔동안 얻어질 수 있다.
일반적으로, 일 측면에 있어서, 분광 시스템은 광루미네선스 파장 컴포넌트 및 라만 이동(raman shift) 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 샘플로부터 수신하도록 위치된 개구부(aperture)(분광 시스템으로의 광 입사 포트)를 포함한다. 상기 시스템은 광 경로에 위치되며 광의 파장 컴포넌트를 공간에 분산(dispersion)하도록 설정된 분광 요소(분산 요소라고도 함)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 라만 이동 컴포넌트를 수신하여 라만 이동 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 1 배열 검출기 및 광루미네선스 컴포넌트를 수신하여 광루미네선스 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 2 배열 검출기를 추가로 포함할 수 있다.
상기 시스템은 개구부로부터 광을 수신하여 분광 요소에 광을 반사하도록 위치된 곡면 미러를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 분광 요소로부터 광을 수신하여 제 1 배열 검출기 및 제 2 배열 검출기에 광을 반사하도록 위치된 미러를 추가로 포함할 수 있다.
상기 시스템은 분광 요소로부터 광을 수신하여 제 1 배열 검출기에 광을 반사하도록 위치된 제 1 미러 및 분광 요소로부터 광을 수신하여 제 2 배열 검출기에 광을 반사하도록 위치된 제 2 미러를 포함할 수 있다. 제 1 배열 검출기는 제 1 검출기 물질을 포함하고, 제 2 배열 검출기는 동일하거나 다른 제 2 검출기 물질을 포함할 수 있다. 제 1 검출기 물질은 실리콘을 포함할 수 있고, 다른 제 2 검출기 물질은 1 전자 볼트(eV)보다 큰 밴드갭의 물질을 포함한다.
상기 시스템은 시분해(time-resolved) 라만 및 PL 분광을 수행하도록 설정될 수 있다. 상기 시스템은 샘플에 광을 간헐적으로 전송하는 하나 이상의 광 초퍼(chopper) 및 펄스 레이저를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 복수의 여기 파장을 가지는 샘플을 프로브(probe)하도록 설정될 수 있다. 상기 시스템은 샘플에 광을 간헐적 또는 지속적으로 전송하는 다수 파장의 광을 생성하도록 설정된 광원을 포함할 수 있다.
상기 시스템은 입사 여기 광에 대하여 샘플을 위치시키도록 설정된 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 스테이지에 위치된 샘플을 포함할 수 있다.
일반적으로, 다른 측면에 있어서, 분광 시스템은 라만 파장 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 특정 시간에 샘플의 영역(region)으로부터 수신하도록 위치된 제 1 개구부를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 광루미네선스 이동 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 상기 특정 시간에 상기 샘플의 영역으로부터 수신하도록 위치된 제 2 개구부를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제 1 개구부를 통해 수신된 광의 광 경로에 위치되며, 제 1 개구부를 통해 수신된 광의 라만 파장 컴포넌트를 공간으로 분산하도록 설정된 제 1 분광 요소를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 제 2 개구부를 통해 수신된 광의 광 경로에 위치되며, 제 2 개구부를 통해 수신된 광의 광루미네선스 파장 컴포넌트를 공간으로 분산하도록 설정된 제 2 분광 요소를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 분산된 라만 이동 컴포넌트를 수신하여, 상기 분산된 라만 이동 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 1 배열 검출기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 분산된 광루미네선스 컴포넌트를 수신하여, 상기 분산된 광루미네선스 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 2 배열 검출기를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 제 1 개구부로부터 광을 수신하여, 제 1 분광 요소에 광을 반사하도록 위치된 제 1 곡면 미러 및 제 2 개구부로부터 광을 수신하여, 제 2 분광 요소에 광을 반사하도록 위치된 제 2 곡면 미러를 추가로 포함할 수 있다.
상기 시스템은 제 1 분광 요소로부터 광을 수신하여 제 1 배열 검출기에 광을 반사하도록 위치된 미러를 포함할 수 있다. 제 1 분광 요소는 제 1 라인 폭을 가지는 회절 격자일 수 있고, 제 2 분광 요소는 제 1 라인 폭 또는 다른 제 2 라인 폭을 가지는 회절 격자일 수 있다.
제 1 분광 요소 및 제 1 배열 검출기 사이의 광 경로 길이는 제 2 분광 요소 및 제 2 배열 검출기 사이의 광 경로 길이보다 길 수 있다.
상기 시스템은 샘플에 광을 간헐적으로 전송하는 하나 이상의 광 초퍼 및 펄스 레이저를 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 샘플에 광을 간헐적 또는 지속적으로 전송하는 다수 파장의 광을 생성하도록 설정된 광원을 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 입사 여기 광에 대하여 샘플을 위치시키도록 설정된 스테이지를 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 스테이지에 위치된 샘플을 추가로 포함할 수 있다.
상기 시스템은 제 1 개구부에 의해 수신된 광을 필터링하도록 위치된 제 1 필터 타입의 필터 및 제 2 개구부에 의해 수신된 광을 필터링하도록 위치된 제 2 필터 타입의 필터를 포함할 수 있다. 제 1 필터 타입은 노치(notch) 필터 및 에지(edge) 필터로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 이러한 특성 및 이점 그리고 다른 특성 및 이점은 첨부한 도면과 함께 다음의 실시예의 구체적인 설명으로부터 더욱 쉽게 명백해질 수 있을 것이다.
본 발명에 기술된 시스템 및 기술은 효율적이고 저렴한 분광 시스템으로 뛰어난 물질 특성화를 제공한다.
상기 시스템은 샘플과 상호작용한 광을 수신하도록 설정되고 위치된 검출기를 포함한다. 샘플과 상호작용한 후에, 광은 광루미네선스 컴포넌트 및 라만 이동 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함한다. 시스템의 하나 이상의 분광 요소는 광의 파장 컴포넌트를 공간으로 분산하기 때문에, 빔 내의 위치는 광의 파장에 상응한다. 제 1 배열 검출기는 라만 컴포넌트를 수신하도록 위치되기 때문에, 특정 시간에 특정 범위의 샘플의 라만 스펙트럼이 얻어질 수 있다. 제 2 배열 검출기는 광루미네선스 컴포넌트를 수신하도록 위치되기 때문에, 동일 범위 및 시간의 PL 스펙트럼이 얻어질 수 있다.
배열 검출기를 사용함으로써, 파장 함수로서의 강도(intensity)가 검출기와 입사 광 사이의 상대적인 스캐닝 없이 얻어질 수 있다. 추가적으로, 동시 존재하는 라만 및 PL 분광을 이용 가능하게 함으로써, 데이터가 이후에 서로 관련될 필요가 없기 때문에, 샘플의 다른 범위의 특성화가 더욱 정확해진다. 다수의 다른 이점은 다음에 기술된 것과 같은 다른 실시예에 의해 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 2는 라만 스펙트럼 및 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 3A는 3 개의 다른 여기 파장의 침투 깊이를 도시하고,
도 3B는 도 3A의 상기 3 개의 다른 각 여기 파장에 대한 라만 스펙트럼 및 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 4A는 4 개의 다른 여기 파장에 대한 측정 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 4B ~ 4E는 4 개의 다른 여기 파장에 대한 측정 라만 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 8A 및 8B는 시분해(time-resolved) 분광을 설명하는 4 개의 다른 PL 피크의 강도(intensity)에 대한 시간의 플롯을 도시하고,
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이다.
상기 다양한 도면의 참조 기호는 구성 요소를 나타낸다.
도 2는 라만 스펙트럼 및 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 3A는 3 개의 다른 여기 파장의 침투 깊이를 도시하고,
도 3B는 도 3A의 상기 3 개의 다른 각 여기 파장에 대한 라만 스펙트럼 및 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 4A는 4 개의 다른 여기 파장에 대한 측정 PL 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 4B ~ 4E는 4 개의 다른 여기 파장에 대한 측정 라만 스펙트럼의 플롯을 도시하고,
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 8A 및 8B는 시분해(time-resolved) 분광을 설명하는 4 개의 다른 PL 피크의 강도(intensity)에 대한 시간의 플롯을 도시하고,
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이고,
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 분광 시스템의 개략도이다.
상기 다양한 도면의 참조 기호는 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 샘플을 특성화하기 위해 동시적인 라만 및 광루미네선스(PL) 측정에 사용될 수 있는 연속파(CW: Continuous Wave) 분광 시스템(100)을 도시한다.
샘플(102)의 특정 영역(region) 또는 샘플(102)의 전체 표면에 대한 정보를 제공하기 위하여, 입사 여기 광과 샘플(102) 사이의 상대적인 운동이 사용된다. 도 1의 실시예에서, 샘플(102)은 입사 광에 대하여 샘플(102)을 위치시키도록 설정된 스테이지(101)에 위치된다. 스테이지(101)는 실질적으로 전체 샘플에 조사되거나(예를 들면, 래스터 스캔 패턴(raster scan pattern)으로) 및/또는 샘플(102)의 하나 이상의 관심 영역을 가로질러 광이 조사되는 것을 허용한다. 일부 실시예에서, 스테이지(101)는 회전뿐만 아니라 X 및 Y 이동을 수행하는 샘플 스테이지이다.
도 1의 실시예에서, 입사 여기 광은 다수 파장 또는 단일 파장 레이저 소스(105)와 같은 광원을 사용하여 제공된다. 생성된 레이저 광은 레이저 라인 필터 또는 빔 조절기(106)를 사용하여 수정될 수 있다.
반 미러(108)(half mirror)는 대물 렌즈(109)를 통해 레이저 소스(105)로부터 샘플(102)로 광을 향하게 한다. 입사 광은 샘플(102)의 일 부분과 상호작용하고 샘플(102)로부터의 광은 이후에 반 미러(108)로 되돌아 전송된다. 샘플(102)로부터의 광은 다음에 더욱 충분하게 설명된 것과 같이 복수의 다른 파장 컴포넌트를 포함할 수 있다.
샘플(102)로부터의 광의 일부는 반 미러(108)를 통해 전송되어 미러(112)에 입사한다. 개구부를 통해 분광기(monochromator) 또는 분광 시스템(120)으로 전송되기 전에, 상기 광은 초점 렌즈(113)를 사용하여 초점이 맞춰질 수 있고, 필터(114)(라만 에지 필터, 노치 필터 등과 같은)를 사용하여 필터링될 수 있다. 물론 많은 다른 실시예가 가능하다; 예를 들면, 최소한 일부의 광학적 변형은 시스템(120)에 집적된 요소에 의해 수행될 수 있다. 추가적 및/또는 다른 광학적 변형이 또한 (예를 들면, 필터, 렌즈, 조절 장치, 블록, 또는 다른 광학적 변형 요소를 사용하여) 이루어질 수 있다.
시스템(120)은 파장에 따라서 샘플(120)로부터 광을 공간으로 분산하고, 따라서 상이한 파장들이 검출 시스템(130)에서 구분될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 시스템(120)은 샘플(102)로부터 회절 격자(122)와 같은 파장 분산 메커니즘으로 광의 방향을 바꾸는 하나 이상의 곡면 초점 미러(121)를 포함한다.
분산된 광은 검출 시스템(130)으로 향해진 미러(123)에 입사한다. 시스템(120)에 하나 이상의 미러를 병합함으로써, 광의 경로 길이가 검출 시스템(130)에서 다른 파장 컴포넌트의 공간적 구분을 향상시키도록 증가된다는 것을 유념해야한다.
도 1의 실시예에서, 검출 시스템(130)은 라만 신호 검출기(131) 및 PL 신호 검출기(132)를 포함한다. 라만 및 PL 신호용 분리 신호 검출기를 제공함으로써, 각각에 대한 데이터는 동시에 획득될 수 있고 효과적으로 처리될 수 있다.
검출기(131, 132)는 CCD(Charge Coupled Device) 검출기와 같은 배열 검출기 및/또는 포토다이오드 배열 검출기일 수 있다. 배열 검출기를 병합하는 것은 검출기의 영역에 대해 구분하지 않는 검출기(광전자 증배관(Photomultiplier) 튜브와 같은)를 사용한 일부 종래 분광 시스템 이상의 이점을 제공한다. 배열 검출기를 사용하는 것은 광범위 파장의 광이 한번에 검출되도록 허용하기 때문에, 검출기는 스캔될 필요가 없다.
다른 검출기 물질은 상황에 따라서(예를 들면, 조사(調査)되는 물질) 검출기(131, 132)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 실리콘의 광루미네선스 스펙트럼을 검출하는데 있어서, 요구 전자-정공쌍을 생성할 수 없기 때문에 실리콘 검출기는 부적절할 수 있다. 상기 경우에, InGaAs(Indium Gallium Arsenide)와 같은 비-실리콘 검출기 물질이 검출기(132)에 대해 사용될 수 있다. 유사하게, 관심 물질이 넓은 밴드갭 물질이면, 실리콘 검출기가 최상의 선택일 수 있다. 검출기(131)는 검출기(132)와 같은 동일한 검출기 물질을 사용하거나, 다른 검출기 물질을 사용할 수 있다.
검출 시스템(130)은 프로세서(140)(분리될 수 있거나 최소한 검출 시스템(130)과 부분적으로 통합될 수 있음)와 통신한다. 프로세서(140)는 검출기(132)로부터 PL 신호를 나타내는 신호를 수신하고, 검출기(131)로부터 라만 신호를 나타내는 신호를 수신하여 PL 신호 및 라만 신호를 나타내는 데이터를 생성하는 신호 프로세서를 포함한다. 프로세서(140)는 또한 데이터 및 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 또한 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 데이터 프로세서는 PL 신호에 대한 스펙트럼 정보 및 라만 신호에 대한 스펙트럼 정보를 생성하기 위해 PL 신호를 나타내는 데이터 및 라만 신호를 나타내는 데이터를 처리할 수 있다.
도 2는 도 1의 시스템(100)과 같은 시스템을 사용하여 CW 모드에서 획득할 수 있는 파장(나노미터)에 대한 라만 및 PL 신호(임의 강도 단위)를 도시한다. 도 2는 라만 및 PL 신호의 스펙트럼 특성 사이에 실질적인 차이가 존재한다는 것을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 라만 효과에서, 여기 진동수(υ0)에서 분광 광(monochromatic light)은 분자를 여기하여 진동 쌍극자(oscillating dipoles)로 변환한다. 진동 쌍극자는 일반적으로 다음의 3 가지 진동수의 광을 방사한다:
탄성 레일리 산란: 라만 활성 모드가 아닌 분자는 진동수(υ0)의 광자를 흡수할 수 있다. 여기 분자는 흡수된 광자(υ0)와 같은 진동수의 광을 방사하여 원래의 기본 진동 상태로 되돌아온다. 자발 라만의 대부분의 입사 광자는 탄성 레일리 산란한다(약 99.999%).
스토크스(stokes) 라만 산란: 진동수(υ0)의 광자는 상호작용시에 기저 진동 상태에 있는 라만 활성 분자에 의해 흡수된다. 광자 에너지의 일부는 진동수(υm)로 라만 활성 모드에 전달되고 산란된 광의 결과 진동수는 υ0-υm 로 감소한다.
안티-스토크스 라만 산란: 진동수(υ0)의 광자는 상호작용시에 여기 진동 상태에 있는 라만 활성 분자에 의해 흡수된다. 여기 라만 활성 모드의 과도한 에너지가 방출되면, 분자가 기본 진동 상태로 되돌아오며 산란된 광의 결과 진동수는 υ0+υm 로 증가한다. 여기서, "라만 신호"라는 용어는 스토크스 신호, 안티-스토크스 신호, 또는 상기 두 가지 모두를 지칭한다.
라만 신호의 검출은 상당히 어려울 수 있다. 대부분의 입사 광자는 탄성 레일리 산란하기 때문에, 레일리 산란된 광의 강도는 라만 신호의 강도(스토크스 및/또는 안티 스토크스)보다 훨씬 크다. 추가적으로, 라만 신호 및 레일리 신호간의 파장의 차이는 매우 작다. 진동수, 강도, 및 FWHM(Full Width at Half Maximum)의 변화와 같은 요소들을 정확하게 측정하기 위한 실질적인 분해능을 가지고 라만 신호를 검출하기 위해서, 레일리 신호에 의한 노이즈는 감소되거나 제거될 필요가 있다.
많은 다른 기술이 스토크스 및 안티-스토크스 산란 광의 검출시 레일리 산란의 효과를 줄이는 데 사용될 수 있다. 일 기술은 분광의 초점 길이를 증가시키는 것이며, 따라서 레일리 및 스토크스 파장 간의 공간적 분리는 레일리 신호가 효과적으로 차단될 수 있도록 충분히 넓어야 한다. 특정 프로브 파장 및 분광기 설정에 대해, 레일리 피크(peak)의 공간적 위치는 분광기(120)의 하나 이상의 위치에서 결정되고, 블록은 검출되는 것으로부터 레일리 산란 광을 실질적으로 방지하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 레일리와 라만 신호 사이의 공간적 분리가 최대일 경우, 블록은 검출기(131)의 근처에 위치될 수 있다.
다른 기술은 광으로부터 레일리 신호를 실질적으로 제거하는 하나 이상의 필터를 사용하는 것이다. 예를 들면, 노치 필터, 조정 가능 필터, 에지 필터, 또는 다른 필터가 사용될 수 있다. 에지 필터가 사용된 실시예에서, 안티-스토크스 신호는 레일리 신호를 따라서 필터링 된다. 그러나, 많은 애플리케이션은 라만 신호의 스토크스 컴포넌트만을 사용한다.
라만 분광의 다른 시도는 라만 피크의 상대적 협소함이다. 라만 신호를 적절하게 특성화하기 위하여, 라만 검출기 및 분광기는 강도 프로파일이 애플리케이션에 요구된 정확성으로 결정될 수 있도록 설정되어야 한다. 라만 신호의 검출을 향상하는데 사용될 수 있는 일부 기술은 분광기의 초점 거리를 증가시키는 것과 라만 컴포넌트의 파장 분산을 증가시키는 것을 포함한다.
전술한 바와 같이, 광루미네선스는 광자 여기에 의해 얻어진 광학적 방출을 나타낸다. 입사 광으로부터의 에너지는 낮은 에너지 상태로부터 높은 에너지 상태로 물질의 하나 이상의 전자의 전자적 전이를 일으킨다. 상기 물질은 높은 에너지상태로부터 낮은 에너지 상태로 전자 전이의 결과로서 광을 방사한다. 광을 검출하는 것으로부터 얻어진 스펙트럼 시그네쳐(signature)는 물질 컴포넌트 등에 대한 정보를 제공한다.
광루미네선스 신호는 라만 신호와 다른 시도를 취한다. 도 2에 도시된 것과 같이, 다른 피크를 포함한 파장 범위는 광루미네선스 신호에 대하여 상대적으로 크기 때문에, PL 검출기 및 분광기는 관심이 있는 다른 파장으로부터 신호를 포착하도록 위치되고 설정되어야 한다.
일부 종래 시스템이 라만 및 PL 분광에 대해 허용하였을지라도, 현재 시스템 및 기술은 획득된 스펙트럼 정보에 대해 더 나은 신호대 잡음비와 함께 향상된 효율성을 제공한다. 상기 이점은 집적된 모노크로메이터나 분광기(도 1의 분광기(120)와 같은) 및 구분된 검출 요소(도 1의 검출 시스템(130)의 검출기(131, 132)와 같은)를 사용하거나 구분된 분광기 및 검출 시스템(예를 들면, 도 6에 도시된 내용 및 아래에 기술된 내용)을 사용하여 얻어질 수 있다.
추가적인 이점이 레이저 소스(105)가 하나 이상의 레이저를 사용하여 다수 파장의 광을 생성할 때, 분광을 수행함으로써 얻어질 수 있다. 도 3A는 실리콘 샘플에 대한 파장의 광 침투 깊이의 효과를 도시한다. 488 나노미터 광이 약 240 나노미터로 침투하는 반면에, 458 나노미터의 파장의 광은 약 140 나노미터로 샘플을 침투한다. 515 나노미터 광은 약 330 나노미터의 깊이로 침투한다. 이와 같이, 깊이의 함수로써 물질을 특징 짓기 위하여, 적절한 여기 (프로브) 파장이 선택될 수 있다.
도 3B는 3 가지 다른 파장의 라만 및 PL 신호의 계산된 강도에 대한 파장의 플롯을 도시한다. PL 신호는 다른 여기 파장에 의해 프로브된 다른 깊이에서 흡수된 신호를 반사하도록 변화시킨다. 라만 신호는 다른 여기 파장으로 이동하여, 깊이 함수로써 물질 특성에 대한 정보를 얻는다.
도 4A ~ 4E는 4 가지 다른 여기 파장에 대한 실험적으로 획득한 PL 및 라만 스펙트럼을 도시한다: 457.9 nm, 488.0 nm, 514.5 nm, 및 647.1 nm. 도 4A에 도시한 것과 같이, 특성화되는 샘플에 대한 파장의 PL 스펙트럼에 대한 모든 영향은 상대적으로 작다. 그러나, 도 4B ~ 4E는 라만 피크의 형태 및 높이가 샘플에 대해 크게 변화하는 것을 도시한다. 예를 들면, 514.5 nm 여기 파장의 피크 높이는 깊이 방향의 샘플의 크리스탈(또는 물질)의 품질의 불균일성에 따라서 488.0 nm 여기 파장의 피크 높이의 약 2 배이다. 좀 더 균일한 물질에 대해서는, 다른 여기 파장에 대한 라만 신호 간의 차이가 덜하다.
하나 이상의 다른 또는 추가적인 요소를 병합한(또는 하나 이상의 요소를 생략한) 많은 다른 실시예가 사용될 수 있다. 도 5는 동시 존재하는 라만 및 광루미네선스(PL) 측정에 대해 사용될 수 있는 CW 분광 시스템(500)의 다른 실시예를 도시한다.
도 5에서, 분광기(520)는 PL 및 라만 산란 컴포넌트 모두를 포함한 샘플(502)로부터 광을 보정하는 렌즈를 병합한다. 그러나, 도 1의 미러(123)와 같은 단일 초점 미러보다는, 분광기(520)는 분리 (분할) 초점 미러(523(1), 523(2))를 포함한다. 도 5의 실시예에서, 초점 미러(523(2))가 라만 산란 광을 라만 신호 검출기(532)로 향하게 하는 동안 초점 미러(523(1))는 PL 광을 PL 신호 검출기(531)로 향하게 한다.
도 5의 실시예는 PL과 라만 신호 사이를 더 잘 구별할 수 있도록 하여 샘플(502)의 하나 이상의 물질 특성을 측정하는 사용자의 능력을 향상시킨다. 미러(523(1), 523(2))는 동일하게 도시되고 검출기(531, 532)로부터 유사한 거리에 위치된 것으로 도시되었지만, 그렇게 할 필요가 없다. 미러(523(1), 523(2))의 위치 및 디자인은 프로브되는 물질, 사용된 광의 파장(들), 사용된 검출기의 위치 및 구성, 또는 다른 파라미터에 기초하여 선택될 수 있다.
추가적으로, 시스템(520)의 하나 이상의 요소(또는 다른 분광 시스템 실시예)가 이동 가능할 수 있다. 예를 들면, 회절 격자(522)가 회전 가능할 수 있기 때문에, 신호의 초점이 최적화될 수 있다. 추가적으로(또는 대신), 미러(523(1), 523(2))의 둘 중 하나 또는 두 가지 모두는 특정 분광 애플리케이션을 수용하도록 이동 가능할 수 있다.
상기된 실시예의 병합된 분광기는 비용 및 공간 효율적인 분광기를 허용한다. 그러나, 일부 애플리케이션에서, 구별된 분광기가(PL 및 라만 신호에 대한 파장 분산이 최소한 부분적으로 다른 분광 서브-시스템에서 수행되는 시스템) 바람직할 수 있다. 예를 들면, 샘플이 실리콘 샘플인 애플리케이션에서, 라만 스펙트럼 및 PL 시스템에 대한 관심 파장의 차이는 분리 분광기가 실질적인 이점을 제공할 수 있기에 충분할 수 있다. 실리콘의 밴드갭은 약 1.1 eV 이기 때문에, 관심있는 광루미네선스 파장은 스펙트럼의 적외선 영역(약 1 마이크론 ~ 약 1.4 마이크론)에 있다. 즉, 광루미네선스 신호의 파장 및 파장 범위는 모두 상대적으로 크다. 대조적으로, 라만 산란 광은 여기 광의 파장에 매우 근접한 파장을 포함하고, 좁은 파장 범위로 확장된다.
도 6은 구별된 분광기를 병합하는 동시적 라만 및 광루미네선스(PL) 측정에 사용될 수 있는 CW 분광 시스템(600)의 실시예를 도시한다.
시스템(600)에서, 샘플(602)로부터의 광은 반 미러(608)를 통해 전송된다. 상기 광은 이후에 로우 패스 필터(low pass filter) 또는 미러(612B)에 입사한다. 일부 입사 광은 필터 또는 미러(612B)를 통해 미러(612A)로 전송된다. 미러(612A)로부터 반사된 광은 렌즈(613A) 및 로우 패스 필터(614A)와 같은 필터 그리고 개구부를 통해 분광기(620A)로 전달한다. 추가적으로, 일부 입사 광은 렌즈(613B) 및 라만 에지 필터(614B)를 통해 분광기(620B)로 전송된다.
분광기(620A)에서, 광은 곡면 초점 미러(621A)로부터 회절 격자와 같은 분광 요소(622A)를 통해 전송된다. 분광 요소(622A)로부터의 광은 초점 미러(623A)를 사용하여 PL 신호 검출기(632)로 반사된다.
분광기(620B)에서, 광은 곡면 초점 미러(621B)로부터 회절 격자와 같은 분광 요소(622B)로 반사된다. 분광 요소(622B)로부터의 광은 초점 미러(623B)를 사용하여 라만 신호 검출기(631)로 반사된다.
도 6의 실시예는 많은 이점을 제공할 수 있다. 첫 번째로, 분광기(620A, 620B)는 수행되는 특정 분광에 맞게 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 라만 신호에서, 높은 라인 밀도(예를 들면, 1200 mm-1) 회절 격자는 분광 요소(622B)로써 사용될 수 있다. 그러나, 낮은 라인 밀도 회절(예를 들면, 300 mm-1 또는 600 mm-1)은 분광 요소(622B)로서 적절할 수 있다. 추가적으로, 검출기의 종류, 검출기의 위치, 요소의 종류 및 요소의 위치가 PL 또는 라만 신호의 개선된 검출에 맞게 선택될 수 있다.
본 발명자는 시분해 분광이 많은 추가적인 이점을 제공할 수 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 일부 실시예에서, 광원은 펄스 광원일 수 있다. 이것은, 펄스 레이저 및/또는 광 초퍼가 사용될 수 있기 때문에, 광이 지속적이기보다는 간헐적으로 샘플에 입사한다.
광 펄스 사이의 구역 및 피크 위치의 트레이스는 다음 정보를 제공한다: 샘플에 대한 전자-정공 재결합 프로세스(경로) 및 재결합 메커니즘, 도펀트 에너지 레벨 도펀트 종류(species), 도펀트 농도, 결함 레벨, 결함 유형, 물질의 품질 및 광학적 특성(PL 신호)은 물론 물질 균질성, 성분 및 스트레스(라만 신호).
도 7은 펄스 PL 및 라만 분광을 수행하는 시스템(700)의 실시예를 도시한다. 도 7의 실시예에서, 광 초퍼(707)는 레이저 소스(705)로부터의 광의 광 경로에 위치된다. 그 결과, 펄스 광은 표면(702)에 입사하여, 라만 및 PL 신호 펄스를 생성한다. 라만 및 PL 신호는 분광기(720)에서 분리되고 검출 시스템(730)에서 검출된다.
검출 시스템(730)은 프로세서(740)(분리될 수 있거나 검출 시스템(730)에 최소한 부분적으로 병합될 수 있음)와 통신한다. 프로세서(740)는 검출기(732)로부터 PL 신호를 나타내는 신호를 수신하고, 검출기(731)로부터 라만 신호를 나타내는 신호를 수신하여 PL 신호 및 라만 신호를 나타내는 데이터를 생성하는 신호 프로세서를 포함한다. 프로세서(740)는 또한 데이터 및 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 또한 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 데이터 프로세서는 PL 신호에 대한 시분해 분광 정보(spectral information) 및 라만 신호에 대한 시분해 분광 정보를 생성하기 위해 PL 신호를 나타내는 데이터 및 라만 신호를 나타내는 데이터를 처리할 수 있다.
도 8A 및 8B는 도 7의 시스템(700)과 같은 시분해 시스템을 사용하여 얻을 수 있는 광루미네선스 신호를 도시한다. 도 8A 및 8B는 또한 시간 경과에 따라 특정 라인 변화에 대한 피크 높이 및 다른 피크 높이 변화 사이의 차이를 도시한다. 이와 같이, 시간에 따라 PL 시스템을 측정하는 것은 다른 상태로의 전이 속도 및 에너지 레벨에 대한 정보를 제공한다.
시분해 분광은 결합된 PL 및 라만 분광 시스템의 다른 실시예로 실행될 수 있다. 도 9는 시분해 분광을 수행하도록 설정되고 분리된 초점 미러(923(1), 923(2))를 병합한 시스템(900)을 도시한다. 도 10은 시분해 분광을 수행하도록 설정되고 구분된 분광기(1020A, 1020B)를 병합한 시스템(1000)을 도시한다.
실시예에서, 상기된 기술 및 그 변형은 최소한 부분적으로 컴퓨터 소프트웨어 명령으로써 실시될 수 있다. 이러한 명령은 하나 이상의 기계 판독 가능 저장 미디어 또는 장치에 저장될 수 있으며, 예를 들면, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되거나 기계가 기술된 기능 및 오퍼레이션을 수행하도록 한다.
많은 실시예가 기술되었다. 일부 실시예 만이 위에서 상세하게 명세되었지만, 다른 변형이 가능하며, 상기 명세는 모든 그러한 변형 및 특히 본 발명의 기술 분야의 당업자라면 예측할 수 있는 임의의 변형을 포함하도록 의도되었다. 예를 들면, 다른 광학 요소 또는 추가적인 광학 요소가 사용될 수 있다(또는 요소는 일부 경우에서 생략될 수도 있음). 많은 대안이 기술 분야의 당업자에게 알려져있다. 또한 본 발명에서 사용된 "광"이라는 단어는 전자기 스펙트럼 내의 임의의 특정 부분을 나타내지는 않는다. 예를 들면, "광"이 가시 광선, 적외선 광선, 또는 다른 파장 범위의 광을 나타낼 수 있는 반면에, "가시 광선"이란 어구는 가시 스펙트럼 내의 광을 나타낸다.
또한, "수단"이라는 단어를 사용한 다음의 청구항은 35조 USC 112, 6항하에서 해석되어야 한다. 청구항에서, "단일"이라는 단어는 하나의 요소를 포함한 구성을 의미하는 반면에, "하나 이상"이라는 어구는 말할 것도 없고 별다른 수식어가 사용되지 않은 경우에도 하나 이상의 요소를 포함한 구성을 의미할 수 있다. 또한, 한정이 청구항에 명백하게 포함되지 않는 한, 구체적 내용의 한정이 없는 것은 임의의 청구항으로 해석되기 위해 의도된 것이다. 따라서, 다른 실시예는 다음의 청구항의 범위 내에 있다.
101 : 스테이지 102 : 샘플
105 : 레이저 소스 106 : 빔 조절기
108 : 반 미러(half mirror) 109 : 대물 렌즈
112: 미러 113 : 초점 렌즈
114 : 필터 120 : 분광 시스템
121 : 초점 미러 123 : 미러
130 : 검출 시스템 131: 검출기
132: 검출기 140 : 프로세서
105 : 레이저 소스 106 : 빔 조절기
108 : 반 미러(half mirror) 109 : 대물 렌즈
112: 미러 113 : 초점 렌즈
114 : 필터 120 : 분광 시스템
121 : 초점 미러 123 : 미러
130 : 검출 시스템 131: 검출기
132: 검출기 140 : 프로세서
Claims (19)
- 분광 시스템에 있어서,
광루미네선스 파장 컴포넌트 및 라만 이동(raman shift) 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 샘플로부터 수신하도록 위치된 개구부(aperture);
상기 광의 광 경로에 위치되며, 상기 광의 상기 파장 컴포넌트를 공간에 분산하도록 설정된 분광 요소;
라만 이동 컴포넌트를 수신하여, 상기 라만 이동 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 1 배열 검출기;
광루미네선스 컴포넌트를 수신하여, 상기 광루미네선스 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 2 배열 검출기; 및
상기 개구부로부터 상기 광을 수신하여, 상기 분광 요소에 상기 광을 반사하도록 위치된 곡면 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 분광 요소로부터 광을 수신하여, 상기 제 1 배열 검출기 및 상기 제 2 배열 검출기에 상기 광을 반사하도록 위치된 미러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 분광 요소로부터 광을 수신하여, 상기 제 1 배열 검출기에 상기 광을 반사하도록 위치된 제 1 미러; 및
상기 분광 요소로부터 광을 수신하여, 상기 제 2 배열 검출기에 상기 광을 반사하도록 위치된 제 2 미러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 배열 검출기는 제 1 검출기 물질을 포함하고,
상기 제 2 배열 검출기는 다른 제 2 검출기 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 검출기 물질은 실리콘을 포함하고,
상기 다른 제 2 검출기 물질은 1 전자 볼트(eV)보다 큰 밴드갭의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 샘플에 광을 간헐적으로 전송하는 하나 이상의 펄스 레이저 및 광 초퍼(chopper)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 샘플에 광을 간헐적 또는 지속적으로 전송하는 다수 파장의 광을 생성하도록 설정된 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 1 항에 있어서,
입사 여기광에 대하여 상기 샘플을 위치시키도록 설정된 스테이지를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 분광 시스템에 있어서,
라만 파장 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 특정 시간에 샘플의 영역으로부터 수신하도록 위치된 제 1 개구부;
광루미네선스 이동 컴포넌트를 포함한 복수의 파장 컴포넌트를 포함하는 광을 상기 특정 시간에 상기 샘플의 상기 영역으로부터 수신하도록 위치된 제 2 개구부;
상기 제 1 개구부를 통해 수신된 상기 광의 광 경로에 위치되며, 상기 제 1 개구부를 통해 수신된 상기 광의 상기 라만 파장 컴포넌트를 공간으로 분산하도록 설정된 제 1 분광 요소;
상기 제 2 개구부를 통해 수신된 상기 광의 광 경로에 위치되며, 상기 제 2 개구부를 통해 수신된 상기 광의 상기 광루미네선스 파장 컴포넌트를 공간으로 분산하도록 설정된 제 2 분광 요소;
분산된 라만 이동 컴포넌트를 수신하여, 상기 분산된 라만 이동 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 1 배열 검출기; 및
분산된 광루미네선스 컴포넌트를 수신하여, 상기 분산된 광루미네선스 컴포넌트의 강도를 나타내는 하나 이상의 신호를 생성하도록 위치된 제 2 배열 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 개구부로부터 상기 광을 수신하여, 상기 제 1 분광 요소에 상기 광을 반사하도록 위치된 제 1 곡면 미러; 및
상기 제 2 개구부로부터 상기 광을 수신하여, 상기 제 2 분광 요소에 상기 광을 반사하도록 위치된 제 2 곡면 미러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 분광 요소로부터 광을 수신하여, 상기 제 1 배열 검출기에 상기 광을 반사하도록 위치된 미러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 분광 요소는 제 1 라인 폭을 가지는 회절 격자이고,
상기 제 2 분광 요소는 다른 제 2 라인 폭을 가지는 회절 격자인 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 분광 요소 및 상기 제 1 배열 검출기 사이의 광 경로 길이는 상기 제 2 분광 요소 및 상기 제 2 배열 검출기 사이의 광 경로 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 샘플에 광을 간헐적으로 전송하는 하나 이상의 펄스 레이저 및 광 초퍼를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 샘플에 광을 간헐적 또는 지속적으로 전송하는 다수 파장의 광을 생성하도록 설정된 광원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
입사 여기 광에 대하여 상기 샘플을 위치시키도록 설정된 스테이지를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 스테이지에 위치된 상기 샘플을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 개구부에 의해 수신된 상기 광을 필터링하도록 위치된 제 1 필터 타입의 필터; 및
상기 제 2 개구부에 의해 수신된 상기 광을 필터링하도록 위치된 제 2 필터 타입의 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 시스템. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 필터 타입은 노치(notch) 필터 및 에지(edge) 필터로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 분광 시스템.
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