KR20140041410A - 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치 - Google Patents

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크리스토퍼 롱주드
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쌍뜨르 나시오날 드 라 르셰르쉬 시앙띠피끄
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Abstract

본 발명은 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치에 관한 것인데, 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치에 있어서, 해당 장치는
파장(λ)의 광 빔을 발산하는 레이저,
레이저에 의해 발산된 빔을 제1 및 제2 빔들(11, 14)로 분리하는 빔 스플리터 플레이트(beam splitter plate)―제1 빔(11)은 제1 방향으로 편향됨―,
제1 일정 입사각(θ1)으로 샘플의 지점(P) 상으로 상기 제1 빔을 편향시키기 위한 제1 고정형 편향 미러, 및
제1 및 제2 입사각들(θ1 및 θ2) 사이의 각 차이(θ)에 따른 피치로 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위하여 제2 입사각(θ2)으로 언급된 샘플의 지점(P)에 이르는 최종 경로(17)를 따라 제2 빔을 편향시키기 위한 적어도 하나의 제2 고정형 편향 미러를 포함하고,
제2 빔의 경로는 다수의 제1 충돌 지점들(71)―상기 제2빔(15)은 상기 다수의 제1 충돌 지점들(71)로부터 언급된 제2 미러(8, M2) 상의 다수의 제2 충돌 지점들(82)을 향하여 보내짐―로부터 제2 빔을 보내고 편향시키기 위한 이동 가능한 편향 미러(7, 7')를 포함하고, 그에 따라 다수의 쌍들―다수의 쌍들 각각은 제1및 제2 충돌 지점(71, 82)들 각각은 입사각(θ2)의 값이 변화하고 그에 따라 각 차이(θ)가 변화하도록 서로 다른 값의 각(θ2)을 갖는 언급된 제2 빔의 최종 경로(17)에 대응함―을 형성하는 것을 특징으로 하고,
제1 방향과 반대 방향으로 그에 따라 샘플(ECH)의 언급된 지점(P)에 충돌하는 제1 빔의 세그먼트(12)로부터 떨어져서 레이저에 의해 발산되는 빔(10)의 방향으로부터 이격되는 샘플로부터 멀리 떨어진 업스트림 단으로부터 확장하는 선형 또는 포물선 경로 상에 제1 충돌 지점들(71)이 배열되고, 제1 및 제2 충돌 지점들(71, 82)의 쌍들에 대한 제2 빔의 광학 경로 길이 변화들에 대하여 적어도 부분적으로 보상하도록 언급된 선형 또는 포물선 경로는 샘플(ECH)에 가까운 다운스트림 단을 향하여 진행하면서 제1 빔의 언급된 세그먼트(12)를 향하여 다시 들어가고, 제1 및 제2 충돌 지점들(71, 82) 각각은 개별적인 각 차이(θ)의 값에 대응한다.

Description

샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치{DEVICE FOR FORMING AN INTERFERENCE GRATING ON A SAMPLE}
본 발명은 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치, 예를 들어 전극들을 가질 수 있는 광전도성 소자에 관한 것이다.
샘플 상에, 그리고 특히 광전도성 샘플 상에 간섭 격자를 형성하는 것은 샘플을 광학적으로 활성화시키도록, 그리고 그것들의 특성들을 측정하는데 적합하도록 한다.
따라서, 미국 특허 4 891 581호는 광전도성 소자에서 소수 캐리어들의 확산 길이(LD)를 측정하기 위한 기술을 설명한다.
그러한 기술은 특히 태양전지 모듈들(photovoltaic modules)로 결합시키기 위한 박막층 열전도 반도체에 적용한다.
이 파라미터를 측정하는 것은 태양전지 모듈에 집적되기에 적합한지 여부, 즉 우수한 변환 효율을 획득하기에 적합한지 여부를 결정하기 위하여 박막의 전기적 품질을 결정할 수 있도록 한다.
수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon)같은 박막 광전도성 반도체에서의 소수 캐리어들의 확산 길이(LD)를 측정하는 것은 레이저 간섭 측정(laser interferometry)에 의해 수행된다.
샘플은 예를 들어 일반적으로 투명하고 절연인 1 밀리미터(mm)의 간격을 두고 떨어져서 그 위에 증착된 두 개의 병렬 전극들을 갖는 서브스트레이트(substrate) 상에 증착된 박막으로 구성된다. 전기적인 바이어스(Electrical bias)는 두 전극들 사이에 적용된다. 파장(λ)에서 수직으로 편향된 빛의 레이저 빔은 그 다음 주어직 각을 형성하도록 샘플 상에 편향되는 두 개의 빔들 안으로 분리된다.
간섭 격자는 전극들 및 두 빔들 사이의 각에 따른 격자의 피치 사이에서 발현된다(developed). 이 조명(illumination)은 광전류(Iw)가 특정 레벨까지 오르도록 제공한다.
반파장 플레이트(λ/2)를 사용함으로써, 두 빔들 중 하나의 편광은 균일한 빛에 의해 간섭 격자를 대체하도록 전환된다. 이 빛은 광전류(Iw0)가 특정 레벨까지 오르도록 제공한다.
측정된 광전류의 방향은 격자의 간섭 무늬(fringes of the grating)에 수직이다. 그 후에, 격자의 피치의 함수로서 비율의 변화(β=Iw/Iw0)가 플로팅되는데(plotted), 상기 피치가 간단한 식을 이용하여 알려진 방법으로 두 빔들 사이의 각 및 관계로부터 산출되는 것은 이 소수 캐리어의 확산 길이 곡선으로부터 추론할 수 있다.
β와 LD 사이의 관계(link)는 다음과 같다. 격자의 피치가 작다면, 소수 캐리어 확산은 측정된 전류에 거의 간섭이 없는 격자를 제거한다. 그 다음 파라미터(β)는 1에 가깝다. 격자의 피치가 크다면, 소수 캐리어 확산은 더 이상 격자를 제거하지 않을 수 있다. 그 다음 공간 전하들(space charges) 및 로컬 필드(local field)의 배열이 위치됨에 따라, 다수 캐리어 전류, 및 파라미터(β)를 보상하는 것은 -1의 값에 이를 수 있다.
이와 같은 공간 전하 현상은 태양광 전지(solar cell)에서 전류를 제한하는 이유이다. 그러한 전지에서, 소수 캐리어들이 확산할 수 없다면, 소수 캐리어들의 축적은 다수 캐리어들의 수송에 저항하는 공간 전하가 생성되도록 초래하고 그에 따라 효율을 감소시킨다. 따라서, 박막 필름 상의 LD를 측정하는 것은 완전한 장치를 제조하기에 앞서, 우수한 효율을 얻을 큰 가능성을 가지고 전지에 집적하기에 적합한지 여부를 발견하기 쉽게 함에 따라, 그러한 측정들은 박막층들에 기반하는 태양광 전지들의 모든 제조업자들에게 매우 유리하다.
그러한 기술은 미국 특허 4 891 582호에 기술되고 그것은 빛에 민감한 광전도체들(photoconductors) 및 반도체들(semiconductors)에 적용된다.
본 문서에서 기술된 실시예는 수동적인 측정을 포함하는데, 해당 측정은 수행하기에 비교적 어렵고 장황하기 때문에, 측정의 각 단계는 간섭 격자의 서로 다른 피치에 대응하여 새로운 보상들을 암시한다.
본 발명의 목적은 자동화된 처리와 호환되는 장치를 제공하기 위한 것인데, 해당 장치는 특히 위의 언급된 어플리케이션에 대하여 간섭 격자의 피치가 달라지도록 한다.
따라서 본 발명은 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한, 예를 들어 광전도성 소자로 구성된 장치를 제공하는데, 상기 장치는 파장(λ)의 광 빔을 발산하는 레이저, 상기 레이저에 의해 발산된 빔을 제1 및 제2 빔들로 분리하는 빔 스플리터 플레이트(beam splitter plate), 제1 및 제2 입사각들(θ1 및 θ2) 사이의 각 차이(θ)에 따른 피치로 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위하여 제2 입사각(θ2)으로 상기 샘플의 상기 지점(P)에 이르는 최종 경로를 따라 상기 제2 빔을 편향시키기 위한 적어도 하나의 제2 고정형 편향 미러를 포함하고,
상기 제2 빔의 경로는 다수의 제1 충돌 지점들―상기 제2 빔은 상기 다수의 제1 충돌 지점들로부터 상기 제2 미러 상의 다수의 제2 충돌 지점들을 향하여 보내짐―로부터 상기 제2 빔을 보내고 편향시키기 위한 이동 가능한 편향 미러를 포함하고, 그에 따라 다수의 쌍들―상기 다수의 쌍들 각각은 제1 및 제2 충돌 지점들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 충돌 지점들 각각은 입사각(θ2)의 값이 변화하고 그에 따라 각 차이(θ)가 변화하도록 서로 다른 값의 각(θ2)을 갖는 상기 제2 빔의 상기 최종 경로에 대응함―을 형성하는 것을 특징으로 하고,
제1 방향과 반대 방향으로 그에 따라 샘플(ECH)의 상기 지점(P)에 충돌하는 상기 제1 빔의 세그먼트로부터 떨어져서 상기 레이저에 의해 발산되는 상기 빔의 방향으로부터 이격되는 샘플로부터 멀리 떨어진 업스트림 단으로부터 확장하는 선형 또는 포물선 경로 상에 상기 제1 충돌 지점들이 배열되고, 상기 제1 및 제2 충돌 지점들의 쌍들에 대한 상기 제2 빔의 광학 경로 길이 변화들을 최소화하도록 상기 선형 또는 포물선 경로는 상기 샘플(ECH)에 가까운 다운스트림 단을 향하여 진행하면서 상기 제1 빔의 상기 세그먼트를 향하여 다시 들어가고, 상기 제1 및 제2 충돌 지점들 각각은 개별적인 각 차이(θ)의 값에 대응하는 것을 특징으로 한다.
제1 변형(variant)에서, 광학적 경로 길이 변화에 대한 적절한 보상을 제공할 수 있는데, 해당 장치는 제1 세그먼트에 관한 일정 각을 형성하는 제2 세그먼트를 따라서 편향 미러들의 쌍으로부터 제2 측정 빔 다운스트림을 편향시키기 위하여 상기 제2 빔의 제1 세그먼트의 경로 상에 편향 미러들 한 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하고, 해당 제2 미러는 상기 편향 미러들의 쌍으로부터 다운스트림에 위치되며 상기 제2 세그먼트를 따라 병진 이동 가능한 미러로 구성되고, 다수의 제1 충돌 지점들에서 이동 가능한 미러와 부딪치는 제2 빔의 제2 세그먼트는 제2 세그먼트와 일정 각을 만드는 상기 이동 가능한 미러로부터 제3 세그먼트 다운스트림을 형성하기 위하여, 그리고 제2 빔의 제2 세그먼트는 언급된 제2 충돌 지점들에서 언급된 제2 편향 미러들과 부딪치는 제2 빔의 제3 세그먼트를 편향하도록 미리 배치되는 적어도 두 개의 제2 편향 미러들을 포함하고, 제1 빔에 관한 적어도 두 개의 서로 다른 각들(θ)을 정의하도록 상기 샘플의 상기 지점(P)에 부딪치는 상기 최종 경로를 형성한다.
바람직한 변형에서, 상기 방법은 회전 이동 가능한 미러, 제2 빔의 경로 상에 그리고 상기 회전 이동 가능한 미러의 회전 축 상에 위치되는 초점을 갖는 제1 포물면 미러를 포함하는 것을 특징으로 하고, 회전 이동 가능한 상기 미러는 다수의 상기 제2 충돌 지점들에서 제2 포물면 미러와 부딪치는 상기 제2빔의 중간 세그먼트를 형성하기 위하여 다수의 상기 제1 충돌 지점들에서 상기 초점으로부터 제2 빔을 제1 포물면 미러 상에 편향시키고, 상기 샘플(ECH)의 상기 지점(P)상에서 제1 및 제2 빔들의 커버리지는 상기 제2 포물면 미러의 초점에 위치된다.
상기 제2 측정 빔의 상기 제1 세그먼트는 바람직하게는 상기 레이저로부터 발생하는 빔과 동일 선상에 있다.
상기 장치는 유리하게는 적어도 두 개의 측정 지점들로 구성되도록 이동 가능한 미러의 운동을 제어하기 위한 제어 모듈을 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 장치는 빛, 예를 들어 제1 빔의 편광을 다르게 하기 위한 구성을 포함할 수 있는데, 상기 장치는 유리하게는 쵸퍼와 결합될 수 있는 λ/2 반 파장 플레이트로, 샘플 상에 간섭 격자를 형성하도록 또는 그 밖에 균일한 조명이 조사되도록 상기 반 파장 플레이트는 회전 이동 가능한 구성에 배열되거나 그 밖에 전기-광학 모듈레이터에 선택적으로 결합되는 회전식 편광기에 배열될 수 있다.
그 다음 상기 장치는 각각의 위치에서 전류 값들(Iw 및 Iw0)을 측정하기 위한 장치를 포함할 수 있는데, 상기 Iw는 샘플 상에 형성되는 간섭 격자에 대응하고, Iw0는 상기 균일한 조명이 조사되는 상기 샘플에 대응한다.
상기 장치는 바람직하게는 병진 이동 가능한 미러의 선형 또는 회전 운동을 제어하기 위한 스테퍼 모터를 가진다.
a/ 두 빔들 사이의 경로 길이 차이가 정확히 0으로 될 수 있고 그에 따라 단일 모드(monomode)인 다이오드들을 제공하는 레이저 다이오드들을 사용할 수 있다.
b/ 샘플과 부딪치는 빔(17)의 각의 변화는 연속적이고 더 이상 이미 설명된 실시예에서와 같이 비연속적이지 않고, 포물면 미러의 초점(F1)에 위치된 미러에 놓인 각으로부터 이 각의 값을 설정할 수 있다.
c/ 부족한 수정인 경우, 재차 테스트되어야 하고 수정되어야 하는 미러들의 수는 미리 설명된 실시예에서보다 훨씬 적다.
본 발명의 다른 특성들 및 이점들은 도면들에 관한 다음의 설명을 읽음으로써 보다 잘 나타난다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 장치의 제1 변형 실시예, 도 1d는 어떻게 광학 경로들이 어떻게 산출되는지를 나타내는 도해.
도 2는 본 발명의 장치의 바람직한 제2 변형.
도 1에 나타난 장치는 편광기(2)에 의해 예를 들어 수직으로 동일 선상으로 편된 광 빔을 발산하는 레이저(1)를 포함한다.
주된 빔(10)은 미러(3)에 의해 편향된 제1 빔(11) 및 빔 스플리터 미러(3)를 통해 직접적으로 전송되는 제2 빔(14)을 제공하도록 빔 스플리터 미러(3)에 의해 두 개로 분리 된다. 빔(12)을 제공하기 위하여 제1 빔이 미러(4) 상에 편향되는데, 상기 빔은 선택적으로 전기-광학 모듈레이터(EOM) 및 회전 편광기(5)를 관통한다.
종래의 방법에서, 편광기와 연관될 수 있는 모듈레이터의 기능은 샘플(ECH) 상의 전극들의 단자들(terminals of the electrodes)로부터 신호를 픽업(picking up)할 때 및 동기 검파(synchronous detection)의 도움으로 신호를 처리할 때 측정들을 쉽게 수행하기 위하여 빛의 세기를 변조하기 위한 것이다. 모듈레이터(EOM) 및 편광기를 포함하는 이 쌍은 유리하게는 쵸퍼 및 λ/2 반 파장 플레이트에 의해 대체될 수 있다.
편향된 빔(12)은 제1 입사각(θ1), 예를 들어 90°의 각에서의 지점(P)에서 샘플(ECH)의 표면을 가로막는다(intercepts).
제1 빔부(beam portion)(14)에 관하여 경사진 제2 부(15)을 형성하기 위하여 제2 빔(14)은 두 개의 편향 미러들(61(빔14') 및 62)에 의해 편향된다.
제2 빔부(15)의 축을 따라 선형적으로 이동 가능한 편향 미러(7)는 선택된 경사의 위치 및 각의 제2 편향 미러들(8) 중 하나에 의해 편향되는 제3 빔부(16)를 형성하고 그 결과 편향 미러(7)의 각각의 위치에서 제 4빔(17)은 그것의 최종 궤적(final trajectory)이 제 2빔부(12)와의 각(θ)을 형성하고 특히 샘플(ECH)에 수직인 입사각(θ2)을 가지고 지점(P)에서 샘플(ECH)의 표면에 이르도록 구성하는데, 이 각(θ)은 편향 미러(8) 각각에 대하여 빔부들(12 및 17) 사이의 각을 변화시키는 것에 의해 서로 다르게됨으로써 간섭 격자의 피치에 대한 값들의 범위를 훑어보도록 할 수 있다.
제2 빔이 지점(P)에 이르도록 편향 미러(7)의 각 위치는 2차적인 편향 미러(8)로부터의 제2 편향 지점(82)과 일대일로 대응하는 관계인 제1 편향 지점(71)을 정의한다.
미국 특허 제 4 891 582호에 설명된 측정 방법을 수행하기를 원한다면, 변형 이동 가능한 미러(7)의 각각의 위치에서 전류들(Iw 및 Iw0)로 측정이 이루어진다. 이러한 목적을 위하여, 서로 평행한 편광들을 갖도록 두 빔들(12 및 17)이 지점(P)에서 교차함에 따라 그것들이 표면 상에 간섭을 생성하도록 반파장 플레이트(5)(또는 회전 편광기)가 지향되는데, 따라서 전류(IW)를 측정하거나, 또는 다른 수직이어서 간섭 격자가 균일한 조명으로 대체되도록 할 수 있고, 그에 따라 전류(IWO)를 측정할 수 있다.
상술한 장치는 간섭을 형성할 수 있는 지점(P)에서의 우수한 중첩을 유지하면서도 보상을 수행할 필요 없이 빔들 사이의 각(θ)을 변화시킬 수 있는데, 따라서 자동화 방법에서 서로 다른 피치들의 간섭 격자를 획득할 수 있고, 그에 따라 특히 자동적으로 측정들을 수행할 수 있다.
모터로 구동되는 선형 캐리어의 도움으로 단일 미러를 이동하는 것은 약 1마이크로미터(μm)의 운동 단계크기(stepsize)를 제공할 수 있는데, 그것은, 2차적인 고정형 편향 미러들(8)의 정밀하게 정의된 위치들과 결합하여 다양한 사전 조정된 각들에서 정확한 편향을 보장할 수 있도록 한다.
해당 장치는 λ = 633 나노미터(nm)의 파장을 갖는 레이저를 이용하여 일반적으로 1 μm 에서 15 μm 까지 확장하는 간섭 격자 피치 크기들의 범위 내에서 측정하도록 제공한다.
회전 제어될 수 있는 소자 상에 위치되는 예를 들어 반파장 플레이트(λ/2) 또는 회전 편광기(5)를 삽입하는 것에 의하여 편광이 변화된다.
측정들을 자동화시키는 것, 즉 선형 캐리어의 방법으로 미러의 운동을 제어하는것 그리고 전류들을 측정하는 회전 캐리어의 방법으로 반파장 플레이트(또는 회전 편광기)의 운동을 제어하는것 그리고 그것들을 증폭시키는 것, 그 다음 측정에 관한 차후의 계산들을 수행하는 것, 예를 들어 소수 캐리어들의 확산 길이(LD)를 계산하는 것은 모두 구체적인 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터에 의해 제어될 수 있고, 등록 상표 Labview로 알려진 프로그래밍 언어로 개발될 수 있다.
두 빔들 사이의 경로 길이 차이들은 다음과 같이 수정될 수 있다.
비교적 저렴한, 그에 따라 매우 우수한 가간섭성 길이(coherence length)를 나타내지 않는 레이저들을 사용하기 위하여, 어떤 편향 미러(8)가 사용 되었는지(도 1b)에 관계없이, 되도록 두 빔들의 광학 경로 길이들이 가능한 서로 근접한 값들을 가지도록 보장할 필요가 있다.
도 1c의 배치는, 대조적으로, 보상이 없는 단순한 배치를 보이는데, 그 배치에서 이동 가능한 미러(7)는 빔 스플리터 플레이트(3)로부터 발생하는 비편향된 세그먼트(14)를 따라 운동한다. 빔 부들(12 및 16)이 교차하는 빔 스플리터 플레이트(3)와 지점(A) 사이의 세그먼트들(14 및 16)의 길이들은 동일하지만 광학 경로들은 다른 길이들 나타낸다. 모듈레이터의 결정체를 통한 빔(12)의 통과는 그것의 경로를 약 5 센티미터(cm)만큼(결정체 길이(x(n-1)), 여기서 n은 결정체의 굴절률) 연장시킨다. 지점(A)으로부터 샘플(ECH)에 이르게 하기 위하여, 다른 빔(12)이 긴 면을 따라 이동하는 동안 빔(16', 17)은 직각 삼각형(right angle triangle)의 짧은 면과 빗면을 따라 이동한다. 따라서, 빔(16', 17)은 빔(12)의 경로보다 더 긴 지점(A)으로부터 샘플(ECH)까지의 경로를 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 이것은 빔(12)이 지점(A)에 이르기 전에 빔(12)에 의하여 이동될 수 있는 추가적인 5 cm를 항상 보상하는 것은 아니다.
도 1c의 구성이 사용되면, 그 다음 빔 스플리터 플레이트(3)로부터 샘플(ECH)까지의 빔(14, 16, 17)과 빔(11, 12) 사이의 전체 경로 길이 차이들은 편향 미러(81)에 대한 -4.3 cm에서 편향 미러(810)에 대한 +3.6 cm 까지의 범위 내에 있다. 따라서 제1 미러로부터 마지막 미러까지 계속 진행하는 두 빔들 사이의 경로 길이 차이는 짧은 가간섭성 길이를 갖는 레이저들로 수행될 때 실험의 우수한 동작에 해로울 수 있는 ±4 cm 이내로 다르다.
도 1b는 부분적인 보상을 달성하기 위한 편향 미러들의 배열의 보다 상세한 배치를 보인다. 이러한 미러들은 81 에서 810 까지 번호가 붙는다. 빔(12)은 파선으로 표현되고 미러(7)의 위치에 따라 다양한 빔들(16)이 나타난다.
이러한 차이들에 대하여 보상하기 위하여, 미러(Mi)는 빔(12)에 평행으로 이동하지 않지만, 빔(14, 15, 16)이 편향 미러(81)와 부딪칠 때 빔(14, 15, 16)의 경로 길이를 증가시키도록 그리고 빔(14, 15, 16)이 편향 미러(810)를 부딪칠 때 그 경로 길이를 감소시키도록 오목 각(reentrant angle)(도 1a 및 1d)을 가진다. 이 수정은 수반되는 식들이 비선형일 때만 부분적일 수 있다.
도 1d는 적어도 부분적으로 이 보상을 제공하기 위해 채택된 배치를 보인다.
이하의 계산은 이 부분적인 보상을 최적화하도록 할 수 있다.
빔 스플리터 플레이트(3)로부터 샘플(ECH)까지 빔(14, 14', 15, 16, 17)에 의하여 이동되는 그리고 편향 미러(81)를 통과하는 광학 경로 길이(ChI)는 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00001
여기서 D는 빔들(12 및 16)이 교차하는 샘플(ECH)과 지점(A) 사이의 거리를 지정하고, 0.7은 편향 미러를 통해 통과하여 생기는 추가 경로 길이(cm 로)를 지정한다.
빔 스플리터(3)로부터 샘플(ECH)까지 모듈레이터(EOM)를 통하여 통과하는 다른 빔(11, 12)의 광학 경로 길이(ChII)는 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00002
모든 크기들은 cm로 표현된다. 수학식(2)에서 마지막 5 cm는 모듈레이터(EOM) 내의 추가적인 경로 길이로부터 기인한다. 최종적으로, 다음의 수학식이 사용된다.
Figure pct00003
편향 미러(810)를 통해 통과하는 동안 빔 스플리터 플레이트(3)로부터 샘플까지 빔(14, 14', 15, 16, 17)에 의해 이동되는 광학 경로 길이(Ch'I)는 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00004
여기서 D는 지점(B)과 샘플(ECH) 사이의 거리이고, 8.6은 편향 미러(810)를 통한 통과에서 이동된 추가 경로 길이다. 빔 스플리터 빔(3)으로부터 샘플(ECH)까지의 광학 경로 길이(ChII)는 동일한 방법으로 계산된다.
Figure pct00005
모든 크기들은 계속해서 cm로 표현된다. 수학식(5)에서 마지막 5 cm는 위와 같이, 전기-광학 모듈레이터(EOM)를 통한 추가적인 광 경로로부터 기인한다. 최종적으로 다음의 수학식이 얻어진다.
Figure pct00006
그 다음 수학식들(3 및 6)이 0이 되는 x 및 y를 찾을 수 있는데, 그에 따라 두 빔들, 예를 들어 가장 먼 미러들(81 및 810) 사이의 0 경로 길이 차이를 얻는다. 다시 말하면 이것은
Figure pct00007
를 푸는 것이 된다.
위 식은 단순한 계산을 통해 x = 3.46 cm 그리고 y=12.9 cm 를 제공한다.
이 수정은 미러들(81 및 810)에 대하여 광학 경로 길이 차이가 0일 때만 부분적으로 적용되지만, 미러들(84 및 87)에 대하여 수행된 유사한 계산은 각각 [CHI-CHII] = -0.75 cm 및 [Ch'I-ChII] = -0.97 cm를 제공한다. 그럼에도 불구하고, 최대 광학 경로 길이 차이는 더 이상 센티미터 단위가 아님을 알 수 있는데, 광 신호들의 사전 처리 없이도 비교적 짧은 그리고 그에 따라 가간섭성 길이를 갖는 비교적 저렴한 레이저들을 사용할 수 있지만, 아마도 레이저 다이오드는 아닐 것이다.
또 다른 편향 미러들의 쌍, 예를 들어 82 및 89 또는 84 및 87에 대한 두 빔들 사이의 경로 길이 차이를 0으로 하는 최적화를 계산하는 것도 가능함을 알 수 있을 것이다.
위의 계산은 전기-광학 모듈레이터가 사용되지 않을 때에도 적용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그 다음 두 빔들 사이의 경로 길이 차이는 예를 들어 편향 미러들의 쌍의 도움으로 보상될 것이다.
도면들에서, 각(θ1 = 90°)이 선택된다. 이것은 광학대(optical bench)의 조정을 가능하게 하기 때문에 바람직한 구현이다. 각(θ)이 동일하게 유지되기 때문에, 그림들의 평면에 수직인 축에 관한 지점(P) 주변에서의 샘플의 회전은 간섭이 형성되는 진로를 변경하지 않음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
뿐만 아니라, 세그먼트들(12 및 16)은 수직일 필요가 없다.
정확한 보상은 반대 방향을 향하는 두 포물면 미러의 중심 축이 평행이 되는 두 포물면 미러를 사용함으로써 얻을 수 있다.
샘플(ECH)의 지점(P)은 다른 탈축 포물면 미러(off-axis parabolic mirror)(M2)의 초점(F2)에 위치된다(도 2). 다른 탈축 포물면 미러(M1)의 초점(F1)에 평면 미러(7')의 회전 축이 위치되는데, 그것은 회전에서, 양 빔을 동일한 평면에 유지하는 동안, 빔(14)이 포물면 미러(M1)에 이르는 각을 변경한다. 지점(F1)으로부터 샘플에 이르는 빔의 경로는 일정하게 유지된다. 따라서, 두 빔들 사이의 경로 길이 차이는 기하학적 배치(geometrical configuration)에 따라 하나 또는 다른 경로들을 연장하는데 미러들(91 및 92)의 시스템을 이용하여 보상될 수 있도록 일정하다.
도 2에서, 예시를 통해, 빔(12)(편향 미러들(91 및 92)) 상에 보상이 수행된다.
서로 다른 축들 상에서 그리고 지름(7.5 cm)과 동일한 중심 길이(7.5 cm)를 갖고 중심에서 약 60°의 편향 각과 10 cm의 포물선 축과 미러의 축 사이의 오프셋(offset)을 제공하는 두 개의 포물면 미러들.
포물면 미러들의 어느 한 쪽은 일련의 평면 미러들(도 2의 참조(m1 및 m2)에 도시)로 대체될 수 있는데 그것은 이러한 방법으로 대체된 포물면 미러의 개별적인 지점들(71 및/또는 82)에서 접하고, 그에 따라 충돌 지점(71 및 82)들의 쌍의 제한된 수로 이어진다.

Claims (12)

  1. 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는
    파장(λ)의 광 빔을 발산하는 레이저,
    상기 레이저에 의해 발산된 빔을 제1 및 제2 빔들(11, 14)로 분리하는 빔 스플리터 플레이트(beam splitter plate)―상기 제1 빔(11)은 제1 방향으로 편향됨―,
    제1 일정 입사각(θ1)으로 샘플의 지점(P) 상으로 상기 제1 빔을 편향시키기 위한 제1 고정형 편향 미러, 및
    제1 및 제2 입사각들(θ1 및 θ2) 사이의 각 차이(θ)에 따른 피치로 샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위하여 제2 입사각(θ2)으로 상기 샘플의 상기 지점(P)에 이르는 최종 경로(17)를 따라 상기 제2 빔을 편향시키기 위한 적어도 하나의 제2 고정형 편향 미러를 포함하고,
    상기 제2 빔의 경로는 다수의 제1 충돌 지점들(71)―상기 제2빔(15)은 상기 다수의 제1 충돌 지점들(71)로부터 상기 제2 미러(8, M2) 상의 다수의 제2 충돌 지점들(82)을 향하여 보내짐―로부터 상기 제2 빔을 보내고 편향시키기 위한 이동 가능한 편향 미러(7, 7')를 포함하고, 그에 따라 다수의 쌍들―상기 다수의 쌍들 각각은 제1및 제2 충돌 지점(71, 82)들 각각은 입사각(θ2)의 값이 변화하고 그에 따라 각 차이(θ)가 변화하도록 서로 다른 값의 각(θ2)을 갖는 상기 제2 빔의 상기 최종 경로(17)에 대응함―을 형성하는 것을 특징으로 하고,
    제1 방향과 반대 방향으로 그에 따라 샘플(ECH)의 상기 지점(P)에 충돌하는 상기 제1 빔의 세그먼트(12)로부터 떨어져서 상기 레이저에 의해 발산되는 상기 빔(10)의 방향으로부터 이격되는 샘플로부터 멀리 떨어진 업스트림 단으로부터 확장하는 선형 또는 포물선 경로 상에 상기 제1 충돌 지점들(71)이 배열되고, 상기 제1 및 제2 충돌 지점들(71, 82)의 쌍들에 대한 상기 제2 빔의 광학 경로 길이 변화들에 대하여 적어도 부분적으로 보상하도록 상기 선형 또는 포물선 경로는 상기 샘플(ECH)에 가까운 다운스트림 단을 향하여 진행하면서 상기 제1 빔의 상기 세그먼트(12)를 향하여 다시 들어가고, 상기 제1 및 제2 충돌 지점들(71, 82) 각각은 개별적인 각 차이(θ)의 값에 대응하는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 제1 세그먼트(14)에 관한 일정 각을 형성하는 제2 세그먼트(15)를 따라서 편향 미러들(61, 62)의 쌍으로부터 제2 빔 다운스트림을 편향시키기 위하여 상기 제2 빔의 제1 세그먼트(14)의 경로 상에 편향 미러들(61, 62) 한 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 미러는 상기 편향 미러(61, 62)의 쌍으로부터 다운스트림에 위치되며 상기 제2 세그먼트(15)를 따라서 병진 이동 가능한 미러(7)로 구성되고, 다수의 상기 제1 충돌 지점들(71)에서 상기 이동 가능한 미러(7)와 부딪치는 상기 제2 빔의 상기 제2 세그먼트(15)는 상기 제2 세그먼트(15)와 일정 각을 만드는 상기 이동 가능한 미러로부터 제3 세그먼트(16) 다운스트림을 형성하기 위하여 상기 선형 경로를 따라 배열되는 것을 특징으로 하고,
    상기 장치는 제1 측정 빔(11, 12)에 관한 적어도 두 개의 서로 다른 각(θ)들을 만드는 동안 상기 샘플(ECH)의 상기 지점(P)에 부딪치는 상기 최종 경로(17)를 따라 상기 제2 충돌 지점(82)에서 상기 제2 편향 미러들과 부딪치는 제2 측정 빔의 제3 세그먼트(16)를 편향하도록 미리 배치되는 적어도 두 개의 제2 편향 미러들(81, 82, …, 810)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 회전 이동 가능한 미러(7'), 상기 제2 빔의 경로 상에 그리고 상기 회전 이동 가능한 미러(7')의 축 상에 위치되는 초점(F1)을 갖는 제1 포물면 미러(M1)를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    회전 이동 가능한 상기 미러(7')는 다수의 상기 제2 충돌 지점들(82)에서 제2 포물면 미러(M2)와 부딪치는 상기 제2 빔의 중간 세그먼트(16)를 형성하기 위하여 다수의 상기 제1 충돌 지점들(71)에서 상기 초점(F1)으로부터 제2 빔을 제1 포물면 미러(M1) 상에 편향시키고,
    상기 샘플(ECH)의 상기 지점(P) 상에서 상기 제1 및 제2 빔들의 커버리지(coverage)는 상기 제2 포물면 미러(M2)의 초점(F2)에 위치되는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2 측정 빔의 상기 제1 세그먼트(14)는 상기 레이저로부터 발생하는 빔(10)과 동일 선상에 있는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 적어도 두 개의 측정 지점들로 구성되도록 이동 가능한 미러(7, 7')의 운동을 제어하기 위한 제어 모듈을 나타내는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 편광을 변경하기 위한 소자를 포함하고,
    상기 소자는 상기 샘플(ECH) 상에 간섭 빔을 형성하도록 또는 상기 소자에 균일한 조명이 조사되도록 빔의 경로 상에 위치되는 λ/2 반파장 플레이트인 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반파장 플레이트는 쵸퍼(chopper)와 결합되는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 편광을 변경하기 위한 소자를 포함하고,
    상기 소자는 상기 샘플(ECH) 상에 간섭 격자를 형성하거나 상기 샘플에 균일한 조명이 조사되게 할 수 있는 회전 편광기인 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장치는 상기 제1 빔의 경로 상에 삽입되는 전기-광학 모듈레이터(electro-optical modulator)를 나타내는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 각각의 위치에서 전류 값들(Iw 및 Iw0)을 측정하기 위한 장치를 포함하고,
    Iw는 상기 샘플 상에 형성되는 간섭 격자에 대응하고, Iw0는 상기 균일한 조명이 조사되는 상기 샘플에 대응하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 이동 가능한 미러(7, 7')의 운동을 제어하기 위한 스텝퍼 모터(stepper motor)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플(ECH)은 광 전도성 소자인 것을 특징으로 하는
    샘플 상에 간섭 격자를 형성하기 위한 장치.
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