WO2015133715A1 - 시료 집합체 및 이를 이용한 광학 상수 측정 장치 - Google Patents

시료 집합체 및 이를 이용한 광학 상수 측정 장치 Download PDF

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WO2015133715A1
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electromagnetic wave
sample
optical constant
laser beam
sample assembly
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이종석
한정우
고도경
유난이
이규섭
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Gwangju Institute of Science and Technology
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Gwangju Institute of Science and Technology
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Definitions

  • the present invention relates to a sample assembly and an optical constant measuring device using the same.
  • a device for measuring the optical constant of the sample is used.
  • an optical constant measuring device By using such an optical constant measuring device, it is possible to obtain information about a sample or material contained in the sample in a non-invasive manner.
  • optical constant measuring apparatus should be used to distinguish the transmissive and reflective devices having different configurations depending on whether the sample is transparent or opaque.
  • the optical constant measuring device focuses electromagnetic waves using a lens or a mirror to measure the optical constant.
  • the reflective optical constant measuring device for measuring the optical constant of the opaque sample has a more complicated configuration than the transmission optical constant measuring device in view of its characteristics.
  • the complexity of this device configuration leads to technical problems, especially in the region of terahertz frequency characteristics.
  • the minimum focusing area increases in proportion to the wavelength (diffraction limit).
  • the diameter of the focused beam is approximately several mm. Leads to
  • the sample assembly of the present invention aims to oscillate electromagnetic waves in multiple paths by stacking a sample layer for transmitting or reflecting electromagnetic waves oscillated in an electromagnetic wave generating unit that interacts with a laser beam to generate electromagnetic waves.
  • the optical constant measuring apparatus of the present invention using such a sample assembly is intended to measure the optical constant for the sample by using electromagnetic waves oscillating in a multi-path in the sample assembly.
  • Sample assembly of the present invention for achieving this purpose includes an electromagnetic wave generating unit for generating a first electromagnetic wave by interacting with the laser beam irradiated from the laser beam oscillator and a sample layer on which the sample is laminated to the electromagnetic wave generating unit, The first electromagnetic wave is reflected by the sample layer, characterized in that the oscillation to the second electromagnetic wave.
  • the optical constant measuring device using the sample assembly of the present invention is a laser beam oscillator for oscillating a laser beam, a sample assembly for generating a first electromagnetic wave by interacting with the laser beam irradiated from the laser beam oscillator and the first electromagnetic wave And an optical constant calculating unit configured to receive a second electromagnetic wave and calculate an optical constant for the sample by using the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave.
  • the optical to the sample using the electromagnetic waves oscillating in a multi-path by stacking a sample layer for transmitting or reflecting the electromagnetic wave generated in the electromagnetic wave generating unit for interacting with the laser beam to generate the electromagnetic wave, the optical to the sample using the electromagnetic waves oscillating in a multi-path.
  • 1 is a view for explaining a conventional optical constant measuring method for measuring the optical constant for an opaque sample.
  • FIG. 2 is a block diagram of a conventional optical constant measuring apparatus for measuring an optical constant for an opaque sample.
  • FIG. 3 is a block diagram of a sample assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a sample assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of an optical constant measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 8 are graphs for explaining an optical constant calculation process according to an embodiment of the present invention.
  • 9 to 11 are graphs showing optical constant measurement results for exemplary samples.
  • the conventional optical constant measuring method irradiates electromagnetic waves to each of the reference sample 102 and the reflective sample 104 to measure the optical constant for the opaque sample.
  • the reference sample 102 is a material that reflects electromagnetic waves close to 100%, such as gold and silver.
  • the conventional optical constant measuring method measures the light reflected by the reference sample 102 and the light reflected by the reflective sample 104, and compares the measured values to calculate the optical constant.
  • the function is related to the refractive index and the extinction coefficient.
  • the reflection Fresnel coefficient for the reflective sample 104 can be calculated similarly to the reference sample 102, and thus the refractive index and the extinction coefficient can be calculated.
  • the conventional optical constant measuring method of FIG. 1 measures an electromagnetic wave reflected with respect to a reference sample such as air or a reference sample, and obtains an optical constant by comparing the electromagnetic wave reflected through the reflective sample 104 to be measured. do.
  • the optical constants are measured by comparing the measured values of the target sample with the measured values of the reference sample as described above (for example, the reflectance is close to 99%, or n and In the region where the value of k is approximately 100 or more), it is difficult to measure the optical constant.
  • a conventional optical constant measuring apparatus includes a laser beam oscillator 202, a time delay device 204 including a plurality of planar mirrors, an electromagnetic wave generator 206, a parabolic mirror 208, and a convex lens ( 210, a sample 212, and an electromagnetic wave detector 214.
  • the laser beam oscillated in the laser beam oscillator 202 is changed in the path traveling through the time delay device 204 including a plurality of planar mirrors and the time taken for the laser beam to reach the sample or the sample. Delay.
  • Electromagnetic waves oscillating in different directions from the electromagnetic wave generator 206 are focused on the sample 212 through the parabolic mirror 208 and the convex lens 210.
  • the electric field of the electromagnetic wave reflected from the reflective sample 212 may be detected by the electromagnetic wave detector 214, and an optical constant for the sample 212 may be obtained using the measured value.
  • the sample 212 is disposed at a position different from that of the electromagnetic wave generator 206 which interacts with the laser beam to generate electromagnetic waves.
  • Such a structure increases the complexity of the measuring device, and there is a problem in that an error occurs in measuring the optical constant due to shrinkage / expansion of the sample part due to a change in the measurement position and temperature of the sample, which varies with each measurement.
  • the sample assembly includes an electromagnetic wave generator 302 and a sample layer 304.
  • the electromagnetic wave generator 302 is a laser beam irradiated from the laser beam oscillator ( ) Interacts with the first electromagnetic wave ( ) Oscillate function.
  • the laser beam primarily interacts with the surface of the electromagnetic wave generator 302 to allow the first electromagnetic wave ( Can be oscillated with).
  • the first electromagnetic wave ( ) Is radiated to the outside of the electromagnetic wave generator 302 and simultaneously transmitted and propagated to the inside.
  • the sample layer 304 is formed by stacking a sample on the electromagnetic wave generator 302. Samples forming the sample layer 304 are the first electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave generator 302 ( ) Can be reflected.
  • the first electromagnetic wave passing through the electromagnetic wave generator 302 ( ) Is reflected by the sample layer 304 composed of a reflective sample at the interface 306 of the electromagnetic wave generator 302 and the sample layer 304.
  • Reflected first electromagnetic waves ( ) Is transmitted through the electromagnetic wave generator 302 and radiated to the outside
  • the second electromagnetic wave ( ) Is the first electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave generator 302 ( )
  • the third electromagnetic wave and the fourth electromagnetic wave may be oscillated through the same process, the present invention describes the second electromagnetic wave including all the secondary electromagnetic waves such as the second electromagnetic wave, the third electromagnetic wave, and the fourth electromagnetic wave.
  • the laser beam is irradiated to the electromagnetic wave generator 302 and then interacts with the surface of the electromagnetic wave generator 302 so that the first electromagnetic wave ( May be oscillated.
  • First electromagnetic wave ( ) May be radiated to the outside of the electromagnetic wave generator 302, or may be transmitted to the inside at the same time.
  • Electromagnetic waves transmitted into the electromagnetic wave generator 302 are reflected by the sample layer and radiated to the outside of the electromagnetic wave generator 302, which is the second electromagnetic wave ( )to be.
  • the first electromagnetic wave ( ) Is an electromagnetic wave that oscillates primarily by interacting with the surface of the electromagnetic wave generator 302, and the second electromagnetic wave ( ) Is a portion of the first electromagnetic wave transmitted through the electromagnetic wave generator 302 ( ) Is an electromagnetic wave radiated to the outside of the electromagnetic wave generator 302 by being reflected by the sample layer. Therefore, the first electromagnetic wave ( Compared to) ) Has a longer optical path, which means that the first electromagnetic wave ( ) And the second electromagnetic wave ( ) Can be separated from each other.
  • the sample assembly 310 may include a sample 312, an electromagnetic wave generator 314, and a sample pedestal 316. That is, the sample 312 is stacked on the electromagnetic wave generator 314 and fixed through the sample pedestal 316 to form the sample assembly 310.
  • the laser beam may oscillate with the electromagnetic wave having the frequency characteristic of the terahertz region by interacting with the electromagnetic wave generator.
  • the electromagnetic wave generator of the present invention may be oscillated by the second electromagnetic wave reflected from the first electromagnetic wave that is primarily oscillated by interacting with the laser beam irradiated from the laser beam oscillator and the sample layer stacked on the electromagnetic wave generator. have.
  • the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave may be terahertz piles having frequency characteristics in the terahertz region.
  • sample assembly of the present invention by stacking a sample layer 304 reflecting the first electromagnetic wave on the electromagnetic wave generating unit 302 which interacts with the laser beam to oscillate the electromagnetic wave, the first electromagnetic wave and the first electromagnetic wave which can be separated on the time axis 2 It can oscillate electromagnetic waves.
  • the optical constant measuring apparatus of the present invention includes the sample assembly of FIG. 3.
  • the optical constant measuring apparatus includes a laser beam oscillator 402, a laser beam scatterer 404, a time delay device 406, a sample assembly 408, a parabolic mirror 414, and an optical constant calculator 420. ).
  • the optical constant measuring apparatus may use the sample assembly shown in FIG. 3.
  • the sample assembly 408 interacts with the laser beam irradiated from the laser beam oscillator to oscillate the first electromagnetic wave.
  • the sample assembly 408 includes an electromagnetic wave generator 410 and a sample layer 412 on which a sample is stacked on the electromagnetic wave generator 410.
  • the electromagnetic wave generator 410 oscillates the first electromagnetic wave by interacting with the laser beam, and the first electromagnetic wave is reflected by the sample layer 412 to oscillate into the second electromagnetic wave.
  • the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave may have a terahertz (10 12 Hz) frequency characteristic.
  • the laser beam oscillator 402 performs a function of oscillating a laser beam.
  • a femtosecond laser can be used, which means a laser capable of irradiating a laser beam for an extremely short time.
  • Femtosecond lasers typically have pulse widths of tens of femtoseconds (fs) to hundreds of femtoseconds (fs).
  • the laser beam splitter 404 transmits or reflects the laser beam oscillated from the laser beam oscillator 402 to change the path of the laser beam.
  • the time delay device 406 may comprise a plurality of planar mirrors.
  • the plane mirror can be used to redirect the laser beam and delay the time it takes for the laser beam to reach the sample assembly 408.
  • the optical constant measuring apparatus of the present invention may include a planar mirror, a parabolic mirror 414 and a convex lens.
  • the planar mirror serves to change the path of travel of the laser beam.
  • Parabolic mirrors and convex lenses are used to focus the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave oscillating on the sample assembly 408.
  • the optical constant calculating unit 420 receives a first electromagnetic wave and a second electromagnetic wave, and calculates an optical constant for a sample by using the received first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave.
  • An optical constant is a value representing optical properties of a material and may be expressed as a refractive index and an extinction coefficient.
  • the optical constant calculator 420 for receiving the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave separates the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave on the time axis. can do.
  • the optical constant calculator 420 may calculate an optical constant for the sample using the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave separated in time.
  • the optical constant calculating unit 420 of the present invention separates the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave from the time axis, and Fourier transforms the separated first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave using Equation 2 below.
  • the optical constant can be calculated.
  • Is the electric field of the first electromagnetic wave Is a spectrum obtained by Fourier transforming the electric field of the second electromagnetic wave.
  • ⁇ is (C is the luminous flux and ⁇ is the length of the wavelength).
  • z denotes a path length difference from the laser beam radiated to the electromagnetic wave generator 410 to be reflected by the sample layer 412 through the electromagnetic wave generator 410.
  • Equation 3 reflects the electromagnetic wave reflected from the sample layer 412 passing through the electromagnetic wave generator 410.
  • Is a transmission Fresnel coefficient of the electromagnetic wave generator 410 is defined by Equation 4.
  • Equation 4 reflects the transmission at the interface between the electromagnetic wave generator 410 and the air when the electromagnetic wave reflected from the sample layer 412 is oscillated into the second electromagnetic wave by interacting with the electromagnetic wave generator 410.
  • Equation 3 and Equation 4 Is the refractive index of the electromagnetic wave generator 410, and may be obtained through a transmission experiment.
  • angle of incidence Can be predetermined according to the installation position of the laser oscillator, for example 45 °, Is Snell's law ( Can be obtained using
  • the refractive index of the electromagnetic wave generator 410 ( ) May be obtained using Equation 5 below without performing a separate experiment.
  • the first electromagnetic wave may be reflected by the sample layer 412 and then transmitted or reflected again on the surface of the electromagnetic wave generator 410. At this time, the electric field reflected again and transmitted from the surface of the electromagnetic wave generator 410 is to be.
  • Optical constants Is It can appear as a complex plane, such as here, Is the refractive index, Is the extinction coefficient.
  • 6 to 8 are graphs for explaining an optical constant calculation process according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 8 show calculation results of optical constants for the screen 502 showing the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave on the time axis, the screen obtained by separating the first electromagnetic wave 504, and the second electromagnetic wave 506, respectively.
  • the displayed screen 508 is displayed.
  • the first electromagnetic wave is first detected and then the second electromagnetic wave is detected.
  • the first electromagnetic wave is an electromagnetic wave in which the laser beam irradiated to the electromagnetic wave generating unit interacts and oscillates on the surface
  • the second electromagnetic wave is an electromagnetic wave emitted by the first electromagnetic wave passing through the electromagnetic wave generating unit is reflected from the sample layer and then transmitted through the electromagnetic wave generating unit. to be.
  • the second electromagnetic wave may include one or more components reflected from the sample layer.
  • the first electromagnetic wave 504 and the second electromagnetic wave 506 may be separated on the time axis, respectively.
  • the optical constant extracting unit Fourier transforms each of the separated first and second electromagnetic waves, and then calculates an optical constant for the sample.
  • Equations 2 to 5 may be used.
  • the optical constant is the refraction coefficient for frequency ) And extinction coefficient ( ) May be indicated.
  • the optical constant for the sample of the corresponding frequency can be known.
  • FIGS. 9 to 11 are graphs showing optical constant measurement results for exemplary samples.
  • the same results as in the conventional optical constant measuring equipment are measured when using the optical constant measuring apparatus of the present invention.
  • the conventional optical constant measuring equipment for measuring the optical constant by comparing the measured value with the reference sample It is difficult to obtain an optical constant because there is almost no difference in both measured values.
  • the optical constant measuring apparatus of the present invention since the optical constant is measured by comparing the electromagnetic waves reflected from the sample with each other, the optical constant can be measured even for a sample having a reflectance similar to that of the reference sample.

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Abstract

본 발명은 시료 집합체 및 이를 이용한 광학 상수 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명의 시료 집합체는 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부 및 상기 전자기파 발생부에 시료가 적층되는 시료층을 포함하고, 상기 제1 전자기파는 상기 시료층에서 반사되어 제2 전자기파로 발진되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치는 레이저 광선을 발진시키는 레이저 광선 발진기, 상기 레이저 광선 발진기로부터 조사된 상기 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 시료 집합체 및 상기 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 수신하고, 상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 이용하여 상기 시료에 대한 광학 상수를 산출하는 광학 상수 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

시료 집합체 및 이를 이용한 광학 상수 측정 장치
본 발명은 시료 집합체 및 이를 이용한 광학 상수 측정 장치에 관한 것이다.
물질에 대한 정보를 얻기 위하여 시료의 광학 상수를 측정하는 장치가 사용된다. 이러한 광학 상수를 측정하는 장치를 사용하면 비침습적으로 시료 또는 시료에 포함되는 물질에 대한 정보를 얻을 수 있다.
종래의 광학 상수 측정 장치는 시료의 투명 또는 불투명 여부에 따라 서로 다른 구성을 갖는 투과형, 반사형 장치를 구별해서 사용하여야 한다. 이러한 광학 상수 측정 장치는 광학 상수를 측정하기 위하여 렌즈나 거울을 이용하여 전자기파를 집속한다.
한편, 불투명한 시료의 광학 상수를 측정하기 위한 반사형 광학 상수 측정 장치는 특성상 투과형 광학 상수 측정 장치보다 복잡한 구성으로 이루어진다. 이러한 장치 구성의 복잡성은 특히 주파수 특성이 테라헤르츠인 영역에서 기술적인 문제점을 야기한다. 즉, 렌즈나 거울을 이용하여 빛을 집속할 경우 최소 집속 면적은 파장에 비례해서 커지는데(회절 한계), 이로 인하여 파장이 대략 mm에 이르는 테라헤르츠파의 경우 집속된 광선의 직경은 대략 수 mm에 이르게 된다.
이와 같이, 불투명한 시료의 광학 상수를 측정하는 경우 시료의 샘플의 크기가 작으면 그에 따라 렌즈나 거울의 크기가 커질 수 밖에 없다. 따라서 종래의 광학 상수 측정 장치에 의하면 크기가 작은 샘플의 시료는 측정하기 어려운 문제점이 존재한다.
본 발명의 시료 집합체는 레이저 광선과 상호 작용하여 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부에 발진된 전자기파를 투과 또는 반사시키는 시료층을 적층함으로써, 전자기파들을 다중 경로로 발진시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 이러한 시료 집합체를 이용한 본 발명의 광학 상수 측정 장치는 시료 집합체에서 다중 경로로 발진하는 전자기파들을 이용하여 시료에 대한 광학 상수를 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시료 집합체는 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부 및 상기 전자기파 발생부에 시료가 적층되는 시료층을 포함하고, 상기 제1 전자기파는 상기 시료층에서 반사되어 제2 전자기파로 발진되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치는 레이저 광선을 발진시키는 레이저 광선 발진기, 상기 레이저 광선 발진기로부터 조사된 상기 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 시료 집합체 및 상기 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 수신하고, 상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 이용하여 상기 시료에 대한 광학 상수를 산출하는 광학 상수 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 레이저 광선과 상호 작용하여 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부에 발진된 전자기파를 투과 또는 반사시키는 시료층을 적층함으로써, 다중 경로로 발진하는 전자기파들을 이용하여 시료에 대한 광학 상수를 측정할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 불투명 시료에 대한 광학 상수를 측정하기 위한 종래의 광학 상수 측정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 불투명 시료에 대한 광학 상수를 측정하기 위한 종래의 광학 상수 측정 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시료 집합체의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시료 집합체의 투시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 상수 측정 장치의 구성도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학 상수 산출 과정을 설명하기 위한 그래프.
도 9 내지 도 11은 예시적인 시료들에 대한 광학 상수 측정 결과를 나타낸 그래프.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 불투명 시료에 대한 광학 상수를 측정하기 위한 종래의 광학 상수 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 광학 상수 측정 방법은 불투명 시료에 대한 광학 상수를 측정하기 위하여 참조 시료(102) 및 반사 시료(104) 각각에 전자기파를 조사한다. 여기서, 참조 시료(102)는 금, 은과 같이 전자기파를 100% 가까이 반사하는 물질이다. 반사 시료에 전자기파를 조사하면, 전자기파는 시료를 통과하지 못하고 반사된다. 종래의 광학 상수 측정 방법은 참조 시료(102)에서 반사되는 광선 및 반사 시료(104)에서 반사되는 광선을 측정하고, 양 측정치를 비교하여 광학 상수를 산출한다.
보다 상세하게는, 참조 시료(102)에 입사하는 광선의 전계(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000001
)는 참조 시료(102)에서 반사되는 전계(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000002
)와 다음의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2014013063-appb-I000003
여기서,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000004
은 반사 프레넬 계수로 n과 k의 함수로 나타날 수 있으며, n은 굴절 계수, k는 흡광 계수를 의미한다. 즉, 반사 프레넬 계수는
Figure PCTKR2014013063-appb-I000005
과 같이 굴절 계수, 흡광 계수에 관한 함수이다. 수학식 1을 이용하여, 참조 시료(102)와 마찬가지로 반사 시료(104)에 대한 반사 프레넬 계수를 산출할 수 있고, 그에 따라 굴절 계수 및 흡광 계수를 산출할 수 있다.
즉, 도 1의 종래의 광학 상수 측정 방법은 공기 또는 참조 시료와 같은 기준 시료에 대하여 반사되는 전자기파를 측정하고, 이를 측정하고자 하는 반사 시료(104)를 통해 반사되는 전자기파와 비교하여 광학 상수를 획득한다.
그러나, 이와 같이 참조 시료에 대한 측정치를 기준으로 대상 시료에 대한 측정치를 비교하여 광학 상수를 측정하면 참조 시료와 대상 시료의 반사율이 비슷해지는 영역(예를 들어 반사율이 99%에 가깝거나, n과 k의 값이 대략 100 이상인 영역)에서는 광학 상수를 측정하기 어려운 문제점이 존재한다.
도 2는 불투명 시료에 대한 광학 상수를 측정하기 위한 종래의 광학 상수 측정 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 종래의 광학 상수 측정 장치는 레이저 광선 발진기(202), 다수의 평면 거울을 포함하는 시간 지연 장치(204), 전자기파 발생부(206), 포물면 거울(208), 볼록 렌즈(210), 시료(212) 및 전자기파 검출부(214)를 포함한다.
보다 상세하게는, 레이저 광선 발진기(202)에서 발진되는 레이저 광선은 다수의 평면 거울들을 포함하는 시간 지연 장치(204)를 통해 진행하는 경로가 변경되고 레이저 광선이 시료 또는 샘플에 도달하는데 걸리는 시간이 지연된다. 레이저 광선은 전자기파 발생부(206)에서 전자기파로 발진하는데, 이러한 전자기파의 주파수 특성은 테라헤르츠 영역일 수 있다. 전자기파 발생부(206)에서 서로 다른 방향으로 발진하는 전자기파는 포물면 거울(208) 및 볼록 렌즈(210)를 통해 시료(212)에 집속된다. 반사 시료(212)에서 반사된 전자기파의 전계는 전자기파 검출부(214)를 통해 검출될 수 있고 이러한 측정치를 이용하여 시료(212)에 대한 광학 상수를 획득할 수 있다.
즉, 도 2의 종래의 광학 상수 측정 장치는 레이저 광선과 상호작용하여 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부(206)와는 별도로 다른 위치에 시료(212)가 배치된다. 이러한 구조는 측정 장치의 복잡도를 증가시키고, 측정 시마다 달라지는 시료의 측정 위치 및 온도 변화에 따른 시료 부분의 수축/팽창으로 인하여 광학 상수 측정 시 오차가 발생하는 문제점이 존재한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시료 집합체의 구성도이다. 도 3a를 참조하면, 시료 집합체는 전자기파 발생부(302) 및 시료층(304)을 포함한다.
전자기파 발생부(302)는 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000006
)과 상호작용하여 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000007
)를 발진시키는 기능을 수행한다. 즉, 레이저 광선은 1차적으로 전자기파 발생부(302) 표면과 상호작용하여 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000008
)로 발진할 수 있다. 또한, 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000009
)는 전자기파 발생부(302) 외부로 방사됨과 동시에 한편으로는 내부로 투과되어 전파할 수 있다.
시료층(304)은 전자기파 발생부(302)에 시료가 적층되어 형성된다. 시료층(304)을 형성하는 시료들은 전자기파 발생부(302) 내부로 투과된 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000010
)를 반사시킬 수 있다. 시료층(304)을 형성하는 시료가 반사 시료인 경우, 전자기파 발생부(302)를 투과하는 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000011
)는 전자기파 발생부(302) 및 시료층(304)의 경계면(306)에서 반사 시료로 구성되는 시료층(304)에 의해 반사된다. 반사된 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000012
)는 전자기파 발생부(302)를 투과하여 외부로 방사되며, 제2 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000013
)는 전자기파 발생부(302) 내부로 투과된 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000014
)가 시료층(304)에서 반사되어 전자기파 발생부(302) 외부로 방사될 때의 전자기파를 의미한다. 동일한 과정을 통해 제3 전자기파, 제4 전자기파가 발진될 수 있으나, 본 발명에서는 이러한 제2 전자기파, 제3 전자기파, 제4 전자기파와 같이 2차적인 전자기파를 모두 포함하여 제2 전자기파로 기술한다.
보다 상세하게는, 레이저 광선은 전자기파 발생부(302)에 조사된 다음 전자기파 발생부(302)의 표면과 상호작용하여 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000015
)로 발진될 수 있다. 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000016
)는 전자기파 발생부(302) 외부로 방사되거나, 동시에 내부로 투과될 수 있다. 전자기파 발생부(302) 내부로 투과된 전자기파는 시료층에서 반사되어 전자기파 발생부(302) 외부로 방사되며, 이것이 제2 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000017
)이다.
다시 말하면, 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000018
)는 전자기파 발생부(302)의 표면과 상호작용하여 1차적으로 발진하는 전자기파이며, 제2 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000019
)는 전자기파 발생부(302) 내부로 투과되는 일부 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000020
)가 시료층에서 반사됨으로써 전자기파 발생부(302) 외부로 방사되는 전자기파이다. 따라서, 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000021
)에 비하여 제2 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000022
)의 광 경로가 보다 길게 되고, 이는 시간 축 상에서 제1 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000023
) 및 제2 전자기파(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000024
)가 서로 분리될 수 있음을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시료 집합체의 투시도이다. 도 4를 참조하면, 시료 집합체(310)는 시료(312), 전자기파 발생부(314), 샘플 받침대(316)를 포함할 수 있다. 즉, 전자기파 발생부(314)에 시료(312)가 적층되고 샘플 받침대(316)를 통해 고정되어 시료 집합체(310)를 형성한다.
도 2 및 도 4의 전자기파 발생부는 주파수 특성이 테라헤르츠(1012 Hz) 영역인 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 발진시킬 수 있다. 즉, 레이저 광선은 전자기파 발생부와 상호작용하여 테라헤르츠 영역의 주파수 특성을 갖는 전자기파로 발진할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 전자기파 발생부는 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선과 상호작용하여 1차적으로 발진하는 제1 전자기파 및 전자기파 발생부에 적층되는 시료층에서 반사되어 제2 전자기파로 발진될 수 있다. 이러한 제1 전자기파 및 제2 전자기파는 테라헤르츠 영역의 주파수 특성을 갖는 테라헤르츠파일 수 있다.
본 발명의 시료 집합체에 의하면, 레이저 광선과 상호 작용하여 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부(302)에 제1 전자기파를 반사시키는 시료층(304)을 적층함으로써, 시간 축에서 분리 가능한 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 발진시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학 상수 측정 장치의 구성도이다. 본 발명의 광학 상수 측정 장치는 도 3의 시료 집합체를 포함한다. 도 5를 참조하면, 광학 상수 측정 장치는 레이저 광선 발진기(402), 레이저 광선 분산기(404), 시간 지연 장치(406), 시료 집합체(408), 포물면 거울(414) 및 광학 상수 산출부(420)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학 상수 측정 장치는 도 3에 도시된 시료 집합체를 이용할 수 있다. 상술한 바와 같이, 시료 집합체(408)는 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시킨다. 보다 상세하게는, 시료 집합체(408)는 전자기파 발생부(410) 및 전자기파 발생부(410)에 시료가 적층되는 시료층(412)을 포함한다. 전자기파 발생부(410)는 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키고, 제1 전자기파는 시료층(412)에서 반사되어 제2 전자기파로 발진된다. 또한, 제1 전자기파 및 제2 전자기파는 주파수 특성이 테라헤르츠(1012 Hz)일 수 있다.
레이저 광선 발진기(402)는 레이저 광선을 발진시키는 기능을 수행한다. 예를 들어, 펨토초 레이저가 사용될 수 있는데, 펨토초 레이저란 극히 짧은 시간 동안 레이저 광선을 조사(laser emission)할 수 있는 레이저를 의미한다. 펨토초 레이저는 일반적으로 수십 펨토초(fs)에서 수백 펨토초(fs)의 펄스폭을 가진다.
레이저 광선 분산기(404)는 레이저 광선 발진기(402)로부터 발진되는 레이저 광선을 투과시키거나 반사시켜 레이저 광선의 경로를 변경하는 기능을 수행한다.
시간 지연 장치(406)는 다수의 평면 거울을 포함할 수 있다. 평면 거울을 통해 레이저 광선의 경로를 변경하고 레이저 광선이 시료 집합체(408)에 도달하는데 걸리는 시간을 지연시킬 수 있다.
본 발명의 광학 상수 측정 장치는 평면 거울, 포물면 거울(414) 및 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 평면 거울은 레이저 광선의 진행 경로를 변경하는 기능을 수행한다. 포물면 거울 및 볼록 렌즈는 시료 집합체(408)에서 발진하는 제1 전자기파, 제2 전자기파를 집속시키는데 사용된다.
광학 상수 산출부(420)는 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 수신하고, 수신된 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 이용하여 시료에 대한 광학 상수를 산출하는 기능을 수행한다. 광학 상수란 물질의 광학적인 특성을 나타내는 값으로 굴절 계수 및 흡광 계수로 표현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 전자기파 및 제2 전자기파는 광 경로를 서로 달리하기 때문에 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 수신하는 광학 상수 산출부(420)는 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 시간 축 상에서 분리할 수 있다. 광학 상수 산출부(420)는 시간적으로 분리된 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 이용하여 시료에 대한 광학 상수를 산출할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 광학 상수 산출부(420)는 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 시간 축에서 분리하고, 분리된 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 푸리에 변환하여 다음과 같은 수학식 2를 이용하여 광학 상수를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2014013063-appb-I000025
여기서,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000026
는 제1 전자기파의 전계,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000027
는 제2 전자기파의 전계를 푸리에 변환한 스펙트럼이다.
Figure PCTKR2014013063-appb-I000028
,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000029
의 함수는 ω에 대한 함수로 정의될 수 있다. ω는
Figure PCTKR2014013063-appb-I000030
의 관계를 갖는다(c는 광속, λ은 파장의 길이). z는 전자기파 발생부(410)에 조사된 레이저가 전자기파 발생부(410)를 통과하여 시료층(412)에서 반사되기까지의 경로 길이 차를 의미한다.
Figure PCTKR2014013063-appb-I000031
은 공기의 굴절률로 1로 정의된다.
Figure PCTKR2014013063-appb-I000032
는 시료층(412)의 반사 프레넬 계수로 수학식 3으로 정의된다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2014013063-appb-I000033
수학식 3은 전자기파 발생부(410)를 통과하여 시료층(412)에서 반사되는 전자기파를 반영한 것이다.
Figure PCTKR2014013063-appb-I000034
은 전자기파 발생부(410)의 투과 프레넬 계수로 수학식 4로 정의된다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2014013063-appb-I000035
수학식 4는 시료층(412)에서 반사된 전자기파가 전자기파 발생부(410)와 상호작용하여 제2 전자기파로 발진될 때 전자기파 발생부(410) 및 공기의 경계면에서의 투과를 반영한 것이다.
수학식 3 및 수학식 4에서,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000036
은 전자기파 발생부(410)의 굴절률로, 투과 실험을 통해 획득될 수 있다.
입사각
Figure PCTKR2014013063-appb-I000037
은 예를 들어 45°와 같이 레이저 발진기의 설치 위치에 따라 미리 정해질 수 있으며, 굴절각
Figure PCTKR2014013063-appb-I000038
은 스넬의 법칙(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000039
)을 이용하여 얻을 수 있다.
수학식 2 내지 수학식 4를 이용하여, 반사 프레넬 계수(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000040
) 의
Figure PCTKR2014013063-appb-I000041
가 획득될 수 있다.
Figure PCTKR2014013063-appb-I000042
는 시료층(412)을 형성하는 시료의 광학 상수이다.
또한, 전자기파 발생부(410)의 굴절률(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000043
)은 별도의 실험을 통하지 않고 다음의 수학식 5를 이용하여 획득될 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2014013063-appb-I000044
제1 전자기파는 시료층(412)에서 반사된 다음, 전자기파 발생부(410)의 표면에서 투과되거나 또 다시 반사될 수 있다. 이 때, 또 다시 반사되어 전자기파 발생부(410)의 표면에서 투과되는 전계가
Figure PCTKR2014013063-appb-I000045
이다.
그 결과, 수학식 2 및 수학식 5를 통해, 광학 상수
Figure PCTKR2014013063-appb-I000046
및
Figure PCTKR2014013063-appb-I000047
가 동시에 획득될 수 있다.
광학 상수
Figure PCTKR2014013063-appb-I000048
는
Figure PCTKR2014013063-appb-I000049
와 같이 복소 평면으로 나타날 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000050
은 굴절 계수이고,
Figure PCTKR2014013063-appb-I000051
은 흡광 계수이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학 상수 산출 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6 내지 도 8에는 각각 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 시간 축에서 나타낸 화면(502), 제1 전자기파(504) 및 제2 전자기파(506)를 분리한 화면 및 시료에 대한 광학 상수 산출 결과를 나타낸 화면(508)이 나타난다.
제1 전자기파 및 제2 전자기파를 시간 축에서 나타난 화면(502)을 참조하면, 제1 전자기파가 먼저 검출된 다음 제2 전자기파가 검출된다. 여기서 제1 전자기파는 전자기파 발생부에 조사된 레이저 광선이 표면에서 상호작용하여 발진하는 전자기파이고, 제2 전자기파는 전자기파 발생부를 투과한 제1 전자기파가 시료층에서 반사된 다음 전자기파 발생부를 투과함으로써 나오는 전자기파이다. 상술한 바와 같이, 전자기파 발생부에서 투과되지 않고 다시 시료층으로 반사되는 성분이 존재할 수 있다. 제2 전자기파는 시료층에서 반사되는 하나 이상의 성분들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 전자기파(504) 및 제2 전자기파(506)는 시간 축에서 각각 분리될 수 있다. 광학 상수 추출부는 분리된 각각의 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 푸리에 변환한 다음, 시료에 대한 광학 상수를 산출한다.
광학 상수의 산출 과정에서, 수학식 2 내지 수학식 5가 이용될 수 있다.
광학 상수는 주파수에 대한 굴절 계수(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000052
) 및 흡광 계수(
Figure PCTKR2014013063-appb-I000053
)로 표시될 수 있다. 시료에 대한 광학 상수 산출 결과를 나타낸 화면(508)에서, 해당 주파수의 시료에 대한 광학 상수를 알 수 있다.
도 9 내지 도 11은 예시적인 시료들에 대한 광학 상수 측정 결과를 나타낸 그래프이다. n type InAs 시료(602), n type Si 시료(604)에 대하여, 본 발명의 광학 상수 측정 장치에 의할 때 종래의 광학 상수 측정 장비와 동일한 결과가 측정된다.
특히, 기준 시료와 비슷한 반사율(99% 정도)을 갖는 60nm gold 시료(606)에 대한 광학 상수를 측정하는 경우, 기준 시료와의 측정 값 비교를 통해 광학 상수를 측정하는 종래의 광학 상수 측정 장비에 의하면 양 측정 값에 거의 차이가 없기 때문에 광학 상수를 얻기 어렵다.
그러나, 본 발명의 광학 상수 측정 장치에 의하면 시료로부터 다중 반사된 전자기파들을 서로 비교하여 광학 상수를 측정하기 때문에, 기준 시료와 비슷한 반사율을 갖는 시료에 대해서도 광학 상수의 측정이 가능하다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (8)

  1. 레이저 광선 발진기로부터 조사된 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부; 및
    상기 전자기파 발생부에 시료가 적층되는 시료층을 포함하고,
    상기 제1 전자기파는 상기 시료층에서 반사되어 제2 전자기파로 발진되는
    시료 집합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파는
    주파수 특성이 테라헤르츠(1012 Hz)인
    시료 집합체.
  3. 레이저 광선을 발진시키는 레이저 광선 발진기;
    상기 레이저 광선 발진기로부터 조사된 상기 레이저 광선과 상호작용하여 제1 전자기파를 발진시키는 시료 집합체; 및
    상기 제1 전자기파 및 제2 전자기파를 수신하고, 상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 이용하여 상기 시료에 대한 광학 상수를 산출하는 광학 상수 산출부
    를 포함하는 시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시료 집합체는
    상기 레이저 광선과 상호작용하여 상기 제1 전자기파를 발진시키는 전자기파 발생부; 및
    상기 전자기파 발생부에 시료가 적층되는 시료층
    을 포함하고,
    상기 제1 전자기파는 상기 시료층에서 반사되어 제2 전자기파로 발진되는
    시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파는
    주파수 특성이 테라헤르츠(1012 Hz)인
    시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광학 상수는
    굴절 계수 및 흡광 계수를 포함하는
    시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 광선의 진행 경로를 변경하기 위한 평면 거울;
    상기 시료 집합체에서 발진하는 상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 집속시키기 위한 포물면 거울 및 볼록 렌즈
    를 더 포함하는 시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 광학 상수 추출부는
    상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 시간 축에서 분리하고,
    분리된 각각의 상기 제1 전자기파 및 상기 제2 전자기파를 푸리에 변환하여
    광학 상수를 산출하는
    시료 집합체를 이용한 광학 상수 측정 장치.
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