통합광학장비와 가중치 부여 오차함수를 분광타원데이터 분석에 적용한 펠리클 박막의 광학적 물성과 두께의 정밀 평가
Precise Evaluation of Optical Properties and Thickness of Thin Pellicle Films Using an Integrated Optical System and the Weighted Error Function for Spectro-ellipsometric Data
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초록
투명하고 얇은 박막 단독으로 존재하는 펠리클 시료의 광학적 물성과 두께를 정밀하게 측정하고 안정적으로 평가하는 통합광학장비와 새로운 분광타원 데이터 분석 방법을 소개한다. 통합광학장비는 분광타원계와 분광반사계, 그리고 분광투과계를 결합한 장비로서 이들을 통합 구동하는 프로그램과 더불어 각 광원들의 출력을 안정화하고, 진동에 민감하지 않은 광학계를 도입하며, 자외선 영역의 감도를 향상시킨 광량 측정 장치를 적용하고 측정 변수들을 최적화하여 측정의 편의성과 안정성을 크게 향상시켰다. 특히 투과율의 경우 190–380 nm의 파장대역에서의 투과율 측정편차를 0.02% 이하로 줄였다. 분광타원 데이터 분석에서는 측정값의 분산에 반비례하는 가중치를 가지는 오차함수를 도입함으로써 반사광의 세기가 극히 약하여 측정값의 신뢰도가 매우 떨어지는 사각지대(blind zone)의 분광타원 데이터를 포함할 때에도 펠리클의 두께와 파장별 굴절률을 안정적으로 결정할 수 있도록 하였다. 가중치를 가지는 오차함수를 사용하였을 때, 펠리클의 두께나 굴절률 측정의 표준편 차는 이전의 1/3–1/10 수준으로 감소하였다. 또한 전 파장영역에 걸쳐 반사율과 투과율의 합이 1.0에 근접하였으며, 미세하지만 이 합이 짧은 파장대역에서 1.0으로부터 벗어나는 정도로부터 소광계수가 193 nm에서도 0.00022 이하임을 확인하였다. 본 연구는 타원상수 측정값들의 분산을 대체할 수 있는 광량편차라는 상수를 새로이 도입하여 단 1회의 타원측정으로도 측정값의 파장별 가중치를 얻을 수 있어, 사용자의 편의성을 유지하면서도 두께와 굴절률 결정 안정성을 크게 향상시켰다.
Abstract
I propose an integrated optical system and an advanced method for precise characterization of spectro-ellipsometric data to get the optical constantsand thicknesses of free-standing thin pellicle films. The integrated optical system consists of a spectroscopic ellipsometer, spectroscopic reflectometerand spectroscopic transmissometer, together with the operating software. The optical system is engineered to increase user convenience and measurement accuracy. As a consequence, the standard deviation of transmittance is reduced to below 0.02% across a wavelength range of 190–380nm. As for the modelling analysis of spectro-ellipsometric data, a weighted error function is introduced in which weights are applied inverselyproportional to the variances of measured data, and consequently both film thickness and wavelength-dependent refractive indices are determinedreliably. Their standard deviations are reduced to 1/3–1/10 of previous levels, even when the ellipsometric data in blind zones are included. Inaddition, it is verified that the sum of the measured reflectance and the measured transmittance approaches 1.0 over the entire spectral region of 190– 850 nm. From the small but noticeable discrepancy of the sum from 1.0 at shorter wavelengths, it is also confirmed that the extinction coefficients of the pellicles do not exceed 0.00022 even at 193 nm. Above all, by adopting deviation of intensity for the first time, the proposed method enables oneto get the wavelength-dependent weights from a single ellipsometric measurement, and increases stability in determining thicknesses and refractiveindices of pellicle films while preserving user convenience and experimental efficiency.