KR101920870B1 - 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전기적 특성 비접촉식 측정 시스템으로서, 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 센싱 소자; 상기 센싱 소자 상에 배치되어 전기광학적 특성이 측정되는 박막; 및 상기 센싱 소자에 의하여 증폭된 전자기파가 상기 박막을 통과하면서 발생하는 상기 박막의 전기광학적 특성을 기초로 상기 박막의 물성을 추출하는 전기광학적 특성 측정 서버를 포함한다.
Description
본 발명은 박막의 전기광학적 특성을 측정하는 기술에 관한 것으로서, 전자기파를 이용하여 이차원 물질의 도핑 수준을 비접촉 방식으로 측정하는 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존 물질과 전기적 및 광학적으로 다른 특성을 보이는 이차원 신물질은 반도체 및 소재공학 분야에서 주목을 받고 있으며, 반도체, 전자, 또는 배터리 등의 기술분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 즉, 단일 원자층으로 구성된 이차원 물질은 수 나노미터 이하의 박막 형태로 존재하며, 일반적인 벌크 형태의 물질과 다른 물성을 보이기 때문에 반도체 및 재료 공학적 측면에서 새로운 관심을 받아온 것이다. 그러나, 이러한 형태의 물질은 극도로 얇은 두께 및 형태에 의한 제약 때문에 물성 측정의 어려움이 있다. 즉, 이차원 물질은 단일원자층 수준의 얇은 두께 때문에 외부 영향에 의해 특성이 크게 변하여, 전기적 측정으로는 전극 및 기판 접촉에 의한 오차가 발생하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 수단으로써 비접촉 방법인 광학적인 반사 및 투과 방식의 측정이 제안되었으나, 물질과 빛의 상호작용 길이가 해당 물질의 두께 수준으로 짧기 때문에 측정 장치의 신호대 잡음비 대비 큰 수준의 신호 변조를 관찰하기 어려워 측정 및 분석할 때 오차에 대한 주의가 요구되는 문제가 있다. 따라서, 이차원 물질의 다양한 응용을 위해서 종래 기술들의 단점을 보완한 높은 민감도의 비접촉식 광학 측정 방법을 통해 물성을 정밀하게 추출할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 센싱 소자를 적용한 전기광학적 측정 방법을 통하여 이차원 물질인 박막의 전기광학적 특성을 측정하고, 전기광학적 특성을 기초로 물성을 정밀하게 추출하는 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 음각 패터닝된 슬롯 또는 양각 패터닝된 구조물을 포함하는 센싱 소자를 이용하여, 슬롯 또는 구조물 표면에서 발생하는 국소적인 전자기파 증폭 현상을 활용하여 박막의 전기광학적 특성을 민감하게 측정하는 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템으로서, 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 센싱 소자; 상기 센싱 소자 상에 배치되어 전기광학적 특성이 측정되는 박막; 및 상기 센싱 소자에 의하여 증폭된 전자기파가 상기 박막을 통과하면서 발생하는 상기 박막의 전기광학적 특성을 기초로 상기 박막의 물성을 추출하는 전기광학적 특성 측정 서버를 포함한다.
바람직하게, 상기 센싱 소자는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되는 필름을 포함하되, 상기 필름은, 특정 주파수의 전자기파가 증폭되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 되거나 또는 직사각형 모양의 구조물이 양각 패터닝 될 수 있다.
바람직하게, 상기 슬랏 또는 구조물은 상기 박막의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 폭, 두께, 및 길이가 조절될 수 있다.
바람직하게, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는 상기 증폭된 전자기파가 상기 박막에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호를 기초로 투과율을 측정할 수 있다.
바람직하게, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는 상기 측정된 투과율을 기초로 상기 박막의 유전율을 산출할 수 있다.
바람직하게, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는 상기 유전율을 기초로 상기 박막의 물성에 해당하는 페르미 레벨, 전하 밀도, 또는 전하 이동도를 추출할 수 있다.
바람직하게, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는 상기 박막의 물성을 기초로 상기 박막에 대한 도핑수준 및 이온주입량을 판단할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면은, 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에서 수행되는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법에 있어서, (a) 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 센싱 소자에 의하여 증폭된 전자기파가 상기 센싱 소자 상에 배치된 박막을 통과하면서 발생하는 상기 박막의 전기광학적 특성을 측정하는 단계; 및 (b) 상기 측정된 전기광학적 특성을 기초로 상기 박막의 물성을 추출하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는 상기 증폭된 전자기파가 상기 박막에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호를 기초로 투과율을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는 상기 측정된 투과율을 기초로 상기 박막의 유전율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는 상기 유전율을 기초로 상기 박막의 물성에 해당하는 페르미 레벨, 전하 밀도, 또는 전하 이동도를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (b) 단계는 상기 박막의 물성을 기초로 상기 박막에 대한 도핑수준 및 이온주입량을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 센싱 소자는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되는 필름을 포함하되, 상기 필름은, 특정 주파수의 전자기파가 증폭되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 되거나 또는 직사각형 모양의 구조물이 양각 패터닝 될 수 있다.
바람직하게, 상기 슬랏 또는 구조물은 상기 박막의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 폭, 두께, 및 길이가 조절될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 박막의 전기광학적 특성을 비접촉 방식으로 측정하기 때문에 종래의 전기적 측정 방식의 단점이었던 전극의 접촉에 의한 신호의 부정확성이나 손실 문제를 극복할 수 있으며, 사용하는 광원의 파장 대역에 따라 박막의 인터밴드 전이(inter-band transition) 및 인트라밴드 전이(intra-band transition)에 의한 변화를 구분할 수 있으므로 정밀한 물성 추출이 가능한 효과가 있다.
또한, 센싱 소자의 슬롯 또는 구조물은 나노미터~마이크로미터 수준의 구조물로서 슬롯 또는 구조물을 이용한 다양한 패턴을 통해 넓은 주파수 영역에서 공명 주파수의 튜닝이 가능한 효과가 있고, 공명주파수 주변 대역의 전자기파가 입사될 때 센싱 소자의 구조에서 전자기파가 증폭 현상을 보이며, 이는 시료 분자의 양자역학적 흡수단면적 증가를 유도하기 때문에, 종래의 분광 분석 방법에 비해 높은 수준으로 민감도를 증가시킬 수 있으므로 극미량 시료 검출에 적용 가능한 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 슬롯 또는 구조물에 의하여 전기광학적 특성을 측정하고자 하는 이차원 물질과 기판이 접촉하지 않으므로, 비접촉 및 광학적 방법으로 이차원 물질의 특성을 기판의 영향 없이 측정 가능하고, 센싱 소자의 구조를 통하여 증폭된 전자기파를 이용하므로 도핑 등의 조작으로 변화된 특성을 민감하게 측정할 수 있어, 외부 영향이 최소화된 물질 고유의 특성을 측정하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센싱 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 센싱 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 서버에 대한 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 투과 및 반사 신호에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래기술과 본 발명에 따라 측정된 광학적 신호 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 유전율이 산출되는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 투과율 변화율과 페르미 레벨 변화량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 전하밀도와 페르미 레벨 변화량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따라 측정된 투과율 변화와 물성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센싱 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 센싱 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 서버에 대한 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 투과 및 반사 신호에 따른 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래기술과 본 발명에 따라 측정된 광학적 신호 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 유전율이 산출되는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 투과율 변화율과 페르미 레벨 변화량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 전하밀도와 페르미 레벨 변화량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따라 측정된 투과율 변화와 물성 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
또한, 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)" 및/또는 “포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 전기적 특성 비접촉식 측정 시스템(100)은 센싱 소자(110), 박막(120), 및 전기광학적 특성 측정 서버(130)를 포함한다.
센싱 소자(110)는 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 소자이다. 일 실시예에서, 도 2를 참조하면, 센싱 소자(110)는 기판(111), 및 기판(111) 상에 배치되는 필름(112)을 포함할 수 있고, 필름(112)은 특정 주파수의 전자기파가 증폭되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 3을 참조하면, 센싱 소자(110)는 기판(111), 및 기판(111) 상에 배치되는 필름(113)을 포함할 수 있고, 필름(113)은 특정 주파수의 전자기파가 증폭되도록, 직사각형 모양의 구조물이 양각 패터닝 될 수 있다.
여기에서, 센싱 소자(110)의 기판(111)은 석영, 실리콘, 사파이어, 또는 유리로 구성될 수 있고, 필름(112 및 113)은 금, 은, 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 또한, 센싱 소자(110)의 필름(113)의 슬랏 또는 구조물은 박막(120)의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 폭, 두께, 및 길이가 조절될 수 있다. 슬랏 또는 구조물의 폭(10nm~1μm), 두께(100nm~1μm), 길이(10μm~1mm)에 따라 공명주파수의 조절이 가능하므로, 슬랏 또는 구조물로 구성된 센싱 소자(110)를 이용하면 광대역 전자기파의 필터 설계가 가능하다.
박막(120)은 센싱 소자(110) 상에 배치되어 전기광학적 특성이 측정되는 대상이다. 여기에서, 박막(120)은 센싱 소자(110)의 필름(112 및 113) 구조에 의하여 기판(111)과 접촉하지 않으므로, 외부 영향이 최소화된 박막(120)의 물질 고유의 특성이 측정될 수 있다.
전기광학적 특성 측정 서버(130)는 센싱 소자(110)에 의하여 증폭된 전자기파가 박막(120)을 통과하면서 발생하는 박막(120)의 전기광학적 특성을 측정하는 장치이다. 바람직하게, 광원으로부터 발생한 전자기파가 센싱 소자(110)를 통과한 후 검출장치(도면에 도시되지 않음)에 도달하면, 검출장치는 전자기파의 신호를 전기적인 신호로 변환하고, 전기적 특성 측정 서버(130)는 검출장치로부터 해당 전기적인 신호를 수신하여 전기적인 신호로부터 박막(120)의 전기광학적 특성을 측정할 수 있다. 여기에서, 검출장치는 전기광학적 특성 측정 서버(130)와 무선 또는 유선으로 연결된 별도의 장치에 해당하거나, 또는 전기광학적 특성 측정 서버(130)에 구비된 모듈로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 전기광학적 특성 측정 서버(130)는 센싱 소자(110)를 통과하는 광원의 주파수 대역에 따라 밴드 전이(band transition)를 측정할 수 있고, 센싱 소자(110)의 슬랏 및 구조물의 길이에 따라 인터밴드 전이(inter-band transition), 및 인트라밴드 전이(intra-band trnasition)의 특성을 구분하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 사용되는 광원이 중적외선 보다 높은 에너지의 광원인 경우에는 광자의 에너지가 비교적 높아 박막(120)의 전자가 밴드 전이를 일으키고, 사용되는 광원이 테라헤르츠 보다 낮은 에너지의 광원인 경우에는 전자가 밴드 전이를 일으키지 않기 때문에, 전기광학적 특성 측정 서버(130)는 테라헤르츠 보다 낮은 에너지의 광원을 사용하여 박막의 상태에 변화를 일으키지 않고 박막의 전기광학적 특성을 측정할 수 있다. 또한, 센싱 소자(110)의 슬랏 및 구조물의 길이가 조절되어, 사용되는 광원의 공명 주파수에 맞춰지면, 전기광학적 특성 측정 서버(130)는 인터밴드 전이 및 인트라밴드 전이를 각각 구분하여 측정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 서버에 대한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 전기광학적 특성 측정 서버(130)는 신호 수신부(131), 투과율 측정부(132), 유전율 산출부(133), 물성 추출부(134), 및 제어부(135)를 포함하고, 제어부(135)는 신호 수신부(131), 투과율 측정부(132), 유전율 산출부(133), 및 물성 추출부(134)의 동작 및 데이터의 흐름을 제어한다. 이하에서는 도 5를 참조하여, 전기광학적 특성 측정 서버(130)에서 수행되는 전기광학적 특성 측정 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 광원으로부터 발생한 전자기파가 센싱 소자(110)를 통과하면서 증폭되고, 증폭된 전자기파가 센싱 소자(110) 상에 배치된 박막(120)을 통과하면, 검출장치는 박막(120)을 통과한 전자기파 신호를 검출하여 전기적인 신호로 변환한 후, 신호 수신부(131)에 전송한다. 신호 수신부(131)에서 수신한 전기적인 신호는 투과율 측정부(132)에 제공되고, 투과율 측정부(132)는 전기적인 신호를 기초로 박막(120)의 전기광학적 특성을 측정한다(단계 S510). 바람직하게, 센싱 소자(110)에 의하여 증폭된 전자기파가 박막(120)에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호가 측정되어 신호 수신부(131)에 전송될 수 있고, 투과율 측정부(132)는 이를 기초로 박막(120)의 투과율을 측정할 수 있다. 여기에서, 반사율과 투과율은 {반사율+투과율=1}의 관계를 가지므로, 박막(120)의 전기광학적 특성으로서 반사율 또는 투과율이 측정될 수 있다. 박막(120)이 가지는 페르미 레벨(Fermi level)(0meV, -10meV, -15meV,… -30meV)에 따라 투과율, 반사율, 및 전도도에 기여하는 전자의 수가 달라지므로 박막(120)의 투과율은 변할 수 있고, 예를 들어, 도 6데 도시된 바와 같이, 동일한 박막(120)이더라도 페르미 레벨에 따라 서로 다른 투과율 그래프가 획득될 수 있다. 즉, 박막(120)에 대한 투과 및 반사 신호는 박막(120)의 전하 동역학적 특성에 의하여 변화될 수 있는 것으로서, 박막(120)에 도핑이 되어 있거나 오염이 되어 있으면 박막(120)의 페르미 레벨이 변하게 되고, 페르미 레벨에 따라 변한 투과율은 투과율 측정부(132)를 통하여 측정되는 것이다.
본 발명에 의하면, 센싱 소자(110)에 형성된 슬롯 또는 구조물의 구조에 따라 조절된 공명주파수 주변 대역의 전자기파가 센싱 소자(110)에 입사되고, 입사된 전자기파가 슬롯 또는 구조물에서 증폭되고, 증폭된 전자기파에 의하여 박막(120)의 양자역학적 흡수단면적의 증가가 유도되므로, 광학적 신호 변조가 크게 증폭되어 높은 수준으로 민감도가 증가될 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, 종래의 실리콘 기판, 그래핀 증착된 실리콘 기판을 이용하는 경우에는 민감도가 낮아 투과율의 변화가 거의 없으나, 본 발명에 따른 센싱 소자(110)를 이용하는 경우에는 전자기파의 증폭에 의한 흡수단면적 증가에 의하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호의 변화가 크게 증폭되어 투과율의 변화가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 센싱 소자(110)를 이용하면 박막(120)의 광학적 특성의 변화가 용이하게 검출될 수 있다.
유전율 산출부(132)는 투과율 측정부(131)를 통하여 측정된 전기광학적 특성, 즉, 투과율을 기초로 박막(120)의 유전율을 산출한다(단계 S520). 바람직하게, 유전율 산출부(132)는 측정된 투과 및 반사 신호를 기초로 박막(120)의 유전율을 산출할 수 있다. 이하, 투과율 측정부(131) 및 유전율 산출부(132)를 통하여 유전율이 산출되는 과정에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
투과율 측정부(131)를 통하여 박막(120)의 투과율이 측정되기 이전에, 투과율 측정부(131)는 박막(120)이 배치되기 전의 센싱 소자(110)에 대한 투과율을 측정한다. 즉, 센싱 소자(110)의 슬랏 또는 구조물의 투과율이 측정되는 것이고, 예를 들어, 도 8의 (a)의 점선으로 표시된 바와 같이 측정될 수 있다. 투과율 측정부(131)는 센싱 소자(110)의 구조를 시뮬레이션하여 센싱 소자(110)의 슬랏 또는 구조물의 투과율에 대한 시뮬레이션 결과를 획득한다. 여기에서, 시뮬레이션 결과는 유한요소법(FEM, Finite element method), FDTD 방법(Finite difference time domain), 또는 단일 모드 근사법(Single mode approximation) 등을 이용하여 계산될 수 있고, 예를 들어, 도 8의 (a)의 빨간색 실선으로 표시된 바와 같이 획득될 수 있다. 투과율 측정부(131)는 센싱 소자(110)의 슬랏 또는 구조물에 사용된 금속 박막의 전도도를 조정하여 시뮬레이션된 투과율을 측정된 투과율과 일치시킨다.
그 다음, 센싱 소자(110) 상에 박막(120)이 배치되고, 투과율 측정부(131)는 상기에서 설명한 바와 같이, 센싱 소자(110)에 배치된 박막(120)의 투과율을 측정한다. 예를 들어, 도 8의 (b)의 점선과 같이 박막(120)의 투과율이 측정될 수 있다. 투과율 측정부(131)는 시뮬레이션한 센싱 소자(110)의 구조에 박막(120) 구조를 추가하여 투과율을 측정한다. 즉, 도 8의 (a)에서 금속 박막의 전도도가 조정되어, 측정된 투과율과 일치시킨 시뮬레이션 구조에 박막(120)을 배치하여, 도 8의 (b)에서 실험에 의한 투과율이 측정된 경우의 조건과 일치시킨 후, 박막(120)에 대한 투과율의 시뮬레이션 결과가 획득되는 것이다. 예를 들어, 도 8의 (b)의 빨간색 실선과 같은 투과율이 시뮬레이션 결과로서 획득될 수 있다.
유전율 산출부(132)는 투과율 측정부(131)를 통하여 획득된, 실험에 의하여 측정된 박막(120)의 투과율과 시뮬레이션 결과로 획득된 박막(120)의 투과율을 기초로 박막(120)의 유전율을 산출한다. 바람직하게, 유전율 산출부(132)는 시뮬레이션된 투과율을 실험된 투과율에 일치시키기 위한 박막(120)의 유전율을 산출할 수 있고, 예를 들어, 도 8의 (a)에서 빨간색 실선으로 도시된 시뮬레이션된 투과율을 점선으로 도시된 측정된 투과율에 일치시키기 위한 유전율을 산출할 수 있다.
물성 추출부(134)는 유전율 산출부(133)를 통하여 산출된 유전율을 기초로 박막(120)의 물성을 추출한다(단계 S530). 여기에서, 박막(120)의 물성은 페르미 레벨, 전하 밀도, 또는 전하 이동도에 해당하며, 물성은 박막(120)의 도핑 및 이온주입량에 따라 변할 수 있다. 바람직하게, 물성 추출부(134)는 유전율 산출부(133)를 통하여 산출된 유전율을 쿠보 공식(Kubo formula)에 적용하여, 아래의 [식 1] 및 [식 2]로 나타낸 바와 같이 박막(120)의 인터밴드 전이 및 인트라밴드 전이에 대한 유전율을 모델링할 수 있다.
[식 1] 
[식 2] 
여기에서, ω는 주파수, d는 박막(120)의 두께, 는 플랑크상수(reduced Planck constant), ε0는 진공의 유전율, k는 볼츠만 상수, T는 온도(K), e는 기본전하량, τ는 평균자유시간(mean free time), EF는 페르미레벨이다.
또한, 물성 추출부(134)는 유전율 산출부(133)에서 산출된 유전율과 해당 유전율을 산출하는데 사용된 파라미터들, 즉, 실험 결과로 측정된 유전율과 시뮬레이션된 유전율을 일치시키기 위하여 사용된 파라미터들을 이용하여, 아래의 [식 3] 및 [식 4]에 표시된 바와 같이, 박막(120)의 전하이동도와 전자밀도를 계산할 수 있다.
[식 3] 
[식 4] 
여기에서, μ는 전하이동도, vF는 페르미속도(Fermi velocity), τ는 평균자유시간(mean free time), e는 기본전하량, EF는 페르미레벨, n은 전자밀도, 는 플랑크상수(reduced Planck constant) 이다.
따라서, 물성 추출부(134)는 박막(120)의 물질의 유전율에 대한 이론적 모델에 유전율을 적용하여 페르미 레벨(Fermi level), 전하밀도, 전하이동도 등을 추출할 수 있고, 예를 들어, 물성 추출부(134)는 유전율을 쿠보 공식에 적용하여, 도 9에 도시된 바와 같은 투과율 변화율과 페르미 레벨 변화량의 관계, 및 도 10에 도시된 바와 같은 전하밀도와 페르미 레벨 변화량의 관계를 구할 수 있다. 또한, 물성 추출부(134)는 추출된 페르미 레벨, 전하밀도, 전하이동도 등을 박막(120)의 물질의 이론적 모델에 적용하여 박막(120)의 도핑수준 및 이온주입량을 산출할 수 있다.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따라 측정된 투과율 변화와 물성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 도 11의 (a)는 DNA를 이용해 그래핀의 화학적 도핑(chemical doping)을 할 때 농도에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프로서, 종래의 실리콘 기판을 이용한 경우에는 투과율의 변화를 관찰하기 어려웠으나, 본 발명에 따른 센싱 소자(110)를 이용한 경우에는 투과율 변화가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 센싱 소자(110)를 이용하여 획득된 증폭된 광학적 특성을, 모델링을 통해 얻은 결과와 비교 분석하고, 해당 박막의 물질의 이론적 배경을 적용하여 도 10의 (b)와 같은 박막(120)의 물질의 고유의 특성이 추출될 수 있다. 즉, 실험으로 측정된 박막(120)의 투과율과 시뮬레이션으로 측정된 박막(120)의 투과율을 기초로 박막(120)의 유전율이 산출된 후, 유전율을 박막(120)의 물질의 이론적 모델에 적용하는 것을 통하여 박막(120)의 물성이 추출되는 것이다.
예를 들어, 대표적인 이차원 물질인 그래핀의 경우 육각형으로 배열된 0.34nm 두께의 탄소 단일 원자층 물질로서, 원적외선 대역(테라헤르츠 주파수 대역)에서는 인터밴드 전이(inter-band transition)의 특성을 보이고, 중적외선 대역에서는 인트라밴드 전이(inter-band transition)의 특성을 보인다. 종래 기술에 의하면, 광자에 의한 페르미 레벨 변화를 억제하기 위해 테라헤르츠 전자기파 이용하여 인터밴드 전이를 측정하면 10% 이하의 투과율 변화를 보이기 때문에 박막의 도핑에 의한 투과율 변화가 매우 작게 관찰되어 오차의 원인이 될 수 있으나, 본 발명에 따라 테라헤르츠 대역에 최적화된 슬롯 또는 구조물로 구성된 센싱 소자(110)를 적용한 경우에는 수 십배 큰 수준으로 증폭된 투과율 변화를 보이므로, 막박의 도핑에 한 신호의 크기가 민감하게 변하여 정밀한 수준에서 물성의 변화가 관측될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
예컨대, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 롬(ROM), 램(RAM), 시디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 이동식 저장장치, 비휘발성메모리(Flash Memory), 광 데이터 저장장치 등이 있다.
또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100: 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템
110: 센싱 소자
120: 박막
130: 전기광학적 특성 측정 서버
111: 기판
112 및 113: 필름
131: 신호 수신부
132: 투과율 측정부
133: 유전율 산출부
134: 물성 추출부
135: 제어부
110: 센싱 소자
120: 박막
130: 전기광학적 특성 측정 서버
111: 기판
112 및 113: 필름
131: 신호 수신부
132: 투과율 측정부
133: 유전율 산출부
134: 물성 추출부
135: 제어부
Claims (15)
- 기판 및 상기 기판 상에 배치되는 필름을 포함하여 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 센싱 소자를 포함하되, 상기 센싱 소자는 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 되거나 또는 직사각형 모양의 구조물이 양각 패터닝된 필름에 의하여 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키고;
상기 센싱 소자의 필름에 폭은 10nm~1μm, 두께는 100nm~1μm, 길이는 10μm~1mm으로 음각 패터닝된 슬랏 또는 양각 패터닝된 구조물 상에만 접촉하도록 배치되어 전기광학적 특성이 측정되는 박막; 및
상기 센싱 소자에 의하여 증폭된 전자기파가 상기 박막을 통과하면서 발생하는 상기 박막의 전기광학적 특성을 기초로 상기 박막의 물성을 추출하는 전기광학적 특성 측정 서버를 포함하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 슬랏 또는 구조물은
상기 박막의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 폭, 두께, 및 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는
상기 증폭된 전자기파가 상기 박막에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호를 기초로 투과율을 측정하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는
상기 측정된 투과율을 기초로 상기 박막의 유전율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는
상기 유전율을 기초로 상기 박막의 물성에 해당하는 페르미 레벨, 전하 밀도, 또는 전하 이동도를 추출하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 전기광학적 특성 측정 서버는
상기 박막의 물성을 기초로 상기 박막에 대한 도핑수준 및 이온주입량을 판단하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
- 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에서 수행되는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법에 있어서,
(a) 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키는 센싱 소자에 의하여 증폭된 전자기파가 상기 센싱 소자 상에 배치된 박막을 통과하면서 발생하는 상기 박막의 전기광학적 특성을 측정하는 단계; 및
(b) 상기 측정된 전기광학적 특성을 기초로 상기 박막의 물성을 추출하는 단계를 포함하되,
상기 센싱 소자는, 기판 및 상기 기판 상에 배치되는 필름을 포함하고, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 되거나 또는 직사각형 모양의 구조물이 양각 패터닝된 필름에 의하여 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키고,
상기 박막은 상기 센싱 소자의 필름에 폭은 10nm~1μm, 두께는 100nm~1μm, 길이는 10μm~1mm으로 음각 패터닝된 슬랏 또는 양각 패터닝된 구조물 상에만 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 (a) 단계는
상기 증폭된 전자기파가 상기 박막에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호를 기초로 투과율을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 (b) 단계는
상기 측정된 투과율을 기초로 상기 박막의 유전율을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 (b) 단계는
상기 유전율을 기초로 상기 박막의 물성에 해당하는 페르미 레벨, 전하 밀도, 또는 전하 이동도를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 (b) 단계는
상기 박막의 물성을 기초로 상기 박막에 대한 도핑수준 및 이온주입량을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 슬랏 또는 구조물은
상기 박막의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 폭, 두께, 및 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 방법.
- 제8항 내지 제12항, 및 제14항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020170118866A KR101920870B1 (ko) | 2017-09-15 | 2017-09-15 | 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020170118866A KR101920870B1 (ko) | 2017-09-15 | 2017-09-15 | 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템 및 방법 |
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