Ellipszometria

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. június 6-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzésekhez 10 szerkesztés szükséges .

Az ellipszometria egy rendkívül érzékeny és pontos polarizációs - optikai módszer különféle közegek (szilárd, folyékony, gázhalmazállapotú) felületeinek és határfelületeinek vizsgálatára, amely a fény polarizációs állapotának változásának tanulmányozásán alapul, miután a fény kölcsönhatásba lép ezen közegek határfelületeinek felületével. .

Az "ellipszometria" kifejezést 1944-ben Rothen javasolta [1] , mivel az elliptikus polarizáció vizsgálatáról beszélünk, amely általános esetben egymásra merőleges oszcillációk alkalmazásakor lép fel, és amelyre a fényhullám tere mindig felbontható. beesésének síkjához képest. Bár ezek a változások mind a visszavert , mind az áteresztett fényben megfigyelhetők, jelenleg a visszavert fény polarizációját vizsgálják a munkák túlnyomó többségében. Ezért az ellipszometria általában magában foglalja a fény polarizációjának visszaverődés hatására bekövetkező változásainak tanulmányozását.

Az ellipszometria a folyékony és szilárd testek felületének tanulmányozására szolgáló módszerek összessége az e felületről visszavert és rajta megtört fénysugár polarizációs állapota alapján. A felületre beeső monokromatikus síkpolarizált fény visszaverődéskor és töréskor elliptikus polarizációt kap a közeg határfelületén lévő vékony átmeneti réteg miatt. A réteg optikai állandói és az elliptikusan polarizált fény paraméterei közötti kapcsolatot a Fresnel-képletek alapján állapítjuk meg. Az ellipszometria alapelveire épülnek fel a folyadékok vagy szilárd anyagok felületének, abszorpciós folyamatok érzékeny érintésmentes vizsgálatának módszerei. korrózió stb.

Az ellipszométer egy olyan eszköz, amely a polarizált sugárzás ellipszisének paramétereit méri. Az ellipszométerek mellett léteznek spektroellipsométerek, magnetoellipsométerek, spektromagnetoellipsométerek, elektroellipsométerek és spektroelektrolipsométerek, amelyek meghatározásai a GOST 23778-79-ben [2] találhatók . Különösen széles körben használják az olyan eszközöket, mint a spektrális ellipszométerek (vagy spektroellipsométerek), amelyeket a polarizált optikai sugárzás ellipszisének paramétereinek mérésére terveztek, a sugárzás hullámhosszától függően a spektrum adott tartományában. Fényforrásként különféle típusú lámpákat (a spektrum különböző részein végzett kutatásokhoz), LED-eket és lézereket használnak. Ezenkívül Oroszországban készítettek egy LED-alapú eszközt - egy LED spektrális ellipszométert, amely a lézerhez hasonlóan lehetővé teszi nemcsak mikro-, hanem nanoméretű inhomogenitások tanulmányozását a vizsgált tárgy felületén. . A LED fényforrások számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos lámpákkal szemben. Azt:

- a jel magas jel/zaj aránya a kimeneten; - nagy megbízhatóság és gazdaságosság; - nem kell szűrőket használni a spektrum egy részének kiemeléséhez; - kis méretek és alacsony költség;

A klasszikus lámpás fényforrással ellátott spektrális ellipszométerek előnyei a következők:

- A forrás nagy fényereje (tipikus teljesítmény 150 W-ig, egyes esetekben 1 kW-ig); - Széles működési spektrum tartomány - a távoli UV-től a középső IR-ig;

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik többrétegű bevonatok elemzését néhány angströmtől több tíz mikrométerig terjedő filmvastagsággal.

Az ellipszometria típusai

Az adatgyűjtési módszerektől függően többféle ellipszometria létezik:

A nulla ellipszometria az ellipszis paramétereit úgy határozza meg, hogy a polarizátor, az analizátor és a kompenzátor azimutszögeinek kiválasztásával (külön áramkörökben és a változó kompenzátor fáziseltolásában) megkapja a maximális sugárelnyomást a fotodetektoron. Egyes esetekben a méréseket több kioltási szögben végezzük.
A fotometriás ellipszometria úgy számítja ki az ellipszis paramétereit, hogy a polarizátor, az analizátor és a kompenzátor több irányszögében intenzitássorozatot kap. A statikus fotometrikus ellipszométerekben a polarizációs elemeket több helyen, sorosan szerelik fel; a moduláló ellipszométerekben egy vagy több polarizációs paramétert modulálnak.
Interferometrikus ellipszometria.

Egyes esetekben az ellipszométer áramkörében a kompenzátor elhagyható. A sugár áthaladásának függvényében különbözik:

A reflektív ellipszometriát, és a legtöbb publikációban a reflektív ellipszometriát veszik számításba e módszer nagy elterjedtsége és gyakorlati jelentősége miatt;
Transzmissziós ellipszometria, amikor a nyaláb részben átlátszó közegen halad át;
Szórási ellipszometria, amikor a közeg által szórt sugárzást vizsgáljuk;
Sugárzási ellipszometria, amely magában foglalja az ellipszis paramétereinek mérési feladatait (például egy fényforrás sugárzási ellipszisét), amikor magának a sugárzásnak a paraméterei érdekesek, és nem szükséges meghatározni, hogyan környezet, fizikai mezők vagy tárgyak megváltoztatták a sugárzást az áthaladás során.

A vizsgált terület lefedettségétől függően beszélhetünk akár egyedi nyalábokkal végzett mérésekről, akár képalkotó ellipszometriáról, amelyben a képet elemzik.

Adatok lekérése

A fénypolarizáció állapota két komponensre bontható: s (a beesési síkra merőleges oszcilláció) és p (a fényhullám beesési síkkal párhuzamos rezgései). Reflexió esetén a visszavert s és p komponensek komplex amplitúdóit a visszaverődés előtti megfelelő értékekre történő normalizálás után veszik figyelembe, amelyeket r s és r p jelöléssel jelölünk . Az ellipszometria egy rendszer komplex reflexiós együtthatóját méri , amely az r p és az r s aránya : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

A komplex reflexiós együttható exponenciális formában is megadható az úgynevezett ellipszometrikus szögek segítségével: a skaláris reflexiós együtthatók arányának szöge és a fáziseltolódások különbsége : $\psi$ $\Delta$

\rho = \tan ( \Psi ) e^{i \Delta}

A szög érintője az s és p komponensek skaláris amplitúdóinak csillapításának (vagy erősítésének) arányát adja meg a visszaverődés során . A szög az s és p polarizációs állapotú sugárzás visszaverésekor tapasztalható fáziseltolódások különbségét adja meg. $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Mivel az ellipszometria két mennyiség arányát (vagy különbségét) méri, nem pedig mindegyik abszolút értékét, ez egy nagyon pontos és reprodukálható módszer. Például viszonylag ellenáll a fényszórásnak és -ingadozásnak, és nem igényel szabványos (referencia) mintát vagy referencia fénynyalábot.

Transzmissziós ellipszometria esetén a komplex transzmittancia exponenciális formában is megadható

{\displaystyle \tau =\tan(T)e^{i\Delta ))

A szög érintője az s és p komponensek skaláris amplitúdóinak csillapításának (vagy fokozásának) arányát adja meg az átvitel során, és megadja az s és p polarizációs állapotú sugárzás átvitele során tapasztalható fáziseltolódások különbségét . $T$ $\Delta$

Amikor felmerül a feladat, hogy csak a polarizációs ellipszis paramétereit mérjük, amelyeket vagy a polarizált sugárzás azimutja, ellipticitása és amplitúdója, vagy az amplitúdók arányának szöge és az X és Y tengelyek mentén, valamint a fáziseltolódás határoz meg. az X és Y menti rezgéseket és az amplitúdót. Megközelítéstől függően ezek önállóan is beszerezhetők, vagy az előző paraméterekből számíthatók ki. $A_{X}$ $A_{Y}$

Adatelemzés

Az ellipszometria egy indirekt módszer, vagyis általában a mért értékek nem konvertálhatók közvetlenül a minta optikai paramétereivé, hanem egy bizonyos modell alkalmazása szükséges. A közvetlen konverzió csak akkor lehetséges, ha a minta izotróp, homogén és végtelenül vékony film. Minden más esetben szükséges az optikai réteg modelljének felállítása, amely tartalmazza a reflexiós együtthatót, a dielektromos tenzor függvényét, majd a Fresnel-egyenletek segítségével kiválasztani azokat a paramétereket, amelyek legjobban leírják a megfigyelt ill . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Jegyzetek

↑ A. Rothen. Az ellipszométer, vékony felületű filmek vastagságának mérésére szolgáló készülék // Tudományos műszerek áttekintése. - 1945. - T. 16 , 2. sz . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Optikai polarizáció mérések. - Moszkva. - Szovjetunió Állami Szabványügyi Bizottsága, 1980.

Irodalom

Fizikai enciklopédikus szótár / szerk. A. M. Prohorov. M: Nagy Orosz Enciklopédia, 2003.
Gorshkov M. M., Ellipsometry, M.: „Sov. rádió" 1974. - 200 p.
www.vniiofi.ru
Az ellipszometria alapjai / Rzhanov A. V. (főszerkesztő), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Félvezetőfizikai Intézet, a Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Fiókja. - Novoszibirszk: Nauka, 1979. - 422 p.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky " Bevezetés az alkalmazott ellipszometriába ". Tankönyv az "Optikai-fizikai mérések" kurzushoz. 3. rész "Az áteresztett fény ellipszometriája" - Szentpétervár: NRU ITMO, 2014. - 104 p.