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 adatgyűjtési módszerektől függően többféle ellipszometria létezik:
Egyes esetekben az ellipszométer áramkörében a kompenzátor elhagyható. A sugár áthaladásának függvényében különbözik:
A vizsgált terület lefedettségétől függően beszélhetünk akár egyedi nyalábokkal végzett mérésekről, akár képalkotó ellipszometriáról, amelyben a képet elemzik.
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 :
A komplex reflexiós együttható exponenciális formában is megadható az úgynevezett ellipszometrikus szögek segítségével: a skaláris reflexiós együtthatók arányának szöge és a fáziseltolódások különbsége :
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.
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
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 .
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.
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 .