Ellipsometria

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 6. kesäkuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

Ellipsometria on erittäin herkkä ja tarkka polarisaatio - optinen menetelmä erilaisten väliaineiden (kiinteät, nestemäiset, kaasumaiset) pintojen ja rajapintojen tutkimiseen, joka perustuu valon polarisaatiotilan muutoksen tutkimiseen sen vuorovaikutuksen jälkeen näiden väliaineiden rajapintojen pinnan kanssa. .

Termiä "ellipsometria" ehdotti vuonna 1944 Rothen [1] , koska puhumme elliptisen polarisaation tutkimuksesta, joka esiintyy yleisessä tapauksessa, kun käytetään keskenään kohtisuoraa värähtelyä, johon valoaallon kenttä voidaan aina hajottaa. suhteessa sen ilmaantuvuustasoon. Vaikka nämä muutokset voidaan havaita sekä heijastuneessa että läpäisevässä valossa, tällä hetkellä heijastuneen valon polarisaatiota tutkitaan suurimmassa osassa töistä. Siksi ellipsometria sisältää yleensä valon polarisaation muutosten tutkimuksen heijastuksen yhteydessä.

Ellipsometria on joukko menetelmiä nestemäisten ja kiinteiden kappaleiden pintojen tutkimiseksi tämän pinnan heijastaman ja siihen taittuneen valonsäteen polarisaatiotilan perusteella. Pintaan osuva monokromaattinen tasopolarisoitu valo saa elliptisen polarisaation heijastuessaan ja taittuessaan, koska mediarajapinnassa on ohut siirtymäkerros. Kerroksen optisten vakioiden ja elliptisesti polarisoidun valon parametrien välinen suhde määritetään Fresnel-kaavojen perusteella. Ellipsometrian periaatteille rakennetaan menetelmiä nesteiden tai kiinteiden aineiden pinnan herkkiin kosketuksettomiin tutkimuksiin, absorptioprosesseihin. korroosio jne.

Ellipsometri on laite, joka on suunniteltu mittaamaan polarisoidun säteilyn ellipsin parametreja. Ellipsometrien ohella on spektroellipsometrejä, magnetoellipsometrejä, spektromagnetoellipsometrejä, elektroellipsometrejä ja spektroelektroellipsometrejä, joiden määritelmät ovat GOST 23778-79 [2] . Erityisesti sellaisia laitteita kuin spektraaliset ellipsometrit (tai spektroellipsometrit) käytetään laajalti, jotka on suunniteltu mittaamaan polarisoidun optisen säteilyn ellipsin parametreja riippuen säteilyn aallonpituuksista tietyllä spektrin alueella. Valonlähteenä he käyttävät erityyppisiä lamppuja (tutkimukseen spektrin eri osissa), LEDejä ja lasereita. Lisäksi Venäjälle on luotu LEDeihin perustuva laite - LED-spektriellipsometri, joka laserin tavoin mahdollistaa mikro-, mutta myös nanokokoisten epähomogeenisuuksien tutkimisen tutkittavan kohteen pinnalla. . LED-valonlähteillä on monia etuja perinteisiin lamppuihin verrattuna. Se:

- signaalin korkea signaali-kohinasuhde lähdössä; - korkea luotettavuus ja taloudellisuus; - ei tarvitse käyttää suodattimia kiristääksesi osaa spektristä; - pienet mitat ja alhaiset kustannukset;

Klassisella lamppuvalonlähteellä varustetun spektraalisen ellipsometrin etuja ovat:

- Lähteen korkea kirkkaus (tyypillinen teho jopa 150 W, joissakin tapauksissa jopa 1 kW); - Laaja toimintaspektrialue - kauko-UV:sta keski-IR:hen;

Nämä ominaisuudet mahdollistavat monikerroksisten pinnoitteiden analysoinnin, joiden kalvopaksuudet ovat useista angströmeistä kymmeniin mikrometreihin.

Ellipsometrian tyypit

Tiedonhankintamenetelmistä riippuen ellipsometriaa on useita tyyppejä:

Nolla-ellipsometria määrittää ellipsin parametrit saamalla valonilmaisimen suurimman säteen vaimennuksen valitsemalla polarisaattorin, analysaattorin ja kompensaattorin atsimuuttikulmat (erillisissä piireissä ja säädettävän kompensaattorin vaihesiirrossa). Joissakin tapauksissa mittaukset tehdään useista sammutuskulmista.
Fotometrinen ellipsometria laskee ellipsin parametrit saamalla sarjan intensiteettiä polarisaattorin, analysaattorin ja kompensaattorin useissa atsimuuttikulmissa. Staattisissa fotometrisissä ellipsometreissä polarisaatioelementit on asennettu useisiin kohtiin sarjassa; moduloivissa ellipsometreissä moduloidaan yhtä tai useampaa polarisaatioparametria.
Interferometrinen ellipsometria.

Joissakin tapauksissa ellipsometripiirissä kompensaattori voidaan hylätä. Säteen kulun mukaan se vaihtelee:

Heijastava ellipsometria ja useimmissa julkaisuissa heijastava ellipsometria otetaan huomioon tämän menetelmän suuren yleisyyden ja sen käytännön merkityksen vuoksi;
Transmissioellipsometria, kun säde kulkee osittain läpinäkyvän väliaineen läpi;
Sirontaellipsometria, kun tutkitaan väliaineen sirottamaa säteilyä;
Säteilyn ellipsometria, joka sisältää ellipsin parametrien (esimerkiksi valonlähteen säteilyn ellipsin) mittaustehtävät, kun itse säteilyn parametrit kiinnostavat, eikä ole tarpeen määrittää, kuinka ympäristö, fyysiset kentät tai esineet muuttivat säteilyä sen kulkiessa.

Tutkimusalueen kattavuudesta riippuen voidaan puhua joko yksittäisten säteiden mittauksista tai kuvantamisellipsometriasta, jossa kuvaa analysoidaan.

Haetaan tietoja

Valon polarisaation tila voidaan jakaa kahdeksi komponentiksi s (värähtelee kohtisuoraan tulotasoon nähden) ja p (valoaallon värähtelyt tulotason suuntaisesti). Heijastuksen tapauksessa heijastuneiden s- ja p - komponenttien kompleksiset amplitudit otetaan huomioon normalisoinnin jälkeen vastaaviin arvoihin ennen heijastusta, joita merkitään r s ja r p . Ellipsometria mittaa järjestelmän kompleksista heijastuskerrointa , joka on r p :n ja r s :n suhde : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

Kompleksiheijastuskerroin voidaan antaa myös eksponentiaalisessa muodossa käyttämällä ns. ellipsometrisiä kulmia: skalaariheijastuskertoimien ja vaihesiirtojen välisen suhteen kulmaa : $\psi$ $\Delta$

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

Kulman tangentti määrittää s- ja p -komponenttien skalaariamplitudien vaimennusten (tai vahvistusten) suhteen heijastuksen aikana . Kulma määrittelee eron vaihesiirroissa, jotka koetaan heijastettaessa säteilyä s- ja p - polarisaatiotiloilla. $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Koska ellipsometria mittaa kahden suuren suhdetta (tai eroa) kummankin absoluuttisen arvon sijaan, se on erittäin tarkka ja toistettava menetelmä. Se kestää esimerkiksi suhteellisen valonsironta- ja -vaihteluita, eikä vaadi standardi (vertailu)näytettä tai vertailuvalonsädettä.

Transmissioellipsometrian tapauksessa kompleksinen läpäisykyky voidaan antaa myös eksponentiaalisessa muodossa

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

Kulman tangentti määrittelee s- ja p -komponenttien skalaariamplitudien vaimennusten (tai parannusten) suhteen lähetyksen aikana ja määrittelee s- ja p - polarisaatiotilojen säteilyn siirron aikana koettujen vaihesiirtojen eron . $T$ $\Delta$

Tehtävänä tulee mitata vain polarisaatioellipsin parametrit, jotka määritellään joko polarisoidun säteilyn atsimuutin, elliptisyyden ja amplitudin tai amplitudien suhteen kulman ja pitkin X- ja Y-akselia sekä niiden välisen vaihesiirron perusteella. värähtelyt X:tä ja Y:tä pitkin sekä amplitudia. Lähestymistavasta riippuen ne voidaan saada itsenäisesti tai laskea edellisistä parametreista. $A_{X}$ $A_{Y}$

Tietojen analysointi

Ellipsometria on epäsuora menetelmä, eli yleensä mitattuja ei voida suoraan muuntaa näytteen optisiksi parametreiksi, vaan ne edellyttävät tietyn mallin käyttöä. Suora muuntaminen on mahdollista vain, kun näyte on isotrooppinen, homogeeninen ja äärettömän ohut kalvo. Kaikissa muissa tapauksissa on tehtävä optisen kerroksen malli, joka sisältää heijastuskertoimen, dielektrisen tensorin funktion, ja sitten Fresnel-yhtälöiden avulla valita parametrit, jotka kuvaavat parhaiten havaittua ja . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Muistiinpanot

↑ A. Rothen. Ellipsometri, laite ohuiden pintakalvojen paksuuden mittaamiseen // Katsaus tieteellisiin instrumentteihin. - 1945. - T. 16 , nro 2 . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Optiset polarisaatiomittaukset. - Moskova. - Neuvostoliiton valtion standardikomitea, 1980.

Kirjallisuus

Physical Encyclopedic Dictionary / toim. A. M. Prokhorov. M: Suuri venäläinen tietosanakirja, 2003.
Gorshkov M. M., Ellipsometry, M.: "Sov. radio" 1974. - 200 s.
www.vniiofi.ru
Ellipsometrian perusteet / Rzhanov A. V. (päätoimittaja), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Puolijohteiden fysiikan instituutti, Neuvostoliiton tiedeakatemian Siperian haara. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 422 s.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky " Johdatus sovellettavaan ellipsometriaan ". Oppikirja kurssille "Optis-fysikaaliset mittaukset". Osa 3. "Läpäisevän valon ellipsometria" - Pietari: NRU ITMO, 2014. - 104 s.