Ellipsometri

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 6. juni 2019; checks kræver 10 redigeringer .

Ellipsometri er en meget følsom og nøjagtig polarisering - optisk metode til at studere overflader og grænseflader af forskellige medier (fast, flydende, gasformig), baseret på at studere ændringen i lysets polarisationstilstand efter dets interaktion med overfladen af disse mediers grænseflader. .

Udtrykket "ellipsometri" blev foreslået i 1944 af Rothen [1] , da vi taler om studiet af elliptisk polarisering, der forekommer i det generelle tilfælde, når der påføres indbyrdes vinkelrette svingninger, hvori feltet af en lysbølge altid kan dekomponeres i forhold til dets indfaldsplan. Selvom disse ændringer kan observeres både i reflekteret og transmitteret lys, studeres polariseringen af reflekteret lys i øjeblikket i langt de fleste værker. Derfor involverer ellipsometri normalt studiet af ændringer i lysets polarisering ved refleksion.

Ellipsometri er et sæt metoder til at studere overfladerne af flydende og faste legemer ved polariseringstilstanden af en lysstråle, der reflekteres af denne overflade og brydes på den. Monokromatisk planpolariseret lys, der falder ind på overfladen, opnår elliptisk polarisering ved refleksion og brydning på grund af tilstedeværelsen af et tyndt overgangslag ved mediegrænsefladen. Forholdet mellem lagets optiske konstanter og parametrene for elliptisk polariseret lys etableres på basis af Fresnel-formlerne. Ud fra principperne for ellipsometri, metoder til følsomme ikke-kontakt undersøgelser af overfladen af væsker eller faste stoffer, er absorptionsprocesser bygget. korrosion osv.

Et ellipsometer er en enhed designet til at måle parametrene for en ellipse af polariseret stråling. Sammen med ellipsometre er der spektroellipsometre, magnetoellipsometre, spektromagnetoellipsometre, elektroellipsometre og spektroelektroellipsometre, hvis definitioner kan findes i GOST 23778-79 [2] . Især er sådanne anordninger som spektrale ellipsometre (eller spektroellipsometre) meget udbredte, som er designet til at måle parametrene for ellipsen af polariseret optisk stråling afhængigt af bølgelængderne af strålingen i et givet område af spektret. Som lyskilde bruger de lamper af forskellige typer (til forskning i forskellige dele af spektret), LED'er og lasere. Derudover er der skabt en enhed baseret på LED'er i Rusland - et LED-spektralellipsometer, der ligesom en laser gør det muligt at studere ikke kun mikro-, men også inhomogeniteter i nanostørrelse på overfladen af det undersøgte objekt . LED lyskilder har en række fordele i forhold til traditionelle lamper. Det:

- højt signal-til-støj-forhold af signalet ved udgangen; - høj pålidelighed og effektivitet; - ingen grund til at bruge filtre til at fremhæve en del af spektret; - små dimensioner og lave omkostninger;

Fordelene ved spektrale ellipsometre med en klassisk lampelyskilde omfatter:

- Høj lysstyrke af kilden (typisk effekt op til 150 W, i nogle tilfælde op til 1 kW); - Bredt operationelt spektralområde - fra langt UV til mid-IR;

Disse funktioner gør det muligt at analysere flerlagsbelægninger med filmtykkelser fra flere ångstrøm til titusinder af mikrometer.

Typer af ellipsometri

Afhængigt af dataindsamlingsmetoderne er der flere typer ellipsometri:

Nul-ellipsometri bestemmer parametrene for ellipsen ved at opnå den maksimale stråleundertrykkelse på fotodetektoren ved at vælge azimutvinklerne for polarisatoren, analysatoren og kompensatoren (i separate kredsløb og faseforskydningen af den variable kompensator). I nogle tilfælde foretages målinger ved flere slukningsvinkler.
Fotometrisk ellipsometri beregner parametrene for en ellipse ved at opnå en række intensiteter ved flere azimutvinkler af polarisatoren, analysatoren og kompensatoren. I statiske fotometriske ellipsometre er polarisationselementer installeret i flere positioner i serie; i modulerende ellipsometre moduleres en eller flere polarisationsparametre.
Interferometrisk ellipsometri.

I nogle tilfælde, i ellipsometerkredsløbet, kan kompensatoren forlades. Afhængigt af bjælkens passage adskiller den sig:

Reflekterende ellipsometri, og i de fleste publikationer betragtes reflekterende ellipsometri på grund af den høje udbredelse af denne metode og dens praktiske betydning;
Transmissionellipsometri, når strålen passerer gennem et delvist gennemsigtigt medium;
Spredningellipsometri, når strålingen spredt af mediet undersøges;
Ellipsometri af stråling, som omfatter opgaverne med at måle parametrene for en ellipse (for eksempel ellipsen af strålingen fra en lyskilde), når parametrene for selve strålingen er af interesse, og det ikke er nødvendigt at bestemme, hvordan miljø, fysiske felter eller genstande ændrede strålingen under dens passage.

Afhængig af dækningen af undersøgelsesområdet kan man tale enten om målinger med individuelle stråler eller om billeddannende ellipsometri, hvor billedet analyseres.

Henter data

Lyspolarisationstilstanden kan dekomponeres i to komponenter s (svingende vinkelret på indfaldsplanet) og p (svingninger af lysbølgen parallelt med indfaldsplanet). I tilfælde af refleksion betragtes de komplekse amplituder af de reflekterede s- og p -komponenter efter normalisering til de tilsvarende værdier før refleksion , betegnet som rs og rp . Ellipsometri måler den komplekse refleksionskoefficient for et system , som er forholdet mellem r p og r s : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

Den komplekse refleksionskoefficient kan også gives i eksponentiel form ved hjælp af de såkaldte ellipsometriske vinkler: vinklen på forholdet mellem de skalære refleksionskoefficienter og forskellen i faseforskydninger : $\psi$ $\Delta$

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

Vinklens tangens angiver forholdet mellem dæmpninger (eller forstærkninger) af skalaramplituderne af s- og p - komponenterne under refleksion . Vinklen angiver forskellen i faseforskydninger, der opleves ved reflektering af stråling med s- og p - polarisationstilstande. $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Da ellipsometri måler forholdet (eller forskellen) mellem to mængder, snarere end de absolutte værdier af hver, er det en meget nøjagtig og reproducerbar metode. For eksempel er det relativt modstandsdygtigt over for lysspredning og fluktuationer og kræver ikke en standard (reference) prøve eller referencelysstråle.

I tilfælde af transmissionellipsometri kan den komplekse transmittans også gives i eksponentiel form

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

Vinklens tangent specificerer forholdet mellem dæmpninger (eller forbedringer) af skalaramplituderne af s- og p - komponenterne under transmission og specificerer forskellen i faseforskydninger, der opleves under transmissionen af stråling med s- og p - polarisationstilstande. $T$ $\Delta$

Når opgaven opstår kun at måle parametrene for polarisationsellipsen, som er specificeret enten ved azimut, ellipticitet og amplitude af den polariserede stråling eller vinklen på forholdet mellem amplituderne og langs X- og Y-akserne og faseforskydningen mellem oscillationerne langs X og Y og amplituden. Afhængigt af tilgangen kan de opnås uafhængigt eller beregnes ud fra de tidligere parametre. $A_{X}$ $A_{Y}$

Dataanalyse

Ellipsometri er en indirekte metode, det vil sige i det generelle tilfælde kan de målte dem ikke direkte konverteres til prøvens optiske parametre, men kræver brug af en bestemt model. Direkte konvertering er kun mulig, når prøven er isotrop, homogen og er en uendelig tynd film. I alle andre tilfælde er det nødvendigt at etablere en model af det optiske lag, som indeholder reflektionskoefficienten, funktionen af den dielektriske tensor, og derefter ved hjælp af Fresnel-ligningerne vælge de parametre, der bedst beskriver de observerede og . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Noter

↑ A. Rothen. Ellipsometeret, et apparat til at måle tykkelser af tynde overfladefilm // Gennemgang af videnskabelige instrumenter. - 1945. - T. 16 , nr. 2 . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Optiske polarisationsmålinger. - Moskva. - USSR State Committee for Standards, 1980.

Litteratur

Physical Encyclopedic Dictionary / udg. A. M. Prokhorov. M: Great Russian Encyclopedia, 2003.
Gorshkov M. M., Ellipsometri, M.: "Sov. radio" 1974. - 200 s.
www.vniiofi.ru
Grundlæggende om ellipsometri / Rzhanov A. V. (chefredaktør), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Institute of Physics of Semiconductors, Sibirisk afdeling af Videnskabsakademiet i USSR. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 422 s.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky " Introduktion til anvendt ellipsometri ". Lærebog til kurset "Optisk-fysiske målinger". Del 3. "Ellipsometri of transmitted light" - Sankt Petersborg: NRU ITMO, 2014. - 104 s.