Elipsometrie

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 6 iunie 2019; verificările necesită 10 modificări .

Elipsometria este o metodă optică de polarizare foarte sensibilă și precisă pentru studierea suprafețelor și interfețelor diferitelor medii (solide, lichide, gazoase), bazată pe studierea modificării stării de polarizare a luminii după interacțiunea acesteia cu suprafața interfețelor acestor medii. .

Termenul de „elipsometrie” a fost propus în 1944 de către Rothen [1] , întrucât vorbim despre studiul polarizării eliptice care apare în cazul general când se aplică oscilații reciproc perpendiculare, în care câmpul unei unde luminoase poate fi întotdeauna descompus. raportat la planul incidenţei sale. Deși aceste modificări pot fi observate atât în lumina reflectată , cât și în cea transmisă, în prezent, polarizarea luminii reflectate este studiată în marea majoritate a lucrărilor. Prin urmare, elipsometria implică de obicei studiul modificărilor polarizării luminii la reflexie.

Elipsometria este un set de metode de studiere a suprafețelor corpurilor lichide și solide prin starea de polarizare a unui fascicul de lumină reflectat de această suprafață și refractat pe ea. Lumina polarizată în plan monocromatic incidentă pe suprafață capătă polarizare eliptică la reflexie și refracție datorită prezenței unui strat de tranziție subțire la interfața media. Relația dintre constantele optice ale stratului și parametrii luminii polarizate eliptic se stabilește pe baza formulelor Fresnel. Pe principiile elipsometriei se construiesc metode pentru studii sensibile fără contact ale suprafeței lichidelor sau solidelor, procese de absorbție. coroziune, etc.

Un elipsometru este un dispozitiv conceput pentru a măsura parametrii unei elipse de radiații polarizate. Alături de elipsometre, există și spectroelipsometre, magnetoelipsometre, spectromagnetoelipsometre, electroelipsometre și spectroelectroelipsometre, ale căror definiții pot fi găsite în GOST 23778-79 [2] . În special, sunt utilizate pe scară largă dispozitive precum elipsometrele spectrale (sau spectroelipsometrele), care sunt concepute pentru a măsura parametrii elipsei radiației optice polarizate în funcție de lungimile de undă ale radiației într-un interval dat al spectrului. Ca sursă de lumină, folosesc lămpi de diferite tipuri (pentru cercetare în diferite părți ale spectrului), LED-uri și lasere. În plus, în Rusia a fost creat un dispozitiv bazat pe LED-uri - un elipsometru spectral cu LED, care, ca unul cu laser, face posibilă studierea nu numai a neomogenităților micro-, ci și de dimensiuni nano pe suprafața obiectului studiat. . Sursele de lumină LED au o serie de avantaje față de lămpile tradiționale. Aceasta:

- raportul semnal-zgomot ridicat al semnalului la ieșire; - fiabilitate ridicată și economie; - nu este nevoie să folosiți filtre pentru a evidenția o parte a spectrului; - dimensiuni reduse si cost redus;

Avantajele elipsometrelor spectrale cu o sursă de lumină clasică cu lampă includ:

- Luminozitate ridicată a sursei (putere tipică până la 150 W, în unele cazuri până la 1 kW); - Gamă spectrală largă de operare - de la UV departe până la IR mijlociu;

Aceste caracteristici fac posibilă analiza acoperirilor multistrat cu grosimi de film de la câțiva angstromi la zeci de micrometri.

Tipuri de elipsometrie

În funcție de metodele de achiziție a datelor, există mai multe tipuri de elipsometrie:

Zero-elipsometria determină parametrii elipsei prin obținerea suprimării maxime a fasciculului pe fotodetector prin selectarea unghiurilor azimutale ale polarizatorului, analizorului și compensatorului (în circuite separate și defazarea compensatorului variabil). În unele cazuri, măsurătorile sunt efectuate la mai multe unghiuri de stingere.
Elipsometria fotometrică calculează parametrii unei elipse obținând o serie de intensități la mai multe unghiuri azimutale ale polarizatorului, analizorului și compensatorului. În elipsometrele fotometrice statice, elementele de polarizare sunt instalate în mai multe poziții în serie; în elipsometrele modulante, unul sau mai mulți parametri de polarizare sunt modulați.
Elipsometrie interferometrică.

În unele cazuri, în circuitul elipsometrului, compensatorul poate fi abandonat. În funcție de trecerea fasciculului, diferă:

Elipsometria reflexivă, iar în majoritatea publicațiilor elipsometria reflectivă este considerată datorită prevalenței ridicate a acestei metode și semnificației sale practice;
Elipsometrie de transmisie, când fasciculul trece printr-un mediu parțial transparent;
Elipsometrie de împrăștiere, când este investigată radiația împrăștiată de mediu;
Elipsometria radiației, care include sarcinile de măsurare a parametrilor unei elipse (de exemplu, elipsa radiației unei surse de lumină), atunci când parametrii radiației în sine sunt de interes și nu este necesar să se determine modul în care mediul, câmpurile fizice sau obiectele au modificat radiația în timpul trecerii sale.

În funcție de acoperirea zonei de studiu, se poate vorbi fie de măsurători cu fascicule individuale, fie de elipsometrie imagistică, în care imaginea este analizată.

Obținerea datelor

Starea de polarizare a luminii poate fi descompusă în două componente s (oscilant perpendicular pe planul de incidență) și p (oscilații ale undei luminoase paralele cu planul de incidență). În cazul reflexiei, amplitudinile complexe ale componentelor s și p reflectate sunt luate în considerare după normalizare la valorile corespunzătoare înainte de reflectare, notate cu r s și r p . Elipsometria măsoară coeficientul de reflexie complex al unui sistem , care este raportul dintre r p la r s : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

Coeficientul de reflexie complex poate fi dat și sub formă exponențială folosind așa-numitele unghiuri elipsometrice: unghiul raportului dintre coeficienții de reflexie scalară și diferența de defazare : $\psi$ $\Delta$

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

Tangenta unghiului specifică raportul atenuărilor (sau amplificărilor) amplitudinilor scalare ale componentelor s și p în timpul reflexiei . Unghiul specifică diferența de defazări experimentate la reflectarea radiației cu stări de polarizare s și p . $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Deoarece elipsometria măsoară raportul (sau diferența) a două cantități, mai degrabă decât valorile absolute ale fiecăreia, este o metodă foarte precisă și reproductibilă. De exemplu, este relativ rezistent la împrăștierea și fluctuațiile luminii și nu necesită o probă standard (de referință) sau un fascicul de lumină de referință.

În cazul elipsometriei de transmisie, transmitanța complexă poate fi dată și în formă exponențială

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

Tangenta unghiului specifică raportul de atenuări (sau îmbunătățiri) ale amplitudinilor scalare ale componentelor s și p în timpul transmisiei și specifică diferența de defazări experimentate în timpul transmiterii radiației cu stări de polarizare s și p . $T$ $\Delta$

Când apare sarcina de a măsura numai parametrii elipsei de polarizare, care sunt specificați fie de azimut, elipticitate și amplitudine a radiației polarizate, fie de unghiul raportului dintre amplitudini și de-a lungul axelor X și Y și defazarea dintre oscilațiile de-a lungul X și Y și amplitudinea. În funcție de abordare, acestea pot fi obținute independent sau calculate din parametrii anteriori. $A_{X}$ $A_{Y}$

Analiza datelor

Elipsometria este o metodă indirectă, adică, în cazul general, cele măsurate nu pot fi convertite direct în parametrii optici ai probei, ci necesită utilizarea unui anumit model. Conversia directă este posibilă numai atunci când proba este izotropă, omogenă și este o peliculă infinit de subțire. În toate celelalte cazuri, este necesar să se stabilească un model al stratului optic, care să conțină coeficientul de reflexie, funcția tensorului dielectric și apoi, folosind ecuațiile Fresnel, să se selecteze parametrii care descriu cel mai bine observați și . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Note

↑ A. Rothen. Elipsometrul, un aparat pentru măsurarea grosimilor filmelor subțiri de suprafață // Revizuirea instrumentelor științifice. - 1945. - T. 16 , nr 2 . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Măsurători de polarizare optică. - Moscova. - Comitetul de Stat pentru Standarde al URSS, 1980.

Literatură

Dicţionar enciclopedic fizic / ed. A. M. Prohorov. M: Marea Enciclopedie Rusă, 2003.
Gorshkov M. M., Elipsometrie, M.: „Sov. radio" 1974. - 200 p.
www.vniiofi.ru
Fundamentele elipsometriei / Rzhanov A. V. (redactor-șef), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Institutul de Fizică a Semiconductorilor, Filiala Siberiană a Academiei de Științe a URSS. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 422 p.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky „ Introducere în elipsometria aplicată ”. Manual pentru cursul „Măsurători opto-fizice”. Partea 3. „Elipsometria luminii transmise” - Sankt Petersburg: NRU ITMO, 2014. - 104 p.