Elipsometrie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 6. června 2019; kontroly vyžadují 10 úprav .

Elipsometrie je vysoce citlivá a přesná polarizační - optická metoda pro studium povrchů a rozhraní různých prostředí (pevné, kapalné, plynné), založená na studiu změny polarizačního stavu světla po jeho interakci s povrchem rozhraní těchto prostředí. .

Termín „elipsometrie“ navrhl v roce 1944 Rothen [1] , neboť hovoříme o studiu eliptické polarizace, ke které dochází v obecném případě při aplikaci vzájemně kolmých kmitů, na které lze pole světelné vlny vždy rozložit. vzhledem k rovině jeho dopadu. Přestože lze tyto změny pozorovat jak v odraženém , tak v procházejícím světle, v současné době je polarizace odraženého světla studována v naprosté většině prací. Proto elipsometrie obvykle zahrnuje studium změn polarizace světla při odrazu.

Elipsometrie je soubor metod pro studium povrchů kapalných a pevných těles stavem polarizace světelného paprsku odraženého od tohoto povrchu a lomeného na něm. Monochromatické rovinně polarizované světlo dopadající na povrch získává při odrazu a lomu eliptickou polarizaci díky přítomnosti tenké přechodové vrstvy na rozhraní média. Vztah mezi optickými konstantami vrstvy a parametry elipticky polarizovaného světla je stanoven na základě Fresnelových vzorců. Na principech elipsometrie jsou postaveny metody pro citlivé bezkontaktní studium povrchu kapalin nebo pevných látek, absorpční procesy. koroze atd.

Elipsometr je zařízení určené k měření parametrů elipsy polarizovaného záření. Spolu s elipsometry existují spektroelipsometry, magnetoelipsometry, spektromagnetoelipsometry, elektroelipsometry a spektroelektroelipsometry, jejichž definice lze nalézt v GOST 23778-79 [2] . Hojně se používají zejména taková zařízení, jako jsou spektrální elipsometry (neboli spektroelipsometry), které jsou určeny k měření parametrů elipsy polarizovaného optického záření v závislosti na vlnových délkách záření v daném rozsahu spektra. Jako zdroj světla používají lampy různých typů (pro výzkum v různých částech spektra), LED a lasery. Kromě toho bylo v Rusku vytvořeno zařízení na bázi LED - LED spektrální elipsometr, který stejně jako laser umožňuje studovat nejen mikro-, ale i nano-velké nehomogenity na povrchu studovaného objektu. . LED světelné zdroje mají oproti tradičním žárovkám řadu výhod. To:

- vysoký odstup signálu od šumu signálu na výstupu; - vysoká spolehlivost a hospodárnost; - není třeba používat filtry pro zvýraznění části spektra; - malé rozměry a nízké náklady;

Mezi výhody spektrálních elipsometrů s klasickým lampovým světelným zdrojem patří:

- Vysoký jas zdroje (typický výkon až 150 W, v některých případech až 1 kW); - Široký provozní spektrální rozsah - od vzdáleného UV po střední IR;

Tyto vlastnosti umožňují analyzovat vícevrstvé povlaky s tloušťkou filmu od několika angstromů až po desítky mikrometrů.

Typy elipsometrie

V závislosti na metodách sběru dat existuje několik typů elipsometrie:

Nulová elipsometrie určuje parametry elipsy získáním maximálního potlačení paprsku na fotodetektoru výběrem úhlů azimutu polarizátoru, analyzátoru a kompenzátoru (v samostatných obvodech a fázového posunu proměnného kompenzátoru). V některých případech se měření provádějí pod několika úhly zhášení.
Fotometrická elipsometrie vypočítává parametry elipsy získáním řady intenzit v několika úhlech azimutu polarizátoru, analyzátoru a kompenzátoru. U statických fotometrických elipsometrů jsou polarizační prvky instalovány v několika pozicích za sebou; v modulačních elipsometrech je modulován jeden nebo více parametrů polarizace.
Interferometrická elipsometrie.

V některých případech lze v obvodu elipsometru od kompenzátoru upustit. V závislosti na průchodu paprsku se liší:

Reflexní elipsometrie a ve většině publikací je reflexní elipsometrie zvažována kvůli vysokému rozšíření této metody a jejímu praktickému významu;
Transmisní elipsometrie, kdy paprsek prochází částečně průhledným prostředím;
Rozptylová elipsometrie, kdy se zkoumá záření rozptýlené prostředím;
Elipsometrie záření, která zahrnuje úkoly měření parametrů elipsy (například elipsy záření světelného zdroje), kdy jsou parametry samotného záření zajímavé a není nutné určovat, jak prostředí, fyzikální pole nebo předměty změnily záření při jeho průchodu.

V závislosti na pokrytí studované oblasti lze hovořit buď o měření s jednotlivými paprsky, nebo o zobrazovací elipsometrii, při které je obraz analyzován.

Získávání dat

Stav polarizace světla lze rozložit na dvě složky s (kmitání kolmo k rovině dopadu) a p (kmitání světelné vlny rovnoběžné s rovinou dopadu). V případě odrazu jsou komplexní amplitudy odražených složek sa uvažovány po normalizaci na odpovídající hodnoty před odrazem , označované jako rs a rp . Elipsometrie měří komplexní koeficient odrazu systému , což je poměr r p k r s : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

Komplexní koeficient odrazu může být také dán v exponenciální podobě pomocí takzvaných elipsometrických úhlů: úhel poměru skalárních koeficientů odrazu a rozdílu fázových posunů : $\psi$ $\Delta$

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

Tangenta úhlu udává poměr zeslabení (nebo zesílení) skalárních amplitud složek s a p během odrazu . Úhel udává rozdíl ve fázových posunech, ke kterým dochází při odrazu záření s polarizačními stavy s a p . $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Vzhledem k tomu, že elipsometrie měří poměr (nebo rozdíl) dvou veličin, spíše než absolutní hodnoty každé z nich, jde o velmi přesnou a reprodukovatelnou metodu. Je například relativně odolný vůči rozptylu a kolísání světla a nevyžaduje standardní (referenční) vzorek nebo referenční světelný paprsek.

V případě transmisní elipsometrie může být komplexní propustnost dána také v exponenciální formě

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

Tangenta úhlu udává poměr zeslabení (nebo zesílení) skalárních amplitud složek s a p během přenosu a udává rozdíl ve fázových posunech prožívaných během přenosu záření se stavy polarizace s a p . $T$ $\Delta$

Když vyvstane úkol měřit pouze parametry polarizační elipsy, které jsou specifikovány buď azimutem, elipticitou a amplitudou polarizovaného záření nebo úhlem poměru amplitud a podél os X a Y a fázovým posunem mezi oscilace podél X a Y a amplituda. V závislosti na přístupu je lze získat nezávisle nebo vypočítat z předchozích parametrů. $A_{X}$ $A_{Y}$

Analýza dat

Elipsometrie je nepřímá metoda, to znamená, že v obecném případě nelze naměřené hodnoty přímo převádět na optické parametry vzorku, ale vyžadují použití určitého modelu. Přímá konverze je možná pouze tehdy, když je vzorek izotropní, homogenní a je nekonečně tenkým filmem. Ve všech ostatních případech je nutné sestavit model optické vrstvy, který obsahuje koeficient odrazu, funkci dielektrického tenzoru a poté pomocí Fresnelových rovnic vybrat parametry, které nejlépe popisují pozorované a . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Poznámky

↑ A. Rothen. Ellipsometr, přístroj pro měření tloušťky tenkých povrchových filmů // Recenze vědeckých přístrojů. - 1945. - T. 16 , č. 2 . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Měření optické polarizace. - Moskva. - Státní výbor SSSR pro normy, 1980.

Literatura

Fyzikální encyklopedický slovník / ed. A. M. Prochorov. M: Velká ruská encyklopedie, 2003.
Gorshkov M. M., Elipsometrie, M.: „Sov. rozhlas“ 1974. - 200 s.
www.vniiofi.ru
Základy elipsometrie / Rzhanov A. V. (šéfredaktor), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Ústav fyziky polovodičů, Sibiřská pobočka Akademie věd SSSR. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 422 s.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky " Úvod do aplikované elipsometrie ". Učebnice pro předmět "Opticko-fyzikální měření". Část 3. "Elipsometrie procházejícího světla" - Petrohrad: NRU ITMO, 2014. - 104 s.