мини| Елипсометарска машина во објектот ЛААС-ЦНРС (Лабораторија за анализа и архитектура на системи) во Тулуза, Франција. Елипсометријата е оптичка техника за испитување на диелектричните својства (комплексен показател на прекршување или диелектрична функција) на тенки филмови. Елипсометријата ја мери промената на поларизацијата при рефлексија или трансмисија и ја споредува со модел.
Може да се користи за карактеризирање на состав, грубост, дебелина (длабочина), кристална природа, концентрација на допинг, електрична спроводливост и други својства на материјалите. Таа е многу чувствителна на промената на оптичкото однесување на зрачењето кое заемно дејствува со материјалот што се истражува.
Спектроскопски елипсометар може да се најде во повеќето тенки филмски аналитички лаборатории. Елипсометријата, исто така, станува се поинтересна за истражувачите од другите дисциплини, како што се биологијата и медицината. Овие области претставуваат нови предизвици за техниката, како што се мерења на нестабилни течни површини и микроскопска слика.
Потекло на поимот Името "елипсометрија" произлегува од фактот дека се користи елипсовидна поларизација на светлината. Терминот „спектроскопски“ се однесува на фактот дека добиените информации се функција на брановата должина на светлината или енергијата (спектрите). Техниката е позната уште од 1888 година со делото на Паул ДрудeP. Drude, Ueber die Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichtes an der Grenze absorbirender Krystalle, Annalen der Physik, Volume 268, Issue 12, 1887, Pages: 584–625, DOI: 10.1002/andp.18872681205; Ueber Oberflächenschichten. I. Theil, Annalen der Physik, Volume 272, Issue 2, 1889, Pages: 532–560, DOI: 10.1002/andp.18892720214; Ueber Oberflächenschichten. II. Theil, Annalen der Physik, Volume 272, Issue 4, 1889, Pages: 865–897, DOI: 10.1002/andp.18892720409 (in German). која и денес има многу апликации.
Првата документирана употреба на терминот „елипсометрија“ беше во 1945 година.A. Rothen, "The Ellipsometer, an Apparatus to Measure Thickness of Thin Surface Films", Rev. Sci. Instrum. 16, No. 2, 26 (1945).
Основни принципи Измерениот сигнал е промена во поларизацијата бидејќи зрачењето на инцидентот (во позната состојба) комуницира со материјалната структура на интерес (се рефлектира, апсорбира, расфрла или пренесува). Промената на поларизацијата се мери со односот на амплитудата, Ψ и фазната разлика, Δ (дефинирана подолу). Бидејќи сигналот зависи од дебелината, како и од материјалните својства, елипсометријата може да биде универзална алатка за слободно определување на дебелина и оптички константи на филмови од сите видови.
По анализата на промената на поларизацијата на светлината, елипсометријата може да даде информации за слоеви што се потенки од брановата должина на самото светло за испитување, дури и до еден атомски слој. Елипсометријата може да го испита комплексот показател на прекршување или тензорот на диелектричната функција, што дава пристап до основните физички параметри како оние наведени погоре. Најчесто се користи за карактеризирање на дебелината на филмот за единечни слоеви или комплексни повеќеслојни магацини, кои се движат од неколку ангистри или десетини од нанометар до неколку микрометри со одлична точност.
Експериментални детали Обично, елипсометријата се прави само во поставката за рефлексија. Точната природа на промената на поларизацијата е одредена од својствата на примерокот (дебелина, комплексен показател на прекршување или тензор на диелектрична функција ). Иако оптичките техники се својствено ограничени на дифракциите, елипсометријата ја искористи фазата на информации (состојба на поларизација) и може да постигне под-нанометарска резолуција. Во наједноставна форма, техниката се применува на тенки филмови со дебелина помала од нанометар до неколку микрометри. Повеќето модели претпоставуваат дека примерокот е составен од мал број на дискретни, добро дефинирани слоеви кои се оптички хомогени и изотропни.
Методи на потопување или повеќеаголна елипсометрија се применуваат за да се пронајдат оптичките константи на материјалот со груба површина на примерокот или присуство на нехомоген медиум. Новите методолошки пристапи овозможуваат употреба на рефлектирачка елипсометрија за мерење на физички и технички одлики на елементите на градиент во случај површинскиот слој на оптичките детали да биде нехомоген.
Експериментално поставување десно|мини|400x400пкс| Шематско поставување на експеримент со елипсометрија Електромагнетното зрачење се испушта од извор на светлина и линеарно поларизирано од поларизатор. Може да помине преку дополнителен компензатор (четвртина бранова плоча) и да падне на примерокот. После рефлексија, зрачењето поминува компензатор (по избор) и втор поларизатор, кој се нарекува анализатор и паѓа во детекторот. Наместо на компензаторите, некои елипсомери користат фазен-модулатор во патеката на светлосен зрак. Елипсометријата е специфична оптичка техника (упадниот агол е еднаков на аголот на одбивање). Инцидентот и рефлектираниот зрак го опфаќаат упадната рамнина. Светлината што е поларизирана паралелно со оваа рамнина е именувана како p-поларизирана ( p -поларизирана ). Насоката за поларизација нормално се нарекува s-поларизирана ( s -поларизирана ).
Стекнување на податоци Елипсометријата го мери сложениот однос на рефлексија на систем, кој може да се одреди од компонентата на амплитудата и фазната разлика . Состојбата на поларизација на инцидентот на светлина врз примерокот може да се распадне во компонента s и p (компонентата s е осцилирачки нормална на упадната рамнина и паралелна со површината на примерокот, а компонентата p е осцилирачки паралелна со упадната рамнина). Амплитудите на компонентите s и p, по рефлексија и нормализирана на нивната првична вредност, се означуваат со и соодветно. Упадниот агол е избран близу до аголот на Брустер на примерокот за да се обезбеди максимална разлика во и .Butt, Hans-Jürgen, Kh Graf, and Michael Kappl. "Measurement of Adsorption Isotherms". Physics and Chemistry of Interfaces. Weinheim: Wiley-VCH, 2006. 206-09. Елипсометријата го мери сложениот однос на рефлексија (сложено количество), што е односот на над :
Така, е односот на амплитудата при рефлексија и е фазната разлика. (Забележувате дека десната страна на равенката е едноставно друг начин за да се претстави комплексен број). Бидејќи елипсометријата го мери односот (или разликата) на две вредности (наместо апсолутната вредност на која било), таа е многу точна и може да се репродуцира. На пример, релативно бесчувствително е да се распрснат и флуктуации и не се потребни стандардни примероци или референтни зраци.
Анализа на податоци Елипсометријата е индиректен метод, т.е. воопшто измерената и не може да се претворат директно во оптички константи на примерокот. Нормално, анализата на моделот мора да се изврши, на пример, моделот Forouhi Bloomer - ова е една слабост на елипсометријата. Моделите можат физички да се засноваат на енергетски транзиции или едноставно слободни параметри што се користат за да ги собере податоците. Целиот курс се изучува во моделирање на сурови податоци.
Директна инверзија на и е можна само во многу едноставни случаи на изотропни, хомогени и бесконечно густи филмови. Во сите други случаи, мора да се воспостави слоен модел, кој ги разгледува оптичките константи (показател на прекршување или диелектрична функција тензор) и параметрите на дебелината на сите поединечни слоеви на примерокот, вклучувајќи ја и правилната низа на слојот. Користејќи итеративна постапка (минимизирање на најмалку квадрати) непознати оптички константи или параметри на дебелина се разновидни, и вредностите се пресметуваат со помош на Френеловите равенки. Пресметано и вредностите што одговараат на експерименталните податоци најдобро ги даваат оптичките константи и параметрите на дебелината на примерокот.
Дефиниции Современите елипсометри се комплексни инструменти кои вклучуваат широк спектар на извори на зрачење, детектори, дигитална електроника и софтвер. Опсегот на користена бранова должина е далеку поголем од она што е видливо, толку строго, што тие веќе не се оптички инструменти.
Единечна бранова должина наспроти спектроскопска елипсометрија Елипсометрија со единечна бранова должина има монохроматски извор на светлина. Ова е обично ласер во видливиот спектрален регион, на пример, HeNe ласер со бранова должина од 632,8 nm. Затоа, елипсометријата со единечна бранова должина се нарекува и ласерска елипсометрија. Предноста на ласерската елипсометрија е тоа што ласерските зраци можат да бидат фокусирани на мала големина на самото место. Покрај тоа, ласерите имаат поголема моќност од изворите на светло на широкопојасен опсег. Затоа, ласерската елипсометрија може да се користи за сликање (види подолу). Сепак, експерименталниот излез е ограничен на еден сет на и вредности по мерење. Спектроскопската елипсометрија (СЕ) користи широкопојасни извори на светлина, кои опфаќаат одреден спектрален опсег во инфрацрвениот, видлив или ултравиолетово спектрален регион. Со тоа може да се добие комплексот показател на прекршување или диелектричната функција тензор во соодветниот спектрален регион, што дава пристап до голем број основни физички својства. Инфрацрвена спектроскопска елипсометрија (IRSE) може да ги испитува вибрационите (фононски) мрежни мрежи и својствата на носачот на слободно полнење (плазмон). Спектроскопска елипсометрија во блиска инфрацрвена, видлива до ултравиолетова спектрална област, го проучува показателот на прекршување во транспарентноста или регионот под јаз и електронските својства, на пример, транзиции од опсег до бенд или ексцизони.
Стандардна наспроти генерализирана елипсометрија (анизотропија) Стандардна ellipsometry (или само краток 'ellipsometry ") се применува, кога неполаризирана светлина се претвора во стр поларизирана светлина ниту пак обратно. Ова е случај за оптички изотопни примероци, на пример, аморфни материјали или кристални материјали со кубна кристална структура. Стандардната елипсометрија е исто така доволна за оптички униаксијални примероци во специјалниот случај, кога оптичката оска е усогласена паралелно со површината нормална. Во сите други случаи, кога s поларизираната светлина се претвора во p поларизирана светлина или обратно, треба да се примени пристапот за генерализирана елипсометрија. Примерите се произволно усогласени, оптички униаксијални примероци или примероци со оптички биаксија.
Матрицата на Јоnes наспроти формализмот на матрицата на Милер (деполаризација) Обично, постојат два различни начина на математички опишување како електромагнетниот бран комуницира со елементите во рамките на елипсометарот (вклучувајќи го и примерокот): Матрицата на Jones и формализмот на матрицата Мулер. Во формализмот на матрицата на Џонс, електромагнетниот бран е опишан со вектор на Јонс со две ортогонални влезни вредности на комплексни вредности за електричното поле (обично и ), и ефектот што го има оптичкиот елемент (или примерокот) врз него, е опишан со матрицата вредна 2 × 2. Во формализмот на матрицата на Милер, електромагнетниот бран го опишуваат вектори на Стоукс со четири влезни вредни вредности, а нивната трансформација е опишана со реално вредната матрица 4х4 Мулер. Ако не се случи деполаризација, двата формализма се целосно доследни. Затоа, за не-деполаризирачки примероци, поедноставниот формализам на матрицата на Јоnes е доволен. Доколку примерокот се деполаризира, треба да се користи формализмот на матрицата на Мулер, бидејќи исто така се дава и количината на деполаризација. Причини за деполаризација се, на пример, не-униформност на дебелината или рефлексија на задниот дел од транспарентен подлога.
Напредни експериментални пристапи
Слика на елипсометрија