Елипсометрија

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.
1 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 Друдe која и денес има многу апликации.
Првата документирана употреба на терминот „елипсометрија“ беше во 1945 година.
2 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.
3 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.
3.1 Експериментално поставување
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'' ).
3.2 Стекнување на податоци
Елипсометријата го мери сложениот однос на рефлексија <math>\rho</math> на систем, кој може да се одреди од компонентата на амплитудата <math>\Psi</math> и фазната разлика <math>\Delta</math>. 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 <math>r_s</math> и <math>r_p</math> соодветно. Упадниот агол е избран близу до аголот на Брустер на примерокот за да се обезбеди максимална разлика во <math>r_p</math> и <math>r_s</math> . Елипсометријата го мери сложениот однос на рефлексија <math>\rho</math> (сложено количество), што е односот на <math>r_p</math> над <math>r_s</math>:
:<math>\rho = \frac{r_p}{r_s} = \tan \Psi \cdot e^{i\Delta}.</math>
Така, <math>\tan\Psi</math> е односот на амплитудата при рефлексија и <math>\Delta</math> 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.
3.3 Анализа на податоци
Елипсометријата е индиректен метод, т.е. воопшто измерената <math>\Psi</math> и <math>\Delta</math> 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 <math>\Psi</math> и <math>\Delta</math> 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, <math>\Psi</math> и <math>\Delta</math> вредностите се пресметуваат со помош на Френеловите равенки. Пресметано <math>\Psi</math> и <math>\Delta</math> вредностите што одговараат на експерименталните податоци најдобро ги даваат оптичките константи и параметрите на дебелината на примерокот.
4 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.
4.1 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 <math>\Psi</math> и <math>\Delta</math> 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.
4.2 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.
4.3 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 <math>E_x</math> и <math>E_y</math> ), 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.
5 Напредни експериментални пристапи
5.1 Слика на елипсометрија
Елипсометријата исто така може да се направи како елипсометрија за сликање со помош на камера CCD како детектор. Ова обезбедува слика на контраст во реално време на примерокот, кој обезбедува информации за дебелината на филмот и показателот на прекршување . Напредната технологија за елипсометар за сликање работи според принципот на класична нулта елипсометрија и елипсометарска слика за контраст во реално време. Сликата со елипсометрија се заснова на концептот на поништување. Во елипсометријата, филмот што се испитува е поставен на рефлектирачкa подлога. Филмот и подлогата имаат различни показатели на прекршување. За да се добијат податоци за дебелината на филмот, светлината што ја рефлектира исклучката на подлогата мора да се поништи. Нулирање се постигнува со прилагодување на анализаторот и поларизаторот така што целата рефлектирана светлина на подлогата е изгасна. Поради разликата во показателите на прекршување, ова ќе овозможи примерокот да стане многу светла и јасно видлива. Изворот на светлина се состои од монохроматски ласер со посакувана бранова должина. Заедничка бранова должина што се користи е 532 nm зелена ласерска светлина. Бидејќи се потребни само интензитет на мерење на светлината, скоро секој вид на фотоапарат може да се примени како CCD, што е корисно ако се изгради елипсометар од делови. Обично, елипсомерите за сликање се конфигурираат на таков начин така што ласерот (L) пука зрак на светлина што веднаш поминува низ линеарен поларизатор (П). Линеарно поларизираната светлина потоа поминува низ четврт бранова должина компензатор (C) кој ја трансформира светлината во елипсовидно поларизирана светлина. Оваа елипсовидно поларизирана светлина потоа го отсликува примерокот (S), минува низ анализаторот (А) и се прикажува на CCD камера со цел за работно растојание. Анализаторот овде е уште еден поларизатор идентичен со P, сепак, овој поларизатор служи за да помогне да се измери измената на поларизацијата и на тој начин му се дава името на анализаторот. Овој дизајн обично се нарекува LPCSA конфигурација.
Ориентацијата на аглите на P и C е избрана на таков начин што елиптично поларизираната светлина е целосно линеарно поларизирана откако ќе се одрази од примерокот. За поедноставување на идните пресметки, компензаторот може да се фиксира под агол од 45 степени во однос на рамнината на зачестеност на ласерскиот зрак. Ова поставување бара ротирање на анализаторот и поларизаторот за да се постигнат ништожни услови. Елипсометриски нула состојба се добива кога А е нормална во однос на поларизационата оска на рефлектираната светлина, постигнувајќи целосно деструктивно мешање, т.е. состојба во која е откриен апсолутен минимум на светлосен флукс на фотоапаратот CCD. Аглите на P, C и A добиени се користат за да се утврдат вредностите Ψ и Δ на материјалот.:<math>\Psi = A</math> и <math>\Delta = 2P + \pi/2,</math>
каде што ''А'' и P се аглите на анализаторот и поларизаторот под нула услови соодветно. Со ротирање на анализаторот и поларизаторот и мерење на промената на интензитетот на светлината врз сликата, анализата на измерените податоци со употреба на компјутерско оптичко моделирање може да доведе до намалување на просторно решената дебелина на филмот и сложените вредности на показателот на прекршување.
Поради фактот што снимањето е направено под агол, всушност е во фокусот само мала линија од целото гледање. Линијата во фокусот може да се премести по видното поле со прилагодување на фокусот. За да се анализира целиот регион на интерес, фокусот мора постепено да се движи по регионот на интерес со фотографија направена на секоја позиција. Сите слики потоа се собрани во единечна слика во фокусот на примерокот.
5.2 Исклучена елипсометрија
Елепсиметријата на лице место се однесува на динамични мерења за време на процесот на модификација на примерокот. Овој процес може да се користи за да се испита, на пример, растот на тенок филм, вклучувајќи минерализација на калциум фосфат на воздушно-течниот интерфејс, гравирање или чистење на примерок. Со мерења на самото место на елипсометрија, можно е да се утврдат основните параметри на процесите, како што се, стапките на раст или ехо, варијација на оптичките својства со времето. Мерењата на елипсометрија на лице место бараат голем број на дополнителни размислувања: Местото на примерокот обично не е толку лесно достапно како за мерењата на лице место надвор од комората на процеси. Затоа, механичкото поставување треба да се прилагоди, што може да вклучува дополнителни оптички елементи (огледала, призми или леќи) за пренасочување или фокусирање на светлосен зрак. Бидејќи условите на животната средина во текот на процесот можат да бидат груби, чувствителните оптички елементи на поставувањето на елипсометријата мора да бидат одделени од врелата зона. Во наједноставниот случај, ова е направено од пристаништа со оптички преглед, иако треба да се земе предвид или да се минимизира пропустливоста предизвикана од неисцрпливост на (стаклените) прозорци. Понатаму, примероците можат да бидат на покачена температура, што подразбира различни оптички својства споредено со примероците на собна температура. И покрај сите овие проблеми, елипсометријата станува сè поважна, како техника за контрола на процесите за алатки за таложење и отстранување на тенок филм. Еклипсомерите можат да бидат со единечна бранова должина или со спектроскопски тип. Спектроскопски елипсометар користи повеќеканални детектори, на пример, детектори на CCD, кои ги мерат елипсометриските параметри за сите бранови должини во студираниот спектрален опсег истовремено.
5.3 Елипсометриска порозиметрија
Елипсометриската порозиметрија ја мери промената на оптичките својства и дебелината на материјалите при привлекување и десорпција на испарлив вид при атмосферски притисок или под намален притисок во зависност од апликацијата. Техниката на ЕP е уникатна по својата способност да мери порозност на многу тенки филмови до 10 nm, неговата репродуктивност и брзината на мерење. Во споредба со традиционалните порозиметри, полосиметрите на Елипсометар се добро прилагодени на големината на многу тенки филмови и мерење на дистрибуција на големината на порите. Порозноста на филмот е клучен фактор во технологијата заснована на силициум со употреба на материјали со мала количина, органска индустрија (капсулирани органски диоди кои емитуваат светлина), како и во индустријата за обложување користејќи техники со солен гел.
5.4 Магнето-оптичка генерализирана елипсометрија
Генерализирана елипсометрија на магнето-оптика (MOGE) е напредна техника со инфрацрвена спектроскопска елипсометрија за проучување на својствата на носачот на бесплатно полнење при спроведување на примероци. Со примена на надворешно магнетно поле, можно е самостојно да се утврди густината, параметарот на оптичката подвижност и делотворниот параметар на масата на носителите на бесплатно полнење . Без магнетното поле, само два од трите параметри на носачот на слободни полнежи можат да бидат извлечени независно.
6 Апликации
Оваа техника најде апликации во многу различни области, од физика на полупроводници до микроелектроника и биологија, од основно истражување до индустриски апликации. Елипсометријата е многу чувствителна техника за мерење и обезбедува нееднакви способности за метрологија со тенок филм. Како оптичка техника, спектроскопската елипсометрија е не-деструктивна и без контакт. Бидејќи зрачењето на инцидентот може да се фокусира, може да се прикажат мали димензии на примерокот и посакуваните одлики можат да се мапираат на поголема површина (m <sup>2</sup>).
7 Предности
Елипсометријата има голем број на предности во однос на стандардните мерења на интензитет на рефлексија:
* Елипсометријата мери најмалку два параметра на секоја бранова должина на спектарот. Ако се примени генерализирана елипсометрија, може да се измерат до 16 параметри на секоја бранова должина.
* Елипсометријата мери однос на интензитет наместо чисти интензитети. Затоа, елипсометријата е помалку погодена од интензитет на нестабилност на изворот на светлина или апсорпција на атмосферата.
* Со користење на поларизирана светлина, нормалното неполаризирано залутано светло на околината не влијае значително врз мерењето, не е неопходна темна кутија.
* Не е потребно референтно мерење.
* И реалниот и имагинарниот дел од диелектричната функција (или комплексот показател на прекршување ) може да се извлече без потреба да се изврши анализа Краммер-Крониг .
Елипсометријата е особено супериорна во однос на мерењата на рефлективност при проучување на анизотропни примероци.
8 Поврзано
* Спектроскопија
9 Дополнителна литература
* RMA Azzam and NM Bashara, ''Ellipsometry and Polarized Light'', Elsevier Science Pub Co (1987)  
* A. Roeseler, ''Infrared Spectroscopic Ellipsometry'', Akademie-Verlag, Berlin (1990),  
* ХГ Томпкинс, ''Упатство за корисници за Елипсометрија'', Академски Прес АД, Лондон (1993),  
* HG Tompkins and WA McGahan, ''Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry'', John Wiley & Sons Inc (1999)  
* I. Олидал и Д. Франта, ''Елипсометрија на тенки филмски системи'', во тек во оптика, том. 41, уд. E. Wolf, Elsevier, Amsterdam, 2000, pp. 181–282
* М. Шуберт, ''Инфрацрвена елипсометрија на структурите на полупроводничките слоеви: Фонони, Плазмони и Поларитонс'', Серија: Спрингер тракт во современата физика, том. 209, Спрингер (2004),  
* ХГ Томпкинс и ЕА Ирина (уредници), ''Прирачник за'' публикации ''на Елипсометрија'' Вилијам Ендрус, Норвич, NYујорк (2005),  
* Х. Фуџивара, ''спектроскопска елипсометрија: Принципи и апликации'', John Wiley & Sons Inc (2007),  
* М. Лосурдо и К. Хинџерл (Уредници), ''Елипсометрија во Нанокалата'', Спрингер (2013),  
* К. Хинрихс и К.-. Ејхорн (уредници), ''Елипсометрија на функционални органски површини и филмови'', Спрингер (2014),