Représentation Ellipsometry - Principes De Fonctionnement Pour la Caractérisation Extérieure

Par AZoNano

Table des matières

Introduction
Polarisation de la Lumière
Le Système Du Même Rang Correcte
Réflexion sur des Surfaces
Composants Optiques Utilisés Pour Ellipsometry
Polariseurs
Retardateurs Optiques
Nuling Ellipsometry
Modélisation Optique
Représentation Ellipsometry
Balayeur
Représentation Ellipsometer de Nanofilm
Conclusion
Au Sujet d'Accurion

Introduction

Ellipsometry est une technique optique extrêmement sensible qui a été employée pendant environ cents années pour obtenir des informations sur des surfaces. Cela fonctionne selon le principe que la condition de polarisation de la lumière peut changer quand le faisceau lumineux est réfléchi d'une surface. Si la surface est couverte par un film mince ou une pile de films, le système optique entier du film et du substrat affecte le changement de la polarisation. La condition elliptique de la polarisation, où le vecteur de champ électrique déménage le long d'une ellipse une fois vu à une remarque fixe dans l'espace, est la condition la plus générale de la polarisation. Les composantes de base d'un ellipsometer sont une source lumineuse, quelques composants optiques pour changer la polarisation et un détecteur. Avec l'aide de la technologie de l'image, il est possible d'étendre l'ellipsometer classique à une forme neuve d'outil de visualisation ou d'un microscope avec la sensibilité élevée aux films minces.

Le Schéma 1. installation Historique d'un ellipsometer [der de Paul Drude, de Lehrbuch Optik, Leipzig, 1906]

Polarisation de la Lumière

Afin de décrire la lumière, qui est une onde électromagnétique, le sens et la force du champ électrique E est considéré comme en tant que ceci a une interaction plus intense avec la substance que le champ magnétique. La lumière Monochromatique peut à une remarque dans l'espace E, être coupé en trois vibrations harmoniques indépendantes le long d'un x, y, système de z-coordonnée. Si l'onde lumineuse est une onde plane qui se déplace le long de l'axe des z, le vecteur d'E est toujours orthogonal à z, ainsi il peut être décrit par deux vibrations harmoniques le long de x et de Y. Ces vibrations ont une fréquence identique, mais une amplitude et une phase différentes. En Conséquence, le vecteur d'E déménage le long d'une ellipse à une remarque spécifique dans l'espace. La façon dont une zone de vecteur varie avec du temps à une remarque fixe dans l'espace est connue comme polarisation. Par Conséquent la polarisation la plus générale de la lumière monochromatique est elliptique. Si les vibrations de x et de y sont égales, l'ellipse donnante droit façonne en une ligne droite. Si la différence de phase est +/-90° l'ellipse façonne en un cercle. Ainsi, la polarisation linéaire et circulaire sont des cas spécialisés de la condition elliptique générale. Pour toutes autres différences de phase, une ellipse « vraie » évolue.

Le Schéma 2. condition de Polarisation de la lumière.

Le Système Du Même Rang Correcte

Quand un faisceau lumineux illumine une surface sous l'incidence oblique, un plan peut être spécifié par le vecteur d'onde K se dirigeant en direction de la lumière et de la normale extérieure N. Ceci est connu comme plan d'incidence. Les sens de x et de y sont définis de telle manière que x soit parallèle au plan de l'incidence et y soit perpendiculaire. Ces sens sont montrés comme p pour le parallèle et le s pour la perpendiculaire qui remontent le x, notation de y. Ainsi, le champ électrique E est resolved dans ses composants de p et de s.

Réflexion sur des Surfaces

La lumière est réfléchie par la surface témoin. L'échantillon comporte un système optique complexe avec plusieurs couches ayant différentes propriétés optiques. La réflexion Multiple aux surfaces adjacentes de couche superposent pour former une onde lumineuse réfléchie avec une condition modifiée de la polarisation. Particulièrement, le p et les composants de s seront sujets à un domaine des déphasages et présenteront également différentes propriétés réfléchies. Ainsi, la forme et la taille de l'ellipse de la polarisation sont changées. Cette modification est les valeurs mesurées des propriétés du système optique ou de l'échantillon. L'incident et les vecteurs réfléchis d'E sont joints par la modification R de réflexion de l'échantillon suivant les indications de l'Équation 1 :

Le Schéma 3. Réflexion de l'échantillon (système de film/substrat) change l'ellipse de la polarisation.

Composants Optiques Utilisés Pour Ellipsometry

Les composants optiques principaux utilisés dans la plupart des types d'ellipsometers sont décrits dans les parties suivantes et comprennent des polariseurs et des retardateurs.

Polariseurs

Un polariseur produit la lumière dans une condition spéciale de la polarisation à la sortie. Les polariseurs Linéaires fonctionnent à côté de supprimer un composant de la lumière d'incident et permettent seulement à l'autre composant de réussir. La rotation de ce polariseur cause une poutre de la lumière linéairement polarisée d'être produite à partir de la lumière d'incident non polarisée avec le sens de la polarisation correspondant à la cornière de la rotation de l'axe du polariseur. Au cas où le rayon incident se polariserait déjà, l'intensité transmise dépendra de l'amplitude du composant d'E le long de l'axe du polariseur. En pareil cas le polariseur est appelé un analyseur qu'il permet à on de mesurer le taux des composants de p et de s.

Retardateurs Optiques

Des retardateurs Optiques sont utilisés pour changer de vitesse la phase d'un composant de la lumière d'incident. Un retardateur typique est « une plaque quarterwave » qui fait « ralentir » un « rapide » et l'axe entraînant un déphasage de 90° dans les composants d'E le long de ces haches. Basé sur l'orientation de la plaque de quart-onde il transforme l'ellipse de la polarisation, par exemple, la lumière linéairement polarisée est transformée à la lumière circulairement polarisée quand positionnement à 45° concernant l'axe de polarisation linéaire. Les retardateurs sont également les compensateurs appelés. Il est essentiel de noter que la combinaison d'un polariseur linéaire P et d'un compensateur C (PC) de quart-onde dans des supports rotatifs peut agir en tant que filtre variable de polarisation qui peut produire de n'importe quelle condition elliptique désirée de la polarisation à la sortie donnée le s et amplitude de p sont égal à la puissance d'entrée.

Nuling Ellipsometry

Quand la lumière linéairement polarisée ayant un axe se diriger n'importe où excepté le sens de s ou de p est incident sur un échantillon, la lumière réfléchie affichera une condition elliptique de la polarisation. La même condition elliptique de la polarisation mais avec un incident renversé de rotation sur une surface produira une réflexion linéairement polarisée.

Pour une poutre linéairement polarisée il est possible de s'éteindre la poutre en réglant l'analyseur dans une position de 90° concernant l'axe de la polarisation linéaire. Ceci est connu comme « trouvant la Nulle » ou » annulant ». La recette un ellipsometer de annulation dans un arrangement de PCSA est donnée ci-dessous :

• La Lumière est effectuée pour réussir par une combinaison de PC, tout en enregistrant la configuration angulaire de P et de C.
• P et C sont changés de telle manière que la réflexion de l'échantillon S se polarise linéairement.
• Un détecteur photoélectrique est arrangé derrière un analyseur A pour trouver ceci comme minimum dans le signe.

Il est maintenant possible de déterminer des sous-programmes itératifs à trouver réellement les configurations à angle droit pour que P, C et A remplisse la condition Nulle. La technique la plus utilisée généralement est « le plan de annulation de compensateur fixe » dans ce que le compensateur est fixe à une cornière particulière et ces P et A sont tournés. Il peut afficher qu'une rotation de P a suivi d'une rotation d'A tout en maintenant P à sa position de signe minimum entraîne une Nulle. Cette technique doit être répétée itérativement pour obtenir la précision exigée. Un avantage d'annulation ellipsometry est le fait qu'on mesure des cornières au lieu du flux léger, de ce fait partiellement évitant des problèmes de la stabilité de la source lumineuse ou de la non-linéarité des détecteurs.

Le Schéma 4. Installation d'un ellipsometer de annulation de représentation.

Le Schéma 5. Condition de la polarisation pendant l'annulation ellipsometry.

Modélisation Optique

Pour les matériaux isotropes, où R est diagonal (Rsp, RPS = 0), deux soi-disant Y et D ellipsométriques de cornières peuvent être définis, définissant le taux des coefficients de réflexion complexes Rpp et Rss, qui sont mesurés réellement par l'ellipsometer :

Le Y est une cornière et la tangente donne le taux de la modification d'amplitude pour les composants de p et de s, alors que le D indique le déphasage relatif du composant de p et de s sur la réflexion. Le résultat de l'annulation est un ensemble de cornières de P, de C et d'A. Il y a des formules qui associent ces numéros au Y ellipsométrique et au D de cornières et ainsi à la modification R de réflexion suivant les indications de l'Équation 5.

Il est important de pouvoir déterminer les quantités matérielles de l'échantillon étant examiné par exemple, l'épaisseur de film sur un substrat. Basé sur R, ces paramètres ne peuvent pas être mesurés directement ainsi il devient nécessaire de développer un modèle optique et d'ajuster la sortie du modèle jusqu'à ce qu'il soit égal aux valeurs mesurées du Y et du D. La modélisation optique est considérée la remarque la plus critique dans ellipsometry.

Le Schéma 6. Cornière des spectres (AOI) d'incident de Y et de D : Air | substrat et Air | Couche Extérieure | substrat.

Résultats de annulation uniques dans deux quantités réelles mesurables. Ainsi, principalement parler, un indice de réfraction complexe ou l'indice de réfraction réel avec une épaisseur de film ou une combinaison différente de deux numéros réels est possible. Mais normalement pour un système posé de double, deux épaisseurs plus deux indices de réfraction pour un système de double layer doivent être mesurées. C'est possible en faisant des mesures de multiple-cornière-de-incidence ou la mesure à différentes longueurs d'onde où chaque longueur d'onde introduit un Indice de réfraction neuf d'inconnu dû à la dispersion mais fournit deux valeurs neuves pour le Y et le D. Ceci mène à ellipsometry spectroscopique. Les calculs et les mathématiques concernés sont trop compliqués particulièrement si l'échantillon est anisotrope. Dans ce cas même la définition du Y et du D n'est pas assez.

Le Schéma 7. spectres de Longueur D'onde de Y et de D. à AOI différent - air | graphene | SiO₂ | SI.

Représentation Ellipsometry

Afin d'ajouter la représentation à un ellipsometer il y a un besoin d'objectif et de détecteur dans l'espace de résolution, tel qu'une Caméra ccd sensible. Les images objectives la zone lumineuse de l'échantillon sur l'appareil-photo. En conséquence, régions qui font entraîner différentes propriétés optiques un signe différent dans l'image d'appareil-photo. Les régions qui remplissent la condition de l'ellipsométrique « Nulle » est éteintes pour cette configuration particulière de P, de C et d'A, et semblera sombre dans l'image.

Le Schéma 8. composants optiques Supplémentaires d'un ellipsometer de représentation

Là Où cette condition n'est pas remplie des intensités de lumière plus élevées sont incident au détecteur, produisant des régions plus lumineuses d'image. En modifiant les configurations de P, de C, et d'A il est maintenant possible de déterminer la Nulle pour ces régions, qui auront comme conséquence les zones sombres anciennes pour sembler lumineuses. Les principaux bénéfices d'un tel ellipsometer de représentation sont que le signe n'est dans l'espace résolu d'afficher les détails de l'échantillon et pas la moyenne au-dessus d'un endroit à rayon laser entier sur l'échantillon. On reçoit non seulement l'information qualitative immédiate, mais l'analyse ellipsométrique est limitée à une région d'intérêt particulière dans le champ de vision. L'application des algorithmes de propriété industrielle permet à on de tracer Annule pour l'image entière. Ceci fournit un plan bidimensionnel des données ellipsométriques qui peuvent être modifiées dans un plan d'épaisseur d'un échantillon ou d'une quantité différente.

Le Schéma 9. Traçant : Plan d'Épaisseur - air | SiO₂ | SI

Balayeur

On fait face normalement au problème d'une cornière d'observation inclinée dans la représentation ellipsometry. Seulement une zone limitée de l'image semble bien-être orientée en utilisant le bloc optique traditionnel. La Représentation Ellipsometer surmonte cette limitation à l'aide d'un mécanisme s'orientant motorisé pour rassembler une suite d'images avec différentes longueurs focales dans le champ de vision. Un système à traitement d'images digital superpose alors seulement les parties orientées de suite d'une image, ayant pour résultat une image chiffrée qui est tranchante à partir de l'arête à l'arête. Puisque le mouvement des objectifs sous l'observation est essentiel, une vitesse variable de balayeur est fournie pour adapter le système à un large éventail de situations expérimentales.

Le Schéma 10. Images focalisées de De Façon Générale à l'aide d'un balayeur de foyer.

Représentation Ellipsometers de Nanofilm

La Représentation Ellipsometers de Nanofilm activent l'étude de la surface dans trois phases qui comprennent ce qui suit :

• produire des images contrastées de la surface
• ellipsometry avec la définition transversale la plus élevée (1µm)
• se produire des plans de l'épaisseur 3D

Les applications Particulières existent dans les domaines de la biophysique, de la chimie extérieure et de la Nanotechnologie.

Le Schéma 11. ellipsometer Spectroscopique de représentation.

Conclusion

Ellipsometry est une méthode optique non destructive réputée pour mesurer l'épaisseur de film et les propriétés optiques. La Représentation Ellipsometry combine l'alimentation électrique d'ellipsometry avec la microscopie et surmonte les limites des ellipsometers conventionnels.

Au Sujet d'Accurion

Accurion est une entreprise high tech fournissant l'instrumentation avancée dans le domaine de l'analyse extérieure et de l'isolement de vibration actif.

Cette information a été originaire, révisée et adaptée des matériaux fournis par Accurion.

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