Pencitraan ellipsometry - Prinsip Operasi untuk Karakterisasi Permukaan

Dengan AZoNano

Daftar isi

Pengantar

Ellipsometry adalah teknik optik yang sangat sensitif yang telah digunakan selama sekitar seratus tahun untuk memperoleh informasi tentang permukaan. Ia bekerja pada prinsip bahwa negara polarisasi cahaya dapat berubah bila berkas cahaya dipantulkan dari permukaan. Jika permukaan ditutupi oleh film tipis atau tumpukan film, seluruh sistem optik film & substrat mempengaruhi perubahan dalam polarisasi. Negara polarisasi elips, di mana vektor medan listrik bergerak sepanjang elips jika dilihat pada titik tetap di ruang angkasa, adalah negara yang paling umum dari polarisasi. Komponen dasar dari sebuah ellipsometer adalah sumber cahaya, beberapa komponen optik untuk mengubah polarisasi dan detektor. Dengan bantuan teknologi pencitraan, adalah mungkin untuk memperpanjang klasik ellipsometer ke bentuk baru dari alat visualisasi atau mikroskop dengan sensitivitas yang tinggi untuk film tipis.

Gambar 1. Setup Sejarah ellipsometer suatu [Paulus Drude, Lehrbuch der Optik, Leipzig, 1906]

Polarisasi Cahaya

Dalam rangka untuk menggambarkan cahaya, yang merupakan gelombang elektromagnetik, arah dan kekuatan medan listrik E dianggap sebagai ini memiliki interaksi kuat dengan materi daripada medan magnet. Monokromatik cahaya mungkin pada suatu titik dalam ruang E, dibagi menjadi tiga osilasi harmonik independen sepanjang sistem x, y, z-koordinat. Jika gelombang cahaya adalah gelombang bidang yang bergerak sepanjang sumbu z, vektor E adalah selalu ortogonal ke z, sehingga dapat digambarkan oleh dua osilasi harmonik bersama x dan y. Osilasi ini memiliki frekuensi yang identik, namun amplitudo dan fase yang berbeda. Akibatnya, vektor E bergerak sepanjang elips pada titik tertentu dalam ruang. Cara di mana medan vektor bervariasi dengan waktu pada titik tetap di ruang angkasa yang dikenal sebagai polarisasi. Oleh karena itu polarisasi yang paling umum dari cahaya monokromatik adalah elips. Jika x dan y osilasi adalah sama, bentuk elips yang dihasilkan menjadi garis lurus. Jika perbedaan fasa adalah + / -90 ° bentuk elips ke lingkaran. Jadi, polarisasi linear dan melingkar kasus khusus dari negara elips umum. Untuk semua perbedaan fase lain, "benar" elips berkembang.

Gambar 2. Polarisasi keadaan cahaya.

Sistem yang tepat Berkoordinasi

Ketika seberkas cahaya menerangi permukaan bawah miring kejadian, pesawat dapat ditentukan oleh vektor K gelombang menunjuk ke arah cahaya dan permukaan yang normal n. Ini dikenal sebagai pesawat insiden. Arah dari x dan y didefinisikan sedemikian rupa sehingga x adalah sejajar dengan pesawat dari kejadian dan y adalah tegak lurus. Arah ini ditetapkan sebagai p untuk paralel dan s untuk tegak lurus yang mengganti x, y notasi. Jadi, medan listrik E dipecahkan menjadi komponen p dan s.

Refleksi di Permukaan

Cahaya dipantulkan oleh permukaan sampel. Sampel terdiri dari sistem optik yang kompleks dengan beberapa lapisan memiliki sifat optik yang berbeda. Beberapa refleksi pada antarmuka lapisan superimpose untuk membentuk gelombang cahaya yang dipantulkan dengan keadaan polarisasi dimodifikasi. Secara khusus, komponen p dan s akan dikenakan berbagai pergeseran fasa dan juga menunjukkan sifat reflektif yang berbeda. Dengan demikian, bentuk dan ukuran dari polarisasi elips berubah. Perubahan ini adalah nilai-nilai dihitung dari sifat-sifat sistem optik atau sampel. Insiden dan tercermin vektor E dihubungkan oleh R refleksi matriks sampel seperti yang ditunjukkan dalam persamaan 1:

Gambar 3. Refleksi dari sampel (film / sistem substrat) perubahan polarisasi elips.

Komponen optik Digunakan Untuk ellipsometry

Komponen optik utama yang digunakan pada kebanyakan jenis ellipsometers dijelaskan dalam bagian berikut dan termasuk polarizer dan retarder.

Polarizer

Sebuah polarizer menghasilkan cahaya dalam keadaan khusus polarisasi pada output. Polarizer linear bekerja dengan menekan salah satu komponen dari cahaya insiden dan mengizinkan hanya komponen lain untuk lulus. Rotasi polarizer ini menyebabkan berkas cahaya terpolarisasi linier yang dihasilkan dari cahaya tak terpolarisasi insiden dengan arah polarisasi yang sesuai dengan sudut rotasi dari sumbu polarizer. Dalam hal balok insiden sudah terpolarisasi, intensitas ditransmisikan akan tergantung pada amplitudo komponen E sepanjang sumbu polarizer. Dalam kasus seperti polarizer disebut analisa memungkinkan seseorang untuk mengukur rasio komponen p dan s.

Optik retarder

Retarder optik digunakan untuk menggeser fase salah satu komponen dari cahaya insiden. Sebuah retarder khas adalah "piring quarterwave" yang memiliki "cepat" dan "lambat" poros menyebabkan pergeseran fasa 90 ° dalam komponen E sepanjang sumbu. Berdasarkan pada orientasi dari pelat seperempat gelombang itu mengubah polarisasi elips, misalnya, cahaya terpolarisasi linier ditransformasikan ke cahaya terpolarisasi sirkuler ketika diatur ke 45 ° dengan mengacu pada sumbu polarisasi linier retarder juga disebut kompensator.. Hal ini penting untuk dicatat bahwa kombinasi dari P polarizer linear dan seperempat-gelombang kompensator C (PC) dalam tunggangan diputar dapat bertindak sebagai filter polarisasi variabel yang dapat menghasilkan setiap negara polarisasi elips yang diinginkan pada output diberi s dan p amplitudo yang sama pada masukan.

Nuling ellipsometry

Ketika cahaya terpolarisasi linier memiliki sumbu yang menunjuk di mana saja kecuali ke arah s atau p adalah insiden pada sampel, cahaya yang dipantulkan akan menunjukkan keadaan polarisasi elips. Keadaan yang sama polarisasi elips tetapi dengan insiden rotasi terbalik di permukaan akan menghasilkan refleksi terpolarisasi linier.

Untuk sinar terpolarisasi linier adalah mungkin untuk memadamkan balok dengan menetapkan analyzer ke posisi 90 ° dengan mengacu pada sumbu polarisasi linier. Ini dikenal sebagai "menemukan Null" atau "nulling". Resep sebuah nulling ellipsometer dalam susunan PCSA diberikan di bawah ini:

• Cahaya dibuat untuk lulus melalui kombinasi PC, ketika sedang merekam pengaturan sudut dari P dan C.
• P dan C yang diubah sedemikian rupa sehingga refleksi dari S sampel adalah linear terpolarisasi.
• Sebuah foto-detektor diatur di balik analisa A untuk mendeteksi ini sebagai minimum di sinyal.

Sekarang mungkin untuk menentukan rutinitas iteratif untuk benar-benar menemukan pengaturan sudut yang tepat untuk P, C dan A untuk memenuhi kondisi Null. Teknik yang paling umum digunakan adalah "kompensator skema tetap nulling" di mana kompensator adalah tetap pada sudut tertentu dan P yang dan A diputar. Hal ini dapat menunjukkan bahwa rotasi P diikuti oleh rotasi sedangkan A menjaga P pada posisi sinyal minimum yang menyebabkan Null. Teknik ini harus diulang iteratif untuk mendapatkan presisi yang diperlukan. Satu keuntungan dari nulling ellipsometry adalah kenyataan bahwa satu ukuran sudut bukannya fluks cahaya, sehingga sebagian menghindari masalah stabilitas sumber cahaya atau non-linearitas dari detektor.

Gambar 4. Setup sebuah ellipsometer pencitraan nulling.

Gambar 5. Negara polarisasi selama ellipsometry nulling.

Optik Pemodelan

Untuk bahan isotropik, di mana R adalah matriks diagonal (RSP, RPS = 0), dua yang disebut ellipsometric sudut Y dan D dapat didefinisikan, mendefinisikan rasio koefisien refleksi kompleks Rpp dan Rss, yang sebenarnya diukur oleh ellipsometer :