Rappresentazione Ellipsometry - Principi Di Funzionamento Per la Caratterizzazione Di Superficie

Da AZoNano

Indice

Introduzione
Polarizzazione di Indicatore Luminoso
Il Sistema di Riferimento Adeguato
Riflesso alle Superfici
Componenti Ottiche Usate Per Ellipsometry
Polarizzatori
Ritardatori Ottici
Nuling Ellipsometry
Modellistica Ottica
Rappresentazione Ellipsometry
Scanner
Rappresentazione Ellipsometer di Nanofilm
Conclusione
Circa Accurion

Introduzione

Ellipsometry è una tecnica ottica altamente sensibile che è stata usata affinchè circa cento anni ottenga le informazioni sulle superfici. Lavora al principio che lo stato di polarizzazione di indicatore luminoso può cambiare quando il raggio luminoso è riflesso da una superficie. Se la superficie è coperta da una pellicola sottile o da una pila di pellicole, l'intero sistema ottico della pellicola & del substrato pregiudica il cambiamento nella polarizzazione. Lo stato ellittico di polarizzazione, dove il vettore del campo elettrico si muove lungo un ellisse una volta veduto ad un punto fisso nello spazio, è lo stato più generale di polarizzazione. Le componenti di base di un ellipsometer sono una sorgente luminosa, alcune componenti ottiche per cambiare la polarizzazione e un rivelatore. Con l'aiuto di tecnologia dell'immagine, è possibile estendere il ellipsometer classico fino un nuovo modulo dello strumento di visualizzazione o di un microscopio con l'alta sensibilità fino le pellicole sottili.

Figura 1. impostazione Storica di un ellipsometer [der Optik, Lipsia, 1906 di Paul Drude, di Lehrbuch]

Polarizzazione di Indicatore Luminoso

Per descrivere l'indicatore luminoso, che è un'onda elettromagnetica, la direzione e la concentrazione del campo elettrico E è considerata come questa ha una più forte interazione con la materia che il campo magnetico. L'indicatore luminoso Monocromatico può ad un punto nello spazio E, essere diviso in tre oscillazioni armoniche indipendenti lungo una x, y, sistema di z-coordinata. Se l'onda leggera è un'onda piana che viaggia lungo l'z-asse, il vettore di E è sempre ortogonale alla z, così può essere descritto da due oscillazioni armoniche lungo la x ed il Y. Queste oscillazioni hanno una frequenza identica, ma un'ampiezza e una fase differenti. Di Conseguenza, il vettore di E si muove lungo un ellisse ad un punto specificato nello spazio. Il modo in cui un campo vettoriale varia con tempo ad un punto fisso nello spazio è conosciuto come polarizzazione. Quindi la polarizzazione più generale di indicatore luminoso monocromatico è ellittica. Se le oscillazioni di y e di x sono uguali, l'ellisse risultante si forma in una linea retta. Se la differenza di fase è +/-90° l'ellisse si forma in un cerchio. Quindi, la polarizzazione lineare e circolare è casi specializzati dello stato ellittico generale. Per tutte le altre differenze di fase, un ellisse “vero„ si evolve.

Figura 2. stato di Polarizzazione di indicatore luminoso.

Il Sistema di Riferimento Adeguato

Quando un raggio luminoso illumina una superficie nell'ambito dell'incidenza obliqua, un aereo può essere specificato dal vettore di onda K che indica in direzione dell'indicatore luminoso e del normale di superficie N. Ciò è conosciuta come il piano dell'incidenza. Le direzioni della x e di y sono definite in tal modo che la x è parallela al piano dell'incidenza e y è perpendicolare. Queste direzioni sono designate come P per la parallela e la s per il perpendicolare che sostituiscono la x, numerazione di y. Quindi, il campo elettrico E è risolto nelle sue componenti di s e di P.

Riflesso alle Superfici

L'indicatore luminoso è riflesso dalla superficie del campione. Il campione comprende un sistema ottico complesso con parecchi livelli che hanno beni ottici differenti. Il riflesso Multiplo alle interfacce del livello sovrappone per formare un'onda leggera riflessa con uno stato modificato di polarizzazione. Specificamente, P e le componenti di s saranno conforme ad un intervallo degli sfasamenti ed egualmente presenteranno i beni riflettenti differenti. Quindi, la forma e la dimensione dell'ellisse di polarizzazione sono cambiate. Questo cambiamento è i valori quantificati dei beni del sistema ottico o del campione. L'incidente ed i vettori riflessi di E sono collegati dalla matrice R del riflesso del campione secondo le indicazioni dell'Equazione 1:

La Figura 3. Riflesso dal campione (sistema substrato/della pellicola) cambia l'ellisse di polarizzazione.

Componenti Ottiche Usate Per Ellipsometry

Le componenti ottiche principali utilizzate nella maggior parte dei tipi di ellipsometers sono descritte nelle seguenti sezioni ed includono i polarizzatori ed i ritardatori.

Polarizzatori

Un polarizzatore produce l'indicatore luminoso in uno stato speciale di polarizzazione all'output. I polarizzatori Lineari funzionano sopprimendo una componente della luce incidente e che permettono che soltanto l'altra componente passi. La rotazione di questo polarizzatore induce un raggio di indicatore luminoso linearmente polarizzato ad essere prodotta da luce incidente non polarizzata con la direzione di polarizzazione che corrisponde all'angolo di rotazione dell'asse del polarizzatore. Nel caso il raggio di incidente già sia polarizzato, l'intensità trasmessa dipenderà dall'ampiezza della componente della E lungo l'asse del polarizzatore. In tal caso il polarizzatore è chiamato un analizzatore permette che uno misuri il rapporto delle componenti di s e di P.

Ritardatori Ottici

I ritardatori Ottici sono utilizzati per spostare la fase di una componente della luce incidente. Un ritardatore tipico è “una zolla quarterwave„ che fa ““rallentare„ un veloce„ e l'asse che causa di sfasamento di 90° nelle componenti della E lungo queste asce. Sulla Base dell'orientamento della zolla di quarto-Wave trasforma l'ellisse di polarizzazione, per esempio, l'indicatore luminoso linearmente polarizzato è trasformato ad indicatore luminoso circolarmente polarizzato quando insieme a 45° in riferimento all'asse di polarizzazione lineare. I ritardatori egualmente sono chiamati compensatori. È essenziale per notare che la combinazione di polarizzatore lineare P e di compensatore la C (PC) di quarto-Wave in supporti rotabili può fungere da filtro variabile da polarizzazione che può generare tutto lo stato ellittico desiderato di polarizzazione all'output dato la s ed ampiezza di P è uguale all'input.

Nuling Ellipsometry

Quando l'indicatore luminoso linearmente polarizzato che ha un asse indicare dovunque eccetto la direzione di P o di s è incidente su un campione, l'indicatore luminoso riflesso mostrerà uno stato ellittico di polarizzazione. Lo stesso stato ellittico di polarizzazione ma con un incidente invertito di rotazione su una superficie produrrà un riflesso linearmente polarizzato.

Per un raggio linearmente polarizzato è possibile estinguere il raggio impostando l'analizzatore ad una posizione di 90° in riferimento all'asse della polarizzazione lineare. Ciò è conosciuta come “trovando la Posizione Di Segnale Minimo„ o„ annullando„. La ricetta un ellipsometer d'annullamento in una disposizione di PCSA è data qui sotto:

• L'Indicatore Luminoso è fatto per passare con una combinazione del PC, mentre registra l'impostazione angolare di P e del C.
• P e la C sono cambiati in tal modo che il riflesso dal campione S è polarizzato linearmente.
• Un rivelatore fotoelettrico è sistemato dietro un analizzatore A per individuare questo come minimo nel segnale.

Ora è possibile determinare le routine iterative realmente per trovare le impostazioni ad angolo retto affinchè P, la C ed A soddisfaccia la condizione Nulla. La tecnica più comunemente usata è “lo schema d'annullamento del compensatore fisso„ in cui il compensatore è fisso ad un angolo specifico e quei P ed A è girato. Può essere indicato che una rotazione di P ha seguito da una rotazione di A mentre teneva P alla sua posizione di segnale minima causa una Posizione Di Segnale Minimo. Questa tecnica deve essere ripetuta iteratamente per ottenere la precisione richiesta. Un vantaggio dell'annullamento ellipsometry è il fatto che uno misura gli angoli invece di cambiamento continuo leggero, così parzialmente evitando i problemi della stabilità della sorgente luminosa o della non linearità dei rivelatori.

Figura 4. Impostazione di un ellipsometer d'annullamento di rappresentazione.

Figura 5. Stato di polarizzazione durante l'annullamento ellipsometry.

Modellistica Ottica

Per i materiali isotropi, in cui la R è diagonale (Rsp, RPS = 0), due cosiddetti Y e D ellissometrici di angoli possono essere definiti, definendo il rapporto dei coefficienti di riflesso complessi Rpp e Rss, che realmente sono misurati dal ellipsometer:

L'Y è un angolo e la tangente dà il rapporto del cambiamento di ampiezza per le componenti di s e di P, mentre il D denota di sfasamento relativo della componente di s e di P sopra riflesso. Il risultato dell'annullamento è un insieme degli angoli di P, della C e del A. Ci sono formule che collegano questi numeri all'Y ellissometrico ed al D di angoli e così alla matrice R del riflesso secondo le indicazioni dell'Equazione 5.

È importante potere da determinare le grandezze fisiche del campione che è esaminato per esempio, lo spessore di pellicola su un substrato. Sulla Base della R, questi parametri non possono essere misurati direttamente in modo da diventa necessario sviluppare un modello ottico e misura l'output del modello finché non sia uguale ai valori misurati dell'Y e del D. La modellistica ottica è considerata la maggior parte del punto critico in ellipsometry.

Figura 6. Angolo degli spettri (AOI) di incidente dell'Y e del D: Aria | substrato ed Aria | Rivestimento Di Superficie | substrato.

Singoli risultati d'annullamento in due quantità reali misurabili. Quindi, principalmente parlare, un indice di rifrazione complesso o l'indice di rifrazione reale con uno spessore di pellicola o un'altra combinazione di due numeri reali sono possibili. Ma normalmente per un doppio sistema stratificato, due spessori più due indici di rifrazione per un sistema del doppio livello devono essere misurati. Ciò è possibile facendo dalle misure di multiplo-angolo-de-incidenza o dalla misura alle lunghezze d'onda differenti dove ogni lunghezza d'onda introduce un nuovo Indice di rifrazione di sconosciuto dovuto dispersione ma fornisce i due nuovi valori per l'Y ed il D. Ciò piombo a ellipsometry spettroscopico. I calcoli e la matematica in questione ugualmente sono complicati particolarmente se il campione è anisotropo. In quel caso neppure definire l'Y ed il D non è abbastanza.

Figura 7. spettri di Lunghezza D'onda dell'Y e del D. a AOI differente - aria | graphene | SiO₂ | Si.

Rappresentazione Ellipsometry

Per aggiungere la rappresentazione ad un ellipsometer là è un'esigenza di un obiettivo e di un rivelatore nello spazio di risoluzione, quale una Telecamera CCD sensibile. Le immagini obiettive l'area illuminata del campione sulla macchina fotografica. Di conseguenza, regioni che fanno causare i beni ottici differenti un segnale differente nell'immagine della macchina fotografica. Le regioni che soddisfanno la condizione dell'ellissometrico “Posizione Di Segnale Minimo„ è estinta per quell'impostazione particolare di P, della C e di A e sembreranno scure nell'immagine.

Figura 8. componenti ottiche Supplementari di un ellipsometer di rappresentazione

Dove questa circostanza non è riempita le più alte intensità della luce della luce sono incidente al rivelatore, producendo le regioni più luminose di immagine. Alterando le impostazioni di P, della C e di A ora è possibile determinare la Posizione Di Segnale Minimo per queste regioni, che provocheranno le precedenti aree scure per sembrare luminose. Il vantaggio principale di un tal ellipsometer della rappresentazione è che il segnale è nello spazio risolto mostrare i dettagli del campione e non la media sopra un intero punto del raggio laser sul campione. Uno riceve non solo le informazioni qualitative immediate, ma l'analisi ellissometrica si limita ad una regione specifica di interesse all'interno del campo visivo. L'applicazione degli algoritmi privati permette che si mappi Annulla per l'intera immagine. Ciò rende una mappa bidimensionale dei dati ellissometrici che possono essere modificati in una mappa di spessore del campione o di un'altra quantità.

Figura 9. che Mappa: Mappa di Spessore - aria | SiO₂ | Si

Scanner

Uno affronta normalmente il problema di un angolo di osservazione propenso nella rappresentazione ellipsometry. Soltanto un'area limitata dell'immagine sembra ben-essere messa a fuoco quando usando l'ottica tradizionale. La Rappresentazione Ellipsometer sormonta questa limitazione usando un meccanismo di focalizzazione motorizzato per raccogliere una serie di immagini con differenti lunghezze focali all'interno del campo visivo. Un sistema di trattamento di immagine digitale poi sovrappone soltanto le parti messe a fuoco di una serie di immagine, con conseguente immagine digitalizzata che è marcata dalla barriera alla barriera. Poiché il movimento degli oggetti nell'ambito dell'osservazione è cruciale, una velocità variabile dello scanner è fornita per adattare il sistema a una vasta gamma di situazioni sperimentali.

Figura 10. Immagini messe a fuoco dell'In Generale usando uno scanner del fuoco.

Rappresentazione Ellipsometers di Nanofilm

La Rappresentazione Ellipsometers di Nanofilm permette allo studio sulla superficie a tre punti che includono quanto segue:

• generazione delle immagini ad alto contrasto dalla superficie
• ellipsometry con più alta risoluzione laterale (1µm)
• generazione delle mappe di spessore 3D

Le applicazioni Tipiche esistono nei campi della biofisica, della chimica di superficie e della Nanotecnologia.

Figura 11. ellipsometer Spettroscopico di rappresentazione.

Conclusione

Ellipsometry è un metodo ottico non distruttivo ben noto per la misurazione lo spessore di pellicola e dei beni ottici. La Rappresentazione Ellipsometry combina la potenza di ellipsometry con microscopia e sormonta i limiti dei ellipsometers convenzionali.

Circa Accurion

Accurion è una società alta tecnologia che fornisce la strumentazione avanzata nel campo di isolamento antivibrante di superficie dell'attivo e dell'analisi.

Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti da Accurion.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente, visualizzi prego Accurion.