Weergave Ellipsometry - Principes van Verrichting voor de Karakterisering van de Oppervlakte

Door AZoNano

Inhoudstafel

Inleiding
Polarisatie van Licht
Het Juiste Gecoördineerde Systeem
Bezinning aan Oppervlakten
Optische die Componenten Voor Ellipsometry worden Gebruikt
Polarisators
Optische Vertragers
Nuling Ellipsometry
Optische Modellering
Weergave Ellipsometry
Scanner
De Weergave Ellipsometer van Nanofilm
Conclusie
Ongeveer Accurion

Inleiding

Ellipsometry is een hoogst gevoelige optische techniek die ongeveer honderd jaar is gebruikt om informatie over oppervlakten te verkrijgen. Het werkt aan het principe dat de polarisatiestaat van licht kan veranderen wanneer de lichtstraal van een oppervlakte wordt weerspiegeld. Als de oppervlakte door een dunne film of een stapel films wordt behandeld, beïnvloedt het volledige optische systeem van film & substraat de verandering in polarisatie. De elliptische staat van polarisatie, waar de elektrogebiedsvector zich langs een ellips wanneer gezien bij een vast punt in ruimte beweegt, is de meest algemene staat van polarisatie. De basiscomponenten van een ellipsometer zijn een lichtbron, sommige optische componenten om de polarisatie en een detector te veranderen. Met behulp van weergavetechnologie, is het mogelijk om klassieke ellipsometer tot een nieuwe vorm van visualisatiehulpmiddel of een microscoop met hoge gevoeligheid voor dunne films uit te breiden.

Figuur 1. Historische opstelling van een ellipsometer [Paul Drude, Lehrbuch der Optik, Leipzig, 1906]

Polarisatie van Licht

om licht te beschrijven, dat een elektromagnetische golf is, worden de richting en de sterkte van het elektrische veld E beschouwd als dit hebben een sterkere interactie met kwestie dan het magnetisch veld. Het Monochromatische licht kan op een punt in ruimteE, in drie onafhankelijke harmonische schommelingen langs x, y, z-gecoördineerd systeem worden verdeeld. Als de lichte golf een vlakke golf is dat de reizen langs de z-as, de vector van E altijd orthogonal aan z is, dus kan het door twee harmonische schommelingen langs x en y. worden beschreven. Deze schommelingen hebben een identieke frequentie, maar een verschillende omvang en een fase. Derhalve beweegt de vector van E zich langs een ellips op een gespecificeerd punt in ruimte. De manier waarin een vectorgebied met tijd bij een vast punt in ruimte varieert is genoemd geworden polarisatie. Vandaar is de meest algemene polarisatie van monochromatisch licht elliptisch. Als de x en yschommelingen gelijk zijn, vormt de resulterende ellips zich in een rechte lijn. Als het faseverschil +/-90° is vormt de ellips zich in een cirkel. Aldus, is de lineaire en cirkelpolarisatie gespecialiseerde gevallen van de algemene elliptische staat. Voor alle andere faseverschillen, evolueert een „ware“ ellips.

Figuur 2. De staat van de Polarisatie van licht.

Het Juiste Gecoördineerde Systeem

Wanneer een lichtstraal een oppervlakte onder schuine weerslag verlicht, kan een vliegtuig door de golf vectorK worden gespecificeerd die in de richting van het licht en de oppervlakte normaal n. wijzen. Dit is genoemd geworden vliegtuig van weerslag. De richtingen van x en y worden bepaald zodanig dat x met het vliegtuig van weerslag parallel is en y loodrecht is. Deze richtingen worden aangewezen als p voor parallel en s voor loodlijn die x, yaantekening vervangen. Aldus, wordt het elektrische veld E opgelost in zijn p en scomponenten.

Bezinning aan Oppervlakten

Het licht wordt weerspiegeld door de steekproefoppervlakte. De steekproef bestaat uit een complex optisch systeem met verscheidene lagen die verschillende optische eigenschappen hebben. De Veelvoudige bezinning bij de laaginterfaces voegt toe om een weerspiegelde lichte golf met een gewijzigde staat van polarisatie te vormen. Specifiek, zullen p en de scomponenten onderworpen aan een waaier van faseverschuivingen zijn en zullen ook verschillende weerspiegelende eigenschappen tentoonstellen. Aldus, worden de vorm en de grootte van de ellips van polarisatie veranderd. Deze verandering is de gekwantificeerde waarden van de eigenschappen van het optische systeem of de steekproef. De inherente en weerspiegelde vectoren van E worden verbonden door de bezinningsmatrijs R van de steekproef zoals aangetoond in Vergelijking 1:

Figuur 3. De Bezinning van de steekproef (film/substraatsysteem) verandert de ellips van polarisatie.

Optische die Componenten Voor Ellipsometry worden Gebruikt

De belangrijkste optische die componenten in de meeste types van ellipsometers worden gebruikt worden beschreven in de volgende secties en omvatten polarisators en vertragers.

Polarisators

Een polarisator veroorzaakt licht in een speciale staat van polarisatie bij de output. De Lineaire polarisators werken door één component van het inherente licht te onderdrukken en staan slechts de andere component toe om over te gaan. De omwenteling van deze polarisator veroorzaakt lineair dat een straal van gepolariseerd licht wordt geproduceerd uit niet gepolariseerd inherent licht met de richting van polarisatie die aan de hoek van omwenteling van de as van de polarisator beantwoorden. Voor het geval dat de inherente straal reeds gepolariseerd is, zal de overgebrachte intensiteit afhangen van de omvang van de component van E langs de as van de polarisator. In zo een geval wordt de polarisator genoemd een analisator het men toestaat om de verhouding van de p en scomponenten te meten.

Optische Vertragers

De Optische vertragers worden gebruikt om de fase van één component van het inherente licht te verplaatsen. Een typische vertrager is een „quarterwave plaat“ die een „snelle“ en „langzame“ as heeft die een faseverschuiving van 90° in de componenten van E langs deze assen veroorzaken. Gebaseerd op de richtlijn van de quarter-wave plaat het de ellips van polarisatie, bijvoorbeeld, lineair gepolariseerd licht omzet wordt omgezet aan in een cirkel gepolariseerd licht wanneer reeks aan 45° met betrekking tot de lineaire polarisatieas. De vertragers worden ook genoemd compensatoren. Het is essentieel om op te merken dat de combinatie van een lineaire polarisator P en een quarter-wave compensator C (PC) in draaibare onderstellen als een veranderlijke polarisatiefilter kan dienst doen die om het even welke gewenste elliptische staat van polarisatie bij de output kan produceren gegeven s en pomvang bij de input gelijk is.

Nuling Ellipsometry

Wanneer lineair het gepolariseerd licht die een as hebben die overal behalve de s of prichting richten op een steekproef inherent is, zal het weerspiegelde licht een elliptische staat van polarisatie tonen. De zelfde elliptische staat van polarisatie maar met een omgekeerd omwentelingsincident op zal een oppervlakte een lineair gepolariseerde bezinning veroorzaken.

Voor een lineair gepolariseerde straal is het mogelijk om de straal te doven door de analysator aan een positie 90° met betrekking tot de as van de lineaire polarisatie te plaatsen. Dit is gekend als „het vinden van Ongeldig“ of“ het nietig verklaren“. Het recept wordt een nietig verklarende ellipsometer in een regeling PCSA gegeven hieronder:

• Het Licht wordt gemaakt om door een combinatie van PC over te gaan, terwijl het registreren van het hoekige plaatsen van P en C.
• P en C worden veranderd zodanig dat de bezinning van de steekproef S lineair gepolariseerd is.
• Een fotodetector wordt geschikt achter een analysator A om dit als minimum in het signaal te ontdekken.

Het is nu mogelijk om herhaalde routines te bepalen om de rechte hoekmontages voor P, C en A eigenlijk te vinden om aan de Ongeldige voorwaarde te voldoen. De het meest meestal gebruikte techniek is de „vaste compensator nietig verklarende regeling“ waarin de compensator bij een specifieke hoek wordt bevestigd en die P en A worden geroteerd. Men kan tonen dat een omwenteling van P door een omwenteling van A wordt gevolgd terwijl het houden van P bij zijn minimumsignaalpositie die Ongeldig veroorzaakt. Deze techniek moet worden herhaald vaak om de vereiste precisie te verkrijgen. Één ellipsometry voordeel nietig te verklaren om is het feit dat men hoeken in plaats van lichte stroom meet, waarbij gedeeltelijk problemen van de stabiliteit van de lichtbron of niet lineair zijn van de detectors worden vermeden.

Figuur 4. Opstelling van een nietig verklarende weergaveellipsometer.

Figuur 5. Staat van polarisatie tijdens ellipsometry nietig verklaren.

Optische Modellering

Voor isotrope materialen, waar R (Rsp, Rps = 0) diagonaal is, kunnen twee zogenaamd ellipsometrisch hoekenY en D worden bepaald, bepalend de verhouding van de complexe bezinningscoëfficiënten Rpp en Rss, die eigenlijk door ellipsometer worden gemeten:

Het Y is een hoek en de raaklijn geeft de verhouding van omvangverandering voor de p en scomponenten, terwijl het D de relatieve faseverschuiving van de p en scomponent op bezinning aanduidt. Het resultaat van het nietig verklaren is een reeks hoeken van P, C en A. Er zijn formules die deze aantallen met het ellipsometrische hoekenY en D en zo met de bezinningsmatrijs R zoals aangetoond in Vergelijking 5 met elkaar in verband brengen.

Het is belangrijk de fysieke hoeveelheden die van de steekproef kunnen bepalen, de filmdikte op een substraat bijvoorbeeld worden onderzocht. Gebaseerd op R, kunnen deze parameters niet direct worden gemeten zodat wordt het noodzakelijk om een optisch model te ontwikkelen en de output van het model te passen tot het aan de gemeten waarden van Y en D gelijk is. De optische modellering wordt beschouwd als het kritiekste punt in ellipsometry.

Figuur 6. Hoek van inherente (AOI) spectrums van Y en D: Lucht | substraat en Lucht | De deklaag van de Oppervlakte | substraat.

Enige nietig verklarende resultaten in twee meetbare echte hoeveelheden. Aldus, hoofdzakelijk zijn spreken, een complexe index van breking of de echte index van breking samen met een filmdikte of een andere combinatie van twee echte aantallen mogelijk. Maar normaal voor een dubbel gelaagd systeem, moeten twee dikten plus twee brekingsindexen voor een dubbel laagsysteem worden gemeten. Dit is mogelijk door of veelvoudig-hoek-van-weerslagmetingen of maatregel bij verschillende golflengten te doen waar elke golflengte introduceert nieuwe onbekende r.i gepast aan verspreiding maar twee nieuwe waarden voor Y en D verstrekt. Dit leidt tot spectroscopische ellipsometry. De berekeningen en de wiskunde in kwestie zijn ook ingewikkeld vooral als de steekproef anisotroop is. In dat geval dat zelfs Y en D bepaalt is niet genoeg.

Figuur 7. De spectrums van de Golflengte van Y en D. bij verschillende AOI - lucht | graphene | SiO₂ | Si.

Weergave Ellipsometry

om weergave aan een ellipsometer toe te voegen is er een behoefte aan een doelstelling en een ruimte het oplossen detector, zoals een gevoelige camera CCD. De objectieve beelden het verlichte gebied van de steekproef op de camera. Dientengevolge, gebieden die verschillende optische eigenschappen hebben een verschillend signaal in het camerabeeld veroorzaken. De gebieden wordt die aan de voorwaarde van ellipsometrische „Ongeldig“ voldoen gedoofd voor dat het bepaalde plaatsen van P, C en A, en zullen donker in het beeld lijken.

Figuur 8. Extra optische componenten van een weergaveellipsometer

Waar deze voorwaarde niet wordt voldaan aan is de hogere lichtintensiteit inherent bij de detector, die helderdere beeldgebieden produceert. Door de montages van P, C, en A te veranderen is het nu mogelijk om Ongeldig voor deze gebieden te bepalen, die in de vroegere donkere gebieden om helder zullen resulteren te lijken. Het belangrijkste voordeel van zulk een weergaveellipsometer is dat het signaal ruimte wordt opgelost om de details van de steekproef en niet het gemiddelde over een volledige laserstraalvlek op de steekproef te tonen. Één ontvangt niet alleen directe kwalitatieve informatie, maar ellipsometrische analyse is beperkt tot een specifiek gebied van belang binnen het gezichtsveld. De toepassing van merkgebonden algoritmen staat toe men om in kaart te brengen voor het volledige beeld Nietig Verklaart. Dit brengt een tweedimensionale kaart van de ellipsometrische gegevens op die in een diktekaart van de steekproef of een andere hoeveelheid kunnen worden gewijzigd.

Figuur 9. Het In Kaart Brengen: De kaart van de Dikte - lucht | SiO₂ | Si

Scanner

Één ziet normaal het probleem van een geneigde observatiehoek in onder ogen ellipsometry weergave. Slechts schijnt een beperkt gebied van het beeld goed- wordengeconcentreerd wanneer het gebruiken van traditionele optica. De Weergave Ellipsometer overwint deze beperking door een gemotoriseerd concentrerend mechanisme te gebruiken om een reeks beelden met verschillende brandpuntslengten binnen het gezichtsveld te verzamelen. Een digitaal systeem van de beeldverwerking voegt dan slechts de geconcentreerde delen van een beeldreeks toe, resulterend in een digitaal weergegeven beeld dat van rand aan rand scherp is. Aangezien de beweging van de voorwerpen onder observatie essentieel is, wordt een veranderlijke scannersnelheid verstrekt om het systeem aan een brede waaier van experimentele situaties aan te passen.

Figuur 10. Algemene geconcentreerde beelden door een nadrukscanner te gebruiken.

De Weergave Ellipsometers van Nanofilm

De Nanofilm Weergave Ellipsometers laat studie van de oppervlakte in drie stappen toe die het volgende omvatten:

• het produceren van hoge contrastbeelden van de oppervlakte
• ellipsometry met hoogste zijresolutie (1µm)
• het produceren van 3D diktekaarten

Typische toepassingen er bestaan op het gebied van biofysica, oppervlaktechemie en Nanotechnologie.

Figuur 11. Spectroscopische weergaveellipsometer.

Conclusie

Ellipsometry is een bekende niet destructieve optische methode om filmdikte en optische eigenschappen te meten. De Weergave Ellipsometry combineert de macht van ellipsometry met de microscopie en overwint de grenzen van conventionele ellipsometers.

Ongeveer Accurion

Accurion is een high-tech bedrijf dat geavanceerde instrumentatie op het gebied van oppervlakteanalyse en actieve trillingsisolatie verstrekt.

Deze informatie is afkomstig geweest, herzien en die van materialen door Accurion aangepast worden verstrekt.

Voor meer informatie over deze bron, te bezoeken gelieve Accurion.