Imagem Lactente Ellipsometry - Princípios de Operação para a Caracterização De Superfície

Por AZoNano

Índice

Introdução
Polarização da Luz
O Sistema Coordenado Apropriado
Reflexão em Superfícies
Componentes Ópticos Usados Para Ellipsometry
Polarizadores
Retardadores Ópticos
Nuling Ellipsometry
Modelagem Óptica
Imagem Lactente Ellipsometry
Varredor
Imagem Lactente Ellipsometer de Nanofilm
Conclusão
Sobre Accurion

Introdução

Ellipsometry é uma técnica óptica altamente sensível que seja usada por aproximadamente cem anos para obter a informação sobre superfícies. Trabalha no princípio que o estado de polarização de luz pode mudar quando o feixe luminoso é reflectido de uma superfície. Se a superfície é coberta por um filme fino ou por uma pilha de filmes, o sistema óptico inteiro de filme & de carcaça afecta a mudança na polarização. O estado elíptico de polarização, aonde o vector do campo elétrico se move ao longo de uma elipse quando considerado em um ponto fixo no espaço, é o estado o mais geral de polarização. Os componentes básicos de um ellipsometer são uma fonte luminosa, alguns componentes ópticos para mudar a polarização e um detector. Com a ajuda da tecnologia imagiológica, é possível estender o ellipsometer clássico a um formulário novo da ferramenta do visualização ou de um microscópio com sensibilidade alta aos filmes finos.

Figura 1. instalação Histórica de um ellipsometer [der Optik, Leipzig de Paul Drude, de Lehrbuch, 1906]

Polarização da Luz

A fim descrever a luz, que são uma onda eletromagnética, o sentido e a força do campo elétrico E é considerado como este tem uma interacção mais forte com matéria do que o campo magnético. A luz Monocromática pode em um ponto no espaço E, para ser separação em três oscilações independentes do harmónico ao longo de um x, y, sistema da z-coordenada. Se a onda clara é uma onda plana que viaje ao longo da z-linha central, o vector de E é sempre ortogonal a z, assim pode ser descrito por duas oscilações do harmónico ao longo de x e de Y. Estas oscilações têm uma freqüência idêntica, mas uma amplitude e uma fase diferentes. Conseqüentemente, o vector de E move-se ao longo de uma elipse em um ponto especificado no espaço. A maneira em que um campo de vector varia com tempo em um ponto fixo no espaço é sabida como a polarização. Daqui a polarização a mais geral da luz monocromática é elíptica. Se as oscilações de x e de y são iguais, a elipse resultante forma em uma linha recta. Se a diferença de fase é +/-90° a elipse forma em um círculo. Assim, a polarização linear e circular é casos especializados do estado elíptico geral. Para todas diferença de fase restantes, uma elipse “verdadeira” evolui.

Figura 2. estado de Polarização da luz.

O Sistema Coordenado Apropriado

Quando um feixe luminoso ilumina uma superfície sob a incidência oblíqua, um plano pode ser especificado pelo vector de onda K que aponta na direcção da luz e do normal de superfície N. Isto é sabido como o plano de incidência. Os sentidos de x e de y são definidos de tal maneira que x está paralelo ao plano de incidência e y é perpendicular. Estes sentidos são designados como p para a paralela e o s para a perpendicular que substituem o x, notação de y. Assim, o campo elétrico E é resolved em seus componentes de p e de s.

Reflexão em Superfícies

A luz é reflectida pela superfície da amostra. A amostra compreende um sistema óptico complexo com diversas camadas que têm propriedades ópticas diferentes. A reflexão Múltipla nas relações da camada sobrepor para formar uma onda clara refletida com um estado alterado de polarização. Especificamente, o p e os componentes de s serão sujeitos a uma escala de deslocamentos de fase e igualmente exibirão propriedades reflexivas diferentes. Assim, a forma e o tamanho da elipse da polarização são mudados. Esta mudança é os valores determinados das propriedades do sistema óptico ou da amostra. O incidente e os vectores refletidos de E são ligados pela matriz R da reflexão da amostra segundo as indicações da Equação 1:

A Figura 3. Reflexão da amostra (sistema do filme/carcaça) muda a elipse da polarização.

Componentes Ópticos Usados Para Ellipsometry

Os componentes ópticos principais usados na maioria de tipos de ellipsometers são descritos nas seguintes secções e incluem polarizadores e retardadores.

Polarizadores

Um polarizador produz a luz em um estado especial de polarização na saída. Os polarizadores Lineares funcionam suprimindo um componente da luz de incidente e permitem que somente o outro componente passe. A rotação deste polarizador faz com que um feixe da luz linear polarizada seja produzido da luz de incidente unpolarized com o sentido da polarização que corresponde ao ângulo da rotação da linha central do polarizador. Caso que o feixe de incidente é polarizado já, a intensidade transmitida dependerá da amplitude do componente de E ao longo da linha central do polarizador. Em tal caso o polarizador é chamado um analisador que permite que um meça a relação dos componentes de p e de s.

Retardadores Ópticos

Os retardadores Ópticos são usados para deslocar a fase de um componente da luz de incidente. Um retardador típico é “uma placa quarterwave” que mande um “rápido” e “retardar” a linha central que causa um deslocamento de fase de 90° nos componentes de E ao longo destes machados. Baseado na orientação da placa da quarto-onda transforma a elipse da polarização, por exemplo, a luz linear polarizada é transformada à luz circular polarizada quando grupo a 45° com referência à linha central da polarização linear. Os retardadores são chamados igualmente compensadores. É essencial notar que a combinação de um polarizador linear P e de um compensador C da quarto-onda (PC) em montagens rotatable pode actuar como um filtro variável da polarização que possa gerar todo o estado elíptico desejado de polarização na saída dada o s e amplitude de p seja igual na entrada.

Nuling Ellipsometry

Quando a luz linear polarizada que tem uma linha central apontar em qualquer lugar exceto o sentido de s ou de p é incidente em uma amostra, a luz refletida mostrará um estado elíptico de polarização. O mesmo estado elíptico de polarização mas com um incidente invertido da rotação em uma superfície produzirá uma reflexão linear polarizada.

Para um feixe linear polarizado é possível extinguir o feixe ajustando o analisador a uma posição de 90° com referência à linha central da polarização linear. Isto é sabido como “encontrando o Zero” ou” anulando”. A receita um ellipsometer de anulação em um regime de PCSA é dada abaixo:

• A Luz é feita para passar com uma combinação do PC, ao gravar o ajuste angular de P e de C.
• P e C são mudados de tal maneira que a reflexão da amostra S é polarizada linear.
• Um fotodetector é arranjado atrás de um analisador A para detectar este como um mínimo no sinal.

É agora possível determinar rotinas iterativas encontrar realmente os ajustes de ângulo direito para que P, C e A satisfaça a condição Nula. A técnica a mais de uso geral é “o esquema de anulação do compensador fixo” em qual o compensador é fixo em um ângulo específico e esses P e A é girado. Pode-se mostrar que uma rotação de P seguiu por uma rotação de A ao manter P em sua posição de sinal mínima causa um Zero. Esta técnica tem que ser repetida iterativa para obter a precisão exigida. Um benefício da anulação ellipsometry é o facto de que um mede ângulos em vez do fluxo claro, assim parcialmente evitando problemas da estabilidade da fonte luminosa ou das não-linearidades dos detectores.

Figura 4. Instalação de um ellipsometer de anulação da imagem lactente.

Figura 5. Estado da polarização durante a anulação ellipsometry.

Modelagem Óptica

Para os materiais isotropic, onde R é diagonal (Rsp, Rps = 0), dois Y e D elipsométricos assim chamados dos ângulos podem ser definidos, definindo a relação dos coeficientes de reflexão complexos Rpp e Rss, que são medidos realmente pelo ellipsometer:

O Y é um ângulo e o tangente dá a relação da mudança da amplitude para os componentes de p e de s, quando o D denotar o deslocamento de fase relativo do componente de p e de s em cima da reflexão. O resultado da anulação é um grupo de ângulos de P, de C e de A. Há as fórmulas que relacionam estes números ao Y elipsométrico e ao D dos ângulos e assim à matriz R da reflexão segundo as indicações da Equação 5.

É importante poder determinar as quantidades físicas da amostra que está sendo examinada por exemplo, a espessura de filme em uma carcaça. Baseado em R, estes parâmetros não podem ser medidos directamente assim que torna-se necessário desenvolver um modelo óptico e caber a saída do modelo até que esteja igual aos valores medidos do Y e do D. A modelagem óptica é considerada o ponto o mais crítico em ellipsometry.

Figura 6. Ângulo de espectros (AOI) do incidente do Y e do D: Ar | carcaça e Ar | Revestimento De Superfície | carcaça.

Únicos resultados de anulação em duas quantidades reais mensuráveis. Assim, principalmente o discurso, um deslocamento predeterminado de refracção complexo ou o deslocamento predeterminado de refracção real junto com uma espessura de filme ou de uma outra combinação de dois números reais são possíveis. Mas normalmente para um sistema mergulhado do dobro, duas espessuras mais dois deslocamentos predeterminados refractive para um sistema da dupla camada precisam de ser medidas. Isto é possível fazer medidas da múltiplo-ângulo--incidência ou pela medida nos comprimentos de onda diferentes onde cada comprimento de onda introduz um desconhecido novo R.I. devido à dispersão mas fornece dois valores novos para o Y e o D. Isto conduz a ellipsometry espectroscópica. Os cálculos e a matemática envolvidos estão complicados demasiado especialmente se a amostra é anisotrópica. Nesse caso mesmo definir o Y e o D não é bastante.

Figura 7. espectros do Comprimento De Onda do Y e do D. em AOI diferente - ar | graphene | SiO₂ | Si.

Imagem Lactente Ellipsometry

A fim adicionar a imagem lactente a um ellipsometer lá é uma necessidade para um objetivo e um detector espacial de resolução, tal como uma câmera sensível do CCD. As imagens objetivas a área iluminada da amostra na câmera. Em conseqüência, regiões que mandam propriedades ópticas diferentes causar um sinal diferente na imagem da câmera. As regiões que satisfazem a condição do elipsométrico “Zero” são extinguidas para esse ajuste particular de P, de C e de A, e parecerão escuras na imagem.

Figura 8. componentes ópticos Adicionais de um ellipsometer da imagem lactente

Onde esta circunstância não é estada conforme umas intensidades de luz mais altas são incidente no detector, produzindo umas regiões mais brilhantes da imagem. Alterando os ajustes de P, de C, e de A é agora possível determinar o Zero para estas regiões, que conduzirão às áreas escuras anteriores para parecer brilhantes. O benefício principal de tal ellipsometer da imagem lactente é que o sinal está resolvido espacial mostrar os detalhes da amostra e não a média sobre um ponto inteiro do raio laser na amostra. Um recebe não somente a informação qualitativa imediata, mas a análise elipsométrica é restringida a uma região específica de interesse dentro do campo de visão. A aplicação de algoritmos proprietários permite que se trace Anula para a imagem inteira. Isto rende um mapa bidimensional dos dados elipsométricos que podem ser alterados em um mapa da espessura da amostra ou de uma outra quantidade.

Figura 9. que Traça: Mapa da Espessura - ar | SiO₂ | Si

Varredor

Um enfrenta normalmente o problema de um ângulo de observação inclinado na imagem lactente ellipsometry. Somente uma área limitada da imagem parece bem-ser focalizada ao usar o sistema ótico tradicional. A Imagem Lactente Ellipsometer supera esta limitação usando um mecanismo de focalização motorizado para recolher uma série de imagens com comprimentos focais diferentes dentro do campo de visão. Um sistema de processamento da imagem digital sobrepor então somente as partes focalizadas de uma série da imagem, tendo por resultado uma imagem digitada que seja afiada da borda à borda. Desde Que o movimento dos objetos sob a observação é crucial, uma velocidade variável do varredor é fornecida para adaptar o sistema a uma vasta gama de situações experimentais.

Figura 10. Imagens focalizadas do Macacão usando um varredor do foco.

Imagem Lactente Ellipsometers de Nanofilm

A Imagem Lactente Ellipsometers de Nanofilm permite o estudo da superfície em três etapas que incluem o seguinte:

• gerando imagens do contraste alto da superfície
• ellipsometry com definição lateral a mais alta (1µm)
• geração de mapas da espessura 3D

As aplicações Típicas existem no campos da biofísica, da química de superfície e da Nanotecnologia.

Figura 11. ellipsometer Espectroscópica da imagem lactente.

Conclusão

Ellipsometry é um método óptico não-destrutivo conhecido para medir a espessura de filme e propriedades ópticas. A Imagem Lactente Ellipsometry combina a potência de ellipsometry com a microscopia e supera os limites de ellipsometers convencionais.

Sobre Accurion

Accurion é uma empresa da alto-tecnologia que fornece instrumentação avançada no campo da análise de superfície e do isolamento de vibração activo.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por Accurion.

Para obter mais informações sobre desta fonte, visite por favor Accurion.