想像 Ellipsometry - 操作原理表面描述特性的

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簡介

Ellipsometry 是用於大約一一百年得到關於表面的信息的一個高靈敏的光學技術。它運作根據光極化狀態可能更改的原則，當這個光束從表面時被反射。如果表面由薄膜或棧影片報道，影片 & 基體整個光學系統影響在極化上的變化。極化省略狀態，電場向量沿橢圓移動，當看見在空間的一個固定點，是極化一般狀態。 ellipsometer 的基本成分是一個光源，更改極化和探測器的一些光學要素。在成像技術幫助下，對形象化工具或一個顯微鏡的一份新的表單延伸古典 ellipsometer 有高區分的對薄膜是可能的。

圖 1. 歷史設置 ellipsometer [保羅 Drude， Lehrbuch der Optik，萊比錫， 1906年]

光的極化

為了描述光，這個電場 E 的是電磁波，這個方向和力量比磁場考慮作為此有與問題的一個強相互作用。單色光可以在空間 E 的點，被分裂成沿 x， y， z 坐標系統的三獨立泛音動擺。如果光波是沿這個 Z軸傳播的平面波， E 向量總是正交的對 z，因而它可以由沿 x 和 Y. 的二泛音動擺描述。這些動擺有一個相同的頻率，但是一個不同的高度和階段。結果， E 向量沿橢圓移動在空間的指定的點。向量場隨時間變化在空間的一個固定點的方式叫作極化。因此單色光的最通用的極化是省略的。如果 x 和 y 動擺是等於的，這個發生的橢圓形成到一條直線。如果相位差是 +/-90° 這個橢圓形成到圈子。因此，線性和圓的極化是這個通用省略狀態的專門化的案件。对其他相差，「真的」橢圓演變。

圖 2. 光的極化狀態。

適當的坐標系統

當一個光束闡明表面在傾斜入射下時，飛機可能由指向朝光和表面正常 N. 的方向波向量 K 指定。這叫作入射面。 x 和 y 的方向被定義，在這種情況下 x 與入射面是並行，并且 y 是垂直的。替換這个 x 的這些方向被選定作為並行和 s 的 p 垂線的， y 記數法。因此，這個電場 E 是解決到其 p 和 s 要素。

反映在表面

光由範例表面反射。這個範例包括與有幾塊的層的一個複雜光學系統不同的光學性能。在層界面的多次反射疊加形成一個反射光通知以極化一個被修改的狀態。特別地，這个 p 和 s 要素將是受移相支配的範圍並且陳列不同的反射性屬性。因此，更改形狀和極化橢圓的範圍。此更改是光學系統或範例的屬性的被定量的值。如式 1 所顯示，事件和被反射的 E 向量由這個範例的反映矩陣 R 鏈接：

圖 3. 從這個範例 (影片的反映/基體系統) 更改極化橢圓。

用於 Ellipsometry 的光學要素

用於 ellipsometers 的多數類型的主要光學要素在下列部分被描述并且包括偏振鏡和阻滯劑。

偏振鏡

偏振鏡導致在極化一個特殊狀態的光在輸出。線性偏振鏡運轉在抑制入射光的一個要素旁邊并且允許仅另一個要素通過。此偏振鏡的循環造成線性地偏光射線由與極化的方向的非偏振的入射光導致與偏振鏡的軸的循環相應角度。萬一入射線已經被對立，這種傳輸的強度將取決於 E 要素的高度沿偏振鏡的軸的。在這種情況下它允許一評定 p 和 s 要素的比例的偏振鏡稱分析程序。

光學阻滯劑

光學阻滯劑用於轉移階段入射光的一個要素。一種典型的阻滯劑是安排一「快速」和「減慢」導致移相 90° 的軸在 E 要素沿這些軸的「quarterwave 牌照」。基於季度通知牌照的取向它變換極化橢圓，例如，線性地偏光被變換對圓偏光，當對 45° 的集關於線極化軸時。阻滯劑也稱補償器。注意到是重要的，一臺線性偏振鏡 P 和在可旋轉的掛接的一臺季度通知補償器 C (個人計算機) 的組合可能作為可能生成極化所有期望省略狀態在產生的輸出這个 s，并且 p 高度是等於的在輸入的可變的極化補白。

Nuling Ellipsometry

當有線性地的偏光軸指向任何地方除了 s 或 p 方向是在範例的事件，反射光將顯示極化一個省略狀態。極化同一個省略狀態，但是與在表面的一個被撤消的循環事件將導致線性地被對立的反映。

對於一條線性地被對立的射線通過設置這個分析程序熄滅這條射線是可能的對 90° 位置關於線極化的軸。這叫作「查找空」或」使無效」。在 PCSA 排列的一使無效的 ellipsometer 如下產生這份處方：

光做穿過個人計算機組合，當記錄 P 和 C. 時有角設置。
更改 P 和 C，在這種情況下從這個範例 S 的反映線性地被對立。
光電探測器在分析程序 A 後被安排檢測此作為在這個信號的一個最小數量。

確定迭代程序實際上查找 P、 C 和 A 的直角的設置能滿足這個空條件現在是可能的。這個最常用的技術是「固定的補償器使無效的模式」在哪些這臺補償器是固定的在一個特定角度，并且該 P 和 A 被轉動。可以顯示 P 的循環被 A 的循環按照，當保留 P 在其最小的示意位置時導致空。此技術必須迭代被重複得到這個必需的精確度。 ellipsometry 使無效的一個的福利是這個情況一個評定角度而不是輕的漲潮，因而部分地避免探測器的光源或非線形性的穩定性的問題。

一使無效的想像 ellipsometer 的圖 4. 設置。

圖 5. 極化狀態在使無效期間的 ellipsometry。

光學塑造

对各向同性的材料， R 是對角的 (Rsp， Rps = 0)，二所謂的 ellipsometric 角度 Y 和 D 可以被定義，定義複雜反射系數 Rpp 和 Rss 的比例，由 ellipsometer 實際上評定：

Y 是角度，并且正切產生高度更改比例 p 和 s 要素的，而 D 表示 p 和 s 要素的相對相班次在反映。使無效的結果是一套 P、 C 和 A. 角度。有如式 5. 所顯示，涉及這些編號與 ellipsometric 角度 Y 和 D 和因而與反映矩陣 R 的配方。

能確定被檢查的這個範例的物理量，在基體的膠片厚度例如是重要的。憑 R，這些參數不可能直接地被評定，因此開發一個光學模型和適合這個設計的輸出變得必要，直到它與 Y 和 D 的測量值是等於的。光學塑造考慮在 ellipsometry 的關鍵步驟。

圖 6. Y 和 D (AOI) 事件光譜角度：航空 | 基體和航空 | 表面塗層 | 基體。

在二個可測量的實際數量的唯一使無效的結果。因此，首席告訴，複雜折射率或實際折射率以及膠片厚度的或二實際的數量的另一個組合是可能的。但是通常為一個雙層系統，二個厚度加上一個雙層系統的二個折射率需要被評定。這由執行多個角度入射評定或評定是可能的在每個波長引入新的未知 R.i. 由於散射的不同的波長，但是為 Y 和 D 提供二個新的值。這導致分光鏡 ellipsometry。特別是如果這個範例是非均質性的，介入的計算和數學太複雜化。在該案件甚而定義 Y 和 D 不是足够。

圖 7. Y 和 D 波長光譜。在另外 AOI - 航空 | graphene | SiO₂ | Si.

想像 Ellipsometry

為了添加想像到那裡 ellipsometer 是需要對於一個目的和一臺空間解決的探測器，例如一臺敏感 CCD 照相機。目的圖像範例的被闡明的區在照相機上的。結果，在照相機圖像安排不同的光學性能導致一個不同的信號的地區。滿足條件 ellipsometric 「的區域空」為 P、 C 和 A 該特殊設置被熄滅和看上去黑暗在這個圖像。

圖 8. 另外的光學要素想像 ellipsometer

那裡此情況沒有符合更高的光強度是事件在這臺探測器，導致更加明亮的圖像地區。通過修改 P、 C 和 A 設置確定這些地區的空現在是可能的，導致前面的黑暗的區看上去明亮。這樣想像 ellipsometer 的主要福利是這個信號空間解決顯示這個範例的詳細資料在一個整個激光地點的而不是平均數在這個範例。一獲得不僅立即定性信息，但是 ellipsometric 分析限於一個特定區域在視野內的利益。所有權算法的應用允許一映射為整個圖像使無效。這產生可以被修改到這個範例或另一個數量的厚度映射 ellipsometric 數據的二維映射。

映射的圖 9. ：厚度映射 - 航空 | SiO₂ | Si

掃描程序

一通常面對一個傾斜的觀測角的問題在 ellipsometry 的想像的。當曾經傳統光學時，這個圖像的仅一有限區看上去集中。想像 Ellipsometer 解決此限制通過使用一個動力化的集中的結構收集用不同的焦距的一系列的圖像在視野內。一個數字式圖像處理系統然後疊加圖像串聯的仅集中的部分，造成從邊緣是鋒利的到邊緣的一個被數字化的圖像。因為對象的移動在觀察下的是關鍵的，提供一張可變的掃描程序速度適應這個系統各種各樣的實驗情形。