Elipsometría

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La elipsometría es un método óptico de polarización altamente sensible y preciso para estudiar superficies e interfaces de varios medios (sólido, líquido, gaseoso), basado en el estudio del cambio en el estado de polarización de la luz después de su interacción con la superficie de las interfaces de estos medios .

El término "elipsometría" fue propuesto en 1944 por Rothen [1] , ya que estamos hablando del estudio de la polarización elíptica que ocurre en el caso general cuando se aplican oscilaciones mutuamente perpendiculares, en las que siempre se puede descomponer el campo de una onda luminosa . con respecto al plano de su incidencia. Aunque estos cambios se pueden observar tanto en luz reflejada como transmitida, en la actualidad, la polarización de la luz reflejada se estudia en la gran mayoría de los trabajos. Por lo tanto, la elipsometría normalmente implica el estudio de los cambios en la polarización de la luz tras la reflexión.

La elipsometría es un conjunto de métodos para estudiar las superficies de cuerpos líquidos y sólidos por el estado de polarización de un haz de luz reflejado por esta superficie y refractado sobre ella. La luz monocromática polarizada en un plano que incide sobre la superficie adquiere una polarización elíptica tras la reflexión y la refracción debido a la presencia de una fina capa de transición en la interfaz del medio. La relación entre las constantes ópticas de la capa y los parámetros de la luz polarizada elípticamente se establece sobre la base de las fórmulas de Fresnel. Sobre los principios de la elipsometría, se construyen métodos para estudios sensibles sin contacto de la superficie de líquidos o sólidos, procesos de absorción. corrosión, etc

Un elipsómetro es un dispositivo diseñado para medir los parámetros de una elipse de radiación polarizada. Junto con los elipsómetros, existen espectroelipsómetros, magnetoelipsómetros, espectromagnetoelipsómetros, electroelipsómetros y espectroelectroelipsómetros, cuyas definiciones se pueden encontrar en GOST 23778-79 [2] . En particular, se utilizan ampliamente dispositivos tales como elipsómetros espectrales (o espectroelipsómetros), que están diseñados para medir los parámetros de la elipse de la radiación óptica polarizada dependiendo de las longitudes de onda de la radiación en un rango dado del espectro. Como fuente de luz, utilizan lámparas de varios tipos (para la investigación en diferentes partes del espectro), LED y láser. Además, en Rusia se ha creado un dispositivo basado en LED: un elipsómetro espectral LED que, como un láser, permite estudiar no solo micro, sino también faltas de homogeneidad de tamaño nanométrico en la superficie del objeto bajo estudio. . Las fuentes de luz LED tienen una serie de ventajas sobre las lámparas tradicionales. Eso:

- alta relación señal/ruido de la señal en la salida; - alta fiabilidad y economía; - no es necesario utilizar filtros para resaltar parte del espectro; - pequeñas dimensiones y bajo costo;

Las ventajas de los elipsómetros espectrales con una fuente de luz de lámpara clásica incluyen:

- Alta luminosidad de la fuente (potencia típica hasta 150 W, en algunos casos hasta 1 kW); - Amplio rango espectral operativo: desde UV lejano hasta IR medio;

Estas características hacen posible analizar recubrimientos multicapa con espesores de película desde varios angstroms hasta decenas de micrómetros.

Tipos de elipsometría

Dependiendo de los métodos de adquisición de datos, existen varios tipos de elipsometría:

La elipsometría cero determina los parámetros de la elipse obteniendo la máxima supresión del haz en el fotodetector seleccionando los ángulos de azimut del polarizador, analizador y compensador (en circuitos separados y el cambio de fase del compensador variable). En algunos casos, las medidas se toman en varios ángulos de extinción.
La elipsometría fotométrica calcula los parámetros de una elipse obteniendo una serie de intensidades en varios ángulos acimutales del polarizador, analizador y compensador. En los elipsómetros fotométricos estáticos, los elementos de polarización se instalan en varias posiciones en serie; en los elipsómetros de modulación, se modulan uno o más parámetros de polarización.
Elipsometría interferométrica.

En algunos casos, en el circuito del elipsómetro, se puede abandonar el compensador. Dependiendo del paso del haz, difiere:

La elipsometría reflexiva, y en la mayoría de las publicaciones, se considera la elipsometría reflexiva debido a la alta prevalencia de este método y su importancia práctica;
elipsometría de transmisión, cuando el haz atraviesa un medio parcialmente transparente;
elipsometría de dispersión, cuando se investiga la radiación dispersada por el medio;
Elipsometría de radiación, que incluye las tareas de medir los parámetros de una elipse (por ejemplo, la elipse de la radiación de una fuente de luz), cuando los parámetros de la radiación en sí son de interés, y no se requiere determinar cómo la ambiente, campos físicos u objetos cambiaron la radiación durante su paso.

Dependiendo de la cobertura del área de estudio, se puede hablar de mediciones con haces individuales o de elipsometría de imagen, en la que se analiza la imagen.

Obtener datos

El estado de polarización de la luz se puede descomponer en dos componentes s (oscilaciones perpendiculares al plano de incidencia) yp (oscilaciones de la onda de luz paralelas al plano de incidencia). En el caso de la reflexión, las amplitudes complejas de los componentes s y p reflejados se consideran después de la normalización a los valores correspondientes antes de la reflexión, denotados como r s y r p . La elipsometría mide el coeficiente de reflexión complejo de un sistema , que es la relación de r p a r s : $\rho$

\rho = \frac{r_p}{r_s}

El coeficiente de reflexión complejo también se puede dar en forma exponencial usando los llamados ángulos elipsométricos: el ángulo de la relación de los coeficientes de reflexión escalares y la diferencia en los cambios de fase : $\psi$ $\Delta$

\rho = \tan ( \Psi ) e^{i \Delta}

La tangente del ángulo especifica la relación de atenuaciones (o amplificaciones) de las amplitudes escalares de los componentes syp durante la reflexión . El ángulo especifica la diferencia en los cambios de fase experimentados al reflejar la radiación con estados de polarización s y p . $\psi$ $\tan(\Psi )=|R_{pp}|/|R_{ss}|$ $\Delta$

Dado que la elipsometría mide la relación (o diferencia) de dos cantidades, en lugar de los valores absolutos de cada una, es un método muy preciso y reproducible. Por ejemplo, es relativamente resistente a la dispersión de la luz ya las fluctuaciones, y no requiere una muestra estándar (referencia) ni un haz de luz de referencia.

En el caso de la elipsometría de transmisión, la transmitancia compleja también se puede dar en forma exponencial

{\displaystyle \tau =\tan(T)e^{i\Delta ))

La tangente del ángulo especifica la relación de atenuaciones (o mejoras) de las amplitudes escalares de los componentes s y p durante la transmisión, y especifica la diferencia en los cambios de fase experimentados durante la transmisión de radiación con estados de polarización s y p . $T$ $\Delta$

Cuando surge la tarea de medir solo los parámetros de la elipse de polarización, que están especificados por el acimut, la elipticidad y la amplitud de la radiación polarizada o el ángulo de la relación de las amplitudes y a lo largo de los ejes X e Y y el cambio de fase entre las oscilaciones a lo largo de X e Y y la amplitud. Dependiendo del enfoque, se pueden obtener de forma independiente o calcularse a partir de los parámetros anteriores. ${\ estilo de visualización A_ {X}}$ ${\ estilo de visualización A_ {Y}}$

Análisis de datos

La elipsometría es un método indirecto, es decir, en el caso general, los medidos no se pueden convertir directamente en los parámetros ópticos de la muestra, sino que requieren el uso de un modelo determinado. La conversión directa solo es posible cuando la muestra es isotrópica, homogénea y es una película infinitamente delgada. En todos los demás casos, se requiere establecer un modelo de la capa óptica, que contenga el coeficiente de reflexión, la función del tensor dieléctrico, y luego, usando las ecuaciones de Fresnel, seleccionar los parámetros que mejor describan el observado y . $\psi$ $\Delta$ $\psi$ $\Delta$

Notas

↑ A. Rothen. El elipsómetro, un aparato para medir espesores de películas superficiales delgadas // Revisión de instrumentos científicos. - 1945. - T. 16 , N º 2 . - S. 26-30 .
↑ GOST 23778-79 Mediciones de polarización óptica. - Moscú. - Comité Estatal de Normas de la URSS, 1980.

Literatura

Diccionario enciclopédico físico / ed. A. M. Projorov. M: Gran Enciclopedia Rusa, 2003.
Gorshkov M. M., Elipsometría, M.: “Sov. radio" 1974. - 200 p.
www.vniiofi.ru
Fundamentos de elipsometría / Rzhanov A. V. (editor en jefe), Svitashev K. K., Semenenko A. I., Semenenko A. I., Sokolov V. K.; Instituto de Física de Semiconductores, Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de la URSS. - Novosibirsk: Nauka, 1979. - 422 p.
I. E. Skaletskaya, V. T. Prokopenko, E. K. Skaletsky " Introducción a la elipsometría aplicada ". Libro de texto para el curso "Medidas físico-ópticas". Parte 3. "Elipsometría de luz transmitida" - San Petersburgo: NRU ITMO, 2014. - 104 p.