эллипсометрия отраженного света по дисциплине образовательно-профессиональной программе подготовки магистров по специализации 090102 02 “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики” (стр. 1 из 5)

УДК: 681.326

Министерство образования и науки Украины Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт” Кафедра физического материаловедения для электроники и гелиоэнергетики (ФМЭГ)

РЕФЕРАТ

Эллипсометрия отраженного света

по дисциплине образовательно-профессиональной программе подготовки магистров по специализации 8.090102 – 02 “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики”

“Специальные разделы оптической спектроскопии многослойных полупроводниковых структур”

Преподаватель,

доцент кафедры ФМЭГ В.И. Шкалето

Исполнитель,

студентка группы ФТ-18б О.В. Костылева

2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………….

1. Поляризация света. Методы описания состояния поляризации светового излучения……………………………………………………………………………

2. Эллипсометрия – метод проведения оптических исследований состояния поляризации светового излучения. Основные соотношения, используемые в эллипсометрии…………………………………………………...

3. Вывод основных соотношений между параметрами эллипсометрии и оптическими свойствами пленки на подложке…………………………………..

4. Примеры расчета зависимостей параметров эллипсометрии от величины комплексного показателя преломления пленки на подложке для различных толщин пленок при помощи программы MathCad………………….

Список литературы……………………………………………………………...

Введение

Эллипсометрия – совокупность методов изучения поверхностей жидких и твердых тел по изменению состояния поляризации светового пучка, отраженного этой поверхностью и преломленного на ней. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании формул Френеля. На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности жидкости или твердых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др. В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зеленой линии ртути, а в последнее время – лазерное излучение, что дает возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта. Получило развитие также новое направление спектральной эллипсометрии в широком интервале длин волн, существенное при исследованиях атомного состава неоднородных и анизотропных поверхностей и пленок.

Основной задачей эллипсометрии является исследование строения отражающей системы и определение ее параметров посредством анализа изменений состояния поляризации светового пучка в результате отражения. Количественной мерой этих изменений служат поляризационные углы, определяемые основным уравнением эллипсометрии. Измеряя поляризационные углы, из основного уравнения эллипсометрии можно определить два любых неизвестных параметра отражающей системы.

Первоначально эллипсометрия ограничивалась нахождением оптических постоянных различных материалов и измерением толщины однородных поверхностных пленок, причем для определения толщин использовались линейные приближения Друде, справедливые лишь в области малых толщин.

С появлением новой вычислительной техники начинается период интенсивного развития эллипсометрии. Становится возможным не только измерение толщины пленок, но и решение задачи одновременного определения более чем двух параметров отражающей системы. При этом эллипсометрия используется уже не только для исследования металлов и окисных пленок на них, но и широко применяется для изучения тонкопленочных систем, изготавливаемых на основе полупроводниковых и диэлектрических материалов.

С разработкой автоматических эллипсометров появились большие возможности применения эллипсометрических методов в исследованиях адсорбционных и каталитических процессов, химии поверхностных реакций, исследование биологических объектов и т.д. Большие перспективы открылись перед эллипсометрией для бесконтактного и неразрушающего контроля за технологическими процессами микроэлектроники, интегральной оптики и других технических направлений.

В последнее время наметились пути для решения таких важных задач эллипсометрии, как построение точной эллипсометрии учитывающей свойства реального (сходящегося и немонохроматического) светового пучка, эллипсометрии анизотропных сред.

1 Поляризация света. Методы описания состояния поляризации светового излучения.

Вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля H перпендикулярны между собой и по отношению к направлению распространению света. Физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, называется поляризацией света. Поскольку векторы E и H электромагнитной волны перпендикулярны друг другу, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор E.

Свет, испускаемый каким-либо атомом или молекулой, всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей. При этом пространственные ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным светом.

Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора E светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации – проекции траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу (рис 1.1). Проекционная картина полностью поляризованного света в общем в случае имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора E во времени. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации – линейная (плоская) электромагнитная волна, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии, определяющий положение плоскости поляризации, и циркулярная (или круговая), когда эллипс поляризации представляет собой окружность. В первом случае свет называется линейно поляризованным, а во втором – право- или лево-циркулярно поляризованным в зависимости от направления вращения вектора E.

Пусть на поверхность раздела двух сред (рис. 1.2) падает плоская монохроматическая электромагнитная волна

(1.1)

с некоторым состоянием поляризации. Отраженная от границы раздела волна

(1.2)

в общем случае имеет другую поляризацию. Изменения в результате отражения состояния поляризации описывается параметрами, которые мы рассмотрим.

Электрическое поле в каждой волне представим в виде суммы двух компонент:

(1.3)

где

и – единичные векторы, первый из которых лежит в плоскости падения (p-поляризация), а второй перпендикулярен этой плоскости (s-поляризация), причем оба они перпендикулярны соответствующему волновому вектору (см. рис. 1.2). Из соображений симметрии, вытекающих из изотропности двух сред, а также полной однородности в плоскости xy следует, что если электрическое поле имеет только p-компоненту или только s-компоненту, то все сказанное относится к электрическому полю отраженной и преломленной волн. Это означает, что, решая задачу об отражении волны, мы можем рассматривать независимо p- и s-компоненты поля.

2 Эллипсометрия – метод проведения оптических исследований состояния поляризации светового излучения. Основные соотношения, используемые в эллипсометрии.

Эллипсометрия – совокупность методов изучения поверхностей жидких и твердых тел по состоянию поляризации светового пучка, отраженного этой поверхностью и преломленного на ней.

Основной задачей эллипсометрии, возникшей еще в конце прошлого века и связанной с именами Друде и Релея, является исследование строения отражающей системы и определение ее параметров посредством анализа изменений состояния поляризации светового пучка в результате отражения. Количественной мерой этих изменений служат поляризационные углы, определяемые основным уравнением эллипсометрии.

При эллипсометрическом исследовании реальных отражающих систем обычно исходят из некоторых упрощающих предположений относительно свойств самих отражающих систем, а также свойств оптических элементов и светового пучка эллипсометра. Эти упрощения чаще всего сводятся к следующему:

1. В отражающих системах все границы раздела – геометрические поверхности. В действительности граница раздела между двумя различными средами представляет собой не геометрическую поверхность, а некоторый переходной слой. Однако во многих случаях, когда толщина переходного слоя сравнима с междуатомными расстояниями, нет необходимости учитывать этот слой. В данной работе основное уравнение эллипсометрии будет получено для случая идеально резкой границы раздела (рис. 1.2).