Эллипсометрия
ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ, метод исследования
св-в границы (пов-сти) раздела разл. сред и происходящих на ней явлений
(адсорбция, окисление и др.) по параметрам эллиптич. поляризации отраженного
света.
При отражении монохроматич. плоскополяризов.
света, падающего под углом
электромагн. волна, взаимодействуя с в-вом, обычно преобразуется в эллиптически
поляризованную. Это объясняется тем, что электромагн. колебания, совершающиеся
в плоскости падения (р-колебания) светового луча и в перпендикулярной
к ней плоскости (s-колебания), при отражении света по-разному изменяют
амплитуду напряженности электрич. поля Е и начальную фазу
колебаний (рис.). Параметрами Е и
характеризуются т. наз. комплексные амплитуды для р- и s-колебаний
падающей
и отраженной
волн. Отношения амплитуд
или комплексные коэф. отражения, можно вычислить в рамках конкретной модели
отражающей пов-сти, используя мат. аппарат теории комплексных чисел и электромагн.
теорию света.
Схема действия эллипсометра; пояснения в тексте.
Такой подход, наз. прямой задачей эллипсометрии, позволяет записать осн. ур-ние эллипсометрии:
где
- соотв. для падающей и отраженной волн) и
- эллипсометрич. углы, измеряемые с помощью спец. приборов - эллипсометров.
при этом конец вектора напряженности, характеризующего результирующее электрич.
колебание, описывает эллипс. Компенсатор К приводит разность фаз между
р-
и s-колебаниями к нулю и снова преобразует свет в плоскополяризованный,
к-рый можно полностью погасить анализатором А. Гашение фиксируется фотоприемником
Ф. Значения азимутов поляризатора и анализатора в положении гашения связаны
с углами
и
Прямая задача эллипсометрии легко решается для геометрически плоской границы раздела полубесконечных сред; разработаны методы решения для более сложных систем, напр., для планарной многослойной системы тонких пленок заданной толщины с известными оптич. постоянными сред. Совпадение вычисленных значений
и
с экспериментальными
свидетельствует о корректности выбранной оптич. модели.
Однако, как правило, необходимо решать обратную задачу эллипсометрии- находить оптич. характеристики отражающей системы по измеренному набору значений
и
при
разных условиях: разл. углах падения света
падении света на изучаемую пов-сть из разных сред, использование света
разл. частот (т. наз. спектральная эллипсометрия).
С помощью прямых вычислений обратная задача м. б. решена для случая отражения света от идеальной (резкой, гладкой) плоской границы раздела; в частности, по измеренным эллипсометрич. углам можно рассчитать оптич. константы (показатели преломления и поглощения) металлов. При этом даже для хорошо отполированной металлич. пов-сти модель идеальной границы раздела не всегда корректна, поэтому следует учитывать шероховатость реальной пов-сти. Общего решения обратной задачи не существует. Оптич. характеристики находят посредством номограмм, построенных по результатам решения прямой задачи на ЭВМ или с помощью спец. программ типа "поиск".
Классич. область применения эллипсометрии - исследования оптич. св-в материалов, в т. ч. измерения оптич. постоянных тонких (напр., оксидных) пленок, а также их толщин. Интерес к эллипсометрии возрос в 70-80-х гг. 20 в. в связи с особым значением, к-рое приобрели анализ структуры, изучение физ.-хим. св-в и контроль чистоты пов-стей благодаря быстрому развитию твердотельной (прежде всего полупроводниковой) электроники. Эллипсометрию используют также в исследованиях физ. и хим. адсорбции в глубоком вакууме на плоских пов-стях Si, Ag, Pt и др., адсорбции полимеров на границе жидкость-газ и жидкость-жидкость, процессов катализа на микроуровне, св-в верх. слоев пов-стей, подвергнутых коррозии, в электрохимии для изучения окисления и восстановления электродов, в микробиологии для исследования оболочек клеток и липидных мембран и др.
Достоинства эллипсометрии: простота и быстрота измерений (имеются автоматич. эллипсометры), возможность производить их в ходе процесса (in situ), в вакууме, при высоких т-рах, в агрессивных средах; кроме того, при экспериментах пов-сти не загрязняются и не разрушаются. Недостаток метода -трудность правильного выбора модели отражающей системы и интерпретации результатов измерений. Поэтому наиб. перспективно сочетание эллипсометрии с др. методами исследования пов-сти, напр. с оже-спектроскопией, УФ и рентгеновской спектроскопией, методами дифракции электронов и рассеяния ионов.
Лит.: Основы эллипсометрии, под ред. А. В. Ржанова, Новосиб., 1979; Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, пер. с англ., М., 1981; Громов В. К., Введение в эллипсометрию, Л., 1986; Пшеницын В. И., Абаев М. И., Лызлов Н. Ю., Эллипсометрия в физико-химических исследованиях, Л., 1986; Всесоюзные конференции по эллипсометрии. Сб. тр., Новосиб., 1980-91; Эллипсометрия. Теория, методы, приложения, ред. К. К. Свиташев, А. С. Мардежов, Новосиб., 1991.
3. М. Зорин.