22 ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ - Страница 2

МИКРОСКОП ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКИЙ. Для исследования равномерности пленок по толщине созданы эллипсометрические микроскопы. Принцип работы эллипсометрического микроскопа основан на измерениях с полным гашением линейно поляризованного отраженного луча. Зондирующий луч подбирается таким, чтобы после отражения он стал линейно поляризованным. Гашение луча производится поворотом анализатора перпендикулярно к линейно поляризованному лучу. Для пленки равной толщины гашение линейно поляризованного луча наступает для всей зондируемой площади при одних и тех же углах. Неравномерная толщина приведет к гашению луча только на участках с соответствующей поляризацией, а для разных толщин поляризация разная. Соответственно в отраженном луче будут наблюдаться темные участки для заданной толщины и светлые участки для толщин с отклонением от заданной величины.

ИСТОРИЯ  МЕТОДА. Поляризацию света впервые открыл в 1678 году и описал в 1690 году английский ученый Х.Гюйгенс (1629-1695). Природа явлений света без представлений И.Ньютона (1643-1727) неполна. Он изучал интерференцию, двойное лучепреломление, близко подошел к открытию явления поляризации. Он считал свет потоком корпускул, высказал мысль о периодичности светового процесса, рассматривал возможность существования волновых свойств света, в 1675 году предпринял попытку создать корпускулярно-волновую теорию. К корпускулярности света Ньютон пришел из условия делимости светового луча. По результатам своих опытов он заключил, что луч света имеет начало и конец, две разные стороны, чередующиеся способности (приступы) легкого отражения и легкого прохождения, что отражающая поверхность воздействует на направление луча без прямого контакта на расстояниях до долей мм. Разные стороны света фактически представляют собой основу явления поляризации.

В 1804 году английский ученый, врач У.Волластон (1766-1828) открыл  явление дихроизма на кристаллах (анизотропии пропускания). Трактовка явления по корпускулярному механизму была затруднена, а волновая теория только начала развиваться. В 1801 году английский ученый Т.Юнг (1773-1829) открыл интерференцию и ввел это понятие; развил теорию Гюйгенса, обнаружил эффект потери полуволны светом при отражении от более плотной поверхности.

Начало систематическим исследованиям поляризации было заложено французским физиком  Э.Л.Малюсом (1775-1812). Он открыл в 1808 году поляризацию света при отражении и установил закон изменения интенсивности поляризации (закон Малюса), а в 1811 году обнаружил поляризацию света при преломлении.  В том же году независимо от Малюса поляризацию при преломлении обнаружил французский физик Ж.Б.Био (1774-1862). В 1815 году он открыл круговую поляризацию, установил закон вращения плоскости поляризации (закон Био), установил существование право-, левовращательных  веществ. Эти исследования положили начало методу сахариметрии (1836 г.), основанному на зависимости поворота плоскости поляризации света от концентрации раствора и используемому в основном для растворов сахаров. Французский ученый и политический деятель Д.Ф.Араго  (1786-1853)  открыл в 1811 году хроматическую поляризацию и независимо от других наблюдал поляризацию при преломлении и отражении света, а также вращение плоскости поляризации. По его указаниям Физо и Фуко измерили скорость света. Явление поляризации при преломлении и отражении, вращение поляризации независимо от французских ученых открыл в 1815 году  шотландский физик Д.Брюстер (1781-1868). Он открыл явление полной поляризации при отражении (закон Брюстера), двойное лучепреломление в средах с искусственной анизотропией,  а в 1818 году открыл двухосные кристаллы. Пришедший в физику под влиянием Малюса и Био в 1811 году дорожником-строителем французский физик О.Ж.Френель (1788-1827) переоткрыл в 1815 году интерференцию, развил волновую теорию света,  разработал теорию дифракции и интерференции поляризованных лучей. Впервые открыл в 1823 году эллиптическую и круговую поляризации (форму поляризации); на волновых представлениях  вывел формулы  отражения и преломления для эллиптически поляризованного света (формулы Френеля), объяснил все явления поляризации. В теории света  для представления физических характеристик  Френель первым использовал  комплексные числа. Он обнаружил, что лучи со взаимно перпендикулярной поляризацией не интерферируют друг с другом. На этом основании он выдвинул гипотезу о поперечном характере световых волн (повторив Гюйгенса). Однако построить физическую модель таких волн никому не удалось по настоящее время.

Основополагающий вклад в создание эллипсометрии заложен в начале ХХ века Рэлеем (1842-1919) и П.Друде (1863-1906), создавшим теорию поляризации отраженного света от металлической поверхности. Развитие эллипсометрии в прикладном плане началось в середине 60-х годов ХХ века, как и большинства методов диагностики поверхности.

ТЕОРИЯ МЕТОДА. Информацию о состоянии поверхности (об оптических константах и толщинах пленок) получают с использованием известных взаимосвязей состояния поверхности с ее поляризующими свойствами, описываемых теорией отражения света. Рассмотрим теоретическую основу метода эллипсометрии и методику эллипсометрических исследований поверхности.

Понятие "свет" представляется электромагнитными волнами, характеризуемыми направлением распространения (движения), интенсивностью и частотой колебаний и поляризацией интенсивности колебаний по азимуту в поперечном сечении луча. Электромагнитные волны описываются изменениями векторов напряженности электрического E и магнитного H полей, перпендикулярных друг к другу и вместе перпендикулярных к направлению движения волны (вектору Умова-Пойнтинга). Если направление движения световой волны в трехмерных декартовых координатах принять за ось Z, то по осям X и Y будут направлены соответственно векторы напряженностей E и H. Назовем плоскость XOY плоскостью колебаний; она привязана к лучу и всегда перпендикулярна к направлению луча, к которому привязано направление оси Z. Это подвижная система координат OXYZ, привязанная к пучку (лучу) света. Далее наряду с этой системой будет использована неподвижная система координат oxyz, привязанная к исследуемой поверхности (рис.2). Однозначная зависимость между E и H позволяет использовать для описания поведения света только один из них, например вектор E.   В зависимости от времени вектор Е может изменяться синусоидально по величине только по оси Y. Такая волна является плоскополяризованной в плоскости YOZ или коротко плоской волной.

В теории света плоской волной также называется перемещение плоскости, перпендикулярной направлению движения луча, с постоянными значениями на ней векторов Е и В. Скорость движения v этой плоскости называется фазовой скоростью. Зависимость функции этих векторов от времени или, что тоже самое вдоль направления движения, может быть любой формы. Такое движение тоже называют волновым, хотя зависимость электрического вектора от времени имеет не синусоидальную, а произвольную форму. В первом случае имеется плоская в направлении движения луча  теоретическая синусоидальная электромагнитная волна (в плоскости zox на рис.2), а во-втором - плоский фронт перемещения с постоянными значениями напряженностей Е и В по всей плоскости и в течение всего времени движения плоскости (плоскости XOY или 4 и 5 на рис.2). Примером плоской волны по фронту может быть равномерный, бесконечно широкий импульс света.

Плоская волна вдоль луча обнаруживается поляризатором, который пропускает свет с колебанием вектора Е только в одной плоскости. Свет проходит через поляризатор только при совпадении плоскости колебаний волны света с плоскостью пропускания поляризатора. Если при повороте поляризатора вокруг оси луча величина вектора Е для проходящего света не изменяется, то такой свет называется циркулярно поляризованным. Заметим, что это справедливо только для монохроматического света. Во всех промежуточных случаях между линейной и циркулярной поляризациями величина вектора Е в зависимости от угла поворота поляризатора изменяется по эллиптическому закону. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Величина вектора Е  пропорциональна интенсивности света и измеряется фотоэлектронным умножителем или другим фотоприемником. Именно изменения эллиптичности при отражении несут информацию о толщине поверхностной пленки и ее коэффициенте преломления.

Математическое описание поляризации, в том числе эллиптической, основано на теоретическом представлении монохроматического света суперпозицией двух отдельных линейно поляризованных (плоских) волн, векторы напряженности электрического поля Ep и  Es которых перпендикулярны к направлению луча, то есть находятся в плоскости колебаний и перпендикулярны друг к другу. При этом одна волна с вектором Ep поляризована в плоскости "падения - отражения" луча (параллельная волна), и другая волна с вектором Es поляризована в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (перпендикулярная волна) (рис.2).

В простейшем случае, когда плоскость падения-отражения перпендикулярна к исследуемой поверхности, вектор Es, будучи перпендикулярным к плоскости падения-отражения и лучу, всегда параллелен поверхности и до, и после отражения. Вектор Ep, находясь в плоскости падения, тоже, будучи перпендикулярным к лучу, наклонен к поверхности объекта на угол падения и меняет наклон в результате отражения. Угол наклона вектора определяется углом падения луча. Эти две плоские теоретические волны имеют соответствующие амплитуды колебаний Ар и Аs и независимые временные фазы qp и qs, которые не зависят также от пространственной ориентации векторов Ep и Es:

Ep = Ap сos (wt +qp);         Es = As cos (wt + qs),                                  (1)

или для лучшего восприятия те же уравнения в координатах XOY, так как вектор Es направлен по оси OX, а вектор Ep направлен по оси OY:

EX = AX cos (wt + qX);         EY = AY cos (wt + qY).                            (2)

Суммарный вектор напряженности E=EX+EY есть диагональ прямоугольника cо сторонами  Ep и Es в поперечной плоскости луча.


 
мышцы головы которая соединяет. одновременно с ударом нога. отталкиваний в процессе бега