эллипсометрия

ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ

метод исследования свойств границы (поверхности) 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 веществом, 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 поверхности, используя мат. аппарат теории комплексных чисел и электромагн. теорию света.

_{Схема действия эллипсометра; пояснения в тексте.}

Такой подход, наз. прямой задачей Э., позволяет записать осн. уравнение Э.:

где — соотв. для падающей и отраженной волн) и — эллипсометрич. углы, измеряемые с помощью спец. приборов — эллипсометров.

В простейшей схеме эллипсометра, приведенной на рис., монохроматич. свет от источника И, проходя через призму-поляризатор П, преобразуется в плоскополяризов. свет. При отражении от исследуемой поверхности между р- и s-колеба-ниями возникает разность фаз 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, который можно полностью погасить анализатором А. Гашение фиксируется фотоприемником Ф. Значения азимутов поляризатора и анализатора в положении гашения связаны с угламии

Прямая задача Э. 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 иΔ с экспериментальными свидетельствует о корректности выбранной оптич. модели.

Однако, как правило, необходимо решать обратную задачу Э. — находить оптич. характеристики отражающей системы по измеренному набору значений иΔ при разных условиях: разл. углах падения света падении света на изучаемую поверхность из разных сред, использование света разл. частот (т. наз. спектральная Э.).

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. поверхности модель идеальной границы раздела не всегда корректна, поэтому следует учитывать шероховатость реальной поверхности. 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 Э. — исследования оптич. свойств материалов, в т. ч. измерения оптич. постоянных тонких (напр., оксидных) пленок, а также их толщин. Интерес к Э. возрос в 70-80-х гг. 20 в. в связи с особым значением, которое приобрели анализ структуры, изучение физ.-хим. свойств и контроль чистоты поверхностей благодаря быстрому развитию твердотельной (прежде всего полупроводниковой) электроники. Э. используют также в исследованиях физ. и хим. адсорбции в глубоком вакууме на плоских поверхностях Si, Ag, Pt и др., адсорбции полимеров на границе жидкость-газ и жидкость-жидкость, процессов катализа на микроуровне, свойств верх. слоев поверхностей, подвергнутых коррозии, в электрохимии для изучения окисления и восстановления электродов, в микробиологии для исследования оболочек клеток и липидных мембран и др.

Достоинства Э.: простота и быстрота измерений (имеются автоматич. эллипсометры), возможность производить их в ходе процесса (in situ), в вакууме, при высоких температурах, в агрессивных средах; кроме того, при экспериментах поверхности не загрязняются и не разрушаются. Недостаток метода — трудность правильного выбора модели отражающей системы и интерпретации результатов измерений. Поэтому наиб. перспективно сочетание Э. с др. методами исследования поверхности, 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.}

_{З. М. Зорин}