Методы измерения эллипсометрических углов.

1.1.1.   Методы измерения эллипсометрических углов.

Для проведений эллипсометрических измерений используются приборы, которые называются эллипсометрами. Существуют различные типы эллипсометров, которые можно разделить на два обширных класса:

1)     фотометрические эллипсометры – позволяют определять не только форму и ориентацию эллипса поляризации, но и интенсивность используемого излучения;

2)     нуль-эллипсометры, позволяющие измерять лишь поляризационные характеристики лучения (углы , ).

Именно тип и схема используемого эллипсометра определяют конкретную методику определения эллипсометрических углов.

Главное достоинство фотометрических методик измерения эллипсометрических углов состоит в исключении из оптической схемы эллипсометра спектральночувствительного элемента – компенсатора. Это значительно упрощает выполнение спектральных эллипсометрических измерений. Но необходимость измерения интенсивности излучения в широком диапазоне предъявляет очень высокие требования к стабильности источников света, коэффициента преобразования фотодетектора, и линейности его параметров.

Возможности нуль-эллипсометров по сравнению с фотометрическими несколько ограничены, но как показал сравнительный анализ приведенный в работе [191], нулевой метод обладает наивысшими метрологическими характеристиками. В свою очередь, нуль-эллипсометры чаще всего бывают многоугловыми или иммерсионными. Иммерсионные эллипсометры лучше подходят для исследования поверхностей неизвестной структуры, однако они предполагают контакт исследуемой поверхности с иммерсионной жидкостью, что может повлечь за собой необратимые изменения поверхности, а также не всегда выполнимо технически. Многоугловая методика лишена этого недостатка.

Процедура измерения эллипсометрических параметров исследуемой поверхности посредством нуль-эллипсометра с фиксированным компенсатором [183], сводится к тому, что поляризатор и анализатор ориентируют таким образом, чтобы регистрируемый фотоприёмником световой поток был минимален, после чего считывают показания с соответствующих угломерных устройств. Положение компенсатора в ходе измерения остается неизменным и составляет с плоскостью падения угол  или .

Отсчёт азимутов поляризатора, анализатора и компен­сатора ведётся от плоскости падения против часовой стрелки, если смотреть навстречу распространяющему­ся световому лучу (Рис. 2.4).

Рис. 2.4. Направления отсчётов азимутов поляризатора, анализатора и компенсатора [183].

Минимуму интенсив­ности света на выходе оптической схемы нуль-эллипсометра соответствует 256 комбинаций азимутов её элементов. Но, согласно методике Мак Крекина, для получения достоверных результатов эллипсометрических измерений достаточно провести лишь 16 измерений в четырёх зонах, различающихся между собой положениями компенсатора и началом отсчёта азимутов поляризатора [192]. При этом, для упрощения определения  и  по азимутам поляризатора, компенсатора и анализатора вводятся три угловые величины ,  и , зна­чения которых при любых возможных отсчетах на шкалах поляризатора и анализатора (от 0 до 360°) меняются в сле­дующих пределах:

, .

Вычисление этих величин производится по азимутам поляризатора, компенсатора и анализатора в соответствии с выражениями, приведенными в Таблице 1. В ней приведены направление вращения и диапазон изменения отсчетов на шкалах поляризатора и анализатора (графы 3 и 4), а также формулы, позволяющие пересчитывать азимуты плоскостей пропуска­ния поляризатора  и анализатора  в угловые величины ,  и  (графы 5, 6, 7). Полученные значения ,  и  усредняются в каждой из зон, а затем между всеми зонами для , а также в зонах 1, 4 и 2, 3 для  и , соответственно.

Если бы эллипсометрические компенсатор представлял собой совершенную четвертьволновую фазовую пластинку, то получен­ные во всех четырех зонах значения ,  и не отличались бы друг от друга. Однако для несо­вершенной четвертьволновой пластинки только эксперимен­тальные значения  во всех четырех зонах должны совпадать между собой, a .

В соответствии с описанной методикой, измерения могут проводиться следующими способами:

1-й способ – измерения проводятся в четырех зонах по четыре измерения в каждой из них;

2-й способ – измерения проводятся в четырех зонах по одному измерению в каждой зоне;

3-й способ – измерения проводятся в одной из тождественных пар зон: либо в зонах 1 – 4-й, либо в зонах 2 – 3-й по одному измерению в каждой зоне;

4-й способ – проводится одно измерение в одной из зон.

При исследовании незнакомой поверхности желательно производить все 16 измерений, 2-й способ также дает достаточно точные результаты и применяется при исследовании более или менее известных поверхностей. 3-й способ, обладает меньшей точностью и обычно применяется для быстрого определения свойств поверхности, когда компенсатор имеет сдвиг фаз, отличный от 90°. 4-й способ дает приблизительные результаты. Его точность близка к точности 3-го способа только при очень малом (в 1 – 2°) отличии сдвига фаз компенсатора от 90°.

Таблица 1.

Зоны по Мак Крекину.

Точные выражения для вычисления значений  и  по усредненным угловым величинам ,  и  в случае реального компенсатора весьма громоздки [193]. Однако, если фазовый сдвиг компенсатора , а анизотропия его коэффициента , то с ошибкой, меньшей 0,001°:

                                           ,                                         (2.28)

и с ошибкой, не превышающей 0,01°:

                                      ,                                    (2.29)

где с ошибкой не выше 0,02 .

Если для решения обратной задачи, в конкретной модели поверхности, требуется больше пар значений эллипсометрических углов, полученных в различных условиях эксперимента (угол падения, показатель преломления иммерсионной жидкости, длина волны), то условия эксперимента следует изменить, и повторить описанную выше процедуру необходимое число раз.

Скачано с www.znanio.ru