Referatas elipsometrija
Vilnius 2003 Elipsometrija
Norint nagrinėti elipsometriją, reikia šiek tiek prisiminti optikoskurso. Panagrinėkime sudėties išdavą dviejų skersinių šviesos bangų,poliarizuotų dviem statmenomis kryptimis, turinčių įvairias amplitudes irtam tikrą fazių skirtumą. Panašus atvejis eksperimentu lengvai gaunamasšiuo būdu. Tam tikro bangos ilgio šviesą, praleistą pro poliarizatorių,t.y. linijiškai poliarizuotą, toliau praleiskime pro d storio kristalinęplokštelę, išpjautą iš vienaašio kristalo lygiagrečiai optinės ašies, taip,kad spindulio kryptis būtų statmuo paviršiui. Praėję pro plokštelę, vienakryptimi, bet įvairiais greičiais sklis du spinduliai, poliarizuoti dviemviena kitai statmenomis kryptimis, kurias įprasta vadinti kristalinėsplokštelės pagrindinėmis kryptimis. Viename iš šių spindulių elektriniaisvyravimai nukreipti išilgai ašies, t.y. nepaprastas spindulys, kuriolūžimo rodiklis ne, o antras – statmenai ašiai – paprastasis spindulys,kurio lūžio rodiklis n0. Tegul svyravimo kryptis krintančiojo poliarizuotoje šviesoje sudarokampą α su viena iš pagrindinių plokštelės krypčių. Jei krintančiųjų bangųamplitudės bus lygios: [pic], (1) [pic]. (2) Praėję pro plokštelės storį d, šie spinduliai įgauna eigos skirtumą (n0– ne)d. Taigi paprasto spindulio fazė atsiliks kampu [pic]. (3) Dviejų statmenų svyravimų, turinčių įvairias amplitudes ir tam tikrąfazių skirtumą, susidėjimo duoda elipsinį svyravimą, t.y. svyravimą,kuriame atstojamoji vektoriaus aprašo elipse tuo pačiu cikliniu dažniu ω,kuriuo vyksta pradiniai svyravimai. Iš tikrųjų svyravimai spinduliuose pro plokštelę bus [pic], (4) [pic]. (5) pertvarkę šias lygtis gautume elipsės lygtį [pic]. (6) Elipsės forma ir jos orientacija ašių atžvilgiu priklauso nuo α ir φreikšmių. Tokiu būdu einant linijiškai poliarizuotai šviesai pro kristalinęplokštelę, gaunama šviesos banga, kurios vektorių E ir H galai aprašoelipsę. Tokia šviesa vadinama elipsiškai poliarizuota.
Jei sklindant šviesos bangai elektrinio vektoriaus virpesių kryptisnetvarkingai kinta, t.y. bet kuri jo kryptis statmenoje bangos sklidimuiplokštumoje vienodai tikima, tai tokia šviesa vadinama nepoliarizuotąjaarba natūraliąja. Jei vektoriaus virpesiai griežtai fiksuoti viena linkme,šviesa vadinama tiesiai poliarizuota. Šviesos sklidimo krypčiai statmenoje plokštumoje elektrinis vektoriuslaisvai pasirinktame taške O (1 pav.) tam tikru laiko momentu su laisvosioskoordinačių sistemos ašimi x sudaro tam tikrą kampą (, vadinamą azimutu.Natūraliosios šviesos vektorius laiko bėgyje netvarkingai keičia savokryptį ir didumą, jo azimutas lygiaverčiai įgyja bet kokias vertes nuo 0iki 2(, o vidutinė E modulio vertė nepriklauso nuo virpesių krypties.Tiesiai poliarizuotos bangos elektrinio vektoriaus azimutas nekinta laike,o vektoriaus E galas harmoningai virpa. Dalinai poliarizuotoje šviesoje yra vyraujanti elektrinio vektoriausvirpesių kryptis. Todėl dalinai poliarizuotą šviesą galima nagrinėti kaiptiesiai poliarizuotos ir natūraliosios šviesų mišinį. Panagrinėsime kokia bus šviesos poliarizacija, jei viena kryptimisklinda dvi monochromatinės tiesiai poliarizuotos bangos. Šviesos sklidimokrypčiai statmenoje plokštumoje elektrinio lauko stiprio vektorių galaiharmoningai virpės vienodu dažniu, bet priešingomis kryptimis irskirtingomis amplitudėmis, o virpesių fazių skirtumas liks pastovus (nekislaike). Jei abiejų bangų azimutai vienodi, tai akivaizdu, kad nepriklausomainuo fazių santykio atstojamoji banga taipogi bus tiesiai poliarizuota tuopačiu azimutu. Jei dviejų bangų poliarizacijos kryptys tarpusavyje statmenos, taisudėties rezultatas esminiai priklauso nuo fazių skirtumo ir amplitudžiųsantykio. Atstojamojo stiprio vektoriaus galas brėžia elipsę (2 pav.), irpriklausomai nuo fazių skirtumo vektorius E gali suktis kaip į dešinę, taipir į kairę (žiūrint į ateinantį spindulį). Kadangi fazių skirtumaspastovus, tai tuo pačiu laiko momentu elipsės orientacija (kampas () irelipsiškumas (pusašių santykis b/a) dvejose plokštumose, atsiskyrusioseviena nuo kitos, bus vienodi, tačiau vektoriai E pasukti vienas kitoatžvilgiu kažkokiu kampu. Tokiu būdu, vektorių galai yra elipsinio cilindropaviršiuje palei sriegio liniją išilgai šviesos sklidimo krypties. Tokiašviesos bangos poliarizacija vadinama kairine arba dešinine elipsinepoliarizacija, priklausomai nuo atstojamojo vektoriaus sukimosi krypties. Atskirais atvejais, kai fazių skirtumas kartotinis dydžio (, elipsėtampa tiese. Jei elektrinių vektorių virpesių amplitudės vienodos ir faziųskirtumas lygus ( (/2, elipsė tampa apskritimu. Šiuo atveju kalbama apieapskritiminę poliarizaciją. Tiesinė, apskritiminė ir elipsinė poliarizacijos – tai pilnutinėsšviesos poliarizacijos atmainos. Pilnutinės poliarizacijos sąvoka griežtai taikytina tik monochromatineišviesai. Kai šviesa nemonochromatinė, susidaro nuokrypiai, susiję su tuo,kad visi eksperimentiniai poliarizuotosios šviesos gavimo metodai priklausonuo bangos ilgio. Kuo platesnis šviesos pluoštelio spektras, tuodidesni nuokrypiai nuo griežtos tiesinės poliarizacijos. Apskritaipoliarizuotame baigtinio spektrinio pločio spindulyje visuomet buselipsiškai poliarizuoto priemaiša. Savo ruožtu, projekcinis elipsinėsšviesos vaizdas bus elipsė, kuri keisis laike. Tokie nuokrypiai nuopilnutinės poliarizacijos visuomet bus tuo didesni, kuo platesnis šviesospluoštelio spektras. Tiriamuose bandiniuose dažniausiai naudojami dviejų aplinkų sluoksniai.Dviejų izotropinių, sugeriančių aplinkų optinis tankis aprašomaskompleksiniu atspindžiu [pic] (7) kur Rl yra Frenelio atspindžio koeficientas šviesai, poliarizuotailygiagrečiai arba statmenai šviesos kritimo plokštumai. [pic] (8) [pic] (9) čia elipsometriniai parametrai. Atsižvelgus į daugkartinius atspindžiussluoksnyje užrašome [pic]; (10) [pic]. (11) kur r01p, r01s ir r12p, r12s yra Frenelio atspindžio koeficientai. Elipsometrijos metodui tyrinėti naudojami elipsometrai. Egzistuoja daugskirtingų elipsometrų konstrukcijų. Šviesos šaltinis, kaip taisyklėnaudojamas lazeris, o surinkėjas arba paprasčiausias detektorius –fotoelektroninis detektorius (3 pav.). Poliarizatorius naudojamas tiesiaipoliarizuotai šviesai gauti. Viskas jame yra pagrįsta dvigubu šviesos lūžioreiškiniu. [pic] 3 pav. Elipsometro principinė schema. L – lazeris, F – fotoelektroninis šviesos detektorius, P – poliarizatorius, A – analizatorius, K – kompensatorius, M –šviesos moduliatorius.
Šiam tikslui naudojame įvairių konstrukcijų poliarizacines prizmes.Regimąją šviesą dažniausiai poliarizuojame Nikolio prizme, paprastasisspindulys visiškai atsispindi nuo Kanados balzamo ir jis yra panaikinamas .iš Nikolio išeina tik tiesiai poliarizuotas nepaprastas spindulys. Moduliatorius naudojamas spindulio tikslumui, dėl poliarizacijosplokštumos judėjimo. Perėjusi šviesa patenka į kompensatorių, kuris reikalingas tam, kadkompensuotų šviesą. Pavyzdžiui 1/4λ plokštelė panaudojama fazių skirtumuikompensuoti. Elipsiškai poliarizuotame spindulyje tarp nukreiptų išilgaipagrindinių elipsės ašių komponentų yra fazių skirtumas π/2. jei tiriamąšviesą praleisime pro 1/4λ plokštelę, tai prie šio skirtumo mes pridėsime±π/2, vadinasi, kompensuosime turimą fazių skirtumą, paversdami jį nuliuarba π. Tuo būdu, tiriamoji šviesa virsta linijiškai poliarizuota. Jeispindulys yra elipsiškai poliarizuotas, ją reikia orientuoti taip, kadplokštelės pagrindinės linijos sutaptų su elipsės pagrindinėmis ašimis,kurios priš tai nustatomos poliarizatoriumi. Pilnutinei kiekybineielipsiškai poliarizuotos šviesos analizei reikia žinoti elipsės formą irorientacijas bet kurių krypčių atžvilgiu, t.y. bet kurios krypties dviejųstatmenų komponentų fazių skirtumą. Šiam tikslui naudojami prietaisai, galintys sukompensuoti iki nulio betkurį fazių skirtumą. Tokie prietaisai vadinami kompensatoriais. Kartais elipsės parametrai kinta kintant krintančiam kampui. Toliau šviesa krinta į bandinio paviršių kurį tiriame. Paviršiausdiagnostikoje tradiciškai naudojame lazerinė dipsometrija, paremtaatspindėtos nuo bandinio šviesos poliarizacijos analize. Tačiaumonochromatinės šviesos elipsometrija panaudoja tik vieną elipsometrijosprivalumą – didelį jautrį. Spektroskopinės elipsometrijos privalumas yratas, kad nustatomas dielektrinio sluoksnio funkcijos spektras. Tai leidžiaišskirti charakteringus elektrinius šuolius ir nustatyti sluoksnioprigimtį. Naudota literatūra
1. Šalna A.V., Optika. Vilnius. 2000. 2. http://www.mokslo.centras.lt———————–
y
E
(
x
1 pav. Tiesiai poliarizuotos šviesos vektorius E
0
y
x
b
a
(
2 pav. Dalinai poliarizuotos šviesos pavaizdavimas