Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej. Laboratorium Fizyki Cienkich Warstw. Ćwiczenie 5. Wyznaczanie stałych optycznych cienkich warstw metodą

Podobne dokumenty
WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU.

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU CZĘŚĆ (A-zestaw 1) Instrukcja wykonawcza

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

ĆWICZENIE 41 POMIARY PRZY UŻYCIU GONIOMETRU KOŁOWEGO. Wprowadzenie teoretyczne

Pomiar dyspersji materiałów za pomocą spektrometru

Pomiar dyspersji materiałów za pomocą spektrometru

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

I PRACOWNIA FIZYCZNA, UMK TORUŃ

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Ć W I C Z E N I E N R O-1

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 10 Badania powierzchni ciała stałego metodą elipsometryczną

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Badanie właściwości optycznych roztworów.

Optyka Ośrodków Anizotropowych. Wykład wstępny

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

Prawa optyki geometrycznej

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła w cieczach (PF13)

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

9. Własności ośrodków dyspersyjnych. Pomiar dyspersji materiałów za pomocą spektrometru

POMIAR NATURALNEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA W PRZEZROCZYSTYM MATERIALE METODĄ KĄTA NAJMNIEJSZEGO ODCHYLENIA

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Sposób wykonania ćwiczenia. Płytka płasko-równoległa. Rys. 1. Wyznaczanie współczynnika załamania materiału płytki : A,B,C,D punkty wbicia szpilek ; s

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Pomiar współczynnika załamania światła OG 1

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Ćwiczenie 373. Wyznaczanie stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru. Długość rurki, l [dm] Zdolność skręcająca a. Stężenie roztworu II d.

Grupa: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn Laboratorium Techniki Świetlnej

Widmo fal elektromagnetycznych

Ćwiczenie Nr 6 Skręcenie płaszczyzny polaryzacji

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Polaryzatory/analizatory

Podstawy fizyki wykład 8

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Pomiar właściwości ośrodka dwójłomnego poprzez wyznaczenie elementów macierzy Müllera-Ścierskiego

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

POMIARY OPTYCZNE Współczynnik załamania #1. Damian Siedlecki

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

4.11 Badanie widm emisyjnych za pomocą spektroskopu pryzmatycznego(o10)

Fizyka elektryczność i magnetyzm

WYZNACZANIE KĄTA BREWSTERA 72

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Pomiar różnicy dróg optycznych metodą Senarmonta

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i pryzmatu

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Fale elektromagnetyczne w dielektrykach

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i pryzmatu

4.11 Badanie widm emisyjnych za pomocą spektroskopu pryzmatycznego (O10)

Wyznaczanie wartości współczynnika załamania

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Skręcenie wektora polaryzacji w ośrodku optycznie czynnym

Systemy Ochrony Powietrza Ćwiczenia Laboratoryjne

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

ĆWICZENIE NR 79 POMIARY MIKROSKOPOWE. I. Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z budową mikroskopu i jego podstawowymi możliwościami pomiarowymi.

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Zjawisko interferencji fal

Analiza widmowa spektralnych lamp gazowych przy użyciu spektrogoniometru.

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Wykład 16: Optyka falowa

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Wykład 16: Optyka falowa

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 02/08. PIOTR KURZYNOWSKI, Wrocław, PL JAN MASAJADA, Nadolice Wielkie, PL

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

ĆWICZENIE 47 POLARYZACJA. Wstęp.

Polaryzacyjne metody zmiany fazy w interferometrii dwuwiązkowej

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

Zjawisko interferencji fal

Ćw. 20. Pomiary współczynnika załamania światła z pomiarów kąta załamania oraz kąta granicznego

Wyznaczenie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

S P E K T R O S K O P S Z K O L N Y P R Y Z M A T Y C ZN Y 1

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

WYZNACZANIE PROMIENIA KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA

POLARYZACJA ŚWIATŁA. Uporządkowanie kierunku drgań pola elektrycznego E w poprzecznej fali elektromagnetycznej (E B). światło niespolaryzowane

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Pracownia Fizyczna ćwiczenie PF-10: Badanie widm emisyjnych za pomocą spektroskopu pryzmatycznego

Ć W I C Z E N I E N R E-15

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I FOTONIKI

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

IR II. 12. Oznaczanie chloroformu w tetrachloroetylenie metodą spektrofotometrii w podczerwieni

Transkrypt:

Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej Laboratorium Fizyki Cienkich Warstw Ćwiczenie 5 Wyznaczanie stałych optycznych cienkich warstw metodą elipsometryczną Opracowanie: Krystyna Żukowska Wrocław, 2006 1

Wyznaczanie stałych optycznych cienkich warstw metodą elipsometryczną Cel ćwiczenia: 1. Zapoznanie się z metodyką pomiarów elipsometrycznych. 2. Poznanie elipsometrycznej metody Archera. 3. Wykonanie pomiarów elipsometrycznych próbek wybranych przez prowadzącego. 4. Obliczenie stałych optycznych badanych materiałów na podstawie wyników pomiarów elipsometrycznych. Elipsometrię można zdefiniować ogólnie jako pomiar stanu polaryzacji wiązki światła, który to stan ulega transformacji w procesie oddziaływania wiązki z badaną próbką. Stan polaryzacji liniowo spolaryzowanej monochromatycznej wiązki światła ulega zmianie w wyniku odbicia od badanej powierzchni ciała. W rezultacie wiązka odbita jest na ogół spolaryzowana eliptycznie. Jeżeli odbicie zachodzi od płaskiej granicy oddzielającej dwa nieskończone ośrodki, to zmiana stanu polaryzacji zależy jedynie od własności optycznych tych ośrodków oraz kąta padania i długości fali światła. Jeśli na płaskiej granicy oddzielającej dwa nieskończone ośrodki znajduje się cienka warstwa o własnościach różniących się od własności optycznych tych dwóch ośrodków, to zmiana stanu polaryzacji zależy również od własności optycznych i grubości tej warstwy. 1. Teoretyczne podstawy elipsometrii Światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną. Zmianom pola elektrycznego opisanego wektorem natężenia pola elektrycznego E towarzyszą zmiany pola magnetycznego (opisanego wektorem natężenia pola magnetycznego H ), wektory E i H są wzajemnie prostopadłe a kierunki obu pól są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Jak wykazuje doświadczenie, fizjologiczne, fotochemiczne, fotoelektryczne i innego rodzaju działania światła są wywołane drganiami pola elektrycznego i dlatego do opisu fal świetlnych będziemy używać jedynie wektora natężenia wektora elektrycznego E. Płaska fala elektromagnetyczna rozchodząca się w ośrodku absorbującym w kierunku prostopadłym do jego powierzchni (wzdłuż osi z) opisana jest następująco: E z =E 0 exp i z /c =E 0 exp k z /c exp i nz /c (1) W równaniu tym oznacza zespoloną przenikalność elektryczną ośrodka = i / 0 =[n i k ] 2 (2) E 0 - amplituda natężenia pola elektrycznego zwana dalej amplitudą fali - przenikalność elektryczna ośrodka 0 - przenikalność elektryczna próżni - przewodność właściwa ośrodka n - współczynnik załamania ośrodka k - wskaźnik absorpcji ośrodka - częstotliwość kołowa fali elektromagnetycznej 2

Zachowanie się fal elektromagnetycznych na granicy rozdziału dwóch ośrodków zostało opisane teoretycznie przez Fresnela. Zdefiniował on tak zwane współczynniki Fresnela: zespolone współczynniki odbicia ( r p, r s ) i transmisji ( t p, t s ), które określają stosunek amplitudy fali odbitej (E 0+ ) i załamanej (E 1+ ) do amplitudy fali padającej (E 0+ ) dla światła spolaryzowanego w płaszczyźnie padania (p-składowa) jak i w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania (s-składowa) (rys.1). Wzory Fresnela dla odbicia i załamania fali na granicy rozdziału ośrodków nieabsorbującego z absorbującym mają postać: r p - = E op /E op+ = tg 1 /tg 1 = n 0 cos 1 n 1 cos / n 0 cos 1 n 1 cos (3) r s - =E os /E os+ = sin 1 /sin 1 = n 0 cos n 1 cos 1 (4) t p = E 1p+ /E op+ = 2 n 0 cos / n 0 cos 1 n 1 cos (5) t s =E 1s+ /E os+ = 2 n 0 cos / n 0 cos n 1 cos 1 (6) gdzie: n 1 =n 1 i k 1 1 - wielkość zespolona określona zależnością sin 1 =n 0 sin / n 1 i k 1 (7) - kąt padania fali w ośrodku nieabsorbującym o współczynniku załamania n 0 n 0 współczynnik załamania ośrodka, z którego pada wiązka światła n 1 współczynnik załamania ośrodka absorbującego k 1 wskaźnik absorpcji ośrodka. absorbującego Rys.1 Odbicie i załamanie fali świetlnej na granicy rozdziału dwóch ośrodków. 3

Jak wynika ze wzorów (3,4) w przypadku odbicia światła od absorbującego ośrodka współczynniki Fresnela są wielkościami zespolonymi, które można przedstawić następująco: r p = r p exp (ia p ) (8) r s = r s exp (ia s ) (9) gdzie: a p i a s skoki fazy p- i s- składowych fali powstających przy odbiciu, r p i r s - moduły amplitudowych współczynników odbicia tych składowych. Metody elipsometrii wyznaczania stałych optycznych ośrodka absorbującego związane są z analizą eliptyczności światła odbitego od badanego ośrodka. Jak wynika ze wzorów (3,4) oraz (8,9) liniowo spolaryzowane światło podające pod kątem j na badany ośrodek absorbujący o stałych optycznych n 1 i k 1 staje się po odbiciu eliptycznie spolaryzowane, przy czym: E op- = r p + E op exp(ia p ) (10) E os- = r s E os+ exp(ia s ) (11) Gdy światło padające jest liniowo spolaryzowane pod kątem ±p/4 do płaszczyzny padania, to E op+ =E os + E op- / E os- =( r p / r s ) exp [i(a p -a s )]=tgy exp (id) (12) gdzie D różnica faz między p- i s- składowymi odbitego światła, Y azymut przywróconej polaryzacji liniowej odbitego światła. Dla wyjaśnienia znaczenia kąta Y zwiążemy z falą odbitą prostokątny układ współrzędnych (rys.2). W tym układzie oś s jest prostopadła do płaszczyzny padania fali a oś p znajduje się w płaszczyźnie padania. Drgania wektora elektrycznego fali odbitej mogą być rozłożone na dwa + drgania wzdłuż os p i s, przy czym jak wynika ze wzorów (10,11) E op- = r p E op i E os- = r s E os + będą modułami amplitud tych drgań. Ponieważ drgania wektorów s- i p- są przesunięte w fazie o wielkość D=a p -a s to światło odbite będzie spolaryzowane eliptycznie. Elipsa ta będzie wpisana w prostokąt o bokach 2 E op- i 2 E os- a Y jest kątem nachylenia przekątnej tego prostokąta do osi s. 4

Rys.2 Elipsa polaryzacji światła odbitego od absorbującego ośrodka. Gdyby na drodze fali odbitej wprowadzić kompensator i zlikwidować różnicę faz D=a p -a s między składowymi wektorów E op- i E os-, to światło stałoby się liniowo spolaryzowane, kierunek drgań wektora elektrycznego byłby zgodny z kierunkiem przekątnej prostokąta (tzn. pod kątem Y do osi s ) kąt Y nosi nazwę azymutu przywróconej polaryzacji liniowej. Może on być zmierzony analizatorem obróconym aż do maksymalnego wygaszenia światła odbitego. Różnicę faz D=a p -a s można wówczas zmierzyć kompensatorem. Kąt padania j przy którym różnica faz wynosi D=-p/2 nosi nazwę głównego kąta padania. Azymut polaryzacji Y odpowiadający głównemu kątowi padania nosi nazwę głównego azymutu. Dla głównego kąta padania osie elipsy polaryzacji światła odbitego pokrywają się z osiami s i p (rys.2). Dla większości metali główny kąt padania jest bliski p/2. Przy takim kącie padania pomiary są mało dokładne i dlatego prowadzi się je zazwyczaj dla kątów mniejszych od głównego kąta padania. Wtedy z równania (12) przy wykorzystaniu wzorów (7,10,11) oraz założenia, że n 0 =1 otrzymujemy: (1-tg Y e id )/ (1+ tg Ye id ) = (sinj tgj)/ n 1 ik 1 2 sin 2 (15) Dokonując we wzorze (15) następującego podstawienia n 1 ik 1 2 sin 2 = a ib (16) otrzymujemy a=sinj tgj cos2y/(1-sin2ycosd) (17) b= - sinj tgj sin2ysind/ (1 sin2ycosd) (18) 5

Rozwiązując równanie (16) przy wykorzystaniu wzorów (17) i (18) otrzymujemy wyrażenia wiążące stałe optyczne n 1 i k 1 badanego materiału z podstawowymi wielkościami charakteryzującymi eliptyczność odbitego światła tzn. różnicą faz D i azymutem przywróconej polaryzacji liniowej Y: n 1 = [1/2 (a 2 -b 2 +sin 2 j)+1/2 a 2 b 2 sin 2 2 4 a 2 b 2 ] 1/2 (19) k 1 = [-1/2 (a 2 -b 2 +sin 2 j)+1/2 a 2 b 2 sin 2 2 4 a 2 b 2 ] 1/2 (20) Aby wyznaczyć stałe optyczne badanego materiału należy do wzorów (19) i (20) wstawić zmierzony azymut przywróconej polaryzacji liniowej Y oraz różnicę faz D dla określonego kąta padania j promieni świetlnych na próbkę. 2. Elipsometryczna metoda Archera Stałe optyczne nieprzeźroczystych warstw metali można wyznaczyć z pomiarów i analizy stanu polaryzacji światła odbitego. Elipsometr musi zatem zapewniać możliwość zadawania określonego stanu polaryzacji wiązki padającej i analizy stanu polaryzacji wiązki odbitej od badanej próbki. Zasada działania elipsometru wykorzystanego na stanowisku pomiarowym jest oparta na tzw. metodzie zerowej. Monochromatyczna wiązka światła przechodzi przez polaryzator (P) i kompensator (Q), które wspólnie funkcjonują jako polaryzator eliptyczny. Eliptyczność wiązki padającej na próbkę ustala się tak, aby została ona całkowicie skompensowana w wyniku odbicia. W rezultacie światło odbite jest spolaryzowane liniowo i może zostać wygaszone przez analizator. Polaryzator, analizator i kompensator są zamocowane w sposób obrotowy, z możliwością odczytu ich położenia kątowego względem płaszczyzny padania. Elipsometryczną metodą zerową jest metoda Archera, w której konfiguracja elementów polaryzacyjnych następuje w kolejności: polaryzator (P), kompensator(q), próbka (S), analizator(a). Schemat ideowy elipsometru zerowego typu Archera przedstawiono na rys 3. Azymut kompensatora wynosi p/4 lub -p/4. Obracając na przemian analizatorem i polaryzatorem szukamy takich azymutów a A i a B, dla których wiązka światła wychodząca z układu będzie miała minimalne natężenie. W celu zwiększenia dokładności pomiarów położenia ekstynkcji polaryzatora i analizatora wyznacza się dwukrotnie, raz jako a A i a B, a następnie po zmianie azymutów o p/2. Analiza matematyczna układu elipsometrycznego Archera prowadzi do wyznaczenia tzw. stref znaczeń azymutów ekstynkcji polaryzatora i analizatora. 6

Elipsometr typu EL6 wykorzystany do wyznaczania grubości i stałych optycznych cienkich warstw został zbudowany na bazie goniometru i przystosowany do przeprowadzania pomiarów metodą zerową [3]. Konstrukcja mechaniczna układu oparta jest na dwóch ramionach, z których jedno może być obracane wokół pionowej osi stanowiącej jednocześnie oś obrotu stolika wraz z holderem. Na nieruchomym ramieniu elipsometru zamontowano układ kolimujący dla zapewnienia odpowiedniej zbieżności wiązki światła wychodzącej ze szczeliny monochromatora oraz kwarcowy kompensator typu Babineta-Soleil a. Między nimi znajduje się wykonany z ADP pryzmat Glana- Thompsona pełniący rolę polaryzatora. Na ramieniu obracającym się wokół osi głównej elipsometru umieszczono analizator oraz lunetę autokolimacyjną. Stolik z holderem do mocowania próbek znajduje się między ramionami i można go obracać niezależnie w zakresie 360 º. Wszystkie elementy obrotowe są wyposażone w układy składające się z mikroskopu odczytowego i odpowiednio oświetlonej podziałki kątowej z noniuszem, służące do odczytu położenia kątowego lub azymutu, Rys.3 Schemat elipsometru pracującego w układzie Archera: ź źródło światła, P polaryzator, Q kompensator, S próbka, A analizator, d detektor. 7

Schemat układu optycznego elipsometru EL6 przedstawia rysunek 3. Źródłem światła jest szczelina wyjściowa monochromatora. Wiązka przechodzi kolejno przez kolimator, polaryzator, kompensator i odbija się od badanej próbki. Następnie pada na analizator i jeżeli nie zostanie całkowicie wygaszona, wpada do lunety autokolimacyjnej, która jest wykorzystywana jako luneta wyjściowa elipsometru oraz służy do odpowiedniego pozycjonowania płytek w holderze. 3. Przebieg pomiarów 1. Za pomocą monochromatora wybrać zaleconą przez prowadzącego długość fali z widzialnego przedziału widma (tabela cechowania monochromatora znajduje się na końcu instrukcji). 2. Ustawić kompensator w takim położeniu, żeby jego azymut wynosił -45 0 (α Q =96 0 35 ' ). Korzystając z tabelki kalibracyjnej (umieszczonej na końcu instrukcji) ustawić takie położenie względne pryzmatów kompensatora Babineta-Soleila aby dla zadanej długości fali stanowił ćwierćfalówkę. 3. Ustawić ramiona elipsometru w położeniu na wprost. Odsunąć stolik tak, aby nie przesłaniał biegu promienia świetlnego. Zablokować lunetkę w położeniu, przy którym krzyż znajduje się pośrodku obrazu szczeliny. 4. Zamocować próbkę w holderze stolika. Obrócić stolik tak, aby powierzchnia próbki znajdowała się na wprost analizatora. Włączyć zasilanie lunety autokolimacyjnej. W płaszczyźnie ogniskowej obiektywu lunety znajduje się krzyż. Jeżeli ten krzyż się oświetli, to luneta widzi jego obraz odbity od powierzchni próbki. Luneta jest ustawiona prostopadle do powierzchni gdy obraz krzyża pokrywa się z krzyżem rzeczywistym (czarnym). Aby uzyskać to pokrycie regulujemy położenie próbki za pomocą trzech śrub na holderze stolika. Odczytać położenie stolika 0 st. 5. Obrócić stolik do położenia, przy którym promień światła jest równoległy do powierzchni próbki. Przed szczelinę wejściową lunetki wprowadzić lupkę (zamocowaną obrotowo). Przysunąć (lub odsunąć) stolik tak, aby wiązka światła była przysłonięta do połowy przez brzeg próbki ( ślizgała się po powierzchni próbki). Usunąć lupkę z pola widzenia lunetki. 6. Ustawienie zaleconego kąta padania. Obrócić stolik do położenia określonego wzorem aparaturową wyznaczoną dla elipsometru). st =180 0 0 st (d=12 ' jest poprawką Ustawić ramię z lunetą i zablokować ją w takim położeniu, aby krzyż lunety znajdował się w środku plamki odbitej od badanej próbki. 8

7. Obracając na przemian analizatorem i polaryzatorem znaleźć takie ich położenia a A i a P, dla których wiązka światła wychodząca z układu będzie wygaszona (będzie miała możliwie najmniejsze natężenie). Odpowiadające tym położeniom azymuty wygaszenia oznaczamy jako A 1 (dla analizatora) i P 1 (dla polaryzatora). W celu zwiększenia dokładności pomiarów wyznaczyć położenia ekstynkcji polaryzatora i analizatora przy zmianie azymutów o 90 0. Jako pierwszy ustawiamy polaryzator w położenie a P ± 90 0 (odpowiadający temu położeniu azymut oznaczamy P 2 ) a następnie wygaszamy wiązkę światła analizatorem, którego azymut w nowym położeniu wygaszenia oznaczamy A 2. 8. Obliczyć azymuty A 1, A 2, oraz odpowiadające im azymuty P 1, P 2 według wzorów (21-28) 9. Obliczyć parametry elipsometryczne D i Y według zależności podanych na rys. 4. 10.Powtórzyć pomiary położeń wygaszenia dla innych długości fal λ z widzialnego przedziału widma wskazanych przez prowadzącego. 11.Obliczyć stałe optyczne n i k badanego materiału korzystając ze wzorów 17, 18, 19, 20. 12.Wykreślić krzywą dyspersji n=f(λ). Azymuty A 1, A 2 wyznaczamy z ponizej podanych wzorów: jeżeli A 0-90 0 < α A < A 0 to A 1 =A 0 α A (21) jeżeli A 0 + 90 0 < α A < A 0 + 180 0 to A 1 =A 0 ( α A - 180 0 ) (22) jeżeli A 0 < α A < A 0 + 90 0 to A 2 = α A - A 0 (23) jeżeli A 0 + 180 0 < α A < A 0 90 0 to A 2 =( α A - 180 0 )- A 0 (24) Azymuty P 1, P 2 obliczamy z następujących zależności: jeżeli P 0 90 0 < α P < P 0 to P= P 0 α P (25) jeżeli P 0 + 90 0 < α P < P 0 + 180 0 lub P 0 < α P < P 0 + 90 0 to P= P 0 + 180 0 α P (26) jeżeli P 0 + 180 0 < α P 360 0 to P=360 0 - α P + P 0 (27) jeżeli 0 < α P < P 0 90 0 to P= α P + 90 0 (28) Azymuty A 0 i P 0 określające płaszczyznę padania nazywane azymutami zerowymi są wyznaczane podczas justowania optycznego układu elipsometru. Aktualne ich wartości podaje prowadzący zajęcia. 9

Rysunek 4 a) przedstawia azymut polaryzatora P 1 ( i związany z nim azymut analizatora A 1 ), w przypadku gdy kąt α A odmierzamy w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Rysunek 4 b) odpowiada azymutom (A 2 i P 2 ), przy których następuje wygaszenie wiązki na wyjściu układu po zmianie położeń α A i α P o wyliczyć na podstawie zależności przytoczonych pod rysunkiem. 90.. Wartości parametrów elipsometrycznych Δ i Y można Jeżeli azymut analizatora przy wygaszeniu wynosi A 1 to odpowiadający mu azymut polaryzatora P 1 przyjmuje wartości w przedziale kątów od 0 0-180 0 w różnie zakreskowanych obszarach (jak na rys.4a). Gdy azymut analizatora wynosi A 2 to odpowiadające mu wartości azymutu polaryzatora P 2 powinny znajdować się w tak samo zakreskowanych obszarach na rys.4b. W zależności od tego, w których obszarach znajdują się wartości azymutów P 1 i P 2 obliczamy parametr elipsometryczny Δ ze wzorów zamieszczonych na rysunku 4. Rys.4. Strefy znaczeń azymutów ekstynkcji polaryzatora P 1 (przy azymucie analizatora A 1 ) a) i P 2 (odpowiednio dla A 2 ) b), oraz wzory, z których obliczamy Δ i Y. 10

Rys 5. Ogólny widok stanowiska pomiarowego elipsometrycznej metody Archera Tabela cechowania monochromatora l [nm] podziałka 450 1510 475 1459 500 1415 525 1381 550 1352 575 1326 600 1300 632.5 1276 650 1266 11

Tabela kalibracji kompensatora l [nm] podziałka 450 143 475 161 500 180 525 198 550 216 575 235 600 256 625 272 632.8 281 650 290 Literatura: 1. Romanowski W., Cienkie warstwy metaliczne, PWN, 1974 2. Brudzewski K., Wstęp do elipsometrii, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1983 3. Azzam R. M. A., Bashara N. M., Ellipsometry and Polarized Light, Notrh-Holland Publishing Company, Amsterdam, New York, Oxford, 1977 4. Tompkins H. G., A User's Guide to Ellipsometry, Academic Press, INC, 1993 5. Tompkins H. G., McGahan w. a., Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry: A user's guide, John Wiley&Sons, INC,1999 12