Методы и средства поляризационно-оптической диагностики в наноматериаловедении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Скалецкая, Ирина Евгеньевна

• Скалецкая, Ирина Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скалецкая, Ирина Евгеньевна

Введение.

Глава I. Проблемные аспекты интерпретации решений основного уравнения эллипсометрии Друдэ (литературный обзор).

1.1. Краткая история развития метода.

1.2. Развитие поляризационно-оптической приборной базы.

1.3. Классические предпосылки теории эллипсометрии.

1.4. Основное уравнение эллипсометрии.

1.4.1. Постановка и аналитическая разрешимость прямых модельных задач эллипсометрии.

1.4.2. Постановка и проблемные аспекты решения обратных задач прикладной эллипсометрии.

1.4.3. Роль многоугловых измерений амплитудно-фазовых параметров состояния поляризации поля световой волны при решении обратных задач прикладной эллипсометрии.

1.5. Выводы.

Глава И. Методы решения эллипсометрических проблем на основе анализа результатов компьютерного моделирования решений её простейших задач в самосогласованной постановке.

2.1. Типовые свойства решений ОУЭ в угловых развертках.

2.1.1. Модель идеальной границы.

Инварианты Френеля-Брюстера.

2.1.2. Оптическая модель эффективного однородного слоя.

2.1.3. Связь решений прямой задачи для однородного слоя с решениями для его идеальных границ.

2.2. Аналитические предпосылки для псевдо инвариантов Френеля -Брюстера.

2.2.1. Трансформация инвариантов Френеля-Брюстера для модели однородного слоя.

2.2.2. Применение инвариантов Френеля-Брюстера для исследования «невидимых» объектов с диффузными отражающими границами на примере нитрида бора.

2.3. Новые эмпирические направления развития нетрадиционной эллипсометрии.

2.3.1. Физическая природа экстинкции.

2.3.2. Аномальное отражение.

2.3.2.1. Метрологический статус сигналов ФЭУ.

2.3.2.2. Обнаружение аномального отражения в оптическом диапазоне длин волн электромагнитного излучения.

2.3.2.3. Связь шероховатости с интенсивностью спектров аномального отражения.

2.3.2.4. Аппроксимация степени шероховатости по максимуму в спектре угловых развёрток сигналов аномального отражения.

2.3.3. Эллипсометрия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

2.3.4. Кинетическая эллипсометрия медико-биологических и динамически необратимых процессов.

2.3.4.1. НПВО - эллипсометрия для исследования свойств воды по азимутальным девиациям.

2.3.4.2. Релаксационная 11фэу - эллипсометрия.

2.3.5. Спекл-эллипсометрия отраженных световых пучков.

2.4. Выводы.

Глава III. Экспериментальные исследования.

3.1. Схема и конструктивные рекомендации по модификации приборов ручного управления типа прецизионного ЛЭФ-З.М.1.

3.1.1. Модификация блока регистрации спекл-картин.

3.1.2. Автокалибровка эллипсометрических измерений по методу многоуглового сканирования.

3.1.3. Преимущества конструирования эллипсометров ромбоидного типа для спектроскопии нарушенного ПВО.

3.2. Прямые измерения и алгоритмы калибровки.

3.2.1. Алгоритм монотонного сглаживания разброса азимутов поляризаторов по данным многоугловых измерений.

3.2.2. Калибровка азимута компенсатора.

3.2.3. Определение юстировочной константы поляризаторов

3.3. Косвенная измерительная информация обратных задач эллипсометрии.'.

3.3.1. Оценка оптических контант кристаллов ниобата лития методом интерполяции углов Брюстера на кристаллографичских срезах по данным многоугловых измерений.

3.3.2. Оценка оптических констант стёкол марки НС.

3.3.3. Измерения оптических констант фотокерамики.

3.3.4. Исследование гистерезиного механизма «памяти воды» при наноструктурных перестройках в слоях сил поверхностного натяжения.

3.3.5. Эллипсометрический контроль ВИЧ-кинетики.

3.3.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства поляризационно-оптической диагностики в наноматериаловедении»

Прикладная эллипсометрия - поляризационно-оптический раздел технической физики, изучающий эллиптическое состояние поляризации электромагнитных волн после взаимодействия их на границах раздела сред с исследуемыми материалами при описыании его амплитудно-фазовыми параметрами (0, А,) и А (О, А,) для произвольных углов падения (0) и длин волн (X). Соответствующую спектроэллипсометрию подразделяют на угловую и дисперсионную или углового и частотного сканирования.

Актуальность диссертационной работы продиктована условиями современного научного прогресса и бурного развития нанотехнологий при предъявлении высоких требований как к теоретическому уровню научных исследований физических свойств нанотонких слоев оптически прозрачных материалов, начиная с адекватного моделирования их реальной физической поверхности, так и к разработке комплекса корректных средств и методов экспериментального контроля их оптических параметров (дисперсионных значений комплексных показателей преломления и толщин слоев). Одной из наиболее чувствительных и перспективных методик изучения физического состояния приповерхностных наноразмерных слоев и переходных структур является поляризационно-оптическая диагностика, реализуемая на базе современных типовых эллипсометрических приборов, позволяющих исследовать амплитудно-фазовые параметры состояния поляризации прошедшего или отраженного от объектов исследования (планарного типа) когерентного коллимированного монохроматического излучения.

По ряду объективных для традиционной эллипсометрии внутренних методологических причин этот метод исследования оптических параметров материалов оказался не вошедшим в реестр сертифицированных корректных и адекватных способов научного материаловедения.

Поэтому реанимация уникальных внутренних экспериментальных возможностей поляризационно-оптической диагностики материалов и создание обновленной (усовершенствованной) методологической основы для развития современной прикладной эллипсометрии представляются весьма целесообразными и чрезвычайно актуальными для настоящего и будущего нанотехнологической науки и техники.

Научная новизна результатов состоит в следующем:

• Предложена новая для традиционных методов классической эллипсометрии более широкая- и естественная интерпретация получаемых в поляризационно-оптическом (модельном и натурном) эксперименте величин мнимой части комплексного показателя преломления, как показателя светоослабления не только за счет механизма дисперсионного поглощения, но и светорассеяния со всеми вытекающими отсюда ортодоксальными свойствами индикатрис. Главное здесь - естественная экспериментальная угловая зависимость искомых априорно константных значений, например, дисперсионных параметров поглощения веществ. Такая интерпретация раскрывает физический смысл основного парадокса традиционной эллипсометрии о неконстантности оптических констант, измеряемых при разных углах падения света на вещество.

• Впервые проведен системный анализ свойств решений ОУЭ, позволивший подвести методологическую основу для ряда новых направлений нетрадиционной эллипсометрии.

• Предложена новая простейшая интерпретация по Брюстеру способа определения единственного значения показателя преломления при естественном свойстве решений обратных задач эллипсометрии в виде угловых функций оптических констант, исторический парадокс которых экспериментально был выявлен ещё в металлооптичеких исследованиях Васичека. Экспериментальное подтверждение работоспособности метода Брюстера показано на кристаллах ниобата лития, когда при оценке показателей преломления его гомологического ряда не потребовалось использовать известный весьма трудоёмкий и неоднозначный по результатам диагностики констант материала теоретический аппарат кристаллооптики.

• Установлены метрологический статус и информационная значимость сигналов ФЭУ в регистрирующем блоке эллипсометров: о обнаружено аномальное отражение от зеркально гладкой поверхности материалов для скользящих углов падения помимо известного рентгеновского и в оптическом диапазоне длин волн; о обнаружена связь шероховатости с интенсивностью спектров г аномального отражения; о предложен способ определения степени шероховатости по максимуму в спектрах угловых разверток информативного значения ФЭУ-сигналов аномального отражения.

• Обнаружены инвариантные величины, связывающие минимум амплитудной функции отраженной волны с показателем светоослабления при данном показателе преломления, названные инвариантами Френеля -Брюстера. Определены области их устойчивости для всевозможных значений реальной экстинкции.

• Показана принципиальная адекватность эллипсометрического метода исследования жидких сред с возможностью проведения кинетических измерений на примере чистой воды и биосубстратов, используемых в медико-биологических растворах для исследования механизмов её так называемой «памяти» и вирусологической активности слабых растворов.

• Предложены новые методы калибровки приборов серии ЛЭФ по аттестационным мерам шероховатости на основе наборов нейтральных светофильтров в широком диапазоне их поглощения.

Теоретическая и практическая ценности работы состоят в следующем:

• разработанная методика адекватного анализа свойств решений обратных задач эллипсометрии по поляризационным параметрам 1Р и А поля отражённой световой волны и использование алгоритмов корректировки их угловой статистической и систематической погешности решают основную проблему эллипсометрии - методологической недообеспеченности;

• выявленные семейства инвариантов Френеля - Брюстера по параметрам показателя преломления являются методологически новым способом определения показателя экстинкции материалов;

• предложенное метрологическое обеспечение (МО) научно-обоснованной методики планирования и проведения измерительного эксперимента, разработки его реализации и интерпретации полученных данных, для эллипсометрического метода исследования позволяет считать его научно обоснованным и ГОСТ состоятельным с точки зрения возможной приборной аттестации эллипсометров как пока ещё нестандартных СИ;

• предложен способ создания мер шероховатости на стёклах марки НС;

• разработанные авторские компьютерные программы являются полезными для проведения модельных и натурных эллипсометрических экспериментов, могут быть использованы в лабораторном практикуме бакалавров и магистров технических ВУЗов;

• предложенные методики являются практически значимыми для нанотехнологий: для исследования оптических параметров наноразмерных структур (газовых и жидких сред, твердых и слоистых структур), для определения наноразмерных шероховатостей на поверхности зеркал, для исследования кинетики поведения медико-биологических наноразмерных объектов и их реакционного взаимодействия не взрывного характера.

Современные прикладные научные и производственные задачи требуют определения и соответствующего контроля оптических констант материалов с большой точностью: до шестого разряда после запятой в случае оценки значений показателей преломления и выше в случае поглощения для высокооднородных материалов. Например, проверка качества стекла для изготовления рабочих линз оказывается сложной технической задачей, требующей термостабилизации объектов исследования (ОИ) до десятых долей градуса при контроле пятого знака после запятой у показателя преломления высоко прозрачных стекол и до сотых градуса при контроле шестого, где уже проявляются тепловые флюктуации оптической плотности исследуемого вещества. Существует много таких методов, которые обладают исключительно высокой чувствительностью и точностью исследования поверхности и адсорбированных слоев и пленок на ней, это и оже-спектроскопия и рентгеновская спектроскопия и дифракция медленных электронов и вторичная масс-спектрометрия. Но к современным технологиям методов контроля и исследования предъявляются такие требования, как бесконтактность, неразрушающий характер и оперативность измерения. Указанным требованиям в большинстве случаев удовлетворительно отвечает именно эллипсометрический метод исследования [34 - 39].

Метод эллипсометрии относится к прогрессивным научно-экспериментальным нанотехнологиям оптического материаловедения благодаря физической простоте работы с самыми простыми формами поляризованного когерентного света при эллиптической аппроксимации его полевых амплитудно-фазовых характеристик.

Принципиальное преимущество этого метода перед энергетическими состоит в уникально высокой чувствительности измерений амплитудно-фазовых соотношений поля световых волн, испытавших взаимодействие с исследуемым веществом. Так, для идеальных коэффициентов Френеля фазовые соотношения проектируются на круг от 0° до 360° (и более), а соотношения амплитуд (через тангенс их угловой меры) в интервал от 0° до 90°. При этом линейноугловые измерения в метрологии наиболее точные.

Цена деления нониусов известных оптических лимбов К. К. Свиташова при измерениях азимутов поляризаторов и двойного угла падения-отражения (а) на приборах серии ЛЭФ-ЗМ составляет величину 60", переходящую в систематическую погрешность Да = ±30". На других гониометрах подобная точность на порядок выше (см. характеристики Г5). В автоматизированных системах преобразования угол-код этот предел ограничивается разрядной сеткой АЦП. Так, для 32 разрядного преобразователя эта точнсть 2"32 ~ Ю"10. Используя формулу Брюстера п = tg(a), путём дифференцирования можно получить предельную оценку величины погрешности для показателя

2 2 10 преломления Дп = (1+п )Аа = (1+п )10" , т.е. для стекла сп = 3/2 порядок величины погрешности её определения мог бы принять значение Дп ~ 3-Ю"10, соизмеримое с верхней границей погрешностей и для показателей экстинкции высоко прозрачных материалов. При этом микрометрическая точность локальности измерений в различных точках объектов на столике прибора может иметь неустранимую величину порядка Д\,>= ± 0.005мм.

Значительным недостатком эллипсометрических измерений является требование к планарности зеркально отражающих приповерхностных структур в апертуре световых лучей.

Эллипсометрия отражает не только френелевскую информацию о константах ОИ, но и о линейных размерах их планарных структур. Диапазон толщин слоев начинается почти с нуля (с! —> 0) для идеальных границ раздела фаз при электронном рельефе атомных или молекулярных переизлучателей в решётке реальных физических границ и простирается до сколь угодно больших толщин. Их вариации для тонких дисперсионно активных слоёв, связанные, например, с вариациями температуры, теоретически в эллипсометрии могут доходить до долей Ангстрема (1А — 10"8 см = 0,1 нм).

Наши измерения структуры рентгеновских фильтров трёхслойного типа Бс-Ре-Бс показали толщины порядка 1.2 ± 0.2 нм.

Современный прогресс в развитии нано- и пико- технологий (от контроля изделий квантовой радиоэлектроники или генных носителей до элементарных частиц) во многом зависит от развития научно-технической и метрологической базы такого материаловедения. Линейные размеры рабочих элементов часто достигают нанометрового уровня в объёмах, соизмеримых с масштабами обычных квантовых точек - объектов квазимолекулярного уровня со сложной самоорганизацией и макрохарактеристиками гомогенных сред, доступными как эллипсометрическому наблюдению, контролю и диагностике, так и управлению при адекватной интерпретации результатов.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Скалецкая, Ирина Евгеньевна

Общие выводы сводятся к следующему:

• Металлическая трёхслойка оказывается благодарной для методов традиционной эллипсометрии задачей, поскольку дисперсионное поглощение металлов много выше вклада от светорассеяния в показатель экстинкции.

•Модель трёхслойной системы аморфного типа удовлетворительно описывает эффективные значения оптических параметров исследованного рентгеновского фильтра (ё,п,к), но оказывается не чувствительной даже к возможным эффектам НПВО в слоях со значительно различающимися показателями дисперсионного поглощения, проявившимся на опыте и сглаженных в монотонных эфективных решениях прямой задачи ОУЭ.

• Резонно усложнить физическую модель оптической системы непосредственно в виде воздух/анизотропный скандий/железо/анизотропный скандий/аморфная подложка.

• На основании экспериментальных данных следует вывод о прямом подтверждении существования аномального (по Ионеде) отражения света в оптическом диапазоне в виде спектра углового распределения огибающей направленных по зекальному каналу индикатрис деполяризованного света, выделенного из общего светового пучка простым способом гашения поляризованной составляющей.

• На осное фундаментальной природы оптического взаимодействия ЭМ излучения с веществом эффекты АО в у-, ретгено-, свето- и радио- оптике желательно объединить в единый самостоятельный класс Ионедовской оьражательной спектроскопии как экспериментального инструмента исследования реальных механизмов светорассеяния.

• Необходимо признать, что традиционные методы прикладной эллипсометрии, не учитывающие вклад явлений АО на границах раздела исследуемых сред, принципиально не состоятельны, поскольку экстинкция является естественной функцией углов падения-отражения и линейная связь их с константами поглощения материала - теоретический нонсенс.

Алгоритм цепной дроби для трёх и более слойной модели

Ниже на простейшем, а поэтому и концептуально прозрачном математическом алгоритмическом языке BASIC изложена программа для компьютерного моделирования решений прямой задачи эллипсометрии в многослойной постановке описания оптической системы. Амплитудно-фазовые параметры Ч*—Д состояния поляризации отражённого света в ОУЭ (5) рассчитываются с помощью алгорифма цепных дробей (9), рекурсивное звено которого представимо в виде: l-rf

Г +у,« где г - классический коэффициент Френеля для идеальной j, j+1 границы раздела (без индекса ортогональных составляющих векторов поля световой волны) п сред (п=5) и 5 - фактор оптической толщины в каждом из трёх слоёв (п - 2 = 3) вида (i =-1 - мнимая единица) А

Здесь толщина задаётся в единицах измерения длины волны X = 6328 А.

DIM уу, zz (5, 4), dm , sf, cf, ssf, rp , ее, rs (12, 5) DEF fnarg (x, y)

IF x = 0 AND у > 0 THEN z = p / 2 ELSE IF у < 0 AND x = 0 THEN z = p * 1.5 IF у = 0 AND x < 0 THEN z = p ELSE IF у = 0 AND x > 0 THEN z = 0 IF x о 0 THEN z = ATN(y / x)

IF у < 0 AND x > 0 THEN z = p + p + z ELSE IF x < 0 THEN z = p + z fnarg = z END DEF CLS p = ATN(l) * 4 ; nkd = 0 INPUT "number environmerts"; n

INPUT "number var. film and repetition d,n,k"; v, w, ww, www INPUT "nl,kl,nn,kn="; a , b , с , d dm(l,2)=a; dm(l,3)=b; dm(n,2)=c; dm(n,3)=d; dm(l,4)=SQR(a*a+b*b), dm(l,5)=fnarg(a,-b); dm (n, 4) = SQR(c*c + d*d); dm (n, 5) = fnarg (c , -d )

FOR i = 2 TO n - 1

IF i = v THEN 4

PRINT "i="; i

INPUT "d,n,k="; d , x , у dm(i, l)=d ; dm (i, 2)=x ; dm(i, 3)= у , dm (i, 4)=SQR(x*x + y*y); dm(i, 5) - fnarg (x,-y ) 4 NEXT

3 PRINT "Parameters for V=", v

INPUT "d(start & finish),nmin,nmax,kmin,kmax="; dd , ddd , xx , xxx , yy , yyy

FOR i = 1 TO n

IF i = v THEN 6

FORj = 1 TO 3

PRINT dm (i,j)

NEXT

6 PRINT "kontrol"

NEXT std = (ddd - dd) / w stn = (xxx - xx) / WW stk = (yyy - yy) / www FOR dn = 1 TO w d = dd + (dn - 1) * std ; dm (v, 1) = d FOR nk = 1 TO ww xn = xx + (nk - 1) * stn; dm (v, 2) = xn FOR kn = 1 TO www yk=yy+(kn - l)*stk; dm(v,3)=yk; dm(v,4)=SQR(xn*xn + yk*yk); dm(v,5)=fnarg(xn,-yk)

INPUT "angle insite (start, fin), number = fl, £2, st ff = (f2 - fl) / st open "tri" for output as #1 print #1, dm(l,2), dm(l,3) print #1, dm(n,2), dm(n,3) print #1, dm(v,2), dm(v,3)

FOR ss = 1 TO st fi = fl+(ss - l)*ff; f = p*fi/180; sf(l,l)=f; x=SIN(f); sf(l,2)=x; y=0; sf(l,3)= y; sf(l,4) - SQR(x*x+y*y); sf(l,5) = fnarg (x, y); cf (l,l)=fi; x = SQR(1- x*x) y=0;cf(l,2)=x; cf(l,3)=y; cf(l, 4)= SQR(x*x + y*y); cf (1, 5) = fnarg (x, y ) IF nkd > 0 THEN 3 nkd = 1

FOR i = 2 TO n m = dm (1, 4) / dm (i, 4); ar = dm (1, 5) - dm (i, 5); ssf (i, 4) = m * sf (1, 4) ssf (i, 5) = ar + sf (1, 5); ssf (i, 2) = COS(ssf (i, 5)) * ssf (1, 4) ssf (i, 3) = SIN(ssf (i, 5)) * ssf (1, 4) x = 1 - ssf (i, 4) * ssf (i, 4) * COS(2 * ssf (i, 5)) y = -ssf (i, 4) * ssf (i, 4) * SIN(2 * ssf (i, 5)) cf (i, 4) = SQR(SQR(x * x + y * y)); cf (i, 4) - fnarg (x , y) / 2 cf (i, 4) = cf (i, 4) * COS(cf (i, 5)); cf (i, 3) = cf (i, 4) * SIN(cf (i, 5)) al = dm (i, 5) + cf (i - 1, 5); a2 = dm (i - 1, 5) + cf (i, 5) xl = dm (i, 4) * cf (i - 1, 4) * COS(al ) - dm (i - 1, 4) * cf (i, 4) * COS(a2 ) x2 = dm (i, 4) * cf (i -1,4)* COS(al ) + dm (i - 1, 4) * cf (i, 4) * COS(a2 ) yl = dm (i, 4) * cf (i - 1, 4) * SIN(al ) - dm (i - 1, 4) * cf (i, 4) * SIN(a2 ) y2 - dm (i, 4) * cf (i - 1, 4) * SIN(al ) + dm (i - 1, 4) * cf (i, 4) * SIN(a2 ) ml = SQR(xl * xl + yl * yl ); m2 - SQR(x2 * x2 + y2 * y2 ) rp (i, 4) = ml / m2 ; rp (i, 5) = fnarg (xl , yl ) - fnarg (x2 , y2 ) rp (i, 3) = rp (i, 4) - SIN(rp (i, 5)); rp (i, 2) = rp (i, 4) * COS(rp (i, 5)) al = dm (i - 1, 5) + cf (i - 1, 5); a2 = dm (i, 5) + cf (i, 5) xl = dm (i - 1, 4) * cf (i - 1, 4) * COS(al ) - dm (i, 4) * cf (i, 4) * COS(a2 ) x2 = dm (i - 1, 4) * cf (i - 1, 4) * COS(al ) + dm (i, 4) * cf (i, 4) * COS(a2 ) yl = dm (i - 1, 4) * cf (i - 1, 4) * SIN(al ) - dm (i, 4) * cf (i, 4) * SIN(a2 ) y2 = dm (i - 1, 4) * cf (i - 1, 4) * SIN(al ) + dm (i, 4) * cf (i, 4) * SIN(a2 ) ml = SQR(xl * xl + yl * yl ); m2 = SQR(x2 * x2 + y2 * y2 ) rs (i, 4) = ml / m2 ; rs (i, 5) = fharg (xl , yl ) - fnarg (x2 , y2 ) rs (i, 3) = rs (i, 4) * SIN(rs (i, 5)); rs (i, 2) = rs (i, 4) * COS(rs (i, 5))

NEXT

FOR i = 2 TO n - 1 a = dm (i, 5) + cf (i, 5) ee (i, 4) = EXP(- 4 * p * dm (i, 4) * cf (i, 4) * dm (i, 1) / 6328 * sin(a )) ee (i, 5) = 4 * p * dm (i, 4) * cf (i, 4) * dm (i, 1) / 6328 * cos(a ) ee (i, 2) = ee (i, 4) * COS(ee (i, 5)); ee (i, 3) = ee (i, 4) * SIN(ee (i, 5))

NEXT yy(5, 1) = 0; yy (5, 2) = 0; zz (5, 1) = 0; zz(5,2) = 0 ii = 5

FOR i = 2 TO 4 ii = ii - 1 a = rp (ii + 1, 2) + yy (ii + 1, 1); b = rp (ii + 1, 3) + yy (ii + 1, 2) xm = SQR(a *a+b*b);xa = fnarg (a , b ); yy (ii, 3) = ee (ii, 4) / xm yy (ii, 4) = ee (ii, 5) - xa ; yy (ii, 2) = yy (ii, 3) * SlN(yy (ii, 4))

YY (ii, 1) = yy (il 3) * COS(yy (ii, 4)); a = rp (ii, 2) + yy (ii, 1) b - rp (ii, 3) + yy (ii, 2); xm = SQR(a *a+b*b);xa = fnarg (a , b ) a = 1 - rp (ii, 4) * rp (ii, 4) * COS(2 * rp (ii, 5)) b = -rp (ii, 4) * rp (ii, 4) * SIN(2 * rp (ii, 5)) mx = SQR(a * a + b * b ); ax= fnarg (a , b ); ma = mx / xm ; am = ax - xa a = ma * COS(am ); b = ma * SIN(am ); yy(ii, 1) = rp (ii, 2) + a; yy(ii,2) = rp(ii,3) + b

NEXT rpm = SQR(yy (2, 1) * yy (2, 1) + yy (2, 2) * yy (2, 2)); rpa = fnarg (yy (2, 1), yy (2, 2)) ii = 5

FOR i = 2 TO 4 ii = ii — X a = rs (ii + 1, 2) + zz (ii + 1, 1); b = rs (ii +1,3) + zz (ii + 1, 2) xm = SQR(a * a + b * b ); xa = fnarg (a, b ); yy (ii, 3) = ee (ii, 4) / xm yy (ii, 4) = ee (ii, 5) - xa; yy (ii, 2) = yy (ii, 3) * SIN(yy (ii, 4)) yy (ii, 1) = yy (ii, 3) * COS(yy (ii, 4)); a = rs (ii, 2) + yy (ii, 1); b = rs (ii, 3) + yy (ii, 2) xm = SQR(a*a + b*b); xa = fnarg (a , b ); a = 1 - rs (ii, 4)* rs (ii, 4) * COS(2* rs(ii,5)) b = -rs (ii, 4) * rs (ii, 4) * SIN(2 * rs (ii, 5)); mx = SQR(a * a + b * b ) ax = fnarg (a,b ); ma = mx / xm ; am = ax - xa; a = ma * COS(am ); b = ma * SIN(am ) zz (ii, 1) = rs (ii, 2) + a; zz (ii, 2) = rs (ii, 3) + b

NEXT rsm - SQR(zz (2, 1) * zz (2, 1) + zz (2, 2) * zz (2, 2)); rsa = fnarg (zz (2, 1), zz (2, 2)) IF rsm =0 THEN ps = p / 2 ELSE ps = ATN(rpm / rsm ); dl = rpa - rsa 5 IF dl <0 THEN dl = p + p + dl IF dl <0 THEN 5 dlt =dl * 180/p; psi = ps * 180/p

PRINT dm (v, 1); dm (v, 2); dm (v, 3), fi; psi; dlt

Print#l, fi, psi, dlt

NEXT close #1 stop

NEXT

NEXT

NEXT

END

Заключение и общие выводы

Эллипсометрия по сравнению с другими оптическими методами в наноматериаловедении имеет ряд бесспорных преимуществ, обусловленных простотой и прецезионностью измерений зеркально гладких образцов и широтой их охвата. Важной особенностью при этом является бесконтактный, неразрушающий характер исследований.

В условиях современного бума развития субнанотехнологий возникает важная практическая проблема, состоящая в том, чтобы перспективные методы амплитудно-фазового анализа констант материалов продвинуть в метрологический реестр стандартных способов тестовых измерительных экспериментов. Но этому внедрению мешает не только существующий консерватизм ГОСТ, но и ряд не устранимых внутренних недостатков самого метода классической прикладной эллипсометрии, анализ которых явился основной целью настоящей работы.

В работе рассмотрены возможности применения эллипсометрического метода исследования веществ в биомедицинских целях и другие примеры практического применения, позволившие обнаружить новые амплитудные инварианты «Френеля-Брюстера» и новые приёмы эллипсометрии, например, полного внутреннего отражения (ПВО) и спекл-эллипсометрии.

В работе аргументированы и систематизированы основные свойства решений ОУЭ Друде в классической модели идеальных границ Френеля, положенные в основу всевозможных обобщений для более сложных систем.

При численном моделировании решений ОУЭ для прямой и обратной задач эллипсометрии с повышенной точностью (двойной разрядностью) была выявлена уникальная зависимость поправок к точным значениям констант регулярного характера от углов падения света на ОИ. Причём с увеличением пробных значений экстинкции эти поправки перешли из области малых в область значительных даже при обычной разрядности представления машинных чисел. Для ОИ из класса сильно поглощающих металлов характер регулярности поправок оказался идентичен угловым зависимостям этих констант, известным в металлооптике как нерешённая проблема Васичека.

Основной положительный результат обширной экспериментальной части работы состоит в декларации принципиально новых нетрадиционных направлений развития (реанимации) прикладной эллипсометрии, таких как:

• спектроэллипсометрия аномального отражения света на скользящих траекториях;

• спеклэллипсометрия АО (аномального отражения) на основе принципиальной конструктивной и технической модификации индикаторного сигнала гашения до уровня информационно значимого измерительного сигнала интенсивности светорассеянных лучей в зеркальном канале плоской 20-веб-регистрации всего светового поля в апертуре регистрируемых лучей;

• спектроугловая эллипсометрия НПВО с пролонгацией измерений до предельного угла Брюстера (45°) на основе приборов ромбоидного типа;

• динамическая кинетоэллипсометрия биомедицинских и оптически активных растворов с обязательным опубликованием не только спекулятивно-модельных результатов, но и первичных данных измерений азимутов поляризаторов эллипсометра;

• разработан метод метрологического обеспечения автокалибровки ноль-эллипсометров по азимутам поляризаторов при скользящем отражении от диэлектрической подложки дня сложных ОИ на ней;

• разработан пакет эллипсометрических алгоритмов и авторских программ для ПК и ЭВМ, внедрённых в НПО «ЭЛЕКТРОН»;

• выполнен большой объём контрольных измерений разных ОИ в ГОИ;

• разработана и апробирована новая методика диффузионной эллипсометрии «невидимых» объектов на основе теоретического открытия новых инвариантных соотношений Френеля-Брюстера.

Таким образом, выполненная работа является методологической по своему характеру. Разрешен ряд вопросов, связанных с методологическими проблемами традиционного подхода к угловой зависимости оптических констант и интерпретации мнимой части комплексного показателя преломления. Эллипсометрические приборы являются актуальным настоящим современных нанотехнологий и перспективным будущим их перехода к пико- и фемто- технологиям (у-лазерным источникам). Экспериментальные методы эллипсометрического контроля сверхмалых толщин в изделиях современных нанотехнологий являются актуальными, а их дальнейшее развитие и совершенствование — важным и своевременным.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скалецкая, Ирина Евгеньевна, 2008 год

1. R.W.Pohl. Optik und atomphysik. /М. 1966, 55 р.

2. Пришивалко А.П., Гусак Г.М., Оничек И.А. Таблицы коэффициентов Френеля для поглощающих сред. /ЮиС, 1961, т.11, № 3, с. 555.

3. Тимофеева Н.Ф. Исследование оптических поверхностных свойств стекла//ЖЭТФ ,1936, т.6, вып.1, с. 71- 92.

4. Скалецкая И. Е. ВВЕДЕНИЕ В ПРИКЛАДНУЮ ЭЛЛИПСОММЕТРИЮ. Учебное пособие по курсу «ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ». Часть 2. Свойства решений ОУЭ для однородных слоев. СПб: СПбГУИТМО. 2007 г. 172 с.

5. Свешников Г.В., Кольцов С.И., Алесковский В.В. Исследование многослойных систем на поверхности кремния методом эллипсометрии. /Современные проблемы эллипсометрии (под ред. Ржанова A.B.), Новосибирск, 1980, с. 141 145.

6. Морозов В.Н. Теоретическое исследование возможностей эллипсометрических методов в спектроскопии НПВО. / Современные проблемы эллипсометрии(под ред. Ржанова A.B.), Новосибирск, 1980, с. 176 -179.

7. Пеньковский А.И. Эллипсометриееские измерения при НПВО./Современные проблемы эллипсометрии (под ред. Ржанова A.B.), Новосибирск, 1980, с. 179 184.

8. I.Skaletskaja, N.Varkentina, E.Skaletskij. Optical analogue of effect Yonede.// ISIST, Harbin IT, 2004, file 2-1040.

9. Скалецкая И.Е., Крутицкая Т.К., Холмогоров B.E., Бармасов A.B. Эллипсометрический контроль ВИЧ. Автоволны в ВИЧ-тест-системах/ / Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация, 2007, № 2.

10. ИНТЕРНЕТ 2007. http://wvm.jobinyvon.ru/rudivisions/TFilms/ellipsometer.htm

11. Топорец A.C. Оптика шероховатых поверхностей. /Л. «Машиностроение», 1988.

12. Степанов Б.И. Спектроскопия светорассеивающих сред. / М. ,1963, 213 с.

13. Бекман П. Рассеяние на сложных неровных поверхностях. ТИИЭР, 1965 г., №2, с. 1158.

14. Фунт А.К. Рассеяние и деполяризация электромагнитных волн на * шероховатой поверхности. ТИИЭР 1967 г., №3, с.67.

15. Beckmann P. Depolarization by scattering from random rough surfaces. 1973.

16. Соболев С.Л. Волновое уравнение для неоднородной среды. ДАН, 1930,7.

17. Прокопенко В.Т. с сотр. Цифровой автоматический фотометр-поляриметр //ПТЭ, 1982, №6, с. 206-207. Рефрактометр-поляриметр.//А.с.№1569914, приоритет от 08.07.96.

18. Прокопенко В.Т. с сотр. Эллипсометр. //A.c. № 1410636, приоритет от 19.05.86

19. Прокопенко В.Т., Алексеев С.А., Трофимов В.А. Устройство визуализации состояния поляризации лазерного излучения //Вторая Всесоюзная конференция "Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицине" от 13-16 июня 1976 г. М.

20. Бернинг П.Х. Теория и методы расчёта оптических свойств тонких плёнок. /М.: «Мир» в кн. «Физика тонких плёнок», т.1, 1967.

21. М.И.Скалецкая, Г.Т. Петровский и др. О нетрадиционной интерпретации решений прямой задачи эллипсометрии для двух простейших моделей. // ДАН СССР, т.249, № 2, с. 355-358, 1979 г.

22. ХаррикН. Спектроскопия внутреннего отражения. /М. «Мир», 1978.

23. Yonede Y. Nomalous surface reflaction of X-rays // Phys.Rev., 1963, v.131, n.5, p.2010-17.

24. Rassow J. Die anwendung des normierten Vasicek Verfalirens bei nichtabsorbieren Ei nfachanfdampsch ichten auf Glastragern. //Z. Physik, 1962, Rd 170, N4, s.376.

25. Vasicek A. Dunne Schichten fur die Optik. // "Czech. J. Phys.", v. 16, N1, p.70, 1996.

26. Турьянский А.Г. Особенности рассеяния рентгеновских лучей поверхностью твёрдых тел при малых углах. //МФТИ, канд.дисс. ф.-м.н., 1977.

27. М.М.Горшков, Эллипсометрия. /М. Радио. 1974, 200 с.

28. J. N. Hilfiker, C.L. Bungay, R.A. Synowicki, Т. E. Tiwald, С. M. Herzinger, В Johs, G. К. Pribil, and J. A. Woollam. Progress in spectroscopic ellipsometry: Applications from vacuum ultraviolet to infrared. // J. Vac. Sci. Technol. A, 2003, 21, 4

29. J. A. Woollam. Ellipsometry, Variable Angle Spectroscopic, Chapter out of Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. / Editor: John G. Weber. John Wiley and Sons, Inc. New York, NY, (2000).

30. A. Kasic, M. Schubert, S. Einfeldt, D. Hommel, and Т. E. Tiwald. Free-carrier and phonon properties of n- and p-type hexagonal GaN films measured by infrared ellipsometry. I I Phys. Rev. B, 62 (2000) 7365-7377.

31. McCKrackin G.L. Fortran programme for analysis of ellipsometer measurtment.//Nat. Bur. Stand., 1969, p.479.

32. Archer R. J. Ellipsometry. / Chicago, Gaertner sci. corp., 1968.

33. Conference on Ellipsometry. I./Simposium proceedings. Washington, 1963. -"Nat. Bur. Stand.", 1964, vol.256.

34. Conference on Ellipsometry. IL/Simposium proceedings. Nebraska, 1968. "Serf. Sci.", 1969, vol.16, 452 p. Nebraska, 1975. -"Serf. Sci.", 1976, vol.56, 518 p

35. Современные проблемы эллипсометрии./Отв. ред. А.В.Ржанов. -Новосибирск: Наука, 1980, 192 с.

36. II Всесоюзная конференция «Эллипсометрия метод исследования физико-химических процессов на поверхности твёрдых тел»./ Отв. ред. К.К.Свиташов. - Новосибирск: ИФП СО АНСССР, 1981, 146 с.

37. Эллипсометрия метод исследования поверхности./Новосибирск, 1983.

38. II Всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнологии». /Хилово, 24-29 сент. 2003.

39. Роль современных оптических методов в исследовании наноструктур композиционных материалов. /Семинар НИИГ им. А.П.КарпинскогоДб ноября 2007.

40. Azzam R.M., Bashara N.M. Ellipsometry and polarized light./Nebraska, Engineering Center, Lincoln, USA, 1976, 532 p.

41. INTERNET (2007) http://academic.ru/mise/enc3p.nsf/byID/NT00040

42. INTERNET (2007) http://lord.phys.msu.su

43. INTERNET (2007) http://library.mephy.ru

44. INTERNET (2007) http://srcc.msu.su/lem/sVoronov.htm

45. А.С.Тибилов, Е.С.Кулик. Импульсный эллипсометр с электрооптической модуляцией. / П Всесоюзная конференция «Эллипсометрия метод исследования физико-химических процессов на поверхности твёрдых тел». Н., 1981, с.131.

46. М.И.Скалецкая, Г.Т.Петровский и др. О возможности применения метода эллипсометрии к исследованию прозрачных оптических материалов. /Оптика твёрдого тела. Москва, ФТИ, 1093, с.143 155.

47. P.Drude.//Wied.Ann. 1889, п. 36, р.532; у.1891, п.43, р.126.

48. P.Dmde.//Lehrburch der Optik, Leipzig, 1906, p.272.

49. Либенсон M. H„ Груздев В. Е./Ю и С. 1997, т. 82, № 5, с. 813 816.

50. А.К.Звездин, В.А.Котов. Магнитооптика тонких плёнок./М., Наука, 1988, 190 с.

51. Stoks G.//Trans. Cambr. Phyl. Soc. 1852, n. 9, p. 339.

52. М.А.Андрева, Р.Н.Кузьмин. Мёссбауэровская оптика./МГУ, 1982, 227 с.

53. Л.М.Асиновский, В.А.Толоконников. Критерии качества измерительных поляризационных систем и их оптимизация./Л., ИАП АНСССР, 1988, препринт №Ю.

54. Н.М.Кожевников, С.В.Кружалов, Л.Н.Пахомов. Импульсный поляриметр для лазерных исследований.//Квавнтовая Электроника. Труды ЛПИ 1975, №344, 33 -38.

55. К.В.Киселёва, А.Г.Турьянский. Исследование природы аномального отражения рентгеновских лучей. //Препринт ФИАН, 1979, № 34, с. 2 30.

56. К.В.Киселёва, Ю.В.Милютин, А.Г.Турьянский. Способ контроля плотности поверхностного слоя твёрдых тел. //A.c. № 609079 по кл. Gl-23/20, 1976. Препринт ФИАН, 1976, № И, с. 10 -13.

57. Фёдоров Ф.И. Оптика анизотропных сред. /Минск. АНБССР, 1958, 380 с.

58. Артюшков И.А., Кожевников И.Г. //Препринт ФИАН, 1988, № 213, с.46.

59. Abhyan Kar K.D., Fimat A.L. Realations between the elements of the phase matrix for scattering.//J.Math.Phys. 1969, N 10, p.1935 1938/

60. Vetury R., Ashok J. Tables for the ellipsometric calkulations.//Indien J. ure Appl. Phys. 1972, v.19, N/11, p.834.

61. Ibrahim M.M., Bashara N.M. Parameter-correlation and computertional consideration in multiple-angle ellipsometry.//J.Opt.Amer. 1971, v.61, N.12, p.1622.

62. Application of IR variable angle spectroscopic ellipsometry to the determination of free carrier concentration depth profiles. Authors: Т. E. Tiwald,

63. D. W. Thompson, J. A. Woollam, W. Paulson, and R. Hance IIThin Solid Films, 313-314 (1998) 661-666.

64. Optical investigations of mixed-phase boron nitride thin films by infrared spectroscopic ellipsometry Authors: M. Schubert, E. Franke, H. Neumann, T.

65. E. Tiwald, D. W. Thompson, J. A. Woollam, and J. Hahn.// Thin Solid Films, 313-314(1998) 692-696.

66. M. Эмото M. Послания воды. Тайные коды кристаллов льда./ София, 2006, 95 с.

67. Москалёв В.А., Нагибина И.М., Полушкина Н.А., Рудин В.Л. Прикладная физическая оптика./С-Пб, Политехника, 1995, 528 с.

68. Довгалюк Ю.А., Ивлев Л.С. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. //СПб: изд. СПб Университета, 1998.

69. Пришивалко А.П. Отражение света от поглощающих сред./Минск, 1963.

70. Пахомов А.Г., Константинова А.Ф., Посыльный В .Я., Кожурин А.А. Определение оптических постоянных одноосных криталлов методом эллипсометрии./В кн. «Ковариантные методы в теоретической физике». Минск, 1981, с. 147- 155.

71. К. Борен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. /М. «Мир», 1986, 660 с.

72. А.Хансен, В.Тривс. /ЮС, № 16, 1974 г. с.527 610.

73. John A. Woollam, Blain Johs, Craig M. Herzinger, James N. Hilfiker, Ron Synowicki, and Corey Bungay. / Overview of Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE), Part I: Basic Theory and Typical Applications. SPIE Proceedings, CR72, (1999) 29-58.

74. Blain Johs, John A. Woollam, Craig M. Herzinger, James N. Hilfiker, Ron Synowicki, and Corey Bungay. / Overview of Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE), Part II: Advanced Applications. SPIE Proceedings, CR72, (1999).

75. Hoffman D.M., Doll G.L., Eklund P.L. // Phys. Rev. B,1984,v.30, N.10, p.6051- 6956.

76. Henke B.L., Lee P., Tanaka T.J.//Atomic Data and Nuclear Data, 1982, v.27, p.1-144.

77. Б.Н. Шарупин. Структура и свойства пиронитрида бора. //Сб.ст. «Химическое газофазное осаждение тугоплавких неорганических материалов». Л. ГИПХ, 1975, с. 66-100.

78. М.С. Нахмансон, В.П. Смирнов //ФТТ, 1971, т. 13, № 8, с. 3288 -3292.

79. Лукирский А.П. Развитие методов ультрамягкой рентгеновской спектроскопии и исследование различных спектров./Дисс. на соиск. докт. физ-мат Н.//ЛГУ. Л. 1964 г.

80. Ершов O.A. Отражение УМРИ и связь коэффициентов отражения с коэффициентами поглощения./ Дисс. на соиск. канд. физ-мат Н.//ЛГУ. Л. 1966 г.

81. Т. Е. Tiwald, D. W. Thompson, J. A. Woollam, and S. V. Pepper. Determination of the mid-IR optical constants of water and lubricants using IR ellipsometry combined with an ATR cell. I I Thin Solid Films, 1998, 313-314 , 718721.

82. Franenfelder H., Nagle D.E., Taylor D.E., Cochran D.R.E.,Visscher W.M. Elliptical Polarization of Fe57 Gamma Rays//Phys.Rev., 1962, N 126, p. 10651075.

83. В.И. Гольдянский. Эффект Мёссбауэра и его применение в химии. /М. АНСССР, 1963г.

84. A.B. Виноградов.//ЖЭТФ, 1985, т. 89, с. 2124 -2130; 1988, т. 94, № 4, с. 205-214.

85. Hogrefe H., Kung C.//DESY-SR/ 1986, N 13, p. 37.

86. А.П. Хусу, Ю.Р. Виттенберг, В.А. Пальмов. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход. /М., «Наука», 1975, 343 с.

87. A.A. Кучин, К.А. Обрадович. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. /Л., «Машиностроение», 1981, 197 с.

88. Hess В., Brand К., Рус К. //Biochem. and Byophys. Res. Communie. 1964, V. 26, p. 182.

89. Жаботинский A.M. Колебательные химические реакции в гомогенной среде и смежные проблемы .//В сб. «Колебательные процессы в биологических и химических системах»./М. «Наука», 1967, с. 149.

90. Lotka A. J. Elements of physical biology./Baltimora, 1925.

91. Г.Т. Петровский. Цветное оптическое стекло и особые стёкла. Каталог./М. 1990.

92. В.К. Громов. Введение в эллипсометрию./Л. ЛГУ, 1986, 191 с.

93. Прокопенко В.Т., Скалецкая И. Е. Новые инвариантные величины в эллипсометрическом методе исследований. ИЗВ. ВУЗОВ. Приборостроение. СПбГУИТМО. 2008. Т. 51, № 7. с. 60 65.

94. Скалецкая И. Е. Оптические константы чистой воды // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Исследования в области приборостроения. Выпуск 26. / Глав. Ред. д.т.н., проф. Васильев В.И. СПб: СПбГУИТМО, 2006 г., с. 25-33.

95. Ржанов A.B., Свиташев К.К., Семененко А.И. и др. Основы эллипсометрии./Новосибирск, «Наука», 1979. 424 с.