LT4709B

PLONOS SKAIDRIOS PLĖVELĖS OPTINIŲ KONSTANTŲ NUSTATYMO BŪDAS

A METHOD FOR MEASURING OPTIC CONSTANTS OF A THIN LIMPID PELLICLE

Referatas

[LT] Plonos skaidrios plėvelės ant kristalinio pagrindo optinių konstantų nustarymo būdas priklauso optikos sričiai ir gali būti pritaikytas kristalų optinių savybių tyrimui. @Matavimo schemą sudaro pažeisto visiško vidaus atspindžio prizmė (1), uždėta ant plonos skaidrios plėvelės (2) susiformavusios ant skaidraus arba neskaidraus izotropinio arba anizotropinio pagrindo (3). Iš monochromatoriaus nukreipto į prizmę spindulio kampu O ir atsispindėjusio spindulio nuo prizmės kelyje pastatytas refraktometras (4) su skaičiavimo įrenginiu. Refraktometro (4) pagalba matuojami monochromatinės šviesos s ir p poliarizacijų energetiniai atspindžio koeficientai RSS ir RPP.

[EN] The method of optical constants determination of a thin limpid pellicle on the crystal foundation relates to the sphere of optics. It can also be adapted to the analysis of optical characteristics in crystals. The measurement scheme consists of a prism with damaged total reflection (fig.1), laid on the thin limpid pellicle (2) that formed itself on the limpid and opaque isotropical or anisotropical foundation (3). A monochromator (it is not demonstrated at the figure) is turned to a prism by radius angle O. On the way of radius reflected from the prism, a refrectometer (4) with a measuring mechanism is constructed. With a help of refrectometer (4) energetical reflection coeficients Rss and Rpp of s and p poliarizations of monochromatic light can be measured.

Aprašymas

[0001] Išradimas priklauso optinei spektroskopijai ir gali būti pritaikytas kristalų optinių savybių tyrimui.

[0002] Nustatyti plonos ir skaidrios pieveles storį d ir lūžio rodiklį «2 galima elipsometrijos pagalba. Matuojame atsispindėjusios šviesos elipsinius parametrus A ir T, kurių pagalba gali būti nustatytas s ir p poliairzacijų monochromatinės bangos X atspindžio amplitudžių rs ir rp

[0003]

Surišant A ir V su «2 ir d per rp ir , esant dviem kritimo kampams 0j ir 02 , gaunama dviejų lygčių sistema, kurią sprendžiant randamas lūžio rodiklis «2 ir redukuotas plėvelės storis dr = d / A ( R.M.A. Azzam, N.M. Bashara. Ellipsometry and polarized light.// North --Holland Publishing Company, Amsterdam - Ne\v York - Oxford, 1977.- P.583 ). Tačiau lygčių sistemos
sprendimas yra komplikuotas, daugelyje atvejų nuo pradinės n 2 vertės priklauso konvergencijos greitis ir rezultato tikslumas. Žinomas plonos skaidrios plėvelės parametrų n 2 ir dr nustatymo būdas, matuojant atsispindėjusios šviesos elipsometrinius parametrus A ir !P, žinant 9 ( D.Charlot and A.Maruani. Ellpsometric data processing: an efficient method and an analysis of the relatyve errors.// Optics-1987 -V.24, Nr.20.- P. 3368 - 3373(1985) ). Šis būdas leidžia išvengti suskaičiuotų dydžių ir dr reikšmių stiprios priklausomybės nuo pradinių šių dydžių verčių, gerai konverguoja ir leidžia, sąlyginai nesudėtingo skaičiavimo pagalba, nustatyti rezultatų ( Ū2 , dr ) jautrio priklausomybę nuo eksperimentiniu būdu gautų parametrų 9 , A ir reikšmių. Šiame metode nustatomas ? sprendžiant netiesinę lygtį , kurios savybės leidžia panaudoti suprastintą skaitmeninį skaičiavimą. Redukuotą plėvelės storį dr surandame sprendžiant kitą vieno kintamojo lygtį, kurioje dydis n2 yra parametru. Toks būdas leidžia, atlikus nesudėtingus matematinius skaičiavimus, parinkti optimalias eksperimentinių parametrų vertes. Šis plonojo paviršinio sluoksnio optinių parametrų nustatymo būdas turi eilę trūkumų: 1. Reikalingas sudėtingas ir brangus elipsometro įrenginys. 2. Matavimo būdas leidžia nustatyti /?2 ir dr , sprendžiant vieno kintamojo lygtis, tik jeigu pagrindas yra izotropinis.

[0004] Išradimo tikslas sumažinti plonos plėvelės ant įvairaus skaidrumo pagrindo lūžio rodiklio «2 ir redukuoto storio dr matavimo paklaidas ir sutrumpinti jų matavimų laiką.

[0005] Siūlomame plonos skaidrios plėvelės ant kristalinio pagrindo optinių konstantų nustatymo būde tikslas pasiekiamas taip: žinant šviesos spindulio kritimo kampą 0, matuoja atsispindėjusios šviesos parametrus ir iš jų matematinėmis operacijomis apskaičiuoja plonos skaidrios plėvelės optines konstantas. Nauja tai, kad matuojant refraktometru monochromatinės šviesos S ir p poliarizacijų energetinius atspindžio koeficientus Rss ir Rpp , uždėjus ant plonos plėvelės su įvairaus skaidrumo izotropiniu arba anizotropiniu pagrindu pažeisto visiško vidaus atspindžio skaidrią prizmę su žinomu lūžio rodikliu Hį , nustato plėvelės lūžio rodiklį ri2-

[0006] Tokiu būdu matuojant nustatomos atskirai skaidrios plėvelės ?2 ir dr ir jų paklaidos, pagal kurias surandamas optimalus spindulio kritimo kampas 8.

[0007] 1.Pagrindas gali būti įvairaus skaidrumo, izotropinis ąr anizotropinis (vienaašis kristalas); 2. Matuodami tik atspindžio koeficientus Rss ir Rpp pažeisto visiško vidaus atspindžio sąlygomis leidžia nustatyti n2 ir dr su santykine paklaida, neviršijančia 10"4; 3. Nereikalingas brangus ir sudėtingas elipsometrinis įrenginys; 4. Pasiūlytas plonų plėvelių parametrų n 2 ir dr skaičiavimo būdas, sprendžiant dvi vieno kintamojo lygtis, sudaro galimybes iš esmės pagreitinti šių parametrų reikšmių nustatymo procesą; parametrų n2 ir dr skaičiavimas pasidaro visiškai patikimas, supaprastėja siūlomo būdo tiksluminių charakteristikų įvertinimas.

[0008] Išradimas iliustruojamas brėžiniais, kuriuose vaizduojama: fig. 1 - išradimo matavimo schema, fig. 2 - plonos plėvelės lūžio rodiklio n2 matavimo paklaidos priklausomybės nuo spindulio kritimo kampo 0 diagrama.

[0009] Matavimo schemą sudaro pažeisto visiško vidaus atspindžio prizmė 1 (fig. 1), uždėta ant plonos skaidrios plėvelės 2, susiformavusios ant skaidraus arba neskaidraus izotropinio arba anizotropinio pagrindo 3. Iš monochromatoriaus ( brėžinyje neparodyta) nukreipto į prizmę spindulio kampu 0 ir ątsispindėjusio nuo jos kelyje pastatytas ręfraktometras 4 su skaičiavimo įrenginiu. Refraktomętro 4 pagalbą matuojami monochromatinės šviesos s ir p poliarizacijų energetiniai atspindžio koeficientai Rss ir Rpp .

[0010]

kur y — exp ( 2i ( 3 )- exp ( / — A7 - d yj n j — nį sinQl ), r 12 , r 21 - atsispindėjusios šviesos nuo atitinkamų (fig. I) skiriamųjų ribų Frenelįo koefįcijentaį, P = ( i ~/ r \* d ^ n ] - n ] sindl ), o energetiniam atspindžio koeficientui R galiojo lygtis

[0011] Jeigu ri \ sinOj <ri2 , tai r 12 — Re ( r 12 ) ■ Pasinaudodami lygtimi , vietoje ( 2 ), gaunane

[0012]

kur p23 = / r23 Į - Pažymėję
lygti (1) perrašysime pavidale
Kadangi, remiantis (4 ) a - c * , tai
Plėvelės redukuotas storis dr įeina į parametro y išraišką ( 1 ) . Matuodami dviejose statmenose šviesos poliarizacijose, ir remiantis ( 5 ), gauname dviejų lygčių sistemą
Kadansi skaidriai plėvelei ///^ 1, tai iš ( 8 ) gauname dydį

[0013] kuris esant tiksliai žinomoms vertėms Uj , k į , ri2 ir n \ yra lygus nuliui. ( 9 ) lygtyje neįeina plėvelės storis d . Iš (9)galima rasti plėvelės o plėvelės storį č/r randame, įstatę reikšmę į vieną iš lygčių ( 7).

[0014] Jeigu pagrindas yra anizotropinis kristalas, kurio optinė ašis turi laisvą orientaciją, sistemos pagrindas - plėvelė, atspindžio matricos diagonaliniai nariai Tss ir Tpp yra:

[0015] fps = ^P5.25 - Frenelio šviesos atspindžio koeficientai nuo atitinkamų skiriamųjų ribų

[0016] (% 1-)

[0017]

Kadangi COS 2 y — 2COs2y - /, tai
Perrašome (11) pavidale

[0018] n . 2 , o po to ir dr , randami sprendžiant ( 12 ) lygtį. Neskaidriam kristalui tinka ( 12 ) tipo lygtis su nariu COS Ą y .

[0019] Siūlomo būdo galimybių atskleidimui išnagrinėta modelinės plonos plėvelės, esančios CaC03 kristalo paviršiuje, lūžio rodiklio Yl} ir redukuoto storio dr nustatymo paklaidų priklausomybė nuo spindulio kritimo kampo 0. Matuojant atspindžio koeficientus Rss ir Rpp , spindulio kritimo kampo reikšmė buvo parenkama iš skaičiuojamo dydžio 5a2 = bnĮ + bd} minimumo sąlygos. Skaičiavimai parodė, kad optimalios matuojamų parametrų sąlygos priklauso nuo kristalinio pagrindo optinės ašies orientacijos ir jo anizotropiškumo n0 - ne reikšmės («o - paprastojo spindulio lūžio rodiklis, nc - nepaprastojo spindulio lūžio rodiklis). Skaičiuojant plėvelės «2 ir dr nustatymo paklaidas, buvo pasirinktos matuojamų atspindžio koeficientų ir spindulio kritimo kampo tokios paklaidų maksimalios reikšmės: 6R = 0,005; 50 = 10;/. Spindulio apertūros kampo A ir kristalinio pagrindo optinės ašies orientaciją nustatančių kampų y ir co paklaidos buvo tokios: 8A = 3O"''; 8y = 5co = 2° Skaičiavimai atlikti kristaliniam pagrindui, kurio lūžio rodikliai nQ =1,65, ne= 1,48 ir sugerties rodikliai k0 — ks — 0,001. PWA prizmės lūžio rodiklis = 1^75.

[0020] Fig. 2 parodyta plėvelės lūžio rodiklio paklaidos 5priklausomybė nuo spindulio kritimo kampo 0, kai pagrindo optinė ašis yra statmena plėvelės paviršiui. Šio atveju atspindžio koeficientai Rss ir Rpp matuojami P V VA sąlygomis 0,5 % tikslumu. Plėvelės redukuotas storis dr buvo parinktas toks: 0,04 - kreivė 1; 0,08 - kreivė 2; 0,16 - kreivė 3. Pabrėžtina.kad kiekvienam plėvelės storiui minimalios paklaidos reikšmė yra tarp Briusterio ir visiško vidaus atspindžio kampo reikšmių. Mažėjant plėvelės storiui paklaidos 8rt? ( ° kartu ir 8dr) reikšmė auga. Be to, šis būdas panaikina paklaidas, susijusias su blogai apibrėžtų lygčių sprendimu.

Apibrėžtis

Plonos skaidrios plėvelės ant kristalinio pagrindo optinių konstantu nustatymo būdas, kai žinant šviesos spindulio kritimo kampą 8 , matuoja atsispindėjusios šviesos parametrus ir iš jų apskaičiuoja plonos skaidrios plėvelės optines konstantas, besiskiriantis tuo, kad matuojant refraktometru monochromatinės šviesos s ir p poliarizacijų energetinius atspindžio koeficientus R$ s ir Rpp , uždėjus pažeisto visiško vidaus atspindžio skaidrią prizmę su žinomu lūžio rodiklių ant plonos plėvelės su įvairaus skaidrumo izotropiniu arba anizotropiniu pagrindu, nustato plėvelės lūžio rodiklį M?.

Brėžiniai