elipsometre - polymer.hacettepe.edu.tr
advertisement
ELİPSOMETRE Teknik bilgi 1. Elipsometre nedir? 2. Madde ışık etkileşimi 3. Elipsometre ölçümü SC610 elipsometre 1. Sistem bileşenleri 2. Kullanıcı arayüzü 3. Modelleme ve modeller Teknik bilgi 1.Elipsometre nedir? Elipsometre, ışığın bir malzemeden geçmesi veya yansıması sırasında kutuplanmasında(polarization) oluşan değişikliği ölçer. Kutuplanmadaki değişim genlik oranı Ψ ve faz değişimi Δ ile ifade edilir. Elde edilen veriler her bir malzemenin optik özelliklerine ve ölçülen filmin kalınlığına bağlıdır. Böylelikle elipsomtre film kalınlığı tayininde ve malzemelerin optik sabitlerinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir. Bununla beraber, elipsometre malzemelerin bileşiminin, kristalleşme seviyesinin, pürüzlüğünün ve katkılama oranının belirlenmesinde de kullanılabilir. 2. Madde ışık etkileşimi Işık uzayda yol alan bir elektromanyetik dalga olarak tanımlanabilir. Yani uzayda salınan manyetik ve elektrik alanların birleşimi olarak düşünülebilir. Ancak elipsometre için sadece elektrik alanın salınımının incelenmesi yeterlidir. Bir elektromanyetik dalganın elektrik alanının yönü daima ilerleme yönüne dik yöndedir. Bu sayede z yününde ilerleyen bir elektromanyetik dalga x ve y bileşenleri cinsinden tanımlanabilir. Işığın x ve y bileşenleri ve fazı tamamen rasgele olduğu durumda ışığa kutuplanmamış ışık denir. Kutuplanmış Işık Her noktasında belirli bir yönelim ve şekil gösteren ışığa kutuplanmış ışık denir. Doğrusal kutuplanmış ışık X ve y bileşenleri aynı fazda olan ışık. Dairesel kutuplanmış ışık X ve y bileşenleri aynı büyüklükte ama aralarında 90 derece faz farkı olan ışık Eliptik kutuplanmış ışık x ve y bileşenlerinin büyüklüğü ve faz farkı rasgele bir değere sahip olan ışık. En genel kutuplanmış ışık türüdür ve bizim yöntemimize adını veren de bu eliptik kutuplanmış ışıktır. Işığın Maddeyle etkileşimi Maddenin ışıkla etkileşimini tanımlamak için kullanılan kırma indisi Şeklinde tanımlanır. Burada k sönüm katsayısı n ise ışığın boşluktaki hızı ile maddedeki hızı arasındaki orandır. Yüzeye gelen ışığın bir kısmı şekildeki gibi geldiği açıyla yansır bir kısmı ise kırılarak malzemenin içinde hareketine devam eder. Kırılan ışığın yeni yönelimi ifadesinde tanımlandığı şekilde olur. Bir yüzeye gelen ışığın yatay bileşeninin yansıması ile dikey bileşeninin yansıması farklı olur. Aynı şekilde kırılmaları da farklı olacaktır. Bir ince filmin üst yüzeyinden yansıyan ışık ile alt yüzeyinden yansıyan ışık üst üste binerek nihai yansımış ışığı oluşturacaktır. Böylece filmin kalınlığıyla da orantılı bir şekilde yatay bileşenlerin büyüklüğü ile dikey bileşenlerin büyüklüğü değişerek kutuplanmış ışığın eliptik şekli yön değiştirecektir. Elipsometre ölçümü Ölçüm alınacak yüzeye doğrusal kutuplanmış ışık gönderilerek yansıyan ışığın kutuplanması ölçülür. Buradan yola çıkılarak ışığın yansımasından sonra yatay ve dikey bileşenlerdeki değişiklik ve faz farkı değişimi bulunabilir. Bu değişiklik ifadesiyle gösterilir. Buradan yola çıkılarak malzemenin optik sabitlerinin bilinmesi durumunda film kalınlığı, film kalınlığının bilinmesi durumunda da optik sabitleri bulunabilir. Elipsometrenin kullanım amacı da budur. SC610 Elipsometre SC610 elipsometre sistemi aşağıdaki bileşenlerden oluşmaktadır Bilgisayar Kontrol kutusu Elipsometre 1. 2. 3. 4. 5. Incident arm (gelen ışık kolu) Exit arm (yansıyan ışık kolu) Sample stage (örnek rafı) Aligment laser arm (hizalama lazeri kolu) Goniometer(açıölçer) Sistemin blok gösterimi Elipsometrenin görünümü Kullanıcı ara yüzü Sistemin yazılımı, donanımı kontrol eden bölüm ve veri analizi yapan bölüm olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır. Kullanıcı ara yüzü ise hardware, experiment, model, graph, generation, ve fit olmak üzere 6 pencereden oluşmaktadır. Hardware Penceresi Window>hardware seçeneğinden hardware penceresini açabilirsiniz. File 1. Save as 2. Print 3. Print preview 4. Print setup 5. Exit – – – – – – – – View Toolbar Status bar Calibration First withhout sample calibration With sample calibration Experiment Start experiment Adjust stage Stop Initialization Display – – – – – – – – – – Wavelength Wavenumber Psi Delta Tan(psi) Cos(delta) E1 E2 n k Exit about Experiment Data Window Deneyin yapıldığı penceredir. Bu penceredeki seçenekler yandaki resimde görünmektedir. Model Window Ellipsometre ölçümlerinin analizinin yapılabilmesi için ölçülen örneğin bir modelinin oluşturulması gerekmektedir. Modelleme bu pencerede yapılmaktadır Generation window Bu pencere eldeki modele göre veri üretmeye yarar. Graph window Generation window aracılığıyla üretilen verilerle deney sonucu elde edilen verilerin eğrilerinin çizildiği ve kıyaslanabildiği penceredir. Fit Window Bu pencere “normal fit” işleminin yapıldığı penceredir. Bu fit işleminin sonucu statistics menüsünden görülebilir. Modelleme Ve Modeller Elipsometre ile ölçüm alınabilmesi için önce ölçüm yapılacak olan örneğin bir modelinin oluşturulması gerekmektedir. Bu model örnekteki katmanların kalınlığı ve optik parametreleri girilerek oluşturulmaktadır. Model oluşturmada kullanılacak katmanlar iki yolla modele eklenebilir. – Önceden hazırlanmış olan hazır dosyalardan seçerek – Yeni bir katman modeli oluşturarak İzlenecek yol Menu sekmesinden new model seçilir Layer sekmesinden add layer 1. 2. seçilir Eklenecek katman 3. 1. 2. Data from file seçeneğinden yazılımın önceden sunduğu hazır katmanlar kullanılabilir. Diğer katman modelleri seçilerek yeni bir katman modeli oluşturulabilir. Modeller Cauchy model EMA model Lorentz model Void model User programmable model Couchy model Bu model özellikle saydam (transparent) katmanlar için uygundur Add layer sekmesinden couchy model seçildiğinde karşınıza gelecek olan pencerede katmanı oluşturan malzemenin altı parametresini girmeniz gerekmektedir. Bunlar An, Bn, Cn extinction coefficient apmlitude a , exponent factor b, band edge g. Bu değerlerin literatürden bulunması gerekmektedir. Bunun dışında katmanın tahmini kalınlığı da girilmelidir. EMA model Birden fazla bileşeni olan malzemelerin modellenmesinde kullanılır. Lorentz model Malzemenin bir osilator olduğu varsayımından yola çıkılarak oluşturulan modeldir. Girilmesi gereken parametreler; Ak, Bk, Ek ve hn Void model Bütün dalga boyları için değişmeyen optik sabitlere sahip olan maddeleri modellemek için kullanılır. Örneğin havanın bütün dalga boyları için n=1 dir. User programmable model Kullanıcının kendi modelini oluşturması için sunulan seçenektir. Bu modelde nerdeyse her türlü değişiklik yapılabilir. Experiment sekmesinden start experiment seçilerek elipsometrenin veri almaya başlaması sağlanır. Veri alma işlemi bittikten sonra fit işlemi yapılarak sonuca ulaşılır. Eklenen her bir katmanın kalınlığını tahmini olarak kullanıcı girdiğinden bu kalınlıklar değiştirilerek en gerçekçi sonuca ulaşılır. Bu işlem yapılırken generation window sekmesinde elde edilen modele en uygun üretilen verilerin deneyle elde edilen verilerle uyuşması sağlanana kadar model üzerinde değişiklikler yapılır. Nihai sonuçta generation data grafiği ile experiment data grafiği uyumlu olmalıdır.
