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Ellipsometrie


Messprinzip

Die Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren zur Untersuchung von Oberflächen und oberflächennahen Schichten. Das Grundprinzip der Ellipsometrie ist, dass polarisiertes Licht an der zu vermessenden Probe reflektiert wird, und man aus der resultierenden Änderung des Polarisationszustandes des Lichts Rückschlüsse auf optische und strukturelle Eigenschaften der Probe zieht.

Die Änderung des Polarisationszustandes wird durch die beiden Reflexionskoeffizienten


und


beschrieben. Die ellipsometrische Messgröße lautet


Dabei beschreibt Ψ die Änderung der Amplitude und Δ die Änderung der Phase infolge der Reflexion an der Probe. Die Interpretation dieser Messdaten erfolgt über eine Modellrechnung, bei der die experimentell direkt zugänglichen, aber abstrakten Messgrößen Ψ und Δ in solche Größen umgerechnet werden, die unmittelbar physikalisch interpretierbar sind (z.B. Dicke und Brechungsindex einer Beschichtung).

Messaufbau

Bei dem hier eingesetzten Ellipsometer (Multiskop, Optrel, Kleinmachnow, Deutschland) handelt es sich um ein Null-Ellipsometer mit variablem Einfallswinkel bei konstanter Wellenlänge. Null-Ellipsometrie bedeutet, dass zu einer gegebenen Probe gerade derjenige im Allgemeinen elliptische Polarisationszustand des einfallenden Lichts erzeugt wird, der sich durch die Reflexion an der Probe in einen linearen Polarisationszustand umwandelt. Der Name Null-Ellipsometrie rührt daher, das das reflektierte linear polarisierte Licht in einem Polarisationsfilter ausgelöscht und an einem dahinter liegenden Detektor gerade Null Intensität registriert wird. Das Ellipsometer wird in der sogenannten PCSA-Konfiguration betrieben. Das bedeutet, das das vom Laser ausgehende Licht die optischen Elemente des Ellipsometers in der Reihenfolge Polarisator (P), Kompensator (C), Probe (Sample, S) und Analysator (A) durchläuft und seine Intensität anschließend im Detektor registriert wird. Bei dem Polarisator und dem Analysator handelt es sich um Glan-Thompson-Prismen, welche als Polarisationsfilter dienen. Der Kompensator ist eine λ/4-Verzögerungsplatte, deren Funktion ist es, die Phase zwischen der s- und der p-polarisierten Komponente des einfallenden linear polarisierten Lichts um einen festen Wert (π/2) zueinander zu verschieben. Speziell bei der Null-Ellipsometrie in PCSA-Konfiguration existieren sehr einfache Zusammenhänge zwischen den Winkeleinstellungen der optischen Achsen von Polarisator P und Analysator A, die zu einer Auslöschung des Lichts führen, und den ellipsometrischen Winkel Ψ und Δ. Es gelten beispielsweise für den Fall, dass die optische Achse des Kompensators um -45° zur Einfallsebene geneigt ist die Beziehungen Δ = 2P + 90° und Ψ = A.

Messaufbau


© 16 Jun 2010, Peter Nestler