La elipsometría espectroscópica es una técnica óptica no destructiva, sin contacto y no invasiva que se basa en el cambio en el estado de polarización de la luz al ser reflejada oblicuamente desde una muestra de película delgada. La elipsometría utiliza un enfoque basado en modelos para determinar los espesores de la rugosidad de la película fina, la interfaz y la superficie, así como las propiedades ópticas (¡y mucho más!) para películas delgadas con un grosor que varía desde unos pocos A hasta varias decenas de micras.
Además, la elipsometría espectroscópica puede realizarse tanto ex situ como in situ, en modo estático o cinético, para diversas necesidades de aplicación.
Fig.1: Montaje óptico de la serie UVISEL.
La elipsometría espectroscópica mide ψ y Δ, ambas describen el estado de polarización elíptica de salida después de que la luz polarizada linealmente se refleje oblicuamente en una muestra de película delgada.
Los parámetros ψ y Δ están relacionados con los coeficientes complejos de reflexión de Fresnel según a: ρ = tan ψ eiΔ = rp / rs. Tras recoger ψ y Δ, debe construirse un modelo que represente la estructura de la película delgada para determinar el grosor y/o las constantes ópticas.
Normalmente, los elipsómetros no miden directamente ψ y Δ. En su lugar, miden funciones de ψ y Δ. En el caso de elipsómetros modulados en fase, como el UVISEL PLUS y UVISEL 2, las tres medidas medibles son: Is, Ic e Ic', que son funciones de ψ y Δ según Is = sin2ψ.sin Δ, Ic = sin 2ψ cos Δ e Ic' = cos 2ψ. Cuando se combinan, Is e Ic proporcionan una medición precisa de Δ en todo el rango de 0° a 360° y Is e Ic' proporcionan una medición precisa de ψ en todo el rango de 0° a 90°.
Elipsometría espectroscópica ex situ.
Es importante señalar que la elipsometría espectroscópica es una técnica indirecta que no mide directamente el grosor de la película delgada y/o las propiedades ópticas. Para determinar el grosor de la película delgada y/o propiedades ópticas, debe emplearse un enfoque basado en modelos. La elipsometría espectroscópica ex situ permite caracterizar una variedad de propiedades de películas finas, incluyendo grosor de capa, rugosidad superficial, grosor de interfaz, constantes ópticas, composición, banda prohibida, composición, cristalinidad, gradación, anisotropía y uniformidad por profundidad y área. También puede utilizarse para calcular el factor de despolarización y los coeficientes de la matriz de Mueller.
La elipsometría espectroscópica in situ puede utilizarse para determinar parámetros de nucleación y crecimiento, propiedades ópticas precisas sin rugosidad superficial significativa ni óxidos, y perfiles de crecimiento de la película.
Es importante señalar que la elipsometría espectroscópica es una técnica indirecta que no mide directamente el grosor de la película delgada y/o las propiedades ópticas. Para determinar el grosor de la película delgada y/o propiedades ópticas, debe emplearse un enfoque basado en modelos. Además del grosor de la película fina y las propiedades ópticas, la elipsometría espectroscópica in situ también puede utilizarse para determinar parámetros de nucleación y crecimiento, propiedades ópticas precisas sin rugosidad superficial significativa ni óxidos, y perfiles de crecimiento de la película.
Dado que la elipsometría es un enfoque basado en modelos, es útil saber algo sobre tu muestra (número de capas, materiales, etc.). Sin embargo, si se sabe poco o nada sobre la muestra, aún puede estudiarse mediante elipsometría, siempre que sea una capa simple sobre un sustrato conocido. La elipsometría también puede utilizarse para determinar las propiedades ópticas del sustrato si su material es desconocido.
La polarización puede describirse como una superposición de dos ondas ortogonales.
La polarización se define por la orientación y la fase del vector de campo eléctrico. Podemos describir la polarización como una superposición de dos ondas ortogonales. El estado de polarización más general, conocido como elíptico, permite una diferencia de fase arbitraria y amplitudes relativas arbitrarias de las dos ondas ortogonales.
La polarización circular es un caso especial de polarización elíptica. Para obtener polarización circular, las dos ondas ortogonales deben estar desfasadas 90° y tener amplitudes iguales.
Dos casos especiales de polarización elíptica se conocen como polarización circular y lineal. Para obtener polarización circular, las dos ondas ortogonales deben estar desfasadas 90° y tener amplitudes iguales.
La polarización lineal es un caso especial de polarización elíptica. Para obtener polarización lineal, las dos ondas ortogonales deben estar en fase, pero pueden tener amplitudes arbitrarias.
Para obtener polarización lineal, las dos ondas ortogonales deben estar en fase, pero pueden tener amplitudes arbitrarias.
Imágenes tomadas de Fujiwara, H. "Principios y aplicaciones de la elipsometría espectroscópica," John Wiley and Sons, 2007.
Las propiedades ópticas se componen de dos componentes: el índice de refracción y el coeficiente de extinción. El índice de refracción, denotado por n, es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el material. El coeficiente de extinción, denotado por k, está relacionado con la pérdida por absorción en el material. Juntos, estos dos componentes forman el índice de refracción complejo, dado por N = n-ik, que describe la interacción de la radiación electromagnética con los materiales (cambio de velocidad y pérdida por absorción).
