Pomiary Optyczne w Fotonice

Politechnika
Wrocławska

Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki

Opracował:

Konrad Ptasiński

Klasyfikacja metod pomiarowych półprzewodników

elektryczne

•

metody mostkowe

•

sonda cztero- i dwuostrzowa

•

sonda „gorąca”

•

analiza CV i ECV

•

spektroskopia głębokich poziomów
(DLTS)

optyczne

•

profilometria

•

elipsometria

•

mikroskopia

•

spektroskopia UV, VIS, IR, Far IR

•

fotoluminescencja

•

pomiary absorpcji, odbicia

•

LBIC

magnetyczne

•

oparte o efekt Halla

•

elektronowy rezonans
paramagnetyczny (EPR)

•

rezonans cyklotronowy

dyfrakcyjne

•

dyfraktometria rentgenowska (XRD)

•

mikroskopia elektronowa

•

LEED, RHEED

chemiczne

•

analiza chemiczna

Konrad Ptasiński

Profilometria optyczna

Profilometr - urządzenie pomiarowe służące do pomiaru
profilu powierzchni.

Badane parametry:

•

falistość,

•

chropowatość,

•

okrągłość,

•

walcowatość,

•

prostoliniowość,

•

płaskorównoległość

•

wymiary geometryczne

Optyczne metody detekcji profilu:

•

metoda drgającego obiektywu

•

triangulacja laserowa

•

metoda przekroju świetlnego

•

metoda interferencyjna

Konrad Ptasiński

Profilometr optyczny - interferencyjny

Konrad Ptasiński

Profilometr optyczny - interferencyjny

Interferometr Mirau

Interferometr Michelsona

10X, 20X, 50X

5X, 2.5X

Konrad Ptasiński

Profilometr optyczny - interferencyjny

Podstawowe trudności:

•

Względnie długi czas pomiaru.

•

Utrudnione pomiary powierzchni silnie absorbujących światło

(ceramika, moduły fotowoltaiczne)

•

Problemy przy pomiarach elementów o skrajnie różnych

współczynnikach odbicia (srebro na ceramice)

•

Pomiar stromych uskoków ograniczony przez aperturę

stosowanego obiektywu.

Zastosowanie:

•

Pomiar trójwymiarowych parametrów geometrycznych.

•

Dokładne pomiary niewielkich powierzchni.

•

Mapowanie skomplikowanych struktur.

•

Pomiary powierzchni wrażliwych na uszkodzenia mechaniczne.

•

Pomiary grubości cienkich warstw optycznych.

Konrad Ptasiński

mgr inż. Konrad Ptasiński

Profilometr stykowy - zasada działania

Indukcyjny przetwornik pomiarowy

głowica pomiarowa:
• wbudowany przetwornik
indukcyjny lub piezoelektryczny.
• ostrze diamentowe
(od kilku

µ

m do kilku mm)

Pomiar:
• przesunięcie głowicy wzdłuż
mierzonej powierzchni
• zarejestrowanie jej odchyleń
pionowych.

Konrad Ptasiński

Profilometr stykowy - podsumowanie

Podstawowe trudności:

•

Promień zaokrąglenia wierzchołka głowicy powoduje

pominięcie mniejszych wgłębień.

•

Sprężyste i plastyczne odkształcenia spowodowane naciskiem

sondy pomiarowej

•

Rysowanie powierzchni przedmiotów o małej twardości

•

Nierównomierności prędkości przesuwu.

Zastosowanie:

•

Szybki pomiar liniowych parametrów geometrycznych

(chropowatość, wysokość schodka, itp.)

•

Pomiar dużych lub wyraźnie zaokrąglonych powierzchni

•

Szybkie pomiary dużej ilości próbek.

•

Pomiary powierzchni o nieskomplikowanych profilach.

Konrad Ptasiński

Elipsometria – podstawy

• Światło jako fala elektromagnetyczna:

o

wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego

o

opis przy pomocy równań Maxwella

• Dla nieuporządkowanego rozkładu drgań wektorów E i H mamy do

czynienia ze światłem

niespolaryzowanym

• Przy całkowitym lub częściowym uporządkowaniu drgań jednego z

wektorów dochodzi do

polaryzacji

fali

Polaryzacja światła

Konrad Ptasiński

Elipsometria – podstawy

• Sposoby polaryzacji:

o

źródło wykonujące drgania w jednym kierunku

o

selektywne pochłanianie lub rozpraszanie

o

odbicie od ośrodka przezroczystego (kąt Brewstera)

o

dwójłomność

• Rodzaje polaryzacji

światła:

o

Liniowa (A)

o

Kołowa (B)

o

Eliptyczna (C)

(A)

(B)

(C)

Konrad Ptasiński

Elipsometr – zasada działania

• Elipsometria wykorzystuje światło spolaryzowane do

charakteryzacji cienkich warstw

• Poprzez pomiar zmian polaryzacji światła odbitego od

powierzchni możliwe jest wyznaczenie grubości cienkich
warstw (t) oraz stałych optycznych (n i k)

Konrad Ptasiński

Elipsometr – zasada działania

Zmiany polaryzacji światła dla określonej konfiguracji

długość fali – kąt padania

są opisane poprzez parametry:

•

Delta (∆)

∆ = δ

1

– δ

2

•

Psi (Ψ)

( )

ρ

=

=

⋅

Ψ

∆

s

p

i

R

R

e

tan

Fundamentalne
równanie elipsometrii

Na podstawie
równań

Fresnela

tworzony jest model
mierzonego
materiału

Na podstawie zmierzonych parametrów Delta (∆) oraz Psi (Ψ)
wyznaczana jest grubość warstw oraz współczynnik załamania.

Konrad Ptasiński

Elipsometria – podsumowanie

Pomiary elipsometryczne vs. proste pomiary transmisyjne i
odbiciowe:
1. Pomiar elipsometrem jest definiowany jako „stosunek” – brak

wrażliwości na zmiany natężenia światła.

2. Informacje fazowe powodują zwiększenie czułości aż do

ultra-cienkich warstw (sub-nanometrowe grubości)

3. Elipsometr mierzy 2 wielkości ∆ i Ψ dla każdej długości fali –

podwojenie informacji pomiarowych w porównaniu do
prostych pomiarów odbiciowych i transmisyjnych.

Badane parametry:

•

współczynnik załamania warstw

•

grubość warstw (w tym cienkich filmów)

•

chropowatość

•

jednorodność

•

skład

Konrad Ptasiński

Mikroskopia optyczna

Schemat układu optycznego mikroskopu świetlnego

Konrad Ptasiński

Mikroskopia optyczna

Kryterium Rayleigha

– określenie zdolności rozdzielczej

elementów i układów optycznych

Obrazy dwóch różnych punktów są uważane za oddzielne, gdy główne
maksimum dyfrakcyjne pierwszego obrazu pokrywa się z minimum obrazu
drugiego

Konrad Ptasiński

Mikroskopia optyczna

Zdolność rozdzielcza mikroskopu

– najmniejsza, wzajemna

odległość l czarnych linii rozdzielanych przez oko w sensie
Rayleigha

Dla obiektywu pracującego w świetle monochromatycznym:

NA

l

λ

⋅

=

61

,

0

gdzie

α

sin

⋅

=

n

NA

Jeżeli apertury numeryczne (NA) kondensora i obiektywu są
różne, to:

Kon

Ob

NA

NA

l

+

⋅

=

λ

22

,

1

Konrad Ptasiński

Mikroskopia optyczna

Metody badań mikroskopowych:
1. W jasnym polu widzenia.
2. W ciemnym polu widzenia.
3. W świetle spolaryzowanym.
4. Z kontrastem fazowym i interferencyjnym.
5. Przy podwyższonych i obniżonych temperaturach.
6. Fluorescencyjne.
7. W promieniowaniu IR.

Badane parametry:
-topologia powierzchni
-wymiary geometryczne
-stan powierzchni

Konrad Ptasiński

Spektroskopia

Spektroskopia

to dziedzina nauki, która obejmuje metody badania

materii przy użyciu

promieniowania elektromagnetycznego

, które

może być w danym układzie wytworzone (emisja) lub może z tym
układem oddziaływać (absorpcja).

Najczęściej za podstawę podziału spektroskopii przyjmuje się następujące
kryteria:
1. zakres promieniowania elektromagnetycznego,
2. właściwości układów materialnych,
3. metoda otrzymywania widma, związana z formą wymiany energii między
promieniowaniem i materią.

Konrad Ptasiński

Spektroskopia

Podział spektroskopii według zakresu promieniowania:

− spektroskopia kosmiczna

10

-5

– 10

-3

Å

− spektroskopia gamma

10

-3

– 1 Å

− spektroskopia rentgenowska

1 – 10

2

Å

− spektroskopia optyczna

a) w bliskim i próżniowym nadfiolecie

100 – 300 nm

b) w zakresie widzialnym

360 – 800 nm

c) w bliskiej, średniej, dalekiej podczerwieni

0,8 – 15 µm

− radiospektroskopia

a) w zakresie mikrofalowym

0,03 - 100 cm

b) w zakresie krótkofalowym

10 - 100 m

c) w zakresie długofalowym

100 - 4000 m

Konrad Ptasiński

Spektroskopia

Podział spektroskopii według rodzajów układów, których widma
badamy

, jest znacznie ważniejszy, ponieważ dotyczy istoty,

badanych w spektroskopii procesów. Z tego punktu widzenia,
można rozróżnić następujące działy:
1) Spektroskopia jądrowa
2) Spektroskopia atomowa
3) Spektroskopia molekularna, ze szczególnym uwzględnieniem
spektroskopii układów skondensowanych obejmujących złożone
związki organiczne, związki kompleksowe, itp.

Konrad Ptasiński

Spektroskopia

Podział spektroskopii według metod otrzymywania widma.

W zależności od metody otrzymywania rozróżniamy trzy rodzaje
widm: absorpcyjne, emisyjne i Ramanowskie. W związku z tym
rozróżniane są działy spektroskopii:
1) Spektroskopia absorpcyjna,
2) Spektroskopia odbiciowa (w tym modulacyjna s.o.)
3) Spektroskopia emisyjna,
4) Spektroskopia Ramanowska.

Konrad Ptasiński

Spektroskopia

Konrad Ptasiński

Prawo Lamberta – Beera

Dla

równoległej

ściśle

monochromatycznej

wiązki

promieniowania

elektromagnetycznego, w przypadku nieabsorbującego rozpuszczalnika, kiedy brak jest
jakichkolwiek oddziaływań między cząsteczkami substancji absorbujacej czy też między
cząsteczkami tej substancji i rozpuszczalnika:

absorbancja A jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy

absorbującej l

lc

I

I

A

ε

=

=

1

0

log

e

log

⋅

=

α

ε

ε

- molowy współczynnik ekstyncji

α

- molowy współczynnik absorpcji zwany poprawnie absorbancją molową

Spektroskopia

Prawo addytywności absorbancji

dotyczy roztworów i mieszanin wieloskładnikowych. Wyraża ono
absorbancje całkowitą środowiska, A, jako sumę niezależnych
absorbancji poszczególnych składników (A

1

, A

2

, .....A

n

)

∑

=

=

+

+

+

=

n

i

i

n

A

A

A

A

A

1

2

1

....

Konrad Ptasiński

Spektroskopia FTIR

Konrad Ptasiński

Spektroskopia fourierowska w podczerwieni - FTIR

Interferometr Michelsona

-dwa zwierciadła ustawione pod kątem prostym
-zwierciadło półprzepuszczalne rozdziela
promieniowanie na dwie wiązki
-wiązki odbite od zwierciadeł interferują
-kompensator wyrównuje drogi optyczne w
ramionach interferometru

Przemieszczenie x ruchomego zwierciadła
powoduje zwiększenie różnicy dróg
optycznych o wielkość 2x.

λ

π

δ

x

4

=

Spektroskopia FTIR

Konrad Ptasiński

Spektroskopia FTIR

Konrad Ptasiński

Część promieniowania IR trafia poprzez zwierciadło półprzepuszczalne do
zwierciadła nieruchomego, stamtąd po odbiciu do detektora. Druga część zaś
trafia do zwierciadła ruchomego, skąd po odbiciu również trafia do detektora.
Różnica dróg optycznych obu wiązek wynosi 2x. Laser He-Ne używany jest
jako monochromatyczne źródło odniesienia. Wiązka lasera kierowana jest do
interferometru

w

kierunku

przeciwnym

do

biegu

promieniowania

podczerwonego.

Spektroskopia FTIR

Konrad Ptasiński

Ponadto można wyznaczyć parametry półprzewodników:
-energia płytkich domieszek,
-koncentracja domieszki,
-masa efektywna
-ruchliwość nośników
-grubość struktur wielowarstwowych.

Szczegółowo badać można również drgania sieci krystalicznej.
Istotne znaczenie ma także kontrola obecności takich domieszek jak węgiel i
tlen w podłożach krzemowych.

Za pomocą spektroskopii
fourierowskiej można określić

charakterystykę absorpcji

badanego półprzewodnika.

Refraktometria

Konrad Ptasiński

Prawo Snella

Promień załamany, promień padający i normalna poprowadzona w
punkcie załamania leżą w jednej płaszczyźnie, a stosunek sinusa
kąta padania α do sinusa kąta załamania β jest wielkością stałą i
jest równy stosunkowi prędkości światła v

1

i v

2

w tych ośrodkach.

2

1

sin

sin

v

v

=

β

α

1

1

v

c

n

=

2

2

v

c

n

=

1

2

sin

sin

n

n

=

β

α

Refraktometria

Konrad Ptasiński

Dyspersja

- fale o różnych częstotliwościach

mają różną prędkość w danym ośrodku.

Kąt padania α

gr

, przy którym

promień załamany biegnie pod
kątem prostym –

kąt graniczny

,

a odpowiadający mu promień –

promień graniczny

Dyspersja, kąt graniczny i promień graniczny.

2

1

sin

n

n

gr

=

α

Refraktometria

Konrad Ptasiński

Refraktometr Abbego.

-Kostka złożona z dwóch pryzmatów (n rzędu 1,7)
-Matowa powierzchnia przeciwprostokątna pryzmatu rozprasza światło do
płaskorównoległej warstwy badanej substancji
-Na granicy badanej substancji i pryzmatu P2 promienie ulegają załamaniu i do
pryzmatu wchodzi wiązka ograniczona promieniem granicznym
-Położenie granicy pól jasnego i ciemnego zależy od kąta granicznego, a ten
współczynnika załamania badanej substancji.

Refraktometria

Konrad Ptasiński

Badane parametry:
-Współczynnik załamania substancji pomiędzy pryzmatami,
-Dyspersja średnia,
-oraz ich zależności od temperatury.

Dziękuję za uwagę.

Politechnika
Wrocławska

Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki

Pomiary optyczne w fotonice - Konrad Ptasiński