Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии

Ранее было выдвинуто предположение, что локализованные дефекты при определенных условиях могут не влиять на эллипсометрические данные. Целью работы является проверка этой гипотезы путем проведения систематических исследований влияния дефектов в форме параллелепипедов различных размеров на эллипсомет...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радіофізика та електроніка
Date:	2014
Main Authors:	Беляева, А.И., Галуза, A.A., Киселев, В.К., Коленов, И.В., Савченко, А.А., Кулешов, Е.М., Серебрянский, С.Ю.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2014
Subjects:	Микроволновая и терагерцевая техника
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106053
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии / А.И. Беляева, A.A. Галуза, В.К. Киселев, И.В. Коленов, А.А. Савченко, Е.М. Кулешов, С.Ю. Серебрянский // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 1. — С. 66-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106053
record_format	dspace
spelling	Беляева, А.И. Галуза, A.A. Киселев, В.К. Коленов, И.В. Савченко, А.А. Кулешов, Е.М. Серебрянский, С.Ю. 2016-09-15T17:00:35Z 2016-09-15T17:00:35Z 2014 Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии / А.И. Беляева, A.A. Галуза, В.К. Киселев, И.В. Коленов, А.А. Савченко, Е.М. Кулешов, С.Ю. Серебрянский // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 1. — С. 66-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106053 681.785.35:621.378.029.65 Ранее было выдвинуто предположение, что локализованные дефекты при определенных условиях могут не влиять на эллипсометрические данные. Целью работы является проверка этой гипотезы путем проведения систематических исследований влияния дефектов в форме параллелепипедов различных размеров на эллипсометрические данные. C помощью созданного терагерцевого эллипсометра, работающего на длине волны λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабное моделирование влияния дефектов, характерных для поверхности, подвергнутой радиационному распылению, на результаты эллипсометрического эксперимента в оптическом диапазоне. Такая большая рабочая длина волны позволяет формировать на поверхности дефекты заданной формы и размеров и исследовать их влияние на эллипсометрические параметры. Приведено описание эллипсометра, а также результаты систематических исследований влияния различных дефектов на поверхности материала с сильным поглощением на данные эллипсометрии. Впервые экспериментально доказано, что локализованные дефекты, сравнимые по размеру с длиной волны, могут быть «невидимыми» для эллипсометрической методики. Раніше було висунуто припущення, що локалізовані дефекти за певних умов можуть не впливати на еліпсометричні дані. Метою роботи є перевірка цієї гіпотези систематичними дослідженнями впливу дефектів у формі паралелепіпедів різних розмірів на еліпсометричні дані. За допомогою побудованого терагерцового еліпсометра, що працює на довжині хвилі λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабне моделювання впливу дефектів, характерних для поверхні, що зазнала впливу радіаційного розпорошення, на результати еліпсометричного експерименту в оптичному діапазоні. Настільки велика робоча довжина хвилі дозволяє формувати на поверхні дефекти заданої форми й розмірів і дослідити їх вплив на еліпсометричні параметри. Наведено опис еліпсометра, а також результати систематичних досліджень впливу різних дефектів на поверхні матеріалу з сильним поглинанням на дані еліпсометрії. Уперше експериментально доведено, що локалізовані дефекти, порівняні за розміром з довжиною хвилі, можуть бути «невидимими» для еліпсометричної методики. Previously, it has been suggested that localized defects under certain conditions may not affect the ellipsometric data. The purpose of this work is to test this hypothesis by conducting systematic studies of the influence of defects in the form of parallelepipeds of various sizes on the ellipsometric data. Scale modeling of influence of defects typical for surface subjected to radiation sputtering on ellipsometric experiment results in the optical range has been performed using developed terahertz ellipsometer that operates at wavelength λ = 2.2 mm (0.14 THz). Such a large operating wavelength allowed to form on the surface defects of a given shape and size and to investigate their impact on the ellipsometric parameters. A description of the ellipsometer, and the results of systematic studies of the influence of various defects on the surface of the material with strong absorption data ellipsometry are presented. It is first experimentally proved that localized defects of comparable size to the wavelength can be "invisible" for ellipsometry. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Микроволновая и терагерцевая техника Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии Квазіоптичне масштабне моделювання впливу локалізованих дефектів поверхні металів на дані оптичної еліпсометрії Quasioptical scale modeling of metal surface localized defects influence on optical ellipsometry data Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
spellingShingle	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии Беляева, А.И. Галуза, A.A. Киселев, В.К. Коленов, И.В. Савченко, А.А. Кулешов, Е.М. Серебрянский, С.Ю. Микроволновая и терагерцевая техника
title_short	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
title_full	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
title_fullStr	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
title_full_unstemmed	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
title_sort	квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии
author	Беляева, А.И. Галуза, A.A. Киселев, В.К. Коленов, И.В. Савченко, А.А. Кулешов, Е.М. Серебрянский, С.Ю.
author_facet	Беляева, А.И. Галуза, A.A. Киселев, В.К. Коленов, И.В. Савченко, А.А. Кулешов, Е.М. Серебрянский, С.Ю.
topic	Микроволновая и терагерцевая техника
topic_facet	Микроволновая и терагерцевая техника
publishDate	2014
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Квазіоптичне масштабне моделювання впливу локалізованих дефектів поверхні металів на дані оптичної еліпсометрії Quasioptical scale modeling of metal surface localized defects influence on optical ellipsometry data
description	Ранее было выдвинуто предположение, что локализованные дефекты при определенных условиях могут не влиять на эллипсометрические данные. Целью работы является проверка этой гипотезы путем проведения систематических исследований влияния дефектов в форме параллелепипедов различных размеров на эллипсометрические данные. C помощью созданного терагерцевого эллипсометра, работающего на длине волны λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабное моделирование влияния дефектов, характерных для поверхности, подвергнутой радиационному распылению, на результаты эллипсометрического эксперимента в оптическом диапазоне. Такая большая рабочая длина волны позволяет формировать на поверхности дефекты заданной формы и размеров и исследовать их влияние на эллипсометрические параметры. Приведено описание эллипсометра, а также результаты систематических исследований влияния различных дефектов на поверхности материала с сильным поглощением на данные эллипсометрии. Впервые экспериментально доказано, что локализованные дефекты, сравнимые по размеру с длиной волны, могут быть «невидимыми» для эллипсометрической методики. Раніше було висунуто припущення, що локалізовані дефекти за певних умов можуть не впливати на еліпсометричні дані. Метою роботи є перевірка цієї гіпотези систематичними дослідженнями впливу дефектів у формі паралелепіпедів різних розмірів на еліпсометричні дані. За допомогою побудованого терагерцового еліпсометра, що працює на довжині хвилі λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабне моделювання впливу дефектів, характерних для поверхні, що зазнала впливу радіаційного розпорошення, на результати еліпсометричного експерименту в оптичному діапазоні. Настільки велика робоча довжина хвилі дозволяє формувати на поверхні дефекти заданої форми й розмірів і дослідити їх вплив на еліпсометричні параметри. Наведено опис еліпсометра, а також результати систематичних досліджень впливу різних дефектів на поверхні матеріалу з сильним поглинанням на дані еліпсометрії. Уперше експериментально доведено, що локалізовані дефекти, порівняні за розміром з довжиною хвилі, можуть бути «невидимими» для еліпсометричної методики. Previously, it has been suggested that localized defects under certain conditions may not affect the ellipsometric data. The purpose of this work is to test this hypothesis by conducting systematic studies of the influence of defects in the form of parallelepipeds of various sizes on the ellipsometric data. Scale modeling of influence of defects typical for surface subjected to radiation sputtering on ellipsometric experiment results in the optical range has been performed using developed terahertz ellipsometer that operates at wavelength λ = 2.2 mm (0.14 THz). Such a large operating wavelength allowed to form on the surface defects of a given shape and size and to investigate their impact on the ellipsometric parameters. A description of the ellipsometer, and the results of systematic studies of the influence of various defects on the surface of the material with strong absorption data ellipsometry are presented. It is first experimentally proved that localized defects of comparable size to the wavelength can be "invisible" for ellipsometry.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106053
citation_txt	Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии / А.И. Беляева, A.A. Галуза, В.К. Киселев, И.В. Коленов, А.А. Савченко, Е.М. Кулешов, С.Ю. Серебрянский // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 1. — С. 66-73. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT belâevaai kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT galuzaaa kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT kiselevvk kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT kolenoviv kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT savčenkoaa kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT kulešovem kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT serebrânskiisû kvazioptičeskoemasštabnoemodelirovanievliâniâlokalizovannyhdefektovpoverhnostimetallovnadannyeoptičeskoiéllipsometrii AT belâevaai kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT galuzaaa kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT kiselevvk kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT kolenoviv kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT savčenkoaa kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT kulešovem kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT serebrânskiisû kvazíoptičnemasštabnemodelûvannâvplivulokalízovanihdefektívpoverhnímetalívnadaníoptičnoíelípsometríí AT belâevaai quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT galuzaaa quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT kiselevvk quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT kolenoviv quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT savčenkoaa quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT kulešovem quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata AT serebrânskiisû quasiopticalscalemodelingofmetalsurfacelocalizeddefectsinfluenceonopticalellipsometrydata
first_indexed	2025-11-27T08:29:19Z
last_indexed	2025-11-27T08:29:19Z
_version_	1850808897268350976
fulltext	ММИИККРРООВВООЛЛННООВВААЯЯ ИИ ТТЕЕРРААГГЕЕРРЦЦЕЕВВААЯЯ ТТЕЕХХННИИККАА ________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2014. Т. 5(19). № 1 © ИРЭ НАН Украины, 2014 УДК 681.785.35:621.378.029.65 А. И. Беляева1, A. A. Галуза2, В. К. Киселев3, И. В. Коленов2, А. А. Савченко1, Е. М. Кулешов3, С. Ю. Серебрянский3 1Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» 21, ул. Фрунзе, г. Харьков, 61002, Украина 2Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины 13, ул. Гуданова, г. Харьков, 61024, Украина 3Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, г. Харьков, 61085, Украина E-mail: aibelyaeva@mail.ru КВАЗИОПТИЧЕСКОЕ МАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ НА ДАННЫЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ Эллипсометрия – высокочувствительный, бесконтактный, неразрушающий метод исследования поверхностей и межфаз- ных границ, основанный на изучении изменения состояния поляризации зондирующей электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с границей раздела. Особую проблему при анализе эллипсометрических данных представляют дефекты поверх- ности, к которым можно отнести шероховатость, островковые пленки, регулярный рельеф, отдельные локализованные дефекты. На сегодняшний день не существует адекватных моделей, описывающих влияние локализованных дефектов поверхности на ре- зультаты эллипсометрических экспериментов. Ранее было выдвинуто предположение, что локализованные дефекты при опреде- ленных условиях могут не влиять на эллипсометрические данные. Целью работы является проверка этой гипотезы путем проведе- ния систематических исследований влияния дефектов в форме параллелепипедов различных размеров на эллипсометрические данные. C помощью созданного терагерцевого эллипсометра, работающего на длине волны λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено мас- штабное моделирование влияния дефектов, характерных для поверхности, подвергнутой радиационному распылению, на результа- ты эллипсометрического эксперимента в оптическом диапазоне. Такая большая рабочая длина волны позволяет формировать на поверхности дефекты заданной формы и размеров и исследовать их влияние на эллипсометрические параметры. Приведено описа- ние эллипсометра, а также результаты систематических исследований влияния различных дефектов на поверхности материала с сильным поглощением на данные эллипсометрии. Впервые экспериментально доказано, что локализованные дефекты, сравнимые по размеру с длиной волны, могут быть «невидимыми» для эллипсометрической методики. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр.: 12 назв. Ключевые слова: эллипсометрия, терагерцевый эллипсометр, масштабное моделирование, локализованные дефекты. Эллипсометрия – высокочувствительный, бесконтактный, неразрушающий метод исследо- вания поверхностей и межфазных границ, осно- ванный на изучении изменения состояния поля- ризации зондирующей электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с границей раздела [1]. На принципах эллипсометрии построены чувст- вительные бесконтактные методы исследований оптических и структурных параметров поверхности твердых тел и жидкостей, многослойных пленоч- ных систем, процессов абсорбции, коррозии и др. Результатом классического эллипсомет- рического эксперимента являются эллипсометри- ческие параметры (или углы) Ψ и Δ, которые ха- рактеризуют относительные изменения при отра- жении амплитуд (Ψ) и разности фаз (Δ) p- и s-компонент электромагнитной волны. Зависимость между оптическими посто- янными поверхности и эллипсометрическими углами устанавливается с помощью основного уравнения эллипсометрии ,tg S Pi R Re =Ψ= Δρ (1) где )(SPR – комплексные коэффициенты Френеля для p- и s-компонент. Так как эллипсометрия из- меряет отношение двух величин, а не их абсо- лютные значения, это очень точный и воспроиз- водимый метод, устойчивый к рассеянию и флук- туациям интенсивности зондирующего излуче- ния. Кроме того, он не требует контрольного об- разца или опорного измерительного канала, как это нужно, например, для измерения коэффи- циента отражения. Эллипсометрия является косвенной ме- тодикой, т. е. для определения искомых парамет- ров исследуемых объектов необходимо решить уравнение (1) относительно этих параметров. Конкретный вид правой части (1) определяется физической и математической моделями иссле- дуемой системы. На сегодняшний день выбор адекватной модели системы является основной проблемой при анализе эллипсометрического эксперимента. Как правило, исследователи ис- пользуют модель чистой поверхности или модель многослойной системы, состоящей из однородных плоскопараллельных слоев с резкой границей ме- жду ними [1]. В чистом виде подобные модели могут быть использованы без надлежащего обос- нования только в отдельных случаях. В большин- стве же реальных задач подобные планарные мо- дели могут рассматриваться только как прибли- жения. Особую проблему при анализе эллипсо- метрических данных представляют дефекты по- верхности, к которым можно отнести шерохова- А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 67 тость, островковые пленки, регулярный рельеф, отдельные локализованные дефекты (включения в материал других фаз, блистеринг, зерна и др. [2–6]). В настоящее время подобные системы описываются либо моделями эффективных сред (которые все равно сводятся к однородным плен- кам), либо случайными полями с некоторыми статистическими параметрами [2]. Практическую ценность на сегодня пред- ставляет только использование эффективных сред. При этом полностью отсутствуют модели, позволяющие учитывать локализованные дефек- ты, которые нельзя описать статистическими ме- тодами. Более того, нет даже четкого понимания, как те или иные типы дефектов влияют на вели- чины, измеряемые в эллипсометрическом экспе- рименте. Во многом это обусловлено тем, что создание модели поверхности оптического ка- чества с заранее хорошо известной структурой и параметрами дефектов крайне затруднительно, поскольку речь идет о субмикронах и даже нано- масштабах. Это делает проблематичным экспе- риментальное изучение влияния локализованных дефектов на эллипсометрические данные. В то же время потребность в подобных исследованиях существует. В частности, в наших предыдущих работах [3, 4] исследовались образ- цы вольфрама, распыленные ионами дейтерия, которые характеризовались высокой концентра- цией локализованных дефектов. Оказалось, что оптическая эллипсометрия практически не чувст- вует наличия подобных дефектов. Было сформу- лировано предположение, что при определенных соотношениях длины волны зондирующего излу- чения, размеров дефектов и их плотности эллипсо- метрия перестает их «замечать» (хотя коэффи- циент зеркального отражения падает значительно), так как основная часть энергии отражается от дефектов диффузно и не попадает в приемник [3, 4]. С другой стороны, при исследованиях образцов медных сплавов, подвергнутых анало- гичной обработке, которые также имели значи- тельное количество локализованных дефектов, было зафиксировано очень сильное влияние мор- фологии поверхности на эллипсометрические параметры [5, 6]. Более того, при определенных степенях воздействия были обнаружены «нетра- диционные» угловые зависимости параметра Ψ: характерный экстремум этой величины в области главного угла остается, но минимум сменяется максимумом (рис. 1, а). При этом наблюдалось изменение знака кривизны на угловой зависимо- сти Δ (рис. 1, б) и резкое увеличение значения параметра Ψ, особенно в области больших углов (рис. 1, а). Все обнаруженные особенности нельзя объяснить в рамках известных моделей шерохо- ватого слоя. Предложенные в работах [3–6] моде- ли являются разумными и физически обоснован- ными, но прямого подтверждения до сих пор не имели. 40 50 60 70 80 40 45 50 55 60 65 min Образец А исходный чистка 1 распыление 1 распыление 4 Ψ ,ο θ,ο max а) 40 50 60 70 80 40 60 80 100 120 140 160 Образец А исходный чистка 1 распыление 1 распыление 4 θ,ο Δ ,ο θгл б) Рис. 1. Угловые зависимости эллипсометрических параметров Ψ (а) и Δ (б) для образца низколегированного сплава системы Cu-Cr-Zr А (исходные и на разных стадиях обработки) [5] В связи со значительным прогрессом, достигнутым в развитии техники миллиметрового (λ = 1…3 мм) и субмиллиметрового (λ = 0,1…1 мм) диапазонов радиоволн, и открывающимися боль- шими возможностями применения их для иссле- дования широкого круга особенностей твердых тел (энергетического спектра сильно скореллиро- ванных систем, при решении задач дефекто- скопии, диагностики плазмы и др.) перспектив- ным становится развитие метода радиоволновой эллипсометрии [7, 8]. Среди многих возможнос- тей этого метода следует обратить внимание на практическую возможность с его помощью реа- лизовать модельные системы с идеальными гра- ницами раздела, что особенно важно для экспе- риментальной проверки теоретических результа- тов. Кроме того, возможно реализовать на прак- тике модели различных шероховатых поверхнос- А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 68 тей на миллиметровом уровне и с приемлемой точностью экспериментально проверить решения ряда принципиальных задач такого типа. Таким образом, развитие радиоволновой эллипсометрии не только расширяет круг задач, решаемых дан- ным методом, но и позволяет осознанно прово- дить дальнейшие исследования эллипсометрии оптического диапазона. В настоящей работе применен автомати- зированный квазиоптический терагерцевый нуль- эллипсометр для исследования материалов и сис- тем на частоте 0,14 ТГц (λ = 2,2 мм), практически недоступной для существующих аналогов. Тера- герцевая область, соответствующая частотам по- рядка 1 TГц, является очень неудобной, а часто и вовсе недоступной для проведения измерений с помощью стандартных спектроскопических ме- тодик. Здесь оказываются непригодными отра- ботанные методы соседних (по отношению к терагерцевому) СВЧ- и ИК-диапазонов [9, 10]. Поэтому в настоящее время в литературе практи- чески отсутствуют надежные количественные экспериментальные данные по оптическим свойст- вам материалов в диапазоне ∼0,1…20 TГц. При этом особенно труднодоступным является суб- терагерцевый диапазон (f < 1 TГц). Это обстоя- тельство стимулирует работу по совершенствова- нию известных и созданию новых электроскопи- ческих методов с целью освоения терагерцевой и субтерагерцевой областей [7]. Представленный вариант терагерцевого эллипсометра рассчитан на работу на длине вол- ны λ = 2,2 мм. Такая большая длина волны позво- ляет производить масштабное моделирование влияния различных поверхностных структур (как идеальных, так и дефектных) на эллипсометриче- ские параметры материалов. Представлены при- меры систематических исследований масштабно- го моделирования влияния различных дефектов на поверхности феррита (по оптическим парамет- рам – аналог функциональных металлов) – мате- риала с сильным поглощением на данные тера- герцевой эллипсометрии. 1. Экспериментальная методика и об- разцы. Терагерцевый нуль-эллипсометр. Тера- герцевый эллипсометр построен по схеме PCSA (Polarizer – Compensator – Sample – Analyzer) и реализует нулевую схему измерений в автомати- зированном режиме с использованием специаль- но разработанных аппаратных и программных средств. Выбор такой схемы эллипсометра обу- словлен возможностью достижения наилучших метрологических характеристик, а наличие ком- пенсатора позволяет исследовать не только по- глощающие образцы, но и прозрачные [1]. Терагерцевый нуль-эллипсометр создан на основе квазиоптической линии передачи – полого диэлектрического лучевода и комплекса квазиоптических устройств и компонентов для диапазона частот 0,1…1 ТГц, разработанных в Институте радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины [9, 10], где реализо- ван широкий комплекс квазиоптических луче- водных приборов и функциональных компонен- тов терагерцевого диапазона, которые могут ком- бинироваться различным образом для целе- направленного построения радиоизмерительных схем различного назначения. Квазиоптический тракт эллипсометра по- зволяет без каких-либо схемных и конструктив- ных изменений обеспечивать работу в широком диапазоне частот 0,1…1 ТГц при замене генера- тора и детектора. Кроме того, элементная база позволяет реализовать любую другую эллипсо- метрическую схему измерений. Созданный эллипсометр реализует нулевую четырехзонную методику измерений, что обеспечивает макси- мальную точность [1]. На рис. 2 показана квазиоптическая схе- ма терагерцевого нуль-эллипсометра. ___________________________________________ Рис. 2. Квазиоптическая схема терагерцевого нуль-эллипсометра ___________________________________________ Сигнал от генератора (ИП) выводится че- рез стандартный волновод и передается в квази- оптический лучеводный тракт посредством волно- водно-лучеводного перехода 1. Сигнал модулиру- ется механическим амплитудным модулятором 2. Аттенюатор 3 выполняет в схеме функцию линей- ПК P A S 1 3 2 4 5 6 7 8 θ ИП БС ШД1 ШД2 У Д А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 69 ного поляризатора, а также позволяет регулиро- вать амплитуду сигнала. Вращатель 4 поворачива- ет плоскость поляризации на произвольный угол P. Таким образом, в данной схеме функцию поляризатора с варьируемым азимутом выполняет пара элементов: собственно линейный поляризатор (как часть аттенюатора) и вращатель поляризации. Далее компенсатор 5 преобразует излучение в эл- липтически поляризованное, вводя сдвиг фазы 90° между ортогонально поляризованными компонен- тами. Измерительная ячейка, включающая в себя гониометр с держателем образца, обеспечивает необходимый угол θ падения излучения на уста- новленный в ней исследуемый объект S. Функцию анализатора выполняет пара элементов: вращатель плоскости поляризации 6, определяющий азимут анализатора A, и собственно анализатор 7. Такое устройство анализатора связано с поляризацион- ной чувствительностью детектора излучения (Д), в качестве которого используется диод Шоттки. По- сле детектора сигнал усиливается и демодулирует- ся селективным усилителем (У), затем через блок сопряжения (БС) поступает в компьютер (ПК). Все вращающиеся элементы оснащены шаговыми двигателями (ШД1 и ШД2) типа ДШИ-200-1, которые управляются ПК через спе- циальный интерфейс (БС). Поиск положения га- шения в четырех измерительных зонах выполня- ется автоматически. Система управления эллипсометром состоит из аппаратной и программной частей. БС состоит из двух модулей: АЦП и модуля управления шаговыми двигателями (аппаратная часть). Для оцифровки сигнала после усилителя используется 16-битный АЦП с частотой дискре- тизации 100 кГц. Блок сопряжения с двигателями состоит из блока питания и контроллеров управ- ления, которые поддерживают микрошаговый режим работы шаговых двигателей, что обеспе- чивает минимальный шаг поворота вала ∼0,02° и дает шаг позиционирования поляризатора и ана- лизатора ∼0,01°. Для управления эллипсометром разработано специальное алгоритмическое и программное обеспечение. Для тестирования эллипсометра был ис- пользован ряд образцов хорошо изученных мате- риалов, оптические константы которых в суб- терагерцевом диапазоне частот приведены в справочной литературе (тефлон (фторопласт-4), полистирен (полистирол), плексиглас, и эбонит). Поскольку коэффициент поглощения этих мате- риалов ,10 3 nk <<< − в нашем случае его можно положить равным нулю. Кроме того, был иссле- дован непрозрачный в этой области феррит марки Epcos № 87, для которого справочных данных нет. Для этих материалов измерялись угловые зависимости Ψ и Δ, на основе которых в модели чистой поверхности рассчитывались оптические константы – показатель преломления nэлл и коэф- фициент поглощения kэлл. Результаты измерений на частоте 0,14 ТГц (λ = 2,2 мм) представлены в таблице, где для сравнения приведены соот- ветствующие справочные данные (nспр) [11, 12]. Из таблицы видно, что nэлл и nспр совпадают с точностью ∼1,5 %. ___________________________________________ Результаты тестирования терагерцевого нуль-эллипсометра (λ = 2,2 мм) Материал nэлл nспр [10, 11] kэлл Rэлл Rрефл Тефлон (Фторопласт-4) 1,42 1,43 0 3 3 Плексиглас 1,56 1,60 0 5 7 Полистирен (полистирол) 1,57 1,59 0 5 5 Эбонит 1,69 1,67 0 7 9 Феррит Epcos № 87 6,20 – 4 63 62 ___________________________________________ Из полученных значений nэлл и kэлл был рассчитан энергетический коэффициент нор- мального отражения Rэлл [2]: ( ) ( ) . 1 1 2 элл 2 элл 2 элл 2 элл элл kn knR ++ +− = (2) Эти результаты также представлены в таблице, где в целях дополнительного контроля достовер- ности полученных данных приведены соответст- вующие значения коэффициента отражения Rрефл, измеренного независимо на рефлектометре для тех же образцов и на той же длине волны. Поскольку эллипсометрические и рефлектомет- рические данные полностью независимы, совпа- дение Rэлл и Rрефл с точностью до ∼1 % также под- тверждают достоверность значений оптических констант, полученных с помощью эллипсометра. Проведено исследование повторяемости и стабильности получаемых результатов, для чего одни и те же образцы измерялись многократно при разной температуре окружающей среды, после полной разборки/сборки установки, при разных направлениях вращения поляризующих элементов и т. д. Всего было проделано около 20 экспериментов, статистический анализ кото- рых показал, что даже при таких жестких усло- А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 70 виях тестирования разброс результатов не пре- восходит 0,05° и 0,1° для Ψ и Δ соответственно. Разработанный терагерцевый нуль- эллипсометр обладает рядом преимуществ: простота и надежность конструкции, относи- тельно низкая стоимость, удобство в эксплуата- ции, которые удалось получить благодаря ис- пользованию квазиоптической лучеводной эле- ментной базы. Модельные образцы. Материалом образ- цов для исследования в настоящей работе слу- жил феррит марки Epcos № 87. Выбор материала связан с тем, что его оптические свойства (см. таблицу) в рабочем терагерцевом спектраль- ном диапазоне близки свойствам металлов в опти- ческом диапазоне. Образцы представляли собой пластины размером 50×22 мм2 (при диаметре пучка 20 мм). В центре пластины располагался дефект в виде параллелепипеда с варьируемыми параметрами a, b, d (рис. 3). Рис. 3. Схематическое изображение образца для исследования с варьируемыми размерами a, b и d 2. Экспериментальные результаты. На рис. 4–6 представлены результаты систематиче- ских исследований влияния различных дефектов на поверхности материала с сильным поглощени- ем по данным терагерцевой эллипсометрии. При- ведены зависимости эллипсометрических пара- метров Ψ и Δ от угла падения зондирующего из- лучения. Размеры дефекта даны в формате dba ×× мм3 (рис. 3). Длина волны зондирующего излучения – λ = 2,14 мм (0,14 ТГц). Каждая кри- вая получена для образца с дефектом, имеющим определенные геометрические размеры a, b и d. На рис. 4 толщины дефектов d = 4 мм одинаковы для серий кривых на каждом рисунке, изменялись только размеры a и b. Из рис. 4 оче- видно, что влияние локализованных дефектов, размер которых превосходит длину волны в не- сколько раз, на эллипсометрические параметры Ψ и Δ значительно и нетривиально: наличие на по- верхности прямоугольного дефекта размером 9×5×4 мм3 или 5×9×4 мм3 приводит к качествен- ному изменению характера угловых зависимос- тей )(θΨ и )(θΔ по сравнению с чистой поверх- ностью и 5×5×4 мм3, которые в этом случае име- ют не классический вид. Зависимость )(θΨ не имеет в этом случае минимума, а )(θΔ становит- ся существенно немонотонной (см. рис. 4). Такой характер «неклассичности» наблюдался нами ранее для образцов меди с локализованными де- фектами при их исследовании методами оптиче- ской эллипсометрии (рис. 1) [5, 6]. 40 45 50 55 60 30 35 40 45 Ψ , ο θ, ο чистая поверхн. 5×5×4 9×5×4 5×9×4 а) 40 45 50 55 60 160 165 170 175 180 Δ, ο θ, ο чистая поверхн. 5×5×4 9×5×4 5×9×4 б) Рис. 4. Угловые зависимости эллипсометрических параметров Ψ и Δ для чистой поверхности феррита и для поверхности с дефектами разных размеров, но одинаковой толщины Таким образом, получено подтверждение модели, предложенной в работах [5, 6], согласно которой обнаруженный в них «неклассический» ход угловых зависимостей )(θΨ и )(θΔ может быть связан с наличием локализованных дефек- тов, размер которых в несколько раз превосходит длину волны зондирующего излучения. Как видно из рис. 4, влияние подобных дефектов не только значительно, но и нетри- виально. Например, поворот 9×5×4 мм3 на 90° (5×9×4 мм3) в плоскости образца качественно 50 b a d 22 20 6 А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 71 меняет ход зависимостей )(θΨ и )(θΔ , причем, как показали эксперименты, характер изменений будет иным для других линейных размеров де- фекта. Более того, оказывается, что ориентация дефекта может оказывать большее влияние, чем изменение его размеров. При этом, несмотря на сильное качест- венное влияние дефекта на ход зависимостей )(θΨ и )(θΔ , они количественно остаются близ- кими к соответствующим зависимостям для чис- той поверхности либо даже осциллируют относи- тельно них. Это дало основание предположить, что при уменьшении дефекта, начиная с некото- рого конечного размера, он может перестать быть «видимым» для эллипсометрии. Для уменьшения количества параметров на данном этапе исследо- вался квадратный образец 5×5 мм2, толщина ко- торого постепенно уменьшалась (4; 2,5; 1,4 мм). Зависимости )(θΨ и )(θΔ для некоторых значе- ний толщины образца приведены на рис. 5. 40 45 50 55 60 30 35 40 45 Ψ , ο θ, ο чистая поверхн. 5×5×4 5×5×2,5 5×4×1,4 а) 40 45 50 55 60 160 165 170 175 180 Δ , ο θ, ο чистая поверхн. 5×5×4 5×5×2,5 5×4×1,4 б) Рис. 5. Угловые зависимости эллипсометрических параметров Ψ и Δ для чистой поверхности феррита и для поверхности с дефектами одинаковых размеров, но разной толщины Видно, что несмотря на «непредсказуе- мый» характер изменения хода кривых, они в среднем приближаются к чистой поверхности. Так, уже при толщине 1,4 мм кривые становятся качественно «традиционными», а по абсолютным значениям близкими к чистой поверхности. На рис. 6 показаны результаты дальней- шего уменьшения толщины дефекта. В связи со сложностями механической обработки феррита не удалось получить образец 5×5 мм2 с толщиной меньше 1,4 мм, поэтому более тонкие дефекты имели меньшие размеры также и в плоскости об- разца. Из рис. 6 видно, что дальнейшее уменьше- ние дефекта приводит к равномерному прибли- жению зависимостей )(θΨ и )(θΔ к чистой по- верхности. Более того, дефект с характерными размерами 1,5×1×0,4 мм3 (но неправильной формы) дал отклонение от чистой поверхности на доли градуса во всем диапазоне углов, что уже близко к точности эллипсометра. 40 45 50 55 60 30 35 40 45 чистая поверхн. 2,5×1,25×0,6 1,5×1×0,4 Ψ , ο θ, ο а) 40 45 50 55 60 160 165 170 175 180 Δ, ο θ, ο чистая поверхн. 2,5×1,25×0,6 1,5×1×0,4 б) Рис. 6. Пример нечувствительности эллипсометрических па- раметров к наличию на поверхности локализованного дефек- та, размер которого сравним с длиной волны зондирующего излучения С другой стороны, дефект 1,5×1×0,4 мм3 все еще сравним по размерам с длиной волны зондирующего излучения, поэтому было прове- дено прямое измерение коэффициента отражения данного образца. Оказалось, что коэффициент отражения R для него составил 57 %, что на 6 % меньше, чем 63 % у исходного образца (см. таб- А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 72 лицу). При этом коэффициент отражения, рассчи- танный по данным эллипсометрии, составил 62,5 %, что практически совпадает с отражением образца без дефектов. Таким образом, получено подтверждение модели, предложенной в работах [3, 4], согласно которой локализованные дефекты, размеры кото- рых несколько меньше длины волны зондирую- щего излучения, становятся «невидимыми» для эллипсометрии, хотя из-за рассеяния по-прежнему влияют на результаты рефлектометрии. Выводы. Создан автоматизированный квазиоптический терагерцевый нуль-эллипсометр для исследования материалов на частоте 0,14 ТГц (λ = 2,2 мм). Квазиоптический тракт эллипсометра, выполненный на основе полого диэлектрического лучевода и лучеводных компонентов, позволяет при замене генератора и приемника без принци- пиальных схемных и конструктивных изменений обеспечивать работу в широком диапазоне частот 0,1…1 ТГц. Эллипсометр построен по схеме PCSA и реализует нулевую четырехзонную мето- дику измерений, что обеспечивает максимальную точность. Представлены данные масштабного физического моделирования эллипсометрических параметров, полученных с помощью субтерагер- цевого квазиоптического эллипсометра в милли- метровом диапазоне радиоволн, существенно до- полняющие и объясняющие данные систематиче- ских исследований влияния различных оптиче- ских дефектов на поверхности материала с силь- ным поглощением. Установлено, что квазиопти- ческая эллипсометрия однозначно отслеживает изменения в топографии поверхности. Показано, что такая большая длина волны (λ = 2,2 мм) по- зволяет производить масштабное моделирование влияния различных поверхностных дефектов на эллипсометрические параметры материалов (на миллиметровом уровне). Получено подтвержде- ние модели, предложенной в работах [3, 4], со- гласно которой локализованные дефекты, разме- ры которых несколько меньше длины волны зон- дирующего излучения, становятся «невидимыми» для эллипсометрии, хотя сильно влияют на коэф- фициент зеркального отражения. Модель, пред- ложенная в работах [5, 6], согласно которой об- наруженный в них «неклассический» ход угловых зависимостей )(θΨ и )(θΔ может быть связан с наличием локализованных дефектов, размер ко- торых в несколько раз превосходит длину волны зондирующего излучения, также получила одно- значное подтверждение. Библиографический список 1. Fujiwara H. Spectroscopic ellipsometry: principles & applica- tions / H. Fujiwara. – Chichester: John Wiley & Sons, 2007. – 369 p. 2. Ohlidal I. Ellipsometry of thin films / I. Ohlidal, D. Franta // Progress in Optics. – Amsterdam: Elsevier, 2000. – Vol. 41. – P. 181–282. 3. Optical characteristics of recrystallized tungsten mirrors ex- posed to low-energy, high flux D plasmas / A. I. Belyaeva, V. Kh. Alimov, A. A. Galuza et al. // J. of Nuclear Materials. – 2011. – 413, N 1. – P. 5–10. 4. Modification of optical properties of recrystallized tungsten due to the change in surface morphology induced by deute- rium ion bombardment / A. I. Belyaeva, A. A. Galuza, A. A. Savchenko, K. A. Slatin // Bulletin of the Russian Academy of Science. Physics. – 2011. – 75, N 5. – P. 721–724. 5. Влияние размера зерна на стойкость к ионному распыле- нию зеркал из низколегированного медного сплава систе- мы Cu-Cr-Zr / А. И. Беляева, А. А. Галуза, И. В. Коленов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядер- ный синтез. – 2011. – № 4. – С. 50–59. 6. Optical characteristics of light Cr-Zr copper alloys bombarded by ions of deuterium plasma / A. I. Belyaeva, A. A. Galuza, I. V. Kolenov et al. // Bulletin of the Russian Academy of Science. Physics. – 2012. – 76, N 7. – P. 724–767. 7. Методы терагерцевой-субтерагерцевой ЛОВ-спектроско- пии проводящих материалов / Б. П. Горшунов, А. А. Вол- ков, А. С. Прохоров, И. Е. Спектор // Физика твердого тела. – 2008. – 5, № 11. – С. 1921–1932. 8. Конев В. А. Радиоволновая эллипсометрия / В. А. Конев, Е. М. Кулешов, Н. Н. Пунько; под ред. И. С. Ковалева. – Минск: Наука и техн., 1985. – 104 с. 9. Радиоэлектроника и радиофизика миллиметровых и суб- миллиметровых радиоволн / под ред. А. Я. Усикова. – К.: Наук. думка, 1986. – С. 140–157. 10. Квазиоптические антенно-фидерные системы / В. К. Кисе- лев, А. А. Костенко, Г. И. Хлопов, М. С. Яновский; под ред. Г. И. Хлопова. – Х.: ИПП «Контраст», 2013. – 408 с. 11. Goldsmith P. F. Quasioptical systems: Gaussian beam quasi- optical propagation and applications / P. F. Goldsmith. – N. Y.: IEEE Press, 1998. – 412 p. 12. Мериакри В. В. Диэлектрическая спектроскопия милли- метрового и субмиллиметрового диапазонов волн и ее применения / В. В. Мериакри // Радиотехника. – 2005. – № 8. – С. 97–102. Рукопись поступила 28.10.2013. A. I. Belyaeva, A. A. Galuza, V. K. Kiseliov , I. V. Kolenov, A. A. Savchenko, E.M. Kuleshov, S. Y. Serebriansky QUASIOPTICAL SCALE MODELING OF METAL SURFACE LOCALIZED DEFECTS INFLUENCE ON OPTICAL ELLIPSOMETRY DATA Ellipsometry is a highly sensitive, non-contact, non- destructive method for studying surfaces and interphase boundaries, based on the study of changes in the polarization state of the probe electromagnetic wave as a result of its interaction with the boundary between the media. A special problem in the analysis of the ellipsometric data are surface defects, which include roughness, island films, regular relief, some localized defects. To date, there are no adequate models describing the effect of localized surface defects on results of ellipsometrical experiments. Previously, it has been suggested that localized defects under certain conditions may not affect the ellipsometric data. The purpose of this work is to test this hypothesis by conducting systematic studies of the influence of defects in the form of parallelepipeds of various sizes on the ellipsometric data. Scale modeling of influence of defects typical for surface subjected to radiation sputtering on ellipsometric experiment results in the optical range has been performed using developed terahertz ellip- someter that operates at wavelength λ = 2.2 mm (0.14 THz). Such А. И. Беляева и др. / Квазиоптическое масштабное моделирование… _________________________________________________________________________________________________________________ 73 a large operating wavelength allowed to form on the surface defects of a given shape and size and to investigate their impact on the ellipsometric parameters. A description of the ellipsometer, and the results of systematic studies of the influence of various defects on the surface of the material with strong absorption data ellipsometry are presented. It is first experimentally proved that localized defects of comparable size to the wavelength can be "invisible" for ellipsometry. Key words: ellipsometry, terahertz ellipsometer, scale modeling, localized defects. А. І. Бєляєва, А. А. Галуза, В. К. Кисельов, І. В. Коленов, А. А. Савченко, Е. М. Кулешов, С. Ю. Серебрянський КВАЗІОПТИЧНЕ МАСШТАБНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ ЛОКАЛІЗОВАНИХ ДЕФЕКТІВ ПОВЕРХНІ МЕТАЛІВ НА ДАНІ ОПТИЧНОЇ ЕЛІПСОМЕТРІЇ Еліпсометрія – високочутливий, безконтактний, не- руйнівний метод дослідження поверхонь і міжфазних меж, що ґрунтується на вивченні зміни стану поляризації зондуючої електромагнітної хвилі в результаті її взаємодії з межею роз- ділу. Особлива проблема при аналізі еліпсометричних даних полягає в дефектах поверхні, до яких можна віднести шорст- кість, острівкові плівки, регулярний рельєф, окремі локалізо- вані дефекти. На сьогодні не існує адекватних моделей, що описують вплив локалізованих дефектів поверхні на результа- ти еліпсометричних експериментів. Раніше було висунуто припущення, що локалізовані дефекти за певних умов можуть не впливати на еліпсометричні дані. Метою роботи є перевірка цієї гіпотези систематичними дослідженнями впливу дефектів у формі паралелепіпедів різних розмірів на еліпсометричні дані. За допомогою побудованого терагерцового еліпсометра, що працює на довжині хвилі λ = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабне моделювання впливу дефектів, характерних для поверхні, що зазнала впливу радіаційного розпорошення, на результати еліпсометричного експерименту в оптичному діапазоні. Настільки велика робоча довжина хвилі дозволяє формувати на поверхні дефекти заданої форми й розмірів і дослідити їх вплив на еліпсометричні параметри. Наведено опис еліпсометра, а також результати систематичних дослід- жень впливу різних дефектів на поверхні матеріалу з сильним поглинанням на дані еліпсометрії. Уперше експериментально доведено, що локалізовані дефекти, порівняні за розміром з довжиною хвилі, можуть бути «невидимими» для еліпсо- метричної методики. Ключові слова: еліпсометрія, терагерцовий еліпсо- метр, масштабне моделювання, локалізовані дефекти.

Квазиоптическое масштабное моделирование влияния локализованных дефектов поверхности металлов на данные оптической эллипсометрии

Institution

Similar Items