ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ: ВЫСОКОТОЧНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА НАНОСТРУКТУР

ELLIPSOMETRY: HIGH-PRECISION NANOSTRUCTURE ANALYSIS METHOD

Dmitry Popov

Student, Department of General and Experimental Physics, Altai State University,

Russia, Barnaul

Tatiana Andrukhova

Scientific supervisor, Candidate of Sciences, Associate Professor, Altai State University,

 Russia, Barnaul

АННОТАЦИЯ

Эллипсометрия - оптический метод анализа тонких плёнок и наноструктур, основанный на измерении изменения поляризации отражённого света. Метод обеспечивает высокую точность (до 0,01 нм) и неразрушающий контроль, что делает его незаменимым в нанотехнологиях, микроэлектронике и биомедицине.

В работе рассмотрены принципы метода, классификация современных эллипсометров (нулевые, ротационные, спектральные) и их производители. Особое внимание уделено перспективам развития, включая миниатюризацию оборудования и автоматизацию анализа данных.

ABSTRACT

Ellipsometry is an optical method for analyzing thin films and nanostructures based on measuring changes in the polarization of reflected light. The method provides high accuracy (up to 0.01 nm) and non-destructive testing, which makes it indispensable in nanotechnology, microelectronics and biomedicine.

The paper considers the principles of the method, the classification of modern ellipsometers (zero, rotational, spectral) and their manufacturers. Special attention is paid to development prospects, including miniaturization of equipment and automation of data analysis. 

Ключевые слова: эллипсометрия, тонкие плёнки, наноструктуры, поляризация света.

Keywords: ellipsometry, thin films, nanostructures, and light polarization.

Введение

В современном мире нанотехнологий, где толщина рабочих слоев измеряется нанометрами, а точность контроля определяет качество конечного продукта, эллипсометрия заняла место одного из ключевых аналитических методов. Этот оптический способ исследования, основанный на анализе изменения поляризации света при отражении от поверхности, позволяет бесконтактно и с высочайшей точностью определять характеристики тонких плёнок и наноструктур.

С момента своего появления в 1944 году (когда Ротен ввёл сам термин «эллипсометрия») метод прошёл значительный путь развития. Сегодня он незаменим в полупроводниковой промышленности, биомедицине, материаловедении и других высокотехнологичных областях.

Принцип работы эллипсометрии

В основе метода лежит анализ изменения состояния поляризации света после его взаимодействия с исследуемой поверхностью. Вот как это работает:

1. Поляризованный свет направляется на образец.
2. При отражении или прохождении через материал поляризация света меняется, становясь эллиптической.
3. Измеряя параметры этого эллипса (углы Ψ и Δ), можно определить:
   • Толщину плёнки (с точностью до 0.01 нм!),
   • Оптические постоянные (коэффициент преломления, поглощение),
   • Наличие дефектов или примесей в наноструктурах.

Ключевые преимущества метода:

• Неразрушающий контроль — не повреждает образец.
• Высокая чувствительность — обнаруживает субмонослои молекул.
• Широкий спектр применения — от металлов и полупроводников до биологических объектов.

Типы эллипсометров

Современные эллипсометры делятся на несколько категорий в зависимости от принципа работы:

1. Нуль-эллипсометры

• Принцип: Компенсация изменённой поляризации с помощью вращающихся элементов.
• Плюсы: Высокая точность.
• Минусы: Требуют ручной настройки, медленные.

2. Ротационные эллипсометры

• Принцип: Автоматическое вращение поляризатора и анализатора.
• Плюсы: Быстрые измерения, подходят для промышленности.

3. Спектральные эллипсометры

• Принцип: Работа в широком диапазоне длин волн (от УФ до ИК).
• Плюсы: Универсальность, возможность анализа многослойных структур.

4. ИК-эллипсометры

• Применение: Исследование органических и полимерных плёнок.

СХЕМА ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема эллипсометрической установки состоит в следующем пучок монохроматического свет пропускается через управляемый поляризатор, который и задает поляризацию света, состояние отраженного света измеряется с помощью управляемого анализатора поляризации, за которым расположен приемник света.

Рисунок 1. Оптическая схема экспериментальной установки для измерения основных эллипсометрических параметров методом компенсационной (нулевой) эллипсометрии

 1 – источник света, 2 – поляризатор, 3 – объект исследований, 4 – анализатор, 5 – фотоприёмник.

Таблица 1.

Обзор рынка: ведущие производители

Лидеры рынка:

• J.A. Woollam и Horiba — лучшая точность и спектральный охват.
• Sentech — оптимален для промышленных задач.
• Российские разработки (например, «ЭЛЛИПС-1991») — доступная альтернатива для научных исследований.

Перспективы развития

1. Миниатюризация — создание портативных эллипсометров для полевых измерений.
2. Искусственный интеллект — автоматизация анализа данных.
3. Биомедицина — диагностика биочипов и ДНК-сенсоров.
4. Расширение спектральных диапазонов — например, терагерцовая эллипсометрия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эллипсометрия — это не просто инструмент для измерения толщины плёнок, а целое направление в аналитической науке, которое продолжает развиваться. Благодаря своей точности, универсальности и неразрушающему характеру, метод остаётся незаменимым в нанотехнологиях, микроэлектронике и биомедицинских исследованиях.

С ростом спроса на миниатюризацию и новые материалы эллипсометрия будет только набирать популярность, а её возможности — расширяться.

Список литературы:

1. Рыхлицкий С.В. и др. «Эллипсометры — прецизионные средства контроля нанотехнологий».
2. Обзоры производителей (J.A. Woollam, Horiba, Sentech).
3. ГОСТ 23778-79 (методы эллипсометрии).