Оптико-физические методы исследования (стр. 1 )

Министерство образования и науки РФ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

А. М. ВАСИЛЕВСКИЙ Г. А. КОНОПЛЕВ М. Ф. ПАНОВ

ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методические указания к лабораторным работам

по дисциплине «Оптико-физические методы исследования

материалов и тонкопленочных структур».

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2011

УДК 535.36.001.2(076.3)

ББК 22.338.4

В 00

, ,

В00 Оптико-физические методы исследований: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Оптико-физические методы исследования материалов и тонкопленочных структур». СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 61 с., табл. , илл.

ISBN 0-0000-0000-0

Содержит описание лабораторных работ по оптико-физическим методам исследований. Приведены основные сведения и методики исследований в области спектральных и поляризационных измерений. Рассмотрена методика градуировки и калибровки многоканальных спектроанализаторов, методика расчета ширины запрещенной зоны методом абсорбционного спектрального анализа и метод эллипсометрии для расчета толщины пленки на диэлектрической подложке.

Предназначено для магистрантов специальностей «Квантовая и оптическая электроника», «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика», а также может быть полезно инженерно-техническим работникам этих областей знаний.

УДК 535.853

ББК 00000000

Рецензенты: кафедра физики МЭИ; д. т. н., проф. (ФГУП «ГОИ им. »)

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISBN 0-0000-0000-0 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………..	..4
1.	Автоматизированный многоканальный спектроанализатор для абсорбционного спектрального анализа в реальном масштабе времени	..5
2.	Лабораторная работа 1. Методика градуировки многоканального спектроанализатора по шкале длин волн.……………………………….	...9
3.	Лабораторная работа 2. Методика оценки систематических и случайных погрешностей спектральных измерений при различных накоплениях…………………..………………………………………	.16
4.	Лабораторная работа 3. Исследование спектров оптического поглощения аморфных полупроводников……………….….…………...…..	..20
5.	Лабораторная работа 4. Исследование поверхностей и тонкослойных покрытий методом отражательной эллипсометрии…………………..	.33
Приложение 1. Описание программы Spectral Assistant 8.0…………......	.50
Приложение 2. Описание программы Spectrometer…………................	.57

Введение

Оптико-физические методы исследований в настоящее время широко используются при разработке и создании новых структур искусственного и биологического происхождения с использованием нанотехнологий.

Специфика полупроводниковой технологии требует применения оперативных, локальных, безотказных и неразрушающих методов контроля, исключающих загрязнение и повреждение даже очень малых областей микроэлектронных структур. С этой точки зрения, наиболее удобны и перспективны оптические методы.

В данном пособии представлен учебный материал для освоения относительно нового метода спектральных исследований, основанного на использовании многоканальных спектроанализаторов. В приборах данного типа в качестве приемников используется линейка фотоприемников, а управление и обработка спектральной информации осуществляется через ЭВМ. В приложениях приведено описание специализированных программ для автоматизированной обработки спектральной информации, связанной с градуировкой, калибровкой и применением многоканальных спектроанализаторов. Особое внимание в пособии уделено методике спектральных поляризационных исследований методом отражательной эллипсометрии. Эллипсометрический метод является одним из самых точных и чувствительных методов контроля поверхностей и тонкослойных структур.

Лабораторный практикум рассчитан на специалистов и студентов, уже получивших знания по таким дисциплинам как «Высшая математика», «Физика». Этот материал необходим при изучении ряда специальных дисциплин по нескольким направлениям подготовки специалистов в области нанотехнологий, солнечной энергетики, квантовой и оптической электроники. Он будет также полезен для разработчиков соответствующей аппаратуры.

1. Автоматизированный многоканальный спектроанализатор для абсорбционного спектрального анализа в реальном масштабе времени

Рассмотрим основные этапы получения и обработки спектральной информации на примере решения задач, связанных с абсорбционным спектральным анализом.

Абсорбционный спектральный анализ, основанный на исследовании спектрального состава излучения, прошедшего через анализируемую среду, обладает целым рядом преимуществ – он неконтактен, безопасен для обслуживающего персонала, при применении проточных кювет может быть использован в режиме автоматизированного контроля процессов поглощения в реальном масштабе времени (в режиме «on-line»).

Измерительный тракт автоматизированных спектральных информационно-измерительных систем базируется на измерении спектрального распределения потока излучения, прошедшего через среду, и представлении этого распределения в удобном для анализа виде. Рассмотрим основные положения абсорбционного спектрального анализа.

1.1. Основные положения абсорбционного спектрального анализа. Закон Ламберта-Бера-Бугера

Абсорбционная спектроскопия основана на законе Ламберта - Бера - Бугера, согласно которому интенсивность монохроматического излучения , прошедшего через среду с толщиной слоя и концентрацией определяется соотношением

, (1.1)

где - интенсивность падающего монохроматического излучения; - спектральный коэффициент экстинкции (ослабления).

Если толщина слоя выражена в сантиметрах, а концентрация в моль/л, то называют молярным коэффициентом экстинкции с размерностью л/моль см.

В ходе исследований обычно измеряется спектральный коэффициент пропускания среды

(1.2)

и рассчитывается спектральный показатель поглощения :

. (1.3)

Коэффициент , определяемый как удельный показатель поглощения (поглощение на единицу длины), в литературе иногда называют натуральным показателем поглощения.

В практике абсорбционного анализа для оценки поглощения часто используют безразмерный параметр, называемый оптической плотностью, определяемый как

. (1.4)

Очевидно, что .

Исследование спектрального состава излучения позволяет получить следующую информацию о веществе:

- атомное, молекулярное, кристаллическое строение различных веществ, их оптические свойства;

- определить структуру полимеров, их изотропические и изомерные мо­дификации, а также структуру промежуточных образований, таких, как хи­мические радикалы и молекулярные ассоциации;

- химический состав неизвестной пробы по наличию определенных спектральных линий (или групп линий) и их интенсивности.

1.2. Принцип действия и измерительная схема макета автоматизированного спектроанализатора.

Спектральный прибор, предназначенный для проведения абсорбционного количественного анализа, состоит из осветительной системы, включающей в себя источник излучения и осветитель (конденсор), кюветного отделения, монохроматора или полихроматора, приемника излучения, регистрирующего устройства и ряда вспомогательных элементов. При использовании монохроматора и одноэлементного фотоприемника кюветы могут устанавливаться как перед входной щелью, так и за выходной щелью; сканирование по спектру в этом случае механическое. Если конструкция прибора построена на основе полихроматора и многоэлементного приемника, то кюветы устанавливаются перед входной щелью.

Принципиальная схема полихроматора с автоматической регистрацией спектра (многоканального спектроанализатора) представлена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема однолучевого спектрофотометра - полихроматора на основе вогнутой дифракционной решетки и многоэлементным приемником

Рис. 1.2. Структурная схема макета многоканального спектроанализатора

В лабораторных работах 1 и 2 работе исследования проводятся на макете многоканального спектроанализатора, который построен по схеме Роуланда с вогнутой дифракционной решеткой и многоэлементным ПЗС фотоприемником. Структурная схема прибора, которая представлена на рис. 1.2, включает в себя осветительную систему, полихроматор, приемно-регистрирующее устройство и персональный компьютер.