автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методы оптической полярометрии для жидких и твердых сред

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

ТОЧНОЙ М ЕХАНИКИ И ОПТИКИ Р Г л Г; л (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

2 2 ¡¡¡VI гш

1 О "7 7> ""'1

1 ' ~ О 1 -' -' На правах рукописи

Скороходова Ирина Анатольевна

УДК 535; 511; 543.80

МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИМЕТРИИ ДЛЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ СРЕД

Специальность 05. 11. 07 Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики (техническом университете).

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Прокопенко В. Т.

кандидат физико-математических наук, доцент Сухорукова М. В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Золотарев В. М.

кандидат технических наук,

нач. отд. ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова

Волконский В.Б.

Ведущая организация - Институт аналитического приборостроения

РАН

Защита диссертации состоится 28 июня 2000 года в_час._мин.

на заседании диссертационного совета Д 053.26.01 "Оптические и оптико-электронные приборы" при Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу:

197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" _ 2000 года.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета:

197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14, ИТМО, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 053.26.01. кандидат технических наук, доцент ' ) В. М. Красавцев

^СбО-НУ^О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия в науке и технике наметилась тенденция развитая новых технологий и, как следствие, возникла дополнительная необходимость в усовершенствовании методов исследования и контроля. Как наиболее перспективные по ряду параметров, оптические методы и средства контроля обладают рядом преимуществ и успешно применяются в самых различных областях. Для большого перечня исследуемых материалов оптические неразрушающие методы контроля приобретают все большую актуальность, что диктует необходимость дальнейшего их аппаратурного и методического обеспечения. Широкие перспективы открываются в этой связи перед теми оптическими приборами, которые обладают универсальностью по отношению к объекту исследования.

Основой такого универсального подхода к объекту могут служить оптические методы, основанные на регистрации параметров состояния поляризации излучения, прошедшего и (или) отраженного от объекта. Эти методы имеют ряд важных особенностей: неразрушающий, не возмущающий характер эллипсометрических измерений, что дает возможности проведения измерений не только in siti, но и in vivo; высокая чувствительность измерений; возможность проведения измерений в широком интервале температур, давлений, в агрессивных средах; возможность автоматизации и построения экспресс методов измерений.

Все это подчеркивает актуальность их применения в универсальных по отношению к объекту исследования измерительных комплексах. Базовым принципом таких комплексов может служить модульный принцип построения измерительной схемы прибора. В большинстве приборов, работающих по принципу регистрации изменения состояния поляризации излучения, используется конечный набор элементов, что позволяет составлять измерительный комплекс, способный работать с широким кругом объектов.

Классификация широкого набора возможных объектов исследования по их оптическим параметрам дает возможность построения универсального измерительного комплекса. Такой комплекс работает на основе единого обобщенного алгоритма, включающего в себя несколько методов измерений, выбираемых в зависимости от объекта исследования, его параметров.

Алгоритм, являясь основой методического обеспечения универсального измерительного комплекса, позволяет, таким образом, включать в исследования практически любой крут объектов, обладающий необходимыми параметрами для оптических измерений без особой трансформации аппаратурного обеспечения.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось создание общего алгоритма поляриметрических исследований и его методическое наполнение, т.е. разработка методов контроля широкого класса объектов. Общий алгоритм включает в себя все шаги по

исследованию объекта от настройки прибора до получения готовых параметров, в том числе и упрощенные экспресс методы измерений.

Для достижения указанной цели в диссертации ставились следующие основные задачи:

- разработка метода оценки и расчета погрешностей измерений матрицы Джонса анизотропных объектов.

- разработка математических моделей обобщенной эллипсометрии, основанной на азимутальных измерениях, для одновременного определения параметров линейной анизотропии и оптической активности объектов.

- разработка метода оперативного контроля параметров полупроводниковых слоев гетероэпитаксиальных структур.

- разработка метода определения концентраций многокомпонентных растворов средствами спекгрополяриметрии и спекгрофотометрии.

- создание аппаратурного обеспечения для реализации разработанных методов оптической поляриметрии.

- разработка программного обеспечения управления поляризационно-оптическим измерительным комплексом и обработки результатов измерений объектов в поляризованном свете.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработан метод и метрологическое обеспечение эллипсометрических измерений матрицы Джонса анизотропных объектов.

- разработана математическая модель метода обобщенной эллипсометрии для определения матрицы Джонса оптической системы, проявляющей свойства линейной анизотропии и оптической активности.

- разработан метод контроля толщины, планарности, состава ультратонких (~ 500 А) слоев в А1хОа1.хА5-гетероструктурах с высоким содержанием А1 (х>0,7). Показано, что для диапазона толщин твердого раствора 250...750 А состав и толщина слоя однозначно определяются значениями эллипсометрических углов Т и А, измеренными при фиксированных экспериментальных условиях.

- предложен спектрофотополяриметрический метод определения концентраций многокомпонентных растворов. Показано, что одновременная регистрация поглощения и оптического вращения исследуемого объекта реализует информативный физический способ комплексного определения состава жидких смесей в более общем случае и позволяет повысить надежность измерений.

- разработан метод корректировки временного дрейфа спектральных зависимостей измеряемых параметров в электронном тракте прибора.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- предложенный алгоритм исследования широкого класса объектов с помощью разработанного автоматизированного поляризационно-оптического модульного комплекса позволяет путем легкой

рансформации аппаратурного обеспечения проводить диагностику любого бъекта, пригодного по своим параметрам для поляриметрических «следований. Подобная быстрая переориентация измерительного омплекса позволяет быстро решать вопросы, возникающие в условиях овременного рынка; время от постановки задачи до получения готового езультата сокращается минимально вследствие готового методического [аполнения и возможности гибкой трансформации измерительного омплекса.

- предложенные методы анализа и оценки погрешности измерения низотропных сред позволяют осуществлять поляризационные «следования свойств кристаллов, анизотропных пленок, напряжений и :атяжений в поверхностных слоях и в объеме материала, а также нализировать параметры различных медико-биологических объектов, такие ак состав гемоглобина, белков крови человека, стероидных гормонов, ромофоров, интрацитоплазматических мембран и т.д.

- разработанный экспресс метод контроля параметров олупроводниковых слоев гетероструктур представляет практическую ;енностъ для совершенствования различных технологических методов оздания подобных структур с заданными свойствами.

- разработанный оригинальный спектрофотополяриметрический гетод определения концентраций многокомпонентных жидких сред редназначен для практического использования в биологии, медицине, ищевой и химической промышленности при анализе состава смесей.

- разработан пакет программ, обеспечивающий обработку езультатов эксперимента, в том числе решение прямой задачи ллипсометрии для двухслойной модели, расчет концентраций компонент меси, расчет поляризационных параметров оптической анизотропии, пределения погрешностей методов измерений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. обобщенный алгоритм проведения поляриметрических сследований, построенный на использовании комплекса аппаратурного и етодичсского обеспечения, обладающего возможностью дальнейшего асширения, позволяет осуществлять диагностирование любого объекта, ригодного по своим параметрам для поляриметрических исследований.

2. метод анализа сред, обладающих свойствами линейной анизотропии

оптической активности, позволяет посредством измерений азимута

оляризации излучения одновременно определять их характеристики: инейное двулучепреломление, линейный дихроизм, оптическую ктивность.

3. метод эллипсометрического контроля параметров поверхностных тоев позволяет свести задачу определения толщины, химического состава, лагарности полупроводниковых слоев гетероструктур к экспресс методу с рименением номограмм, связывающих эллипсометрические углы ¥ и А с вумя параметрами системы: толщиной исследуемого слоя и толщиной слоя кисла либо химическим составом слоя и его толщиной.

4. метод оценки и расчета погрешности измерений матрицы отражения ^изотропных объектов методом обобщенной эллипсометрии.

5. метод количественного анализа жидких оптически прозрачных сред. Показано, что одновременная регистрация светопоглощения и оптической активности, дающая независимую информацию об объекте, является более эффективной, чем обычная спектрополяриметрия, и приводит к уменьшению погрешности определения концентраций многокомпонентных растворов.

6. для снижения уровня систематических погрешностей измерений предложен метод корректировки временного дрейфа спектральных зависимостей измеряемых параметров в электронном тракте прибора.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Прикладная оптика 96" (Санкт-Петербург, 1996 г.), на XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ) (Санкт-Петербург, 1997 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи и тезисы докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 98 наименований. Общий объем -169 страниц, включая 42 рисунка, 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения и результаты, выносимые на защиту, дано краткое изложение содержания каждой главы диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены особенности, недостатки и универсальные возможности оптических методов в исследовании объектов различной природы. Особое внимание уделено методам комбинационного рассеяния, спектрофотометрии и методам оптической поляриметрии, обсуждены механизмы явлений, которые лежат в основе этих методов, указаны области их практического применения. На основе приведенного анализа сделан вывод о предпочтительности выбора методов оптической поляриметрии в решении ряда исследовательских задач. В частности, отмечено, что способность спектрополяриметрических методов комбинирования с другими методами позволяет проводить более корректное количественное определение смеси сложных растворов, неразрушающий характер, высокая чувствительность, локальность эллипсометрического метода выгодно отличает его от существующих методов исследования параметров различных тонкослойных структур.

Сделан вывод о необходимости разработки новых, отвечающих современным требованиям, методов оптической поляриметрии и соответствующего аппаратурного обеспечения для диагностики широкого класса объектов.

Во второй главе исследованы возможности методов оптической поляриметрии в изучении свойств анизотропных материалов. Рассмотрение данного вопроса проводилось с привлечением метода обобщенной эллипсометрии, который в сочетании с методами матричной алгебры позволяет эффективно решать исследовательские задачи различной сложности.

В первой части главы рассмотрены возможности метода обобщенной эллипсометрии в определении матрицы отражения анизотропных объектов, проанализированы существующие методы измерения ее элементов с указанием основных трудностей, связанных с их практической реализацией. Отмечено, что при определении матрицы отражения объекта, проявляющего свойства анизотропии, весьма важным является вопрос выбора способа вычисления ее элементов. Мощным средством в решении данного вопроса могут служить методы статистического анализа.

Для случая нормированной матрицы отражения оптической системы ее поляризационная передаточная функция имеет вид:

X =

РРР'Х +Р

р«

(1а)

которая может быть переписана в линейном виде:

У.\ ~ Ррр'Х1 Р5р " Х1Х1 +Рр* Хг = Ррр ' Хг ~ Ркр ' Х2Х2 Ррэ

О 1 1 о

Хп Ррр Хп рБр ХпХп РрЯ или в матричной форме:

(1Ь)

"х?" "х!

Х°2 = Хг

Хп _

_Хп ( ХпХп) ^

Ррр

р5р

Рр*

п>3.

(1с)

Данная система линейных уравнений может быть разрешена

относительно параметров р- путем привлечения статистического метода

наименьших квадратов, который состоит в отыскании суммы квадратов ошибок. Приводится алгоритм вычисления элементов матрицы отражения ру, согласно которому весь вычислительный процесс может быть

представлен в виде последовательного выполнения процедур-итераций, результатом которых являются новые уточненные значения параметров ру. После того как уточнение параметров р- завершено, вычисляется

матрица ошибок 0(ру ]. В рамках изложенного подхода в оценке и расчете

погрешностей измерений матрицы Джонса анизотропных объектов выполнено исследование анизотропии поверхностных полупроводниковых слоев АЮаАэ. На основании результатов исследования сделан вывод об эффективности разработанного метода, который позволяет без привлечения поисковых процедур, связанных с минимизацией целевой функции, получать четкие и однозначные результаты.

Во второй части главы показано применение метода обобщенной эллипсометрии для одновременного определения поляризационных параметров (линейного двулучепреломления (ЛДП), линейного дихроизма (ЛД) и циркулярного двулучепреломления (ЦДЛ)) недеполяризующей оптической системы на основе ее азимутального отклика. Многие объекты характеризуются сложным механизмом взаимодействия оптического излучения со средой, что обуславливает необходимость разработки специальных методов исследования таких объектов. Изложена теория метода обобщенной эллипсометрии, основанного на азимутальных измерениях. Показано, что поляризационная передаточная функция

отеческой системы, связывающая состояния поляризации на ее входе х' и выходе

о _ т22х +Т21

~ Т12х'+Т„ (2)

в случае линейно поляризованного света (эллиптичность 7 = 0) может быть преобразована в функцию азимутального отклика системы. В этом случае

полученная зависимость вида - функция азимутального отклика

зависит от пяти из шести параметров а, Ь, р, с, у, которыми определяется циркулярная матрица Джонса исследуемой оптической системы

Определив среднюю величину азимутов поляризованного света, регистрируемого на выходе системы 0°, при условии, что азимуты

линейно поляризованного света на входе 0' охватывают весь диапазон к, и выполнив несложные тригонометрические и алгебраические

преобразования, зависимость

принимает линеиныи вид:

- г°)= ц', +ц'2 -соб^+Цз зцДг')-

где г'=-29', г°=-29°.

ц',, ц.'2, Цз, V; - промежуточные параметры, которые определяют а, Ь, Р, с и у по следующим формулам:

'вР=|т|- <4)

•и-4^4. <ч

^2 ~ М-3

а = г0-р + у, (6)

¿Ц^

Таким образом, пять параметров а, Ь, р, с, у, характеризующие циркулярную матрицу Джонса оптической системы, проявляющей свойства линейной анизотропии и оптической активности, могут быть определены пятью парами азимутальных измерений, регистрируемых на ее входе и выходе.

Отмечено, что согласно Джонсу оптическая анизотропия, которую проявляет любая среда, может быть представлена в виде суперпозиции шести независимых анизотропных свойств, а именно: ЛДП и ДД вдоль координатных осей; ЛДП и ЛД вдоль биссекторов координатных осей; ЦДП и ЦД. Из этих шести свойств только циркулярный дихроизм (ЦД) не может быть определен при помощи азимутальных измерений, т.к. требует измерения эллиптичности. С другой стороны, любая анизотропия, представляющая собой совокупность первых пяти свойств, перечисленных выше, может быть охарактеризована при помощи азимутальных измерений, что позволяет придать некоторый физический смысл нашим исследованиям.

На основе изложенной теории выполнено математическое моделирование определения матрицы Джонса системы, проявляющей свойства линейной анизотропии и оптической активности. Получены

формулы для определения азимута оптической оси 0, линейного дихроизма (ке - к0), линейного двулучепреломления (п<. - По) и кругового двулучепреломления (111 - пг), которые имеют вид:

р + у

(9)

к -к =-

— — 1п(

2л-а ^

л/й-г,

л/Й + 2

(10)

п„ —п_ = --

2ж-й

•БШ

-1

-2

>/N-4

Р-т

(П)

п, -п.

2тг-(1

• (а - У),

(12)

где

N

1 1

— +—

Ь с

\2

Р-у

. 2 ,

(13)

Отмечено, что для большей точности в определении перечисленных параметров анизотропии оптической системы может быть проведено более

чем пять пар азимутальных измерений (9„,6°), п>5. В этом случае для оценки параметров анизотропии и расчета их погрешностей возможно применение метода статистического анализа, представленного в первой части главы.

Показано, что метод обобщенной эллипсометрии, основанный на измерениях азимутов поляризованного света на входе и выходе оптической системы, представляет собой простой и эффективный способ определения поляризационных характеристик анизотропных объектов.

Третья глава посвящена практическому применению спектрофотополяриметрического метода для количественного анализа многокомпонентных жидких растворов.

Описан принцип определения концентраций многокомпонентных растворов средствами спектрополяриметрии. Приведены полученные формулы для определения концентраций двух- и трехкомпонентных смесей. Количественный анализ основан на измерении азимутов плоскости поляризации излучения, прошедшего через исследуемый объект. Проанализированы погрешности метода для двухкомпонентных систем и погрешности определения концентраций смеси сахарозы и Б-глюкозы.

Отмечено, что при точности измерения азимута плоскости поляризации 0.05° спектрополяриметрический анализ отвечает большинству практических требований к точности измерений

концентраций жидких смесей. Если величины оптических вращений компонентов смеси различаются незначительно (менее 0.17см-(г/мл)), для достижения хороших результатов при использовании данного метода необходимо обеспечить более высокую точность измерений (ста < 0.003°). Показано, что точность количественного определения содержания каждого отдельного компонента смеси существенно повышается, если при определенной длине волны известен вклад суммы вращений остальных компонентов. Расчет в этом случае сводится к анализу на основе одноволнового спектрополяриметрического измерения. Указан ряд случаев, при которых спектрополяриметрический анализ вообще не в состоянии решать задачу раздельного определения состава смеси. Сделан вывод о необходимости увеличения числа независимых регистрируемых параметров. В частности, одновременная регистрация оптического пропускания и поляризационных характеристик среды позволяет проводить определение удельной концентрации компонентов смеси сложных многокомпонентных растворов.

Исследован спектрофотополяриметрический метод измерения концентраций примесей, основанный на принципе аддитивности светопоглощения и оптического вращения всех компонентов смеси. Представлены общее уравнение спектрофотополяриметрического анализа и полученные формулы для определения концентраций двух- и трехкомпонентных смесей, которые функционально могут быть выражены в следующем виде:

С=/(А,а,8,[а],М,ЬьЬ2) (14)

где С - концентрация компонентов смеси, А - оптическое поглощение смеси, е- коэффициент молекулярного поглощения компонентов смеси, [а] - удельное вращение компонентов смеси, М - молярная масса компонентов смеси, Ь], Ь2 - длины кювет при измерении оптического вращения и поглощения соответственно. Представлены и проанализированы основные источники систематической погрешности определения концентрации компонентов.

Приведены результаты измерений концентраций смесей пищевого красителя К21958 и Б-глюкозы. Экспериментальные исследования подтверждают, что предложенный в работе

спектрофотополяриметрический метод анализа многокомпонентных смесей позволяет повысить точность измерений концентраций красителя и глюкозы на 3% по сравнению с спектрополяриметрическим методом. Сделан вывод о том, что данный метод позволяет значительно повысить надежность измерений, раскрывая большие возможности при контроле характеристик многокомпонентных жидких сред. Отмечена интересная особенность спектрофотополяриметрии, заключающаяся в возможности существенного упрощения процесса измерений и соответствующих расчетов.

В четвертой главе предложен эллипсометрический метод для исследования особенностей роста квантоворазмерных слоев полупроводниковых твердых растворов в гетероэпитаксиальных структурах. Приводятся результаты исследования геометрических параметров (толщина, планарность) и химического состава слоев А1хОа,.х Аб в ваАэ - АЮаАв - гетероструктурах, выращенных методом жидкофазной эпитаксии. Данные структуры являются основой для создания солнечных фотоэлементов. Состав, толщина слоев и их планарность в значительной степени определяют эффективность работы подобных структур, что определило актуальность решения подобной задачи.

В данной главе обсуждается вопрос выбора оптико-физической модели отражающей системы с учетом ее геометрических, оптических и других физико-химических свойств. Отмечено, что для полупроводников, находящихся в условиях реальной атмосферы, наиболее существенным является учет естественного окисла на его поверхности. Выполнена оценка его параметров, установлено, что при данной технологии изготовления образцов толщина естественного окисла с10К лежит в пределах 5 -ь 60 А, а его показатель преломления пок можно с большой достоверностью считать равным 1.8. Показано, что с учетом поверхностного окисления исследуемые гетероструктуры удовлетворительно описываются двухслойной моделью "подложка ОаА» - слой твердого раствора А1хСа1.хАз - слой естественного окисла - внешняя среда", при этом обоснован выбор модели с резким переходом, без учета переходных слоев на поверхности структуры и на границе с подложкой.

В рамках выбранной модели показано, что задача контроля параметров слоев А1хОа1.хАз может быть сведена к экспресс методу с применением Ч'-Д - номограмм, связывающих эллипсометрические углы ¥ и Д с двумя параметрами системы: толщиной слоя твердого раствора А1хОа,_хАэ с!х и толщиной слоя окисла с!ок (рис. 1,а) либо химическим составом х и толщиной с!х (рис. 2,а) (при фиксированных остальных).

Отмечено, что в области толщин dx от 250 до 700 А погрешности определения параметров слоя будут наименьшими. Результаты эллипсометрических исследований контролируемых параметров слоев AlxGa,.xAs представлены в виде наглядных диаграмм распределения толщины dx (рис. 1,6) и состава х (рис. 2,6), которые позволяют дать оценку степени однородности измеренных параметров по поверхности гетероструктуры. Результаты исследований представлены для серии образцов различного состава х = 0.7 + 0.9 и толщины dx = 270 -г 750 А слоя AlxGabxAs.

tg^ eiA~f( dx, doK),

tg¥ с^-Цх, dx).

(15)

(16)

140

130

х=0.73

120 110

100 -

90 -

250

Мг5А

2-^=30А

3-а=бОА

I ок , 4

4 5

а)

б)

Рис.1. *Р-Д - номограмма, связывающая эллипсометрическис параметры Ч/ и Д с толщиной окисла с!ок и толщиной слоя АЮаАв <1х. Сплошные линии - расчет в рамках двухслойной модели; точки -данные эксперимента (ф=70°) (а). Распределение толщины и планарность слоя АЮаАэ (б).

б)

Рис.2. Т-Л - номограмма, связывающая эллипсометрические параметры и А с толщиной и химическим составом х слоя А1хСа1.хАз. Сплошные линии - расчет в рамках двухслойной модели, точки -данные эксперимента (ф=70°) (а). Распределение состава и его однородность в слое АЮаАз (б).

На основании сопоставления данных, полученных методом ллипсометрии, и результатов независимого исследования этих же образцов 1етодом комбинационного рассеяния сделан вывод об эффективности азработанного метода в исследовании параметров полупроводниковых етероэпитаксиальных структур.

В пятой главе обсуждаются вопросы разработки и создания ппаратурного обеспечения для реализации серии представленных в [иссертации методов исследования объектов в поляризованном свете.

Обоснована необходимость создания универсальных аппаратурных редств с широкими возможностями по отношению к объекту исследования, 'ассмотрены основные принципы построения автоматизированного голяризационно-огттического измерительного комплекса.

Дана характеристика основным измерительным схемам юляризационно-оптических приборов с обсуждением их преимуществ и [едостапсов. Отмечено, что при разработке подобного класса приборов [аиболее перспективными являются фотометрические схемы, а именно юляризационные схемы с вращающимся анализатором (ЯАЕ - схемы) с гспользованием цифровых систем, осуществляющих Фурье (етектирование выходного сигнала. В отличие от приборов, работающих по [улевому компенсационному методу, эти схемы характеризуются ущественно меньшим уровнем ошибок, простотой оптической схемы, ысокой скоростью обработки информации, лучше поддаются втоматизации.

Рассмотрены принципы работы разработанного автоматизированного юляризационно-оптического измерительного комплекса (ПОИК). 1риведены основные формулы и соотношения для расчета поляризационных арактеристик, их доверительных интервалов в КАЕ - схеме, положенных в снову алгоритма работы комплекса.

Отмечены отличительные особенности разработанного прибора, а [менно: возможность комбинирования спектрополяриметрических и пектрофотометрических измерений; расширение спектрального диапазона в торону дальней ИК - области; блочно-модульный принцип построения хемы, что позволяет с минимальными издержками модифицировать схему в ависимости от типа решаемой задачи, объекта исследования, выбранного 1етода измерений.

Поляризационно-оптический комплекс разработан в двух вариантах: ЮИК-1 (рис. 3) для реализации методов отражательной эллипсометрии, ЮИК-П (рис. 4) для исследования объектов "на просвет", каждый из оторых выполнен в лазерном и спектральном вариантах. Приведены ажнейшие технические характеристики комплекса.

Особое внимание уделено особенностям построения системы втоматизации, алгоритмам его работы, программному обеспечению. Гриведен обобщенный алгоритм проведения поляриметрических [сследований для универсального по отношению к объекту исследования

Рис. 3. Функциональная схема автоматического поляризационно-оптического измерительного комплекса

ПОИК-1(лазерный вариант)

1 - лазерный источник излучения; 2 - призма; 3 - оптико-механический затвор; 4 - поляризатор с механизмом позиционирования; 5 - диафрагма; 6 - управляемый координатный столик; 7 -автоколлимационная зрительная труба гониометра; 8 - модуль динамического анализатора; 9 - деполяризатор; 10 - приемник излучения; 11 - предварительный усилитель; 12 - программируемый усилитель; 13 - аналого-цифровой преобразователь; 14 - программируемый контроллер; 15 - схема фазовой автоподстройки частоты вращения анализатора; 16 - блок управления шаговым приводом; 17 - компьютер; 18 - устройство вывода и хранения информации.

Рис. 4. Функциональная схема автоматического поляризационно-оптического измерительного комплекса

ПОИК-И (спектральный вариант)

1 - спектральный источник излучения; 2 - оптико-механический затвор; 3 - поляризатор с механизмом позиционирования; 4 - диафрагма; 5 - кюветное отделение; 6 - модуль динамического анализатора; 7 - деполяризатор; 8 - приемник излучения; 9 - предварительный усилитель; 10 - программируемый усилитель; 11 - аналого-цифровой преобразователь; 12 - программируемый контроллер; 13 - схема фазовой автоподстройки частоты вращения анализатора; 14, 15 - блоки управления шаговыми приводами; 16 - компьютер; 17 - устройство вывода и хранения информации.

измерительного комплекса. Алгоритм реализован в виде программного обеспечения автоматизированного поляризационно-оптического измерительного комплекса и осуществляет:

- управление работой комплекса

- обработку результатов измерений: коррекция дрейфа, сглаживание и

интерполяция данных эксперимента, вычитание "нулевого" спектра

- расчет параметров исследуемых объектов на основе разработанных

методов, представленных в главах диссертации

т.е. включает в себя все шаги по исследованию объекта от настройки прибора до получения готовых параметров, представляющих интерес для исследователя. Алгоритм, являясь основой методического обеспечения универсального измерительного комплекса, позволяет, таким образом, включать в исследования без особой трансформации аппаратурного обеспечения практически любой круг объектов, обладающий необходимыми параметрами для оптических измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы можно свести к следующему:

1. Предложен метод оценки и расчета погрешностей измерений матрицы Джонса анизотропных объектов.

2. Предложен метод анализа анизотропных сред, основанный на азимутальных измерениях. Выполнено математическое моделирование для одновременного определения параметров линейной анизотропии и оптической активности объектов.

3. Разработан эллипсометрический метод оперативного контроля состава, толщины, планарности поверхностных полупроводниковых слоев в АЮаАв - гетсроструктурах.

4. Предложен спектрофотополяриметрический метод количественного анализа состава многокомпонентных смесей. Разработаны математические модели для определения концентраций доя двух- и трехкомпонентных растворов.

5. Для реализации разработанных методов исследования объектов в поляризованном свете создан автоматизированный модульный поляризационно-оптический измерительный комплекс.

6. Разработан метод корректировки временного дрейфа спектральных зависимостей измеряемых параметров в электронном тракте поляризационно-оптического комплекса.

7. Разработан обобщенный алгоритм поляриметрических исследований, реализованный в виде программного обеспечения к автоматизированному поляризационно-оптическому измерительному комплексу и включающий в себя все шаги по исследованию объекта от настройки измерительного комплекса до получения готовых параметров, представляющих интерес для исследователя.

8. Создан пакет программ для обработки и интерпретации эезультатов исследований, в том числе: программы по первичной обработке данных измерений (сглаживание, вычитание "нулевого" спектра, <оррекция теплового дрейфа), программы для оценки и расчета югрешностей измерений матрицы Джонса анизотропных объектов, расчета характеристик объектов, проявляющих свойства линейной шизотропии и оптической активности, расчета концентраций компонентов смесей, определения параметров поверхностных полупроводниковых ;лоев.

Список научных трудов по теме диссертации:

С.А. Алексеев, В.Т. Прокопенко, Фен Ли Шуан, И.А. Скороходова, М.В. Сухорукова. Определение концентраций многокомпонентных растворов средствами поляриметрии. - Труды международной конференции "Прикладная оптика - 96", 17-20 сентября 1996, г. Санкт-Петербург (Россия).

С.А. Алексеев, В.Т. Прокопенко, Фен Ли Шуан, И.А. Скороходова, М.В. Сухорукова. Определение концентраций многокомпонентных растворов средствами поляриметрии. - Оптический курнал, 1997, т. 64, в. 8, с. 46-48.

М.В. Сухорукова, И.А. Скороходова, В.П. Хвостиков. Исследование ультратонких слоев АЮаАэ методом эллипсометрии. -Физика и техника полупроводников, 2000, т. 34, в. 1, с. 57-61.

В.Т. Прокопенко, М.В. Сухорукова, И.А. Скороходова. Экспресс-методика контроля тонкослойных полупроводниковых структур методом эллипсометрии. - Сборник научных трудов молодых ученых и ;пециалистов СПбГИТМО (ТУ), 2000, в. 1, ч. 1, с. 44-47.