Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия в науке и технике наметилась тенденция развития 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 спектрополяриметрии и спектрофотометрии.
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 AlxGai.xAs-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 Ч* 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 іаполнения 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 ;енность 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
[етодического 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.
-
метод эллипсометрического контроля параметров поверхностных гоев позволяет свести задачу определения толщины, химического состава, ланарности полупроводниковых слоев гетероструктур к экспресс методу с рименением номограмм, связывающих эллипсометрические углы и Дс вумя параметрами системы: толщиной исследуемого слоя и толщиной слоя кисла либо химическим составом слоя и его толщиной.
-
метод оценки и расчета погрешности измерений матрицы отражения ^изотропных объектов методом обобщенной эллипсометрии.
-
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.
-
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.
