معرفی و روش تحلیل آزمون بیضی سنجی (Ellipsometry)

بیضی‌سنجی یک روش توانمند و غیرمخرب برای آنالیز لایه‌های بسیار نازک است. این روش قادر به اندازه‌گیری ضریب شکست، ضریب جذب و ضخامت لایه‌های نازک است. این وسیله بر مبنای این واقعیت ساخته شده‌است که بازتاب از یک فصل مشترک (سطح) دی‌الکتریک می‌تواند قطبش و فاز موج ورودی را تغییر دهد. این تغییرات به ضریب شکست ماده بستگی دارد. این روش می‌تواند خواص مختلفی از قبیل ضخامت، خواص نوری، مورفولوژی و حتی ترکیبات شیمیایی لایه را نیز مشخص کند. همچنین بیضی‌سنجی می‌تواند برای اندازه‌گیری ضخامت لایه‌هایی با ضخامت نانومتری که روی زیرلایه‌های مختلف قرار دارند، استفاده شود. حتی به کمک این روش می‌توان چندلایه‌ها (Multilayer) را نیز بررسی و مطالعه نمود.

نام "بیضی‌سنجی" ازاین واقعیت که بیشتر حالت‌های عمومی قطبش بیضوی‌اند گرفته شده‌است. حدود یک قرن از شناخت این روش می‌گذرد و امروزه کاربردهای استاندارد زیادی پیدا کرده است. البته بیضی‌نگاری در حوزه‌های پژوهش دیگر، از قبیل زیست شناسی و پزشکی نیز روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. 

بیضی‌سنجی یک روش اپتیکی بسیار حساس است. این حساسیت به دلیل تغییر فاز نسبی نور قطبیده‌ای است که از یک لایه نازک منعکس می‌شود و یا از میان آن عبور می‌کند. اندازه‌گیری این تغییر فاز را می‌توان در یک طول موج یا چندین طول موج و در یک زاویه برخورد یا در زوایای برخورد متفاوت انجام داد. در این روش قطبش نور منبع (نور به عنوان موج الکترومغناطیس و غیرقطبی) توسط یک واحد قطبی کننده (polarizer) خطی می‌شود، سپس توسط یک جبران‌کننده (compensator) قطبش خطی به قطبش دایره‌ای تبدیل می‌گردد. بعد از برخورد نور قطبیده شده به نمونه و انعکاس از سطح نمونه (در جهت‌های موازی (Rp) و عمود (Rs) بر صفحه برخورد نور با نمونه)، نور توسط یک آنالیزور جمع‌آوری شده، به وسیله یک آشکارساز، شدت آن نمایان می‌شود و در نهایت متغیرهای بیضی‌سنجی (Δ و Ψ) از رابطه اصلی بیضی‌سنجی محاسبه می‌گردند. با مدل‌سازی این توابع به وسیله بانک اطلاعاتی، می‌توان به خواص اپتیکی لایه پوشش پی برد.
همچنین با استفاده از این دستگاه می‌توان نقشه خواص را در یک ناحیه مشخص سطح بررسی نمود.

نویسنده: سید علیرضا حسینی (پژوهشگاه مواد و انرژی)