ОТ АВТОРОВ
История эллипсометрии - поляризационного оптического метода исследования межфазных границ - насчитывает уже 100 лет. Этот метод, впервые предложенный и реализованный Друде в 1887 г.*, позволил реабилитировать" известные формулы Френеля, выведенные для коэффициентов отражения света от геометрически плоской границы двух полубесконечных сред. Было показано, что причиной расхождения расчетов с экспериментом является не неточность формул, а неидеальность самой исследуемой поверхности, которая часто весьма далека от теоретической модели Френеля. Рассмотренный Друде случай отражения света от поверхности с тонкой и геометрически плоской пленкой стал первым и теперь уже классическим примером в эллипсометрии.
В начале 50-х гг. нашего века метод Друде (именно тогда получивший название эллипсометрии) был вновь возрожден к жизни в связи с необходимостью контроля тонких слоев в микроэлектронике. Вместе с тем, к этому времени наука о поверхности достигла уровня, когда потребовалось развитие экспериментальных методик для исследования физико-химических свойств поверхности и тонких поверхностных слоев вплоть до молекулярного размера. В этом отношении эллипсометричес-кий метод оказался привлекательным в связи с его высокой чувствительностью.
С этих пор эллипсометрия получила права „гражданства" среди прочих методов исследования поверхности и к настоящему времени определились две главные области ее приложения: технологический контроль наносимых на поверхность слоев и покрытий, и чисто научное — исследование свойств пленок и поверхностных слоев, образующихся при разнообразном физико-химическом воздействии на поверхность. Оба эти направления находят и найдут еще более широкое применение для развития новейших технологий, способствующих выполнению Комплексной программы химизации народного хозяйства СССР.
Теоретическим и методическим основам эллипсометрии посвящено несколько монографий [1, 2]. В литературе найти отражение также и вопросы применения эллипсометрии в технологии получения тонких пленок [2]. Понимая, что в рамках одной книги не удастся сколько-нибудь полно остановиться на всем многообразии приложений эллипсометрии в физической химии, мы выбрали для более подробного изложения вопросы, которые представляются нам актуальными и являются предметом нашего непосредственного интереса.
Как известно, основной задачей классической эллипсометрии является измерение оптических постоянных и толщины поверхностных пленок с резкими границами раздела между фазами. Однако заранее ясно, что реальные поверхности, обычно встречающиеся в физико-химическом
эксперименте, характеризуются переходными слоями с плавным изменением исследуемых локальных свойств (плотности, концентрации, показателя преломления и т. п.)- Трудности математического описания механизма отражения света от такой границы раздела в большинстве случаев заставляют принять более простую модель переходного слоя, характеризовать который приходится уже с помощью некоторых эффективных параметров. В результате обычно остаются не учтенными и не выявленными такие качества, присущие реальной поверхности, как шероховатость, неоднородность, анизотропия и пр.
В связи с этим мы считали целесообразным в гл. I после краткого изложения теоретических и методических основ метода более подробно рассмотреть некоторые случаи отражения света от поверхности с учетом ее реальных свойств.
Последующие главы посвящены применению эллипсометрии для изучения различных границ раздела фаз. Гл. П содержит анализ результатов исследования поверхностных слоев жидкости на границе с паром; в гл. III изложены вопросы, связанные с приложением эллипсометрии к изучению поверхности твердых тел, причем специально обсуждаются свойства поверхности (в основном оптических материалов), которые появляются в результате физического или химического воздействия: полирование, химическая обработка и т. п'.; гл. IV посвящена приложению эллипсометрического метопа в электрохимии, т. е. для изучения поверхности электродов. В этих областях физической химии эллипсо-метрия получила наибольшее распространение в последние годы, о чем свидетельствует обилие работ, представленных на пяти международных конференциях по эллипсометрии [3], трех Всесоюзных конференциях [4], а также появившихся в периодической литературе за последние Шлет.
В ходе изложения мы считали целесообразным, где это возможно, сопоставить результаты эллипсометрического анализа с данными других физико-химических методов исследования.
В Приложении приводятся некоторые вычислительные программы для обработки результатов эллипсометрических измерений. Они написаны для доступной экспериментаторам настольной ЭВМ „Электроника ДЗ-28".
Материалы к различным разделам книги подготовлены: М. И. Абае-вым - гл. I (1.1; 1.2; 1.3.1-1.3.5), Приложение; В. И. Пшеницыным -гл. I (1.4), гл. П и Ш; Н. Ю. Лызловым - гл. I (I.2.1,1.2.2), гл. IV.
Авторы считают своим долгом поблагодарить чл.-корр. АН СССР Г. Т. Петровского, проф. А. И. Русанова, докт. физ.-мат. наук В. А. Антонова, докт. хим. наук А. К. Якхинда, ст. н. с. М. И. Урбаха, И. А. Храм-цовского за помощь при работе над этой книгой.
I ОГЛАВЛЕНИЕ
liBiopoB 3
Lea I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 5 I ЭЛЛИПСОМЕТРИИ
I 1.1. Методика измерения эллипсометрических параметров 5
I 1.2. Оптимальные условия эксперимента 8
1.2.1. Способы обработки поверхности 9
| 1.2.2. Особенности конструкции кювет для исследования 11
в жидкостях
I I.3. Основное уравнение эллипсометрии. Методы точного 13 I решения
1.3.1. Идеальная граница между полубесконечными средами 14
1.3.2. Однородный изотропный слой на изотропной подложке 15
1.3.3. Аналитическое решение обратной эллипсометрической 20 задачи для однослойной изотропной системы
1.3.4. Однородный анизотропный диэлектрический слой 26 на изотропной подложке
1.3.5. Неоднородные слои 27 1.4. Приближенные методы решения 33
1.4.1. Тонкий проводящий слой 33
1.4.2. Определение профиля показателя преломления 36 неоднородных поверхностных слоев и пленок
путем секционирования
1.4.3. Определение профиля показателя преломления 38 неоднородных поверхностных слоев математическим
моделиров анием
1.4.4. Влияние микрошероховатости поверхности 41 на эллипсометрические параметры
ив а II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ 48
II. 1. Особенности поверхностных слоев жидкостей 48
П. 1.1. Понятия эффективной, характеристической, минимальной 49
возможной толщины поверхностного слоя
П. 1.2. Профиль диэлектрической проницаемости 56
II. 1.3. Взаимосвязь коэффициента эллиптичности с толщиной 58
и структурой поверхностного слоя
Н.2. Поверхностные слои на границе раздела жидкость-пар 62
II.3. Расслаивающиеся системы на границе с паром 67
а в а III. ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ 71 ПОВЕРХНОСТИ СТЕКЛА
III. 1. Полированная поверхность 71
111.2. Химически обработанная поверхность 85
111.3. Учет шероховатости 91
aealV. ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИЦЫ ЭЛЕКТРОД-РАСТВОР 94
IV. 1. Общие положения 94 IV.2. Оптические свойства границы электрод-электролит 97
^
-ш
А 1
IV.3. Электрохимический эталон для эллипсометрии Ю1
IV.4. Хемосорбировэнные слои. Эллипсометрия адатомов ЮЗ
при потенциалах „недонапряжения"
IV.5. Эллипсометрия в кинетике электродных процессов 107
(хроноэллипсометрия)
IV.6. Изучение анодной пассивации электродов 112 I
IV.6.1. Общие положения 112 I
IV.6.2. Платина, металлы платиновой группы, золото 115 |
IV.6.3. Железо 118 -I
IV.6.4. Кобальт 120 j
IV.6.5. Никель 121 \
IV.6.6. Свинец 124 I
IV.6.7. Оптические характеристики некоторых металлов и анодных 127 !
пассивирующих пленок _
Приложения 133 "!
Библиографический список
Цена: 100руб.
