Визначення параметрів плівково-поверхневих структур методом обвідних спектрів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Міністерство освіти і науки України

Прикарпатський національний університет

імені Василя Стефаника

Спеціальність 01.04.18 - Фізика і хімія поверхні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Визначення параметрів плівково- поверхневих структур методом обвідних спектрів

Моргуліс Алла

Івано-Франківськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі матеріалознавства і новітніх техно-логій Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника,

Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Кособуцький Петро Сидорович, професор кафедри фізики

Національного університету “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович,

завідувач відділом поляритонної оптоелектроніки Інституту фізики напівпровідників імені В. Є. Лашкарьова,

Національна Академія Наук України, м. Київ;

доктор фізико-математичних наук

Франів Андрій Васильович,

доцент кафедри експериментальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка, м. Львів;

Провідна установа:

Інститут фізики НАН України, відділ нелінійної оптики, м.Київ

Захист відбудеться „ 26 ” травня 2006 року о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.051.06 у Прикарпатському національному університеті імені Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України за адресою: 76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 79, конференц-зал Будинку вчених..

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника (76025, м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 79).

Автореферат розісланий ”19 ” квітня 2006 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 20.051.06,

д.т.н., професор Сіренко Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасна мікроелектроніка, а особливо наноелектроніка, є надзвичайно критична до тих фізико-хімічних процесів, які відбуваються на поверхні чи межах розділу електронних матеріалів. Перш за все контакт із атмосферою зумовлює на поверхні складні процеси, внаслідок яких на ній практично завжди існують плівки власних окислів, параметри яких необхідно контролювати. Більше того, є ряд напрямків мікроелектроніки, де застосовують спеціальні фізико-хімічні технології реконструкції поверхні для створення широко спектру сенсорних функціональних пристроїв на плівково-поверхневих структурах. Це досягається зміною енергетичного стану електрона в області розділу шляхом зміни її властивостей під впливом зовнішнього чинника.

У будь-якому випадку довільний технологічний процес вимагає впровадження неруйнівних методів контролю фізичних параметрів, в тому числі товщини чи оптичних показників. Актуальне місце серед чинних методів контролю фізичних параметрів займає метод багатопроменевої інтерференції. Треба зазначити, що незважаючи на те, що ця ідея Фабрі і Перо була висловлена і обгрунтована ще понад сторіччя тому, вона і досі привертає увагу дослідників і практиків. Сьогодні принцип багатопроменевої інтерференції став базовим для організації інтерференційних і еліпсометричних неруйнівних методів оптичної діагностики параметрів плівко-поверхневих структур у мікро- і наноелектроніці. Більше того, на його основі розроблений принципово новий клас функціональних пристроїв твердотільної термометрії, МЕМС-електроніки та сенсорики, сейсмології і тощо. Закономірності багатопроменевої інтерференції в плівково-поверхневих структурах покладені в основу неруйнівного контролю не лише методами електромаґнітної оптики, але й акустики та рентґенівських хвиль. амплітуди і фази.

Метод інтерференції Фабрі-Перо базується на використанні фізичних основ теорії Максвелла електромаґнітного поля, яка дозволяє в досить широкому спектрі частот одержувати вирази для комплексних френелівських коефіцієнтів відбиття та пропусканння плоских хвиль в термінах макроскопічного підходу опису властивостей середовищ як зміну їх

Незважаючи на те, що в літературі висловлювалась думка про те, що ця задача в основному вирішена, тим не менше останнім часом з точки зору вирішення прямої чи оберненої спектрофотометричних завдань з'ясувалась актуальність розробки загального підходу до опису спектрів багатопроменевої інтерференції з позиції аналізу закономірностей формування їх обвідних як значень енергетичних коефіцієнтів відбиття , пропускання та фаз відбитої і пропущеної хвиль у вершинах екстремумів смуг інтерференції і встановлення кореляції їх з параметрами плівково-поверхневих структур. Актуальність методу обвідних спектрів особливо визріла останнім часом, коли було обґрунтовано принципово новий підхід аналізу апаратних функцій інтерферограм та принципово нова можливість реконструкції фази із експериментального спектру відбиття та застосування кутової спектроскопії багатопроменевої інтерференції для визначення параметрів тонких і надтонких шарів.

Таким чином, на момент формулювання основної задачі дисертації в літературі не був розроблений загальний підхід до визначення параметрів плівково-поверхневих структур методом обвідних амплітудно-фазових спектрів Фабрі-Перо відбивання і пропускання світла, навіть для найпростішого виду одношаровими структурами. Тому, з метою встановлення корелляції значень енергетичних коефіцієнтів та відповідних фаз із оптичноми та геометричними параметрами середовищ, що їх утворюють, актуальними постали дослідження фізичних умов формування значень обвідних спектрів відбиття, пропускання та фази плоских електромагнітних хвиль непровідними ділектричними та напівпровідниковими плоскопаралельними плівково-поверхневими одношаровими структурами в ділянці прозорості і поглинання, при нормальному і похилому проходженні променем меж поділів з метою встановлення нових фізичних закономірностей, формування спектроскопії багатопроменевої інтерференції і розширення фукнціональних можливостей методу обвідних як базового в мікро- і наноелектроніці для визначення параметрів плівково-поверхневих непровідних структур. Це основне завдання дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в напрямку досліджень Прикарпатського національного університету “Фізико-хімічні процеси інтеркаляції та деінтеркаляції іонів літію у катіон - заміщені літій - залізні шпінелі” та в рамках науковго ґранту NATO PST.CLG.980040 “Електронні процеси в молекулярних нитках” у співпраці з університетом Гумбольта (м. Берлін) .

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є дослідження фізичних умов формування обвідних , спектрів багатопроменевої інтерференції світла одношаровими структурами з метою визначення парметрів плівково-поверхневих структур методом аналізу закономірностей формування обвідних багатопроменевих спектрів в ділянці прозорості, так і в ділянці поглинання як при нормальному і похилому проходженні електромаґнітною хвилею меж поділів. Залишаючись у межах геометричної оптики, основними завданнями дослідження, які необхідно було вирішити для досягнення поставленої мети, були такі:

1.Дослідити фізичні умови формування обвідних , спектрів багатопроменевої інтерференції і розробити метод визначення параметрів одношарових непровідних плівково-поверхневих структур при нормальному проходженні променем світла меж поділів. Вирішенню цього завдання присвячений другий розділ дисертації.

2.Дослідити фізичні умови формування обвідних , спектрів багатопроменевої інтерференції і розробити метод визначення параметрів одношарових поглинальних плівково-поверхневих структур при нормальному проходженні променем меж поділів. Вирішенню цього завдання присвячений третій розділ дисертації.

3.Дослідити фізичні умови формування обвідних ,

спектрів багатопроменевої інтерференції і розробити метод визначення параметрів одношарових плівково-поверхневих структур в геометрії похилого проходження променя меж поділів. Вирішенню цього завдання присвячений четвертий розділ дисертації. Триєдиний підхід дозволив успішно вирішити поставлену мету дисертації.

ОБ'ЄКТ дослідження - просторова одновимірна математична модель відбиття та пропускання плоскої електромаґнітної хвилі одношаровою плоскопаралельною плівково-поверхневою структурою.

ПРЕДМЕТ дослідження - моделювання амплітудно-фазових властивостей спектрів багатопроменевої інтерференції в геометрії відбиття і пропускання світла одношаровими непровідними плівково-поверхневими структурами.

Застосовувались такі МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ: просторово-одновимірний фізико-математичний аналіз за допомогою плоских електромаґнітних хвиль та комп'ютерне моделювання в сучасному пакеті прикладних програм МathСAD.

Наукова новизна одержаних результатів.

У межах наближення плоскої хвилі та просторово одновимірної моделі оптичної неоднорідності:

1. Вперше обґрунтовані фізичні умови для визначення параметрів плівково-поверхневих структур методом обвідних спектрів

, в залежності від значень параметрів середовищ, і розроблений загальний метод обвідних для моделювання амплітудно-фазових спектрів відбивання і пропускання світла напівпровідниковими та діелектричними плівково-поверхневими одношаровими плоскопаралельними структурами в області прозорості, так і в області поглинання при нормальному і при похилому проходженні променем меж поділів.

2. Вперше досліджені фізичні закономірності формування спектрів

багатопроменевої інтерференції в ділянці резонансної дисперсії функції діелектричної проникності. Обгрунтовано, що в резонансній ділянці інтерференція Фабрі-Перо неактуальна, а амплітудно-фазові спектри формуються так, ніби електромаґнітна хвиля відбивається від напівобмеженого середовища із резонансною дисперсією оптичних параметрів.

3. Вперше обґрунтовано, що обвідні , , , як експериментально вимірювані із спектрів Фабрі-Перо плівково-поверхневих структур, утворюють систему рівнянь, розв'язування яких дозволяє визначити параметри структури.

4. Вперше встановлені фізичні умови інверсії квазіефекту Брюстера в резонансних спектрах відбиття світла прозорими плоскопаралельними плівками, нанесеними на поверхню резонансно поглинаючої плівки.

Практичне значення одержаних результатів.

1.На основі аналізу закономірностей формування обвідних обвідні , , амплітудно-фазових спектрів багатопроменевої інтерференції розроблений і обґрунтований алґоритм визначення параметрів одноплівкових структур для потреб мікро- і оптоелектроніки та лазерної оптики.

2.Розроблено метод резонансної спектроскопії визначення параметрів надтонких плівок. спектр інтерференція сенсор

3.Обгрунтований критерій застосування кутової спектроскопії Фабрі-Перо для визначення параметрів надтонких плівкових структур.

4.На основі спектроскопії Фабрі-Перо запропонований принцип побудови інтерференційного сенсора.

Одержана інформація може бути корисною щодо розробок неруйнівних методів контролю параметрів плівкових структур у мікроелектроніці, конструюванні сенсорних пристроїв з оптоелектронними інтерференційними елементами та дослідженні параметрів поверхневих структур. Про актуальність та практичну цінність одержаних результатів досліджень свідчить той факт, вони можуть використовуватися для неруйнівного методу контролю параметрів промислових покрить в процесі їх нанесення.

Достовірність та обґрунтованість результатів та висновків, які одержані в дисертації, можуть бути підтверджені використанням базової, ґрунтовно дослідженої моделі одношарової плоскопаралельної плівкової структури та узгодженням з результатами теоретичних розрахунків, отриманих в інших наукових закладах.

На захист виносяться :

1. Висновок про універсальність опису амплітудно-фазової спектроскопії відбиття і пропускання світла непровідними діелектричними та напівпровідниковими одношаровими плівково-поверхневими плоскопаралельними структурами методом обвідних, як значень коефіцієнтів відбиття, пропускання та фази у вершинах екстремумів смуг інтерференції.

2. Висновок про встановлену кореляцію значень енергетичних

коефіцієнтів амплітуди і фази у вершинах екстремумів смуг багатопроменевої інтерференції з параметрами середовищ, що утворюють непровідну діелектричну та напівпровідникову одношарову плівково-поверхневу плоскопаралельну структуру.

3.Висновок про можливу інверсію ефекту (квазіефекту) Брюстера під час відбиття світла від прозорих плоскопаралельних плівок, закріплених на поверхні підкладки із резонансним характером поглинання.

Особистий внесок здобувача. Розроблений метод обвідних для аналізу інтерференційних спектрів відбиття та пропускання світла діелектричними та напівпровідниковими прозорими одношаровими поверхневоплівковими плоскопаралельними структурами, виконано математичне моделювання спектрів амплітуди і фази, здійснена обробка та аналіз результатів, сформульовано висновки. Розроблений і обгрунтований алгоритм визначення параметрів одноплівкових структур за значеннями експериментально визначаючих параметрів .

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи апробовувались на наукових семінарах кафедри матеріалознавства і новітніх технологій та фізики твердого тіла, теоретичної і прикладної хімії Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника, Інституту прикладної математики та фундаментальних наук Національного університету „Львівська політехніка”, Всеукраїнській конференції молодих науковців із теоретичної та експериментальної фізики „Еврика-2004” , Львівський національний університет імені Івана Франка, м. Львів, 22-24 травня, 2004 р., Відкритій науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету „Львівська політехніка” з проблем електроніки, 6-9 квітня, 2004 р. та опубліковані у матеріалах цих конференцій, на міжнародних конференціях у вигляді тез: Міжнародної конференції cтудентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. ЕВРИКА-2004, Львівській національний університет ім. І.Франка; Відкритої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікації, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки; V International School-Conference semiconductors Physics Urgent Problems. Drogobych, Ukraine June 27-30 2005; Наукової конференції професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 12 публікаціях, серед яких 7 статей у фахових наукових журналах, 4 тез доповідей у матеріалах наукових конференцій та одному патенті на деклараційну модель.

Структура та обсяг дисертації. За своєю структурою дисертація складається із вступу, чотирьох основних розділів, висновків та переліку використаних джерел. Робота містить 153 сторінок друкованого тексту, 52 рисунки, 164 математичні формули і 1 таблицю, та переліків цитованих літературних джерел із 141 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність задач дисертації. Сформульовано мету та завдання роботи, предмет та методи дослідження, відзначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Обґрунтовано достовірність наукових положень і висновків. Подано відомості про апробацію результатів роботи, особистий внесок дисертанта, обсяг та структуру дисертації.

Перший розділ “ОСНОВНІ МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ МОДЕЛЮВАННЯ

ПАРАМЕТРІВ ПЛІВКОВИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ФАБРІ-ПЕРО ” (огляд літератури) має оглядово-аналітичний характер. В цьому розділі у межах електромаґнітної оптики зроблено стислий огляд основних моделей математичного опису амплітудно-фазової спектроскопії відбиття та пропускання світла плівковими одношаровими плоскопаралельними структурами (рис.1). На підставі огляду літератури обґрунтовано основні завдання роботи, які вирішувались за таких наближень: 1.Електромаґнітні хвилі ? поперечні і плоскі. 2.Плівкова структура, оптично однорідна, має вигляд одношарової плоскопаралельної плівки. 3.Світловий промінь падає під довільним кутом на поверхню плівки.

Другий розділ „ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРОЗОРИХ ПЛІВКОВО-ПОВЕРХНЕВИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ОБВІДНИХ СПЕКТРІВ ФАБРІ-ПЕРО” присвячений обгрунтуванню методу обвідних для опису амплітудно-фазових спектрів інтерференції світла плоскопаралельними одноплівковими структурами. Показано, що в області прозорості такий підхід коректно описує амплітудно-фазові спектри багатопроменевої інтерференції при нормальному падінні променя на межу поділу. Основні результати цього розділу можна сформулювати так:

1.В залежності від співвідношення між показниками заломлень середовищ, що утворюють плоскопаралельний плівковий резонатор Фабрі-Перо та зсувів фаз світла на межах поділів середовище-резонатор 12 і резонатор-середовище 23 одноплівкові структури доцільно поділити на

чотири групи несиметричних структур: І-а - для якої ; ІІ-га, для якої; ІІІ-тя, для якої і,; IV-та, для якоїі і одну симетричну V -та, для якої . Як показано в дисертації, саме завдяки розробленому фізичному принципові класифікації представляється можливим методом обвідних встановити кореляцію між закономірностями формування амплітудних і фазових спектрів в залежності від співвідношення між показниками заломлень середовищ, що утворюють структуру.

Для опису амплітудно-фазових спектрів Фабрі-Перо одноплівкових структур використовувались в літературі добре відомі співвідношення для енергетичних коефіцієнтів відбиття і пропускання та тангенсів змін відповідних фаз;, де , індекси 12 і 23 відповідають границям разділів напівобмежене середовище - плоскопаралельна плівка - напівобмежене середовище .

Суть запропонованого і обгрунтованого в дисертації подальшого перетворення цих виразів полягає в тому, що за допомогою відомого пониження ступеня, вони виражаються через їх обвідні, як:, , де. Їх аналіз дає можливість сформулювати основний висновок цього розділу таким чином.

1.Систематизація структур з точки зору кореляції між значеннями показників заломлень середовищ та зсувами фаз хвилі на межах поділу дає можливість встановити властиві амплітудним і фазовим спектрам закономірності формування зокрема. Суть зробленого висновку полягає в тому, що з точки зору аналізу обвідних, закономірності формування амплітудних спектрів в структурах із співвідношеннями показників заломлень (група із індексом ) , (група із індексом ) є подібні і описуються однинаковими аналітичними виразами.

3. Тангенс зсуву фази відбитого плівкою світла також виражається

через обвідні як:

Однак, з позиції закономірностей їх кожна із несиметричних груп проявляє властиві їй закономірності. Окрему групу із характерними для них закономірностями становлять симетричні структури.

Третій розділ „ ВПЛИВ ПОГЛИНАННЯ НА АЛГОРИТМ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПЛІВКОВО-ПОВЕРХНЕВИХ ОДНОШАРОВИХ СТРУКТУР” присвячений розробленню методу обвідних для опису амплітудно-фазових спектрів інтерференції світла плоскопаралельною одношаровою плівковою структурою в області резонансного поглинання

Встановлено, що багатопроменева інтерференція акутальна лише за межами резонансного стану. В самій резонансній області існує інтервал частот деякої ширини , в якому амплітудно-фазовий спектр формується так, ніби електромагнітна хвиля відбивається від напівобмеженого середовища з резонансними оптичними властивостясми (1) (рис.3). Ця задача досліджувалась для двох моделей:

1. Коли поглинальна плоскопаралельна плівка знаходиться у вільному стані або закріплена на прозорій підкладці.

2. Коли прозора плівка закріплена на резонансно поглинальній підкладці.

З позиції закономірностей обвідних (2) запропонована і обгрунтувана інформативність експериментально визначаючого параметра спектру Фабрі-Перо як. Згідно із цим виразом, амплітуда осциляцій коефіцієнта відбиття на частоті, для якої задовольняється умова . Ця умова визначає границі інтервалу .

Для прозорих полівок на поверхні резонансно поглинальної підкладки встановлено що на частоті додаткового мінімуму контура відбиття енергетичний коефіцієнт дорівнює. Цей параметр також експериментально вимірюваний і дозволяє за його значенням визначити показник заломлення плівки.

Четвертий розділ „ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПЛІВКОВО-ПОВЕРХНЕВИХ ОДНОШАРОВИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ КУТОВОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ ОБВІДНИХ ” присвячений обгрунтуванню методу обвідних для опису кутових закономірностей амплітудно-фазових спектрів Фабрі-Перо. Перш за все обгрутовано, що метод обвідних коректно описує кутову спектроскопію Фабрі-Перо. Переконуємось, що для кутів падіння і, які відповідають прояву умов Брюстера на межах розділів 12), величина і обвідні дотикаються між собою.

Важливим і принципово новим результатом цього розділу дисертації є обгрунтування фізичних умов можливого спостереження явища інверсії ефекту Брюстера. Для малих товщин шару (а), квазіефект Брюстера має місце лише в поляризації. Коли кут, при якому має місце фазова компенсація і кут, при якому , співпадають, то реалізується ефект Брюстера. В компоненті за цих умов ні ефект, ні квазіефект Брюстера не спостерігаються. Подальше збільшення фазової товщини шару призводить до зворотної інверсії форми контура - мінімум його проявляється в поляризації (г), а в компоненті відсутній.

П'ятий розділ “ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ” присвячений обгрунтуванню практичного застосування встановлених в попередніх розділах закономірностей спектрів багатопроменевої інтерференції. З цією метою експериментально виміряний при температурі спектр відбиття світла плоскопаралельною пластинкою , на основі якого рекунстрйований спектр дисперсії показника заломлення. Крім цього проведений аналіз основних джерел похибок при визначенні параметрів плівок.

З позиції аналізу закономірностей обвідних спектрів багатопроменевої інтерференції показано, що представляється можливим побудувати систему на основі експериментально вимірюваних значень , яка дозволяє визначити параметри структур. Запропонований принцип дії інтерефренційного сенсора для реєстрації зміни оптичних параметрів зовнішнього середовища, що його оточує. Суть цього полягає в тому, що перехід структури із симетричного стану в несиметричний супроводжується зміною інтенсивності інтерференційного сигналу Фабрі-Перо

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації в наближенні плоских хвиль та просторово одновимірної моделі здійснено комплекс досліджень фізичних умов для визначення параметрів плівково-поверхневих структур методом обвідних спектрів, в залежності від значень параметрів середовищ, і розроблений загальний метод обвідних для моделювання амплітудно-фазових спектрів відбивання і пропускання світла напівпровідниковими та діелектричними плівково-поверхневими одношаровими плоскопаралельними структурами як в області прозорості, так і в області поглинання при нормальному, так і при похилому проходженні променем меж поділів. Результати виконаних досліджень узагальнено в таких основних висновках.

1. Обвідні, як функції значень енергетичних коефіцієнтів відбивання і пропускання та відповідних значень фаз у вершинах екстремумів Фабрі-Перо інтерференції світла напівпровідниковими та діелектричними плівково-поверхневими одношаровими плоскопаралельними структурами, що утворенs напівобмеженими оптично однорідними середовищами коректно описують амплітудно-фазові спектри нормального і похилого відбивання та пропускання, як в області прозорості, так і в області поглинання, в тому числі резонансного, в рамках моделі одноосциляторних переходів, при довільних співвідношеннях показників заломлення середовищ, що утворюють структуру.

2. З точки зору кореляції між показниками заломлень середовищ та стрибками фаз на межах розділів одношарові плоскопаралельні прозорі структури поділяються на дві несиметричні групи із співвідношеннями і одну симетричну групу із співвідношенням Однак, з позиції формування спектрів фази в геометрії відбиття кожна із груп несиметричних структур проявляє властиві їй закономірності формування.

3. В напівпровідникових та діелектричних поверхнево-плівкових одношарових плоскопаралельних структурах в області резонансних переходів існує інтервал частот, обмежений з обох сторін відносно частоти резонансного переходу рівністю коефіцієнтів у вершинах екстремумів , в якому багатопроменева інтерференція не актуальна. Спектри амплітуди і фази світла формуються так, як у випадку відбивання світла від напівобмеженого середовища з резонансним характером поглинання.

4. Для діелектричних одношарових плівок, нанесених на підкладку із резонансним характером поглинання, в області поздовжньо-поперечного розщеплення резонансного стану одночасне виконання умови фазової компенсації та рівності модулів амплітудних коефіцієнтів відбивання променя світла обома межами розділів плівки може призвести до інверсії за поляризацією ефекту (квазіефекту) Брюстера, коли проявляється він в поляризації, а в р-компоненті ? відсутній.

5. Експериментально вимірювані значення енергетичних коефіцієнтів відбиття і пропускання в екстремумах смуг багатопроменевої інтерференції формують систему рівнянь, які однозначно визначають параметри середовищ, що утворюють діелектричні і напівпровідникові одноплівкові структури.

6. На основі закономірностей формування обвідних обгрунтовано, що перехід структури із симетричного стану в несиметричний призводить до зміни амплітуди інтерференції світлового променя, відбитого і пропущеного плівковим інтерферометром, що дозволяє на цій основі побудувати інтерференційний сенсор.

Таким чином, на підставі одержаних результатів можна узагальнити висновок про те, що розроблений в дисертації метод обвідних амплітудно-фазових спектрів багатопроменевої інтерференції електромагнітних хвиль суттєво розширює практичні можливості застосування його в мікроелектроніці як базового методу визначення параметрів плівково-поверхневих одношарових структур.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Моргуліс А.М. Ефект Брюстера в спектрах відбиття Фабрі-Перо// Вісник Національного університету “Львівська політехніка”.-2004-№513.-С.174 - 178.

2. Кособуцкий П.С., Моргулис А.М. Моделирование спектроскопии

отражения и пропускания света однослойными интерферометрами Фабри-Перо методом огибающих // Оптический журнал.-2004.-Т.71. -№12.-С.63-68.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Постановка та теоретичне обґрунтування завдання і

розробка математичної моделі, математичне моделювання характеристик в середовищі MathCAD, інтерпретація отриманих результатів

3. Кособуцкий П.С., Моргулис А.М. Оценка дисперсии коэффициента

поглощени в области резонансніх переходов по спектрам отражения в

интерференции Фабри-Перо // Журнал прикладной спектроскопии. -

2004.-Т.71.- №5.-с.672-675.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Постановка та теоретичне обґрунтування завдання, обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Розробка математичної, математичне моделювання в середовищі MathCAD, інтерпретація та обговорення отриманих результатів.

4. Kosoboutski P., Morgulis A., Karkulewska M., Danylov A. Spike in Spectra of Light Reflection by Crystals as a Criterion of Spatial Dispersion Appreance in Exciton Optical Properties// Ukrainian Journal of Physycal Optics. -2004.-Vol.5.-№3.-P.100-103.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Постановка та теоретичне обґрунтування завдання,

теоретичне моделювання спектрів. Обговорення отриманих результатів.

Каркульовська М.С., асистент. Комп”ютерне моделювання в середовищі MathCAD.

Данилов А.Б., асистент. Експериментальна апробація результатів.

5. Кособуцький П.С.,Моргуліс А.М. Моделювання методом обвідних

амплітудно-фазових спектрів Фабрі-Перо тришарових прозорих структур при нормальному падінні промен // УФЖ .-2004.-Т.49.- №12.-С.1163 -1169.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Постановка та теоретичне обґрунтування завдання,

математичне моделювання та обговорення отриманих результатів.

6.Кособуцький П.С., Моргуліс А.М. Моделювання методом обвідних резонансної дисперсії функції діелектричної проникності // УФЖ. -2005.- Т.50.- №3.-С.230-233.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н.Обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Постановка та теоретичне обґрунтування завдання,

математичне моделювання, інтерпретація отриманих результатів. Апробація результатів

7.Kosobutskyy P.S., A.Morgulis, M.S.Karkulovska, A.B.Danilov. Simulation of angular regulariries observed in the spectra of light reflected by three-layer plane structures with a Fabry-Perot resonator//Ukr.J.Phys.-2005.-Vol.50. - №6.-P.552-556

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Формулювання ідеї.

Моргуліс А.М. Теоретичне та математичне моделювання, інтерпретація отриманих результатів. Апробація результатів.

Каркульовська М. С. , асистент. Розрахунки в середовищі MathCAD.

Данилов А.Б. , ассистент. Еліпсометрічні розрахунки.

8.Кособуцький П.С.,Каркульовська М.С.,Кособуцький Я.П., Моргуліс А.М.Спосіб визначення спектра фази плоскої світлової хвилі, відбитої плоскопаралельним середовищем: Пат:5764 (Україна) ,MKJ G01R27/06-№20040806833.-заявл.16.08.2004.-Опубл.15.03.2005.-Бюл.№3.

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Формулювання ідеї.

Каркульовська М. С. , асистент. Математичне моделювання в середовищі MathCAD.

Моргуліс А.М. Р Постановка та теоретичне обґрунтування завдання і розробка формули заявки.

Кособуцький Я.П. , пошукувач. Програмне моделювання в системі СІ.

9. Моргуліс А.M. Фабрі-Перо інтерферометрія світла в резонансній області спектра. Міжнародна конференція cтудентів і

молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. ЕВРИКА-2004, Львів, Національний університет ім. І.Франка, 19-21 травня 2004.- С.109.

10. Моргуліс А. Ефект Брюстера в спектрах відбивання Фабрі-Перо. Відкрита науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікації, радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету “Львівська політехніка” з проблем електроніки. Тези доповідей, Львів, 6-9 квітня 2004 р.- с.28

11. Kosoboutski P.S., Morgulis A. Fabry-Perot interferometry of light by layer in the resonant region. V International School-Conference semiconductors Physics Urgent Problems. Drogobych, Ukraine June 27-30 2005.-P.100

Кособуцький П. С. д.ф.-м.н. Обговорення отриманих результатів.

Моргуліс А.М. Постановка завдання, розробка алґоритму математичної обробки спектрів відбиття та пропускання.. Апробація одержаних результатів.

12. Моргуліс А. Аналіз можливих похибок в інтерферометрії Фабрі-Перо одноплівковими структурами. Наукова конференція професорсько-викладацького складу Інституту прикладної математики та фундаментальних наук Національного університету “Львівська політехніка”. Тези доповідей. Львів, 26-28 травня 2005.- С.67.

АНОТАЦІЯ

Моргуліс А. Визначення параметрів плівково-поверхневих структур методом обвідних спектрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18.- фізика і хімія поверхні. - Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, 2006.

У дисертації розроблений метод обвідних інтерферограм Фабрі?Перо для визначення параметрів одношарових плоскопаралельних плівкових структур. Для розв'язання основних задач дисертації використані наближення плоских електромаґнітних хвиль та просторово-одновимірної моделі відбивання і пропускання світла. Вперше обгрунтуваний метод обвідних, як значень енергетичних коефіцієнтів відбиття, пропускання і фази в вершинах екстремумів смуг інтерференції Фабрі-Перо для опису амплітудно-фазових спектрів інтерференції світла плоскопаралельними плівковими структурами. Показано, що в області прозорості такий підхід коректно описує відповідну спектроскопію при нормальному падінні променя на межу поділу. Обгрунтування проведено для розділених на групи структур, в залежності від співвідношень між показниками заломлень контактуючих середовищ, що утворюють структуру, за умови нормального проходження променем меж поділів. Показано, що розроблений підхід коректно описує амплітудно-фазові спектри інтерференції світла плоскопаралельними плівковими структурами в ділянці резонансного поглинання. При цьому обґрунтовано, що багатопроменева інтерферометрія акутальна лише за межами поздовжньо-поперечного розщеплення резонансного стану, а в резонансній ділянці амплітудно-фазовий спектр формується так, ніби електромагнітна хвиля відбивається від напівобмеженого середовища з резонансною дисперсією функції діелектричної проникності. Розроблений метод обвідних обґрунтований для опису кутових закономірностей спектроскопії Фабрі-Перо. Показано, що в цій геометрії досліду метод обвідних коректно описує кутові закономірності спектрів відбиття і пропускання світла плоскопаралельними плівковими структурами як в ділянці прозорості, так і в ділянці поглинання. Встановлено, що у випадку відбиття світла від прозорого плоскопаралельної плівки, закріпленої на поверхні напівобмеженого середовища із резонансним характером поглинання, для частот хвилі із ділянки поздовжньо-поперечного розщеплення можлива інверсія за поляризацією ефекта (квазіефекта) Брюстера. На основі методу обвідних обґрунтований фізичний принцип роботи інтенрференційного сенсора.

Ключові слова: плоскопаралельна плівка, інтерферограма Фабрі?Перо, амплітудно-фазові спектри пропускання і відбиття, метод обвідних.

АННОТАЦИЯ

Моргулис Алла. Определение параметров пленочно-поверхностных структур методом огибающих спектров

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальністи 01.04.18.- физика и химия поверхности. - Прикарпатский национальный университет имени Василя Стефаника, ивано-Франковск, 2006.

Диссертация посвящена разработке метода огибающих спектров интерференции Фабри-Перо для определения параметров пленочно-поверхностных структур. Для решения основных задач диссертации использованы приближения плоских электромагнитных волн и пространственно одномерной модели отражения и пропускания света.

В диссертации разработан метод огибающих амплитудно-фазовых спектров пропускания и отражения плоской электромагнитной волны одиночной плоскопаралельной пластиной с учетом многолучевой интерференции. Исследования выполнены как в области прозорости, так и в области поглощения, которая моделировалась одноосцилляторной функцией диэлектрической проницаемости с учетом резонансной дисперсии. Компьютерное моделирование спектров выполнено в геометрии нормального и наклонного прохождения волной границ разделов. Поставленные в диссертации задачи решались в рамках пространственно одномерной модели оптической неоднородности, с которой взаимодействует плоская электромагнитная волна.

Диссертация состотит из пяти разделов. Первый - обобщающий литературные источники; второй - посвящен разработке метода огибающих спектров Фабри-Перо для прозрачных структур; третий раздел посвящен разработке метода огибающих спектров Фабри-Перо в области резонансного поглощения; четвёртый - посвящен разработке метода огибающих спектров многолучевой интерференции для геометрии наклонного прохождения электромагнитной волной плоской границы раздела. Пятый раздел посвящен аппробации полученных в диссертации результатов. К осоновным и наиболее важным результатам, полученных в диссертации относятся следующие:

1.Впервые разработан метод огибающих амплитудно-фазовых спектров

многолучевой интерференции Фабри-Перо однослойными плоскопаралельными структурами при произвольных соотношениях между оптическими характеристиками сред, её образующих.

2.Показано, что метод огибающих корректно применим как в области прозорости, так и в области поглощения. В общем случае фукции огибающих описываются выражениями Индексы 12 и 23 соответствуют границам разделов полуограниченная среда - плоскопаралельный слой фазовой толщины и слой-полуограниченная среда, амплитудный коэффициент.

3.Показано, что за закономерностями формирования амплитудно-фазовых спектров в области прозорости, одиночные плоскопаралельные структуры представляется возможным сгруппировать в четыре нессиметричные группы и одну симметричную, что существенно упрощает процедуру установления связи между параметрами структуры и закономерностями спектров Фабри-Перо. Для прозрачных структур получено выражение для тангенса фазы, в котором фигурируют её значения в экстремумах.

4. Установлено, что в области резонансного поглощения существует

диапазон частот, в пределах которого многолучевая интерференцияя не проявляется из-за существенного поглощения луча, преломляющегося в плоскопаралельную среду. За пределами этого резонансного участка, метод огибающих корректно описывает амплитудно-фазовые спектры многолучевой интерференции.

5.Установлена связь между амплитудами размаха в спектре и уровнем

поглощения света в пленке. Показано, что амплитуда осцилляций коэффициента отражения на частоте, для которой удовлетворяется условие.

6.Установлено, что в случае отражения света от прозрачной плоскопаралельной пленки на поверхности полуорганиченной среды с резонансной дисперсией диэлектрической функцией для частот в области продольно-поперечного расщепления возможна инверсия по поляризации эффекта Брюстера. На основании метода огибающих обоснован физический принцип работы интерференционного сенсора.

7.На основании полученных результатов, сформулирована система уравнений позволяющая определить параметры структуры из анализа значений спектров многолучевой интерференции света в экстремумах полос Фабри-Перо.

Ключевые слова: плоскопаралельная пленка, интерферограмма Фабри?Перо, амплитудно-фазовые спектры пропускания и отражения, метод огибаючих.

ABSTRACT

Morgulis A. Parameter determination for film-surface structures by spectra envelope function method.

Thesis for a Candidate degree by speciality 01.04.18. - physics and chemistry of surface. -Precarpathian National University named after V. Stefanyk, Ivano-Frankivsk, 2006.

Envelope function method for Fabry-Perot interferograms was developed in the thesis for parameter determination for one-layer plane-parallel film structures. To solve the key problems of the thesis the approaches of plain electromagnetic waves and spatially one-dimensional model of light reflection and transmission were used. The method of envelope functions as the values of energetic reflectance, transmittance and phase in the extremums of Fabry-Perot interference bands was for the first time grounded and used for description of amplitude-phase spectra of light interference in plane-parallel film structures. It was shown that in transmission band the approach is valid for correct description of relevant spectroscopy at normal beam incidence on interface. The grounds were carried out for the structures divided in groups in dependance of the ratio between reflectance indices for media in contact forming the structure when the condition of normal beam propagation through interface is satisfied. It was shown that the elaborated approach describes correctly amplitude-phase spectra of light interference in plane-parallel film structures in the region of resonant absorption. It was also grounded that multibeam interferometry is actual only out of the longitudinal-transverse splitting of resonant state. In resonant region the amplitude-phase spectrum forms as if electromagnetic wave reflects of semiinfinite medium with resonant dispersion of dielectric function. The developed method of envelope functions was grounded for description of angular dependences of Fabry-Perot spectroscopy. It was shown that in the geometry of test the envelope function method describes correctly angular regularities of light reflection and transmission spectra for ane-parallel film structures both in transparent and absorption regions. It was determined that in case of light reflection from transparent plane-parallel film fixed at the surface of semiinfinite medium with resonant type of absorption the inversion on Brewster effect polarization (pseudoeffect) takes place for wave frequencies in the region of longitudinal-transverse splitting. Physical principle of interference sensor was grounded on the basis of the envelopefunction method.

Key words: plane-parallel film, Fabry-Perot interferogram, amplitude-phase spectra of absorption and reflection, envelope function method.

Размещено на Allbest.ru

...