Die Ellipsometrie ist ein Messverfahren der Materialforschung und der Oberflächenphysik, mit dem dielektrische Materialeigenschaften (komplexe Permittivität beziehungsweise Real- und Imaginärteil des komplexen Brechungsindex) sowie die Schichtdicke dünner Schichten bestimmt werden können. Ellipsometrie lässt sich für die Untersuchung unterschiedlicher Materialien anwenden, beispielsweise organische oder anorganische Proben (Metalle, Halbleiter, Isolatoren und auch Flüssigkristalle). Der genutzte Frequenzbereich überstreicht das Spektrum vom Mikrowellenbereich über den Terahertzbereich, den Infrarotbereich über den sichtbaren Frequenzbereich bis zum Bereich des ultravioletten Lichts (UV, 146 nm).

Grundprinzip

Ellipsometrie bestimmt die Änderung des Polarisationszustands von Licht bei Reflexion (oder Transmission) an einer Probe. In der Regel wird linear oder zirkular polarisiertes Licht verwendet. Wie aus den Fresnel-Gleichungen hervorgeht, wird dieses Licht bei der gerichteten Reflexion an einer Grenzfläche im Allgemeinen elliptisch polarisiert, woraus sich auch der Name Ellipsometrie ableitet.

Die Änderung des Polarisationszustands kann im einfachsten Fall durch das komplexe Verhältnis ${\displaystyle \rho }$ der Reflexionskoeffizienten ${\displaystyle r_{\mathrm {s} }}$ und ${\displaystyle r_{\mathrm {p} }}$ beschrieben werden. Hierbei steht ${\displaystyle r_{\mathrm {s} }}$ für senkrecht zur Einfallsebene und ${\displaystyle r_{\mathrm {p} }}$ für parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht. Diese Koeffizienten sind das Verhältnis zwischen einfallender und reflektierter Amplitude.

${\displaystyle \rho ={\frac {r_{\mathrm {p} }}{r_{\mathrm {s} }}}}$

Eine andere Darstellung verwendet die ellipsometrischen Parameter ${\displaystyle \Psi }$ und ${\displaystyle \Delta }$, wobei ${\displaystyle \tan \Psi }$ gleich dem Betrag von ${\displaystyle \rho }$ ist, und ${\displaystyle \Delta }$ der Änderung der Phasendifferenz zwischen s- und p-polarisierter Welle entspricht:

${\displaystyle \rho \equiv {\frac {r_{\mathrm {p} }}{r_{\mathrm {s} }}}=\tan \Psi \exp {i(\Delta _{\mathrm {p} }-\Delta _{\mathrm {s} })}=\tan \Psi \exp {i\Delta }}$.

Aus der obigen Gleichung lassen sich folgende Vorteile der Ellipsometrie gegenüber reinen Reflexionsmessungen ableiten, bei denen nur der Reflexionsgrad R gemessen wird:

• Keine Referenzmessung notwendig, da Intensitätsverhältnisse anstatt Intensitäten bestimmt werden.
• Aus demselben Grund ergibt sich eine geringere Anfälligkeit gegenüber Intensitätsschwankungen.
• Es werden immer (mindestens) zwei Parameter (${\displaystyle \Psi }$ und ${\displaystyle \Delta }$) in einem Experiment bestimmt.

Aufbauvarianten und Einteilung

Die Ellipsometrie kann zum einen nach der verwendeten Wellenlänge und zum anderen nach dem benutzten ellipsometrischen Verfahren eingeteilt werden.

Auswertung der experimentellen Daten

Zur Auswertung der experimentellen Daten wird im Allgemeinen eine Modellanalyse verwendet. Nur im Spezialfall einer Probe, die nur aus einer Schicht besteht und optisch unendlich dick ist, können aus den experimentellen Daten direkt die optischen Konstanten der Probe bestimmt werden. Für die meisten Proben sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so dass die experimentellen Daten durch eine Linienformanalyse ausgewertet werden müssen. Dazu wird ein Modell erstellt, das die Abfolge der einzelnen Schichten der Probe, deren optische Konstanten und Schichtdicken enthält. Die optischen Konstanten sind entweder bekannt oder werden durch eine parametrisierte Funktion (engl. model dielectric function) beschrieben. Durch Variation der Parameter werden die Modellkurven den experimentellen Kurven angepasst.

Siehe auch

• Dielektrische Spektroskopie – elektrische Messung der komplexen Permittivität
• Reflexionsanisotropiespektroskopie – Messung von optischen Anisotropien

Literatur

• R. M. A. Azzam, N. M. Bashara: Ellipsometry and Polarized Light. Elsevier Science Pub Co., 1987, ISBN 0-444-87016-4.
• A. Röseler: Infrared Spectroscopic Ellipsometry. Akademie-Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-05-500623-2.
• M. Schubert: Infrared Ellipsometry on semiconductor layer structures: Phonons, Plasmons, and Polaritons (= Springer Tracts in Modern Physics. 209). Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-23249-4.
• H. G. Tompkins: A User's Guide to Ellipsometry. Dover Publications Inc., Mineola 2006, ISBN 0-486-45028-7 (Gutes Einsteigerbuch).
• H. G. Tompkins, E. A. Irene (Hrsg.): Handbook of Ellipsometry. William Andrews Publications, Norwich, NY 2005, ISBN 0-8155-1499-9.
• H. G. Tompkins, W. A. McGahan: Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry: A User's Guide. John Wiley & Sons Inc., 1999, ISBN 0-471-18172-2.
• H. Fujiwara: Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications. John Wiley & Sons Inc., 2007, ISBN 0-470-01608-6.

Weblinks

• Deutsches Forum Ellipsometrie des Arbeitskreises Ellipsometrie (Arbeitskreis Ellipsometrie – Paul Drude e. V.)
• Beschreibung der Ellipsometrie von Karsten Litfin
• Tutorial Ellipsometry, J. A. Woollam Co, Inc. (englisch)
• Tutorial Ellipsometry by J. E. Jellison Jr. (englisch) (PDF-Datei; 235 kB)

Einzelnachweise

1. ↑ Spectroscopic Ellipsometer Products. J.A. Woollam, abgerufen am 1. Juni 2010.
2. ↑ H. G. Tompkins (Hrsg.), E. A. Irene (Hrsg.): Handbook of Ellipsometry. William Andrews Publications, Norwich, NY 2005, ISBN 0-8155-1499-9, S. 77.
3. ↑ Peer Löbmann: Characterization of sol–gel thin films by ellipsometric porosimetry. In: Journal of Sol-Gel Science and Technology. Band 84, Nr. 1, 1. Oktober 2017, S. 2–15, doi:10.1007/s10971-017-4473-1.