Kỹ thuật quang học để đo độ dày màng – giao thoa kế màng mờ (fet, feco)

1. Nguyên lý: Nguyên lý cơ bản duy nhất mà hầu hết các công nghệ quang học dựa vào là sự giao thoa của hai hoặc nhiều chùm ánh sáng có sự khác biệt đường quang có liên quan đến độ dày màng. Các chi tiết của thiết bị khác nhau, tùy thuộc vào việc phim đục hay trong suốt có liên quan. 2. Ưu điểm Áp dụng được cho cả màng mờ và trong suốt Độ chính xác cao Chi phí thấp Nhanh, không phá hủy mẫu 3. Phương pháp vân giao thoa đồng độ dày Đối với màng mờ, bước đầu tiên là phải tạo bậc trên đế trong quá trình lắng đọng qua mặt nạ hoặc quang khắc. Một cặp tia sáng lân cận phản xạ từ hệ đế màng có quang lộ khác nhau và gây nhiễu bởi một lượng phụ thuộc vào chiều cao bước. Để tận dụng hiệu ứng này, người ta sử dụng giao thoa kế đa chùm tia, một kỹ thuật được phát triển bởi Tolansky. Điều này đòi hỏi độ phản xạ quang học của cả màng và đế phải rất cao cũng như đồng đều. Điều này được thực hiện bằng cách làm bay hơi một kim loại như Al hoặc tốt hơn là Ag trên cả màng và đế. Vân giao thoa được tạo ra bằng cách đặt một tấm tham chiếu phẳng có độ phản xạ cao, bán trong suốt, rất gần với vùng nền – bậc màng như trong hình la.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT

Kỹ thuật quang học để đo độ dày màng – giao

thoa kế màng mờ (FET, FECO)

NỘI DUNG

I • Phương pháp quang

II

• FET (Fringes of Equal Thickness)

III

• FECO (Fringes of Equal Chromatic Order)

Phương pháp quang

1 Nguyên lý

Dựa vào sự giao thoa của hai hoặc nhiều chùm ánh sáng có quang lộ khác nhau

2 Ưu điểm

– Áp dụng được cho cả màng mờ và trong suốt

– Độ chính xác cao

– Chi phí thấp

– Nhanh, không phá hủy mẫu

3

FET (Fringes of Equal Thickness)

FET (Fringes of Equal Thickness) Vân giao thoa của màng có độ dày bằng nhau

FET (Fringes of Equal Thickness) Vân giao thoa của màng có độ dày bằng nhau

5

Hình 1: (a) Sơ đồ bố trí thí nghiệm cần thiết để tạo vân Fizeau đa chùm tia, (b) dịch chuyển vân ở bậc (Ohring 6.2)

• Lắng đọng màng mờ trên mặt phẳng đế.

• Vân giao thoa được tạo ra bằng cách đặt một tấm

tham chiếu phẳng bán trong suốt có độ phản xạ

cao, rất gần hệ màng – đế.

• Điều kiện để xảy ra giao thoa là hiệu quang lộ giữa

các chùm liên tiếp là một số nguyên của bước

sóng:

Trong đó: S là khoảng cách giữa màng và mặt phẳng

tham chiếu

λ là bước sóng của bức xạ đơn sắc được sử

dụng

n là một số nguyên

δ là hệ số phản xạ (giống nhau ở 2 mặt

tham chiếu) ~ π

FET (Fringes of Equal Thickness)

độ dày vân giao thoa

FET (Fringes of Equal Thickness)

độ dày vân giao thoa

• Do đó:

• Khoảng cách giữa các cực đại giao thoa liên tiếp: S =λ/2λ/2

• Sự tồn tại của bậc làm dịch chuyển mô hình vân giao thoa một lượng Δ tỉ lệ với độ dày màng d

Fringes of Equal Chromatic Order(FECO)

7

FECO là phương pháp sử

dụng các vân sáng có màu

sắc khác nhau thu được

bằng cách chiếu ánh sáng

trắng vào một nêm

Vì là ánh sáng trắng nên

các vân sáng có sự chồng

chéo nên ta cần một hệ

quang phổ

Vân giao thoa được hình thành khi đi qua nêm

(10.4236/opj.2016.62005 )

Hệ quang học của FECO

Giới thiệu về FECO

Sơ đồ đo:

Sơ đồ quang học cho sự hình thành và ghi lại FECO dựa vào giao thoa kế nêm lỏng

(10.4236/opj.2016.62005 )

9

Khi đi qua hệ qua hệ quang học biên độ cực đại ứng

với các bước sóng thỏa mãn điều kiện:

( 4 π / λ m ) nd + β 1 + β 2 = 2 mπ β 1 và β 2 là các pha dịch chuyển phản

xạ ở hai bề mặt.

m là một số nguyên.

Nếu độ dày của màng không đổi, vân là các đường thẳng

song song với khe Giả sử rằng pha dịch chuyển trên phản

xạ tại các bề mặt không thay đổi theo bước sóng, khi đó

chúng ta có từ biểu thức:

( 1 / λ m ) - ( 1 / λ m + 1 ) = 1 / 2 nd.

Sơ đồ hiển thị chiều dày của màng

Ta xác định chiều dày màng bằng cách

xác định độ chênh lệch của hai điểm 1 và

2 như trên sơ đồ :

Với điểm 1 ở hai chùm tia

Chiều dày màng

11

• Vì d2 - d1 tỷ lệ với λ2,m m - λ1,m m nên

chiều dày của màng có thể được

vẽ trên thang của bước sóng

• Những thay đổi nhỏ trong d

được xác định bằng cách đo sự

thay đổi nhỏ trong bước sóng λ

• Ta có thể xác định được sự thay

đổi chiều cao bề mặt ở kích

thước Angstrom Kết quả đo chiều dày của màng trên thước

của bước sóng

Ưu điểm của phương pháp

• kỹ thuật FECO có khả năng chính xác cao hơn FET, đặc biệt

đối với các màng rất mỏng

• Độ phân giải tối đa là khoảng ±5 Å

Nhược điểm của phương pháp

• Chỉ thu được tín hiệu theo một dòng

• Mẫu được đo phải có độ phản xạ cao

13