قياس الإهليلجية

يُصدر مصدر ضوئي إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ، ويُستقطب خطيًا بواسطة مستقطب . يمكن لهذا الإشعاع أن يمر عبر مُعَوِّض اختياري ( مُؤخِّر ، صفيحة ربع موجة ) ويسقط على العينة. بعد انعكاسه، يمر الإشعاع عبر مُعَوِّض (اختياري) ومستقطب ثانٍ يُسمى مُحلِّل، ثم يسقط في الكاشف. بدلًا من المُعَوِّضات، تستخدم بعض أجهزة قياس الاستقطاب الإهليلجي مُعدِّل طور في مسار شعاع الضوء الساقط. قياس الاستقطاب الإهليلجي تقنية بصرية انعكاسية ( زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس). يمتد كل من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس على مستوى السقوط . يُسمى الضوء المستقطب بالتوازي مع هذا المستوى بالضوء المستقطب p . أما الضوء المستقطب عموديًا على هذا المستوى فيُسمى الضوء المستقطب s . يُشتق الحرف " s " من الكلمة الألمانية " senkrecht " (عمودي).

يقيس قياس الإهليلجية نسبة الانعكاس المعقدة${\displaystyle \rho }$لنظام، والذي يمكن تحديده بواسطة مكون السعة${\displaystyle \Psi }$وفرق الطور${\displaystyle \Delta }$يمكن تحليل حالة استقطاب الضوء الساقط على العينة إلى مركبتين: مركبة s ومركبة p ( تتذبذب المركبة s عموديًا على مستوى السقوط وموازيًا لسطح العينة، بينما تتذبذب المركبة p موازية لمستوى السقوط). ويُرمز إلى سعة المركبتين s و p ، بعد الانعكاس وتطبيعها إلى قيمتها الأولية، بالرمز .${\displaystyle r_{s}}$و${\displaystyle r_{p}}$على التوالي. يتم اختيار زاوية السقوط قريبة من زاوية بروستر للعينة لضمان أقصى فرق في${\displaystyle r_{p}}$و${\displaystyle r_{s}}$[ ^{6 ] يقيس} قياس الإهليلجية نسبة الانعكاس المعقدة${\displaystyle \rho }$(كمية مركبة)، وهي نسبة ${\displaystyle r_{p}}$زيادة${\displaystyle r_{s}}$:

${\displaystyle \rho ={\frac {r_{p}}{r_{s}}}=\tan \Psi \cdot e^{i\Delta }.}$

هكذا،${\displaystyle \tan \Psi }$هي نسبة السعة عند الانعكاس ، و${\displaystyle \Delta }$يمثل هذا الفرق في الطور. ومن المفيد ملاحظة أن الطرف الأيمن من المعادلة يمثل طريقة أخرى لتمثيل عدد مركب . ولأن قياس الاستقطاب الإهليلجي يقيس نسبة (أو فرق) قيمتين بدلاً من القيمة المطلقة لأي منهما، فهو أقل حساسية للتغيرات من التقنيات البصرية الأخرى، مما يجعله دقيقًا وقابلاً للتكرار. على سبيل المثال، هو غير حساس نسبيًا للتشتت والتقلبات، ولا يتطلب عينة قياسية أو شعاعًا مرجعيًا.

قياس الإهليلجية هو طريقة غير مباشرة، أي بشكل عام يتم قياسها${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$لا يمكن تحويلها مباشرةً إلى الثوابت البصرية للعينة. عادةً، يجب إجراء تحليل نموذجي، مثل نموذج فوروهي بلومر . هذه إحدى نقاط ضعف قياس الاستقطاب الإهليلجي. يمكن أن تستند النماذج فيزيائيًا إلى انتقالات الطاقة أو ببساطة إلى معلمات حرة تُستخدم لمطابقة البيانات.

الانعكاس المباشر لـ${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$لا يُمكن ذلك إلا في حالات بسيطة جدًا للأغشية المتجانسة والمتساوية الخواص وذات السماكة اللانهائية. في جميع الحالات الأخرى، يجب إنشاء نموذج طبقي يأخذ في الاعتبار الثوابت البصرية ( معامل الانكسار أو موتر دالة العزل الكهربائي ) ومعاملات السماكة لجميع طبقات العينة، بما في ذلك تسلسل الطبقات الصحيح. باستخدام إجراء تكراري (تقليل المربعات الصغرى)، يتم تغيير الثوابت البصرية غير المعروفة و/أو معاملات السماكة، و${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$يتم حساب القيم باستخدام معادلات فرينل . القيم المحسوبة${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$^{[ 7 ]} القيم التي تتطابق بشكل أفضل مع البيانات التجريبية توفر الثوابت البصرية ومعاملات سمك العينة.

تستخدم قياسات الاستقطاب الإهليلجي أحادي الطول الموجي (SWE) مصدر ضوء أحادي اللون ، وهو عادةً ليزر في نطاق الطيف المرئي ، مثل ليزر هيليوم-نيون بطول موجي 632.8  نانومتر. ولذلك، يُطلق على قياسات الاستقطاب الإهليلجي أحادي الطول الموجي أيضًا اسم قياسات الاستقطاب الإهليلجي بالليزر. وتكمن ميزة قياسات الاستقطاب الإهليلجي بالليزر في إمكانية تركيز أشعة الليزر على بقعة صغيرة، مما يجعلها أكثر دقة من قياسات الاستقطاب الإهليلجي الطيفي. علاوة على ذلك، تتميز أشعة الليزر بقدرة أعلى من مصادر الضوء ذات النطاق العريض. لذا، يمكن استخدام قياسات الاستقطاب الإهليلجي بالليزر في التصوير (انظر أدناه). مع ذلك، يقتصر الناتج التجريبي على معيارين فقط (مجموعة واحدة من${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$^{[ 8 ]} نظرًا لهذه القيود ، فإن تقنية SWE تقتصر على نظام طبقة واحدة.

على النقيض من ذلك، تستخدم قياسات الاستقطاب الطيفي (SE) مصادر ضوئية واسعة النطاق، تغطي نطاق الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي و/أو الأشعة فوق البنفسجية . وبذلك، يمكن الحصول على معامل الانكسار المركب أو موتر دالة العزل الكهربائي في النطاق الطيفي المقابل. يمكن لقياسات الاستقطاب الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (IRSE) دراسة خصائص اهتزازات الشبكة البلورية ( الفونونات ) وخصائص حاملات الشحنة الحرة ( البلازمونات ). تدرس قياسات الاستقطاب الطيفي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، والضوء المرئي، وصولاً إلى الأشعة فوق البنفسجية، معامل الانكسار في منطقة الشفافية أو ما دون فجوة النطاق ، والخصائص الإلكترونية، مثل انتقالات النطاق إلى النطاق أو الإكسيتونات . ^{[ 8 ]} عند قياس السماكة، تُستخدم نطاقات أطوال موجية أقصر للأغشية الرقيقة، بينما تُستخدم نطاقات أطوال موجية أطول (مثل الأشعة تحت الحمراء) للأغشية السميكة.

يُستخدم قياس الاستقطاب الإهليلجي القياسي (يُختصر غالبًا إلى "قياس الاستقطاب الإهليلجي") عندما لا يتحول الضوء المستقطب s إلى ضوء مستقطب p أو العكس. ينطبق هذا على العينات المتجانسة بصريًا، مثل المواد غير المتبلورة أو المواد البلورية ذات البنية البلورية المكعبة . كما يُعد قياس الاستقطاب الإهليلجي القياسي كافيًا للعينات أحادية المحور بصريًا في حالة خاصة، عندما يكون المحور البصري موازيًا للعمود المقام على السطح. في جميع الحالات الأخرى، عندما يتحول الضوء المستقطب s إلى ضوء مستقطب p و/أو العكس، يجب تطبيق طريقة قياس الاستقطاب الإهليلجي المعممة. ومن الأمثلة على ذلك العينات أحادية المحور بصريًا ذات المحاذاة العشوائية، أو العينات ثنائية المحور بصريًا.

توجد عادةً طريقتان مختلفتان لوصف كيفية تفاعل الموجة الكهرومغناطيسية مع العناصر داخل جهاز قياس الإهليلجية (بما في ذلك العينة) رياضيًا: صيغة مصفوفة جونز وصيغة مصفوفة مولر . في صيغة مصفوفة جونز، تُوصف الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة متجه جونز ذي مدخلين متعامدين ذوي قيم مركبة للمجال الكهربائي (عادةً${\displaystyle E_{x}}$و${\displaystyle E_{y}}$يُوصَف تأثير العنصر البصري (أو العينة) عليها بواسطة مصفوفة جونز ذات القيم المركبة 2×2. في صيغة مصفوفة مولر، تُوصَف الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة متجهات ستوكس ذات أربعة عناصر حقيقية، ويُوصَف تحويلها بواسطة مصفوفة مولر ذات القيم الحقيقية 4×4. عندما لا يحدث استقطاب، تتوافق الصيغتان تمامًا. لذلك، بالنسبة للعينات غير المستقطبة، تكفي صيغة مصفوفة جونز الأبسط . أما إذا كانت العينة مستقطبة، فينبغي استخدام صيغة مصفوفة مولر، لأنها تُحدد أيضًا مقدار الاستقطاب. من أسباب الاستقطاب، على سبيل المثال، عدم انتظام السُمك أو انعكاسات السطح الخلفي من ركيزة شفافة.

تُوسّع تقنية قياس الاستقطاب التصويري (IE) نطاق قياس الاستقطاب الكلاسيكي من خلال دمج عدسة موضوعية ومستشعر صور (مثل مستشعر CCD أو CMOS ). تقوم العدسة الموضوعية بإسقاط منطقة العينة المُضاءة على الكاشف، مما يُتيح تصويرًا عالي التباين في الوقت الحقيقي وقياسات استقطاب مكانية دقيقة. تُعدّ تقنية IE مناسبة بشكل خاص لعينات الأغشية الرقيقة ذات البنية المُهيكلة أو غير المتجانسة . فهي تُوفّر معلومات تفصيلية حول توزيعات سُمك الأغشية، وتجانس السطح، والعمليات الديناميكية مثل امتزاز الجزيئات أو نمو الأغشية. تجمع تقنية IE بين الدقة الكمية لقياس الاستقطاب والدقة الجانبية للمجهر . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

على عكس قياس الاستقطاب الإهليلجي التقليدي، يلتقط قياس الاستقطاب الإهليلجي المتكامل آلاف نقاط البيانات في آنٍ واحد، مما ينتج عنه بطبيعته خرائط بيانات ثنائية الأبعاد. ويمكن الحصول على قيم مصفوفة Ψ-Δ أو مصفوفة مولر لكل بكسل بتطبيق خوارزميات قياس الاستقطاب الإهليلجي القياسي أو المعمم (مثل خوارزمية الإلغاء أو خوارزمية التعويض الدوراني). ويمكن تحويل هذه القيم إلى خصائص فيزيائية للمادة، مثل سُمك الغشاء، ومعامل الانكسار ، والتباين، أو الاستقطاب، باستخدام برامج النمذجة البصرية. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تُستخدم مجموعة واسعة من مصادر الضوء المناسبة بشكل روتيني مع تقنية التصوير الطيفي الإهليلجي (IE). تتراوح هذه المصادر من أجهزة الليزر أحادية اللون ، إلى مجموعات متعددة الأطوال الموجية من الثنائيات الباعثة للضوء ( LEDs ) عالية الطاقة، وصولاً إلى مصادر قابلة للضبط المستمر. تجمع تقنية التصوير الطيفي الإهليلجي (ISE) بين خصائص تقنية التصوير الطيفي الإهليلجي ومزايا التوصيف البصري الطيفي . تُستخدم تقنية التصوير الطيفي الإهليلجي عادةً في النطاق الطيفي بين 190 نانومتر و1700 نانومتر، نظرًا للقيود التقنية لمكونات التصوير وأجهزة الاستشعار. وقد أصبحت أداةً فعّالة في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا الحديثة، لا سيما في أبحاث المواد ثنائية الأبعاد، وتطبيقات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) ، وفحص الشاشات. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

يشير قياس الإهليلجية في الموقع إلى القياسات الديناميكية التي تُجرى أثناء عملية تعديل العينة. يمكن استخدام هذه العملية لدراسة، على سبيل المثال، نمو طبقة رقيقة، ^{[ 22 ]} بما في ذلك تمعدن فوسفات الكالسيوم عند سطح التماس بين الهواء والسائل، ^{[ 23 ]} أو حفر العينة أو تنظيفها. من خلال قياسات الإهليلجية في الموقع، يُمكن تحديد معايير العملية الأساسية، مثل معدلات النمو أو الحفر، وتغير الخصائص البصرية مع مرور الوقت. تتطلب قياسات الإهليلجية في الموقع مراعاة عدد من الاعتبارات الإضافية: فغالبًا ما تكون بقعة العينة أقل سهولة في الوصول إليها مقارنةً بالقياسات خارج الموقع خارج حجرة المعالجة. لذلك، يجب تعديل الإعداد الميكانيكي، والذي قد يشمل عناصر بصرية إضافية (مرايا، أو موشورات، أو عدسات) لإعادة توجيه شعاع الضوء أو تركيزه. نظرًا لأن الظروف البيئية أثناء العملية قد تكون قاسية، يجب فصل العناصر البصرية الحساسة لجهاز قياس الإهليلجية عن المنطقة الساخنة. في أبسط الحالات، يتم ذلك عبر منافذ رؤية بصرية، مع ضرورة مراعاة أو تقليل الانكسار المزدوج الناتج عن الإجهاد في النوافذ (الزجاجية). علاوة على ذلك، قد تكون العينات عند درجات حرارة مرتفعة، مما يعني اختلاف خصائصها البصرية مقارنةً بالعينات عند درجة حرارة الغرفة. على الرغم من كل هذه المشكلات، تزداد أهمية قياس الإهليلجية في الموقع كتقنية للتحكم في عمليات ترسيب الأغشية الرقيقة وتعديلها. يمكن أن تكون أجهزة قياس الإهليلجية في الموقع أحادية الطول الموجي أو طيفية. تستخدم أجهزة قياس الإهليلجية الطيفية في الموقع كواشف متعددة القنوات، مثل كواشف CCD، التي تقيس معلمات الإهليلجية لجميع الأطوال الموجية في النطاق الطيفي المدروس في آنٍ واحد.

تقيس تقنية قياس المسامية الإهليلجية تغير الخصائص البصرية وسماكة المواد أثناء امتزاز وانفصال المواد المتطايرة عند الضغط الجوي أو تحت ضغط منخفض، وذلك حسب التطبيق. ^{[ 24 ]} تتميز هذه التقنية بقدرتها الفريدة على قياس مسامية الأغشية الرقيقة جدًا التي يصل سمكها إلى 10  نانومتر، بالإضافة إلى دقة نتائجها وسرعة قياسها. وبالمقارنة مع أجهزة قياس المسامية التقليدية، تُعد أجهزة قياس المسامية الإهليلجية مناسبة تمامًا لقياس حجم المسام وتوزيعها في الأغشية الرقيقة جدًا. تُعد مسامية الأغشية عاملًا أساسيًا في تقنيات السيليكون التي تستخدم مواد ذات ثابت عزل كهربائي منخفض ، وفي الصناعات العضوية (مثل الثنائيات العضوية الباعثة للضوء المغلفة )، وكذلك في صناعة الطلاء باستخدام تقنيات سول-جل .

تُعدّ تقنية قياس الاستقطاب الإهليلجي المعمم المغناطيسي البصري (MOGE) تقنيةً متقدمةً في قياس الاستقطاب الإهليلجي الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، تُستخدم لدراسة خصائص حاملات الشحنة الحرة في العينات الموصلة . بتطبيق مجال مغناطيسي خارجي ، يُمكن تحديد كثافة حاملات الشحنة الحرة ، ومعامل حركتها الضوئية ، ومعامل كتلتها الفعّالة، بشكلٍ مستقل. أما في غياب المجال المغناطيسي ، فلا يُمكن استخلاص سوى اثنين من هذه المعاملات الثلاثة بشكلٍ مستقل.

تم اعتماد طريقة التحليل الطيفي الإهليلجي، التي طُوّرت في الأصل لأشباه الموصلات، على نطاق أوسع. في هذه الطريقة، يُمكن قياس طبقات متعددة معقدة مصنوعة من مواد متعددة في الوقت نفسه إذا كانت لكل طبقة خصائص بصرية معروفة. ولأن الخصائص البصرية معروفة، فإن جميع المتغيرات المجهولة مستقلة عن الطول الموجي. في هذه الحالة، يُمكن تطبيق الانحدار الخطي على ${\displaystyle \Psi }$و${\displaystyle \Delta }$ومنها يمكن استخراج سمك جميع الطبقات، بالإضافة إلى نسب الحجم. ^{[ 25 ]}

تُعدّ هذه الطريقة فعّالة في تصنيع أشباه الموصلات، إذ يُمكن من خلالها إنشاء مكتبة بيانات لمعامل الانكسار (n) ومعامل الامتصاص (k) المعروفين للمواد المستخدمة في التصنيع. أما في حالة تطوير أشباه الموصلات حيث تكون خصائص المواد غير معروفة، فيُمكن استخدام هذه العملية بشكل عكسي، حيث يُمكن استخلاص قيم n وk بقياس سُمك العينة باستخدام تقنية أخرى مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). بعد ذلك، يُمكن استخدام خصائص المواد هذه لقياس سُمك عينات مستقبلية من نفس المادة. ^{[ 25 ]}

على عكس تقنيتي الأشعة السينية الفلورية (XRF) والأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) اللتين تتميزان بقدرتهما على قياس أغشية معدنية أكثر سمكًا أو بدقة أعلى، على التوالي، تُقدّر تقنية قياس الاستقطاب الإهليلجي لسرعتها. ولأنها تُجرى دون الحاجة إلى نظام تفريغ، فإن وقت تحميل العينات يكون أسرع بكثير. إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس التقنيات القائمة على الأشعة السينية التي تتطلب من بضع ثوانٍ إلى عدة دقائق لكل موقع مُقاس، فإن قياس الاستقطاب الإهليلجي يستغرق عادةً أقل من ثانية واحدة لكل موقع.