Desenho, montagem e teste de um elipsómetro de baixo custo com o polarímetro PAX5710

Abstract

O trabalho desenvolvido consiste no desenho, montagem e teste de um elipsómetro de baixo custo com componentes comuns num laboratório de óptica utilizando o polarímetro PAX5710 da Thorlabs. Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Ótica, Lasers e Sistemas (LOLS). A validação do funcionamento do aparelho é feita através da medição da espessura de um filme fino SiO2, depositado em Si, com 10nm e da medição do índice de refracção complexo de duas amostras de diferentes materiais: ouro e tântalo. A análise de incerteza é realizada de acordo com as normas do Guia para Expressão da Incerteza na Medição. Para verificar o correto funcionamento do elipsómetro montado, as medidas realizadas neste serão comparadas com os resultados obtidos nos elipsómetros existentes no Laboratório de Eletroquímica Interfacial da Faculdade de Ciências e no Instituto de Ciência e Engenharia de Superfícies, ambos pertencentes à Universidade de Lisboa. Este trabalho irá então começar por abordar a teoria sobre a propagação de ondas electromagnéticas, apresentando a forma geral da polarização de elipse e formas de caracterização desta, como os parâmetros de Stokes. De seguida introduz-se a álgebra de Muller para descrição da propagação e transmissão de um feixe electromagnético polarizado. Terminada a descrição dos fenómenos físicos de interesse na área da elipsometria, é apresentada uma descrição de como podemos utilizar este conhecimento teórico para obter o valor de grandezas físicas, nomeadamente o índice de refracção ou a espessura de um filme fino. O elipsómetro implementado assenta numa configuração fotométrica medindo os parâmetros de polarização com uma lâmina de quarto de onda e um analisador internos ao polarímetro usado. São apresentadas as considerações relativas ao desenho do elipsómetro e construção de peças. É feito um estudo relativo à qualidade da montagem do aparelho analisando questões cruciais de alinhamento e estabilidade na polarização. Com o intuito de verificar o correto funcionamento do elipsómetro montado na medição da espessura, analisou-se previamente a topografia da amostra fazendo medidas em pontos diferentes em dois elipsómetros comerciais. Nestes e no elipsómetro montado realizaram-se 10 medidas no mesmo ponto para verificar a repetibilidade do aparelho. O valor médio obtido no LOLS é então comparado com os limites obtidos na análise topográfica. Para as amostras espessas o valor de N obtido é apenas comparado com o valor teórico. Para a espessura do filme de SiO2 é obtido o valor de 10;45 nm, com um desvio experimental de 4.49% e que está compreendido nos limites da análise topográfica. O índice de refracção obtido para cada uma das amostras espessas apresenta um desvio experimental compreendido entre 11% e 21%. Atendendo aos resultados obtidos no elipsómetro montado e aos valores obtidos para comparação nos elipsómetros comerciais usados, é possível afirmar que o aparelho montado está funcionando corretamente. Assim, conseguimos criar um elipsómetro de baixo custo e que tem um desempenho razoável quando comparado com os aparelhos comerciais.

The present work consists, in the modelling, of assembly and test of a low cost ellipsometer with common components available in an optics laboratory by the use of the Thorlabs PAX5710 polarimeter. This work was performed at the Laboratório de Ótica, Lasers e Sistemas (LOLS). To verify whether the device operates properly, we will measure the thickness of a SiO2 thin film of 10 nm Si and the complex refractive index of two samples of different materials: gold and tantalum. The uncertainty measurement is performed according to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM). To verify the correct operation of this ellipsometer, the measurements will be compared with values obtained with comercial ellipsometers available at Laboratório de Eletroquímica Interfacial at Faculdade de Ciências and Instituto de Ciências e Engenharia de Materiais e Superfícies at Instituto Superior Técnico, both belonging to the University of Lisbon The present work starts by introducing the theory behind electromagnetic waves propagation, presenting the general form for the polarization ellipse and ways of characterizing it, like the Stokes parameters. Then we focus on Muller's algebra to describe the propagation and reaction of polarized electromagnetic radiation. Having covered the physical description that is related to ellipsometry, we describe how we can use that theoretical knowledge to obtain the value of some physical quantities, namely the refractive index and the thickness of a thin film. The assembled ellipsometer is built on a photometric configuration measuring the polarization parameters with a quarter-wave plate and an analyzer in the polarimeter. We present some considerations with regard to the design of the ellipsometer and certain built components. A study related to the quality of the assembly is done, with a focus on certain key aspects on alignment and polarization stability. To verify whether the ellipsometer performs the thickness measurement correctly, the topography of the sample is previously analyzed through the thickness measurement on different spots by means of two different commercial ellipsometers. By using those and also the built ellipsometer, 10 measurements were performed on the same spot to verify the repeatability of the device. The mean value measured at LOLS is, then, compared to the boundary values obtained at the sample topography analysis. With regard to the thick samples, the mean value for N is only compared to the theoretical value. The measured thickness for the SiO2 film is 10;45 nm, with an experimental deviation of 4,49% and is comprehended within the boundaries set by the topographic analysis. The complex refractive index components measured for each sample have an experimental deviation between 11% and 21%. It should be noted that those values have a strong dependence on the sample surface condition. Taken the measured values into consideration and the ones measured in the commercial ellipsometers used, we can affirm that this device is working properly. Thus, we were able to create a low-cost ellipsometer with a reasonable performance when compared to the commercial devices.