Ha valamilyen anyagot fénnyel világítunk meg, akkor a fény-anyag kölcsönhatás következtében különböző folyamatok játszódnak le. Minden optikai tulajdonság egy-egy ilyen alapvető kölcsönhatás következménye. Ez a kölcsönhatás a fény elektromágneses tere (többnyire az elektromos tér vektora) és az anyagban levő töltések között lép fel. Mindig alapvető, hogy milyen a kölcsönhatásban résztvevő töltés fajtája, eloszlása-(elektron, ion; ill. szabad, kötött). A töltött részecskék a fénnyel kölcsönhatva elmozdulnak, dipólusok jönnek létre. A dipólusok létrejöttének eredménye a polarizáció, amely különböző járulékokból tevődik össze. A kölcsönhatások időbeli lefolyása is különböző, attól függően, hogy milyen sugárzás mivel hat kölcsön (pl. nehéz ionokkal az infravörös, elektronokkal pedig a rövidebb hullámhosszú sugárzás).
Mind a tömbi anyagok, mind a vékonyrétegek tulajdonságainak megismerésénél nélkülözhetetlenek az optikai vizsgálatok. Ezek egyaránt fontosak az előállítás folyamata során és a létrehozott anyagok jellemzésénél, valamint természetesen a fizikai megismerés folyamatában is.
Az alábbiakban a számos optikai mérés közül néhány spektroszkópiai mérést mutatunk be röviden (az infravörös, a lumineszcens és a Raman-spektroszkópiát), ahol az intenzitás eloszlást a hullámhossz függvényében vizsgáljuk. Számos egyéb módszerről viszont nem beszélünk.
A vizsgált anyagok elsősorban plazma-eljárással előállított vékonyrétegek, bevonatok (félvezetők, oxidok, stb.)
Az alkalmazott módszerek kémiai kötések, szimmetria tulajdonságok, adalékanyag koncentráció, stb. meghatározására alkalmasak, gyakran a módszerek némileg átfedik egymást.
Az infravörös, fotolumineszcens és Raman-spektroszkópiának sok közös eleme van, valamennyi esetében az optikai intenzitást a hullámhossz függvényében határozzuk meg. A mérés elvégzéséhez szükség van optikai forrásra, a hullámhosszat mérő vagy beállító eszközre, detektorra és a spektrumot felvevő műszerre. A mérések hullámhossz-tartományai és az intenzitásszintek azonban eltérnek, ebből adódik, hogy a három mérés részleteit tekintve jelentősen különböző.
6.2.6.2. Infravörös spektroszkópia
Az infravörös spektroszkópia már régóta az egyik leghatásosabb módszer szerves és szervetlen anyagok számos tulajdonságának vizsgálatára. Igy alkalmas fémoxid vékonyrétegek, üveg típusú vékonyrétegek, stb. szerkezeti, kötési paramétereinek, félvezetők tilos sáv, adalékkoncentráció, összetétel, stb. meghatározására [6.33.].
Sokféle módszer áll rendelkezésre különböző típusú anyagok infravörös spektrumának meghatározására. Ezek a módszerek a hagyományos transzmissziós kísérletektől a bonyolultabb reflexiós kísérletekig terjedhetnek. A mérési technika kiválasztása minta típusától és a megszerzendő információtól függ. Mérhetünk többek között infravörös abszorpciót , transzmissziót, külső és belső reflexiót.
A látható fény tartományában rácsos spektrométer a szokásos megoldás, de az infravörös tartományban leginkább a Fourier infravörös spektrométereket használják, ahol a rácsot Michelson interferométerrel helyettesítik. Ez a kívánt spektrum Fourier transzformáltját adja meg (interferogram). Ennek kiértékelése komoly számítógépes tevékenységet igényel, de a módszer sokkal jobb jel/zaj viszonyt biztosít. Ez a viszony amiatt jobb, hogy a különböző hullámhosszakon egyidejűleg történik a mérés, míg a másik esetben különböző hullámhosszakon, különböző időben. Másik előnye a jobb felbontás, nem kell réseket használni, amely a másik módszernél nem mindig előnyösen befolyásolja a mintára jutó fény mennyiségét.
A 6.28. ábrán az infravörös Fourier-spektrométer Michelson interferométere látható. A feketetest megvilágítja a (BS) nyalábosztót. a keletkező két nyaláb interferogram I(D) jelet hoz létre, ahol D az útkülönbség. A jel a mintán keresztül a detektorra jut. A számítógép elvégzi a Fourier transzformációt, ezzel megkapjuk az intenzitás-hullámszám görbét (spektrumot)
Egyik legelterjedtebb alkalmazás a kémiai kötések meghatározása szilícium tartalmú amorf vékonyrétegekben.
6.29. ábra
A 6.29. ábra szilíciumnitrid vékonyréteg infravörös spektrumát mutatja. Az ábrán a várt N-H, Si-H és a Si-N abszorpciós sávok láthatók. Hőkezelés után a hidrogén várt csökkenésének megfelelően jelentősen csökkent a nitrogénhez és az oxigénhez kötött hidrogén mennyisége.
Raman szórásnál, ellentétben a legtöbb optikai szórás folyamattal, a foton frekvenciája megváltozik [6.35.]. Ha a fény a vékonyréteg felületével találkozik, visszaverődik, áthalad, elnyelődik vagy Rayleigh szórást szenved az elektronokkal, fononokkal és adalékanyagokkal történő elsőrendű rugalmas kölcsönhatások következtében. Ekkor a foton frekvenciája nem változik. Azonban a fény igen kis része rugalmatlanul hat kölcsön a fonon-módusokkal, s az ekkor keletkező fotonok frekvenciája eltolódik a bejövő értékekhez képest. Ezek a fotonok Raman-szórást szenvednek, amelynek során fonon-abszorpcióval (anti-Stokes eltolódás) energiát nyernek vagy fonon-emisszióval (Stokes eltolódás) energiát veszítenek az energia- és az impulzus-megmaradás törvényének megfelelően. A Raman szórás eredendően gyenge folyamat, de a lézerek elegendő teljesítményt biztosítanak a spektrum rutinszerű méréséhez.
A Raman szórás teljes elmélete nagyon bonyolult, de az egyszerű klasszikus kép az alapvető folyamatot érthetővé teszi. A fotonok frekvencia-eltolódása úgy írható le, hogy oldalsávok jönnek létre a sugárzás és a rács közti nemlineáris kölcsönhatásból eredő fononok frekvenciájának megfelelően. A két sáv közül a Stokes módusok az erősebbek.
Ez az egyszerű kép megjósolja a Raman sávok helyét a gerjesztő (bejövő) hullámhosszhoz képest. Ez a Raman eltolódás.
A Raman spektrométerek tervezését két dolog befolyásolja alapvetően. Az egyik, hogy a jel gyenge a sokkal erősebb fotolumineszcens (PL) jelhez képest.
6.30.ábra
A 6.30. ábrán láthatók a GaAs szubsztrátra növesztett Cd0.72Mn0.28 esetén az egyazon optikai elrendezéssel mért Raman és fotolumineszcens adatok — a fotolumineszcens csúcs a tilos sávnál —, valamint a Raman-fononmódusok. A másik, hogy ez a gyenge jel spektrálisan nagyon közel van a nagyságrendekkel nagyobb gerjesztő lézer jelhez. A tipikus Raman-eltolódás esetén a frekvencia-viszony tipikus értéke wfonon/wlézer kb. 1%. Ez azt jelenti, hogy ki kell szűrni az erős hátteret, valamint mérni kell a kisszámú Raman-fotont. A 6.31. ábrán Raman-elrendezés látható.
6.31. ábra
A mikroszkóp objektív a lézernyalábot közelítőleg 1 mm átmérőjű foltra fókuszálta le. Miközben a szórt fény nyalábosztón keresztül a kettős monokromátorra kerül, megkapjuk a kiválasztott tartomány Raman-spektrumát. A mintát látható fénnyel megvilágítjuk, ez a videokamerába reflektálódik. A létrejövő real-time leképezés lehetővé teszi a próbanyaláb pozicionálását. A minta az X -Y asztal segítségével mozgatható.
A mérés nagyon érzékeny a vékonyrétegek szerkezeti tulajdonságaira (egykristály, polikristály, rendezetlenség, stb.) A fononokon kivül azonban a szabad töltéshordozóknak és az adalékanyagoknak is adnak járulékot a Raman spektrumhoz.
A 6.32. ábra CVD szilícium Raman-spetruma a 600 Co-os hőkezelés okozta változásokat mutatja. Az amorf szilícium hőkezelése során a különböző hőkezelési időtartamot követően felvett spektrumok egyre növekvő mennyiségű kristályos szilícium jelenlétére utalnak.
6.32. ábra
Számos félvezető és szigetelő hasznos tulajdonsága, hogy megfelelő optikai gerjesztés esetén elektromágneses sugárzást bocsát ki.
Megfelelő energiájú fotonok abszorpciójakor a valencia-elektron a vezetési sávba, a semleges donor elektronja a vezetési sávba, illetve a valencia elektron semleges akceptorra gerjesztődhet. Ha a valahogy így gerjesztett elektron sugárzásos átmenettel (rekombinációval) visszatér alapállapotába, a két enegiaszint különbségének megfelelő energiájú fotont (fényt) bocsát ki. Ez mindig jól definiált, ennek következtében a lumineszcens (emissziós) csúcsok keskenyek, a tilos sáv és egyéb átmenetek energia értékei pontosan adódnak.
A fotolumineszcencia az egyik leghasznosabb optikai módszer a félvezetők vizsgálatánál, hatékony és érzékeny szennyezők és hibahelyek kimutatására, valamint tilos sávok, három vagy több komponensű félvezetők összetételének meghatározására.
6.33. ábra
A 6.33.ábrán fotolumineszcens elrendezés
látható lézerrel, mintával és kriosztáttal, monokromátorral és detektorral
(D). Az L2 lencse fókuszálja a fotolumineszcens jelet; az F1
és F2 szűrők eltávolítják a nemkívánatos lézerfényt, a C1
szaggató fázisérzékeny detektáláshoz modulálja a fényt.
(Ugyanez az elrendezés Raman-spektroszkópiára is használható az egyrácsos
monokromátort kettősre cserélve.) A hangolható lézer és a C2
szaggató fotolumineszcens gerjesztési spektroszkópiára (PLE) használható.
A forrást és az L1 lencsét abszorpciós spektroszkópiára
használják.