Ellipsometrische und interferometrische Spektroskopie hochreflektierender Materialien im Fernen Infrarot:
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1991
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ELLIPSOMETRISCHE UND INTERFEROMETRISCHE SPEKTROSKOPIE
HOCHREFLEKTIERENDER MATERIALIEN IM FERNEN INFRAROT
VON DER FAKULTAET PHYSIK DER UNIVERSITAET STUTTGART ZUR ERLANGUNG DER
WUERDE EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN ( DR. RER. NAT.) GENEHMIGTE
ABHANDLUNG
VORGELEGT VON KARL-LUDWIG BARTH AUS ULM/SOEFLINGEN
HAUPTBERICHTER: PROF. DR. L. GENZEL MITBERICHTER: PROF. DR. H.-J. BAUER
TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 09.07.1991
MAX-PLANCK-INSTITUT FUER FESTKOERPERFORSCHUNG STUTTGART
JULI 1991
IMAGE 2
1
1. EINLEITUNG 5
2. DIE THEORIE DER DIELEKTRISCHEN FUNKTION 9
2.1 OPTISCHE KONSTANTEN 11
2.2 MIKROSKOPISCHE BEITRAEGE ZUR DIELEKTRISCHEN FUNKTION 13
2.3 DER BEITRAG DER FREIEN LADUNGSTRAEGER ZUR DIELEKTRISCHEN FUNKTION 14
2.3.1 DAS DRUDE-LORENTZ-MODELL 15
2.3.2 FREIE ELEKTRONEN IM ELEKTRISCHEN WECHSELFELD: DYNAMISCHE
LEITFAEHIGKEIT UND KOMPLEXE DIELEKTRISCHE FUNKTION LEITENDER KRISTALLE 16
2.3.3 OPTISCHE EIGENSCHAFTEN VON LEITERN 21
2.4 DER BEITRAG EINES HARMONISCHEN OSZILLATORS ZUR DIELEKTRISCHEN
FUNKTION 25
2.4.1 POLARE OPTISCHE PHONONEN 25
2.4.2 DER BEITRAG DES PHONON-POLARITONS ZUR DIELEKTRISCHEN FUNKTION 27
2.4.3 DIE DIELEKTRISCHE FUNKTION DES PLASMON-PHONON-POLARITONS 33
3. REFLEXIONSTECHNIKEN 35
3.1 CHARAKTERISTISCHE KENNGROESSEN ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG... 35
3.2 DER POLARISATIONSZUSTAND ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG 36
3.2.1 DER JONES-FORMALISMUS 40
3.2.2 DARSTELLUNG DES POLARISATIONSZUSTANDES DURCH KOMPLEXE GROESSEN 49
3.2.3 DARSTELLUNG DES POLARISATIONSZUSTANDES NACH POINCARE.... 52 3.2.4
DARSTELLUNG DES POLARISATIONSZUSTANDES DURCH STOKES-VEK TOREN 53
3.3 DIE REFLEXION ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG AN EINEM MEDIUM 55
IMAGE 3
2
3.3.1 DIE FRESNEL-KOEFFIZIENTEN FUER DIE REFLEXION AN DER EBENEN
GRENZFLAECHE ZWISCHEN ZWEI ISOTROPEN MEDIEN: DAS ZWEI PHASENMODELL 55
3.3.2 DIE REFLEXIONSKOEFFIZIENTEN FUER DIE REFLEXION AN EINEM
SCHICHTBEDECKTEN SUBSTRAT: DAS DREIPHASENMODELL 59
3.3.3 DIE REFLEXION AN KOMPLEXEREN STRUKTUREN 62
A) DAS VIELSCHICHTMODELL 62
B) ANISOTROPE MATERIALIEN.., 63
C) RAUHE OBERFLAECHEN 63
3.4 EXPERIMENTELLE ANORDNUNGEN 64
3.4.1 REFLEKTOMETRISCHE METHODEN 64
. 3.4.2 ELLIPSOMETRISCHE TECHNIKEN 65
A) NULLELLIPSOMETRIE 68
B) PHOTOMETRISCHE ELLIPSOMETRIE 69
3.4.3 INTERFEROMETRISCHE METHODEN . 70
4. SPEKTROSKOPISCHE ELLIPSOMETRIE IM FERNEN INFRAROT MIT EINEM RAE
(EILIPSOMETER MIT ROTIERENDEM ANALYSATOR) 72
4.1 WIE WIRD MIT EINEM RAE DIE KOMPLEXE DIELEKTRISCHE FUNKTION BESTIMMT?
73
4.1.1 ERZEUGUNG EINES DEFINIERTEN POLARISATIONSZUSTANDES MIT HILFE DES
POLARISATORS 73
4.1.2 VERAENDERUNG DES POLARISATIONSZUSTANDES DURCH REFLEXION AN EINER
PROBE 76
4.1.3 ANALYSE DES POLARISATIONSZUSTANDES DES REFLEKTIERTEN STRAHLS MIT
HILFE DES ANALYSATORS 77
4.1.4 DIE DETEKTIERTE INTENSITAET 79
4.1.5 SIGNALDARSTELLUNG DURCH DIE ERSTEN GLIEDER EINER
FOURIERENTWICKLUNG 79
4.1.6 BESTIMMUNG DER ELLIPSOMETRISCHEN WINKEL AUS DEN
FOURIERKOEFFIZIENTEN 81
4.1.7 BESTIMMUNG DER NORMIERTEN FOURIERKOEFFIZIENTEN CCUNDSS 81
4.1.8 BESTIMMUNG DER DIELEKTRISCHEN FUNKTION 83
A) ZWEIPHASENMODELL 84
B) DREIPHASENMODELL 85
4.1.9 ORIENTIERUNG UND FORM DER POLARISATIONSELLIPSE 86
IMAGE 4
3
4.2 DIE WAHL DES EINFALLSWINKELS - EMPFINDLICHKEITSBETRACHTUNGEN . 89
4.3 DER EXPERIMENTELLE AUFBAU 92
4.3.1 VERSUCHSAUFBAU UND OPTISCHE KOMPONENTEN 92
4.3.2 DIE STRAHLFUEHRUNG 102
4.3.3 DIE AUTOMATISIERUNG DES RAE S 107
4.4 DIE KALIBRIERUNG DES EILIPSOMETERS 111
4.4.1 DIE RESTWERTMETHODE 112
4.4.2 BESONDERHEITEN BEI DER KALIBRIERUNG DES FERNINFRAROTELLIPSOMETERS
118
4.5 ELLIPSOMETRISCHE BESTIMMUNG DER DOPPELBRECHUNG VON QUARZ.. 123
4.5.1 DIE POLARISATIONSAENDERUNG VON LINEAR POLARISIERTEM, KOHAERENTEN
LICHT BEIM DURCHGANG DURCH EINE PLANPARALLELE, ANISOTROPE PLATTE 124
4.5.2 VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 128
4.5.3 VERSUCHSAUSWERTUNG UND MESSERGEBNISSE 129
4 6 BERUEHRUNGSLOSE CHARAKTERISIERUNG VON HALBLEITERMATERIALIEN . .. 131
4.6.1 THEORETISCHE VORUEBERLEGUNGEN 133
4.6.2 VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 137
4.6.3 AUSWERTUNG UND ERGEBNISSE 138
4.6.4 TEMPERATURABHAENGIGE MESSUNGEN 147
4,7 TEMPERATURABHAENGIGE UNTERSUCHUNG VON EISENDOTIERTEN YBACUO KERAMIKEN
*. 152
4.7.1 PROBEN UND VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 153
4.7.2 VERGLEICH DER ELLIPSOMETRISCHEN MESSRESULTATE MIT DEN ER GEBNISSEN
DER FTTR-MESSUNGEN 155
5. I IN REFLEXIONS-FABRY-PEROT ZUR BESTIMMUNG DES REFLEXIONSVER RNOEGENS
HOCHREFLEKTIERENDER MATERIALIEN 161
5.1 PRINZIP . 162
5.2 THEORETISCHER HINTERGRUND DER RFP-TECHNIK 163
IMAGE 5
4
5.2.1 ALLGEMEINE THEORIE DES RFP 163
5.2.2 NAEHERUNGSFORMELN 168
5.2.3 GERECHNETE BEISPIELE 171
5.3 EXPERIMENTELLER AUFBAU DES RFP 180
5.4 EXPERIMENTELLE RESULTATE 184
5.4.1 TESTMESSUNGEN AN EINEM ALUMINIUMSPIEGEL 185
5.4.2 RFP-MESSUNGEN AN METALLEN 192
6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 203
ANHANG A 207
ANHANG B 210
VERZEICHNIS DER VERWENDETEN SYMBOLE 214
LITERATURVERZEICHNIS 220
DANKSAGUNG 230
LEBENSLAUF 232
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