На сегодняшний день методом спектральной эллипсометрии (СЭ) измерены и табулированы спектры оптических постоянных (или диэлектрические функции) широкого класса полупроводников: одноатомных монокристаллических Ge [16, 18] и Si [16, 19], в том числе, сильно легированных Ge [20] и Si [21], аморфных Ge [22] и Si [23], соединений группы А3В5 [16], A2B6 [24, 25], тройных соединений GaAlAs [26], HgCdTe [27, 28] и других полупроводниковых соединений и их окислов [28, 29, 30-32]. Для большинства перечисленных работ примечательным является то, что перед измерениями исследуемые образцы тестировались по специальной эллипсометрической методике [16] на качество поверхности, и измерения проводились на лучших образцах из тех, которые удовлетворяли разработанному критерию. Благодаря этому удалось значительно снизить погрешности, связанные с плохой подготовкой образца, вследствие чего данные, полученные по одному и тому же материалу различными группами исследователей совпадают с точностью 1-2 %. Спектры оптических постоянных полупроводников очень тесно связаны с особенностями его энергетической зонной структуры, и являются источником богатой информации при ее изучении [33]. В 80-х годах сотрудниками Института им. Макса Планка была выполнена серия работ, где метод СЭ служил основой для исследования спектров диэлектрических функций широкого класса полупроводников [18, 20, 21,27, 34-38]. Были определены параметры критических точек межзонных переходов, такие как амплитуда, энергия, уширение в зависимости от температуры, состава твердых растворов, степени легирования. На основе анализа формы мнимой части диэлектрической функции 2(E) вблизи критических точек спектра анализировался вклад экситонного эффекта. Эти фундаментальные исследования также имеют и чисто практические приложения при контроле различных физических параметров материалов в технологических процессах.

        Современная полупроводниковая технология базируется на прецизионном получении заданных толщин полупроводниковых и диэлектрических планарных слоев. Поэтому исторически одним из первых и пожалуй наиболее эффективным примером применения эллипсометрии было измерение параметров тонкопленочных структур - толщин пленок в интервале от единиц до нескольких тысяч ангстрем и их оптических постоянных, причем точность определения толщин в отдельных случаях достигает долей ангстрема [39]. Измерение оптических постоянных слоев может представлять как самостоятельный интерес, например при создании волноводных структур [40, 41], так и служить их косвенной характеристикой, содержащей информацию о таких параметрах как микроструктурное совершенство [42, 43], химический состав [26-28, 44], наличие инородных включений [45, 46] и пористости [47], механические напряжения в слоях [48, 49], а также качество межфазных границ [50]. Благодаря чувствительности к перечисленным параметрам эллипсометрия активно используется при отработке технологических режимов получения различных слоев, таких как аморфного гидрогенизированного [51, 52, 53], и микрокристаллического кремния [51, 53-55], оксида, нитрида и оксинитрида кремния [56-62], алмазоподобных пленок [63-69], при плазмо-химическом окислении полупроводников [13, 15, 70-79], а также при синтезе других слоев и структур [80-85]. При этом основные задачи, на решение которых направлен метод - характеризация физических свойств получаемых слоев в зависимости от условий их выращивания и поиск оптимальных технологических режимов. Отдельный интерес представляют кинетические измерения in situ начальных стадий роста [55, 70, 74, 86], которые несут информацию о механизмах синтеза слоев. Однако при этом исследователь должен выбирать определенный компромисс между информативностью спектральной эллипсометрии и быстродействием одноволновой [70]. Последовательное применение метода одноволновой эллипсометрии позволяет находить неразрушающим способом параметры, как правило одного или двух слоев, например, в структурах полупроводник - диэлектрик [87] или более сложных ?типа моно-Si/SiO2/поли-Si [88, 89], однако точность измерений снижается с увеличением числа слоев из-за взаимной корреляции параметров [90]. Этой неприятной ситуации удается избежать при спектральных эллипсометрических измерениях. Основываясь на анализе спектроэллипсометрических данных в базисе "длина волны-длина волны" [4] удается определять параметры трех, четырех и более слоев [91-94]. Наиболее показательны в этом отношении результаты работы [91]. Авторы проводили исследования захороненных слоев Si02, полученных имплантацией кремниевых пластин ионами кислорода с энергией 150 КэВ. При последующем нанесении защитного слоя Si02 и отжиге в азотной атмосфере получалась трехслойная структура Si02-Si-Si02 на подложке Si. Методом СЭ были найдены толщины всех слоев, которые совпали с результатами их определения методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Еще более впечатляющие результаты продемонстрированы в работе [92]. Исследована четырехслойная структура, состоящая из чередующихся слоев аморфного и кристаллического кремния с верхним слоем Si02. Определены толщины слоев (которые также хорошо совпали с данными ПЭМ), а по спектрам оптических постоянных найден количественно их фазовый состав, то есть доля аморфного и кристаллического Si. Авторы особо подчеркивают,что метод СЭ в отличии от ПЭМ оказался в данном случае более информативным (ПЭМ дает лишь качественную характеристику состава) и является к тому же неразрушающим. Рабочие параметры полупроводниковых структур во многом зависят от качества межфазных границ и наличия переходных слоев. Трудность исследования скрытых в глубине переходных слоев обусловлена малой их протяженностью. Интерпретация результатов, полученных разрушающими методами (например, данные рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии или Оже-спектроскопии при ионном травлении), в этом случае затруднена из за воздействия ионного пучка [95]. Метод эллипсометрии позволяет получить в этом случае более достоверную информацию, обнаруживая при этом крайне высокую чувствительность. Наиболее детально исследованы переходные слои в системе Si-SiO2.для различных технологий получения двуокиси кремния [50, 96 – 98], их толщина варьируется в широком диапазоне в зависимости от способа получения SiO2. Методом СЭ был исследован переходный слой в системе Si-Si3N4 [99, 100], определена его толщина и состав. Имеются также данные по исследованию границ раздела других гетероструктур [101-106]. Из анализа перечисленных работ можно сделать вывод, что при исследовании переходных слоев СЭ более предпочтительна и позволяет получить достоверные данные даже для довольно сложных структур. Специально разработанный метод обратного линейного анализа [42] позволяет найти параметры слоев и их доверительный интервал. Так, в [91] убедительно показано, что для полученной структуры Si02-Si-Si02 на кремнии наиболее адекватной исследуемой системе является модель слоев с плавным переходом между Si и Si02 и найдены толщины переходных слоев (12 и 19.5 нм). Физически размытие границ обусловлено включением островков Si в слоях Si02 и их шероховатостью. Высокая чувствительность эллипсометрических измерений к толщинам субнанометрового диапазона позволяет использовать метод для обнаружения и анализа сверхтонких остаточных слоев, образующихся в результате химической обработки поверхности или при окислении. В работе [4] приведены данные исследования остаточных слоев на CdHgTe, образующихся после стравливания анодного окисла. При толщине слоя 4 нм точность его определения составляет 0.05 нм, при этом находится также спектр оптических постоянных слоя, который позволяет идентифицировать его как пористый аморфный Те. Точное определение толщины и оптических постоянных сверхтонких диэлектрических слоев возможно и при одноволновых эллипсометрических измерениях [107], однако для этого применяется специальная экспериментальная методика, предполагающая измерения в иммерсионных жидкостях.

        Ионная имплантация является универсальной технологией легирования полупроводниковых материалов. Низкоэнергетичная ионная бомбардировка используется также для очистки поверхности в вакууме. [108, 109]. В облученном материале образуется большое число радиационных дефектов, которые приводят к сильному изменению его оптических постоянных. Благодаря этому эллипсометрические измерения оказываются чувствительны к процессам ионной имплантации и последующему отжигу дефектов. На основе метода одноволновой эллипсометрии исследовались в основном такие вопросы, как зависимость толщины нарушенного слоя и степени разупорядоченности от энергии и дозы облучения для различных имплантируемых элементов [110], и было показано, что метод может эффективно использоваться для контроля этих параметров. В ряде работ изучались более детально нарушенные аморфные слои и распределение оптических постоянных по толщине [111-115]. Использовалась как неразрушающая методика многоугловых эллипсометрических измерений [112, 115], так и методика послойного стравливания нарушенного слоя [111, 112, 114]. На основе этих исследований была установлена корреляция между профилем оптических постоянных с одной стороны и распределением дефектов [112] и внедренных ионов [111, 114] с другой. В работе [114] изучались также процессы термического и лазерного отжига в имплантированном GaAs. Показано, что при лазерном отжиге происходит лишь поверхностная кристаллизация из-за оптического поглощения в материале. Профили оптических постоянных в зависимости от условий облучения иследовались в работе [116]. Было обнаружено сглаживание неоднородного распределения оптических постоянных с увеличением плотности потока ионов и предложен механизм, объясняющий этот факт за счет трансформации дефектных комплексов, образующихся при повышенных температурах. Метод СЭ был эффективно применен для исследования имплантированных слоев различных полупроводников: GaAs [100], Ge [117],Si [118, 119] и других материалов [120]. Было показано, что спектр оптических постоянных сильно легированного полупроводника является спектром его аморфной фазы. С уменьшением дозы облучения в спектрах обнаруживается присутствие кристаллической фазы. Пользуясь приближением эффективной среды [45] в рамках модели однородных слоев, авторы работы [100] нашли профиль распределения доли аморфного GaAs, который соответствовал профилю распределения примесей. Проведенный затем последовательный отжиг при повышении температуры до 9000С позволил наблюдать появление пиков поглощения в 2(E), соответствующих кристаллическому состоянию, и исследовать динамику кристаллизации. Таким образом, метод СЭ в отличие от одноволновых измерений, позволяет уверенно наблюдать процессы аморфизации и рекристаллизации полупроводниковых слоев при имплантации и последующем отжиге, не прибегая при этом к разрушающей методике послойного стравливания.

        Эффективность использования эллипсометрии в качестве аналитического метода контроля технологических процессов заключается, главным образом, в возможности наблюдения за ростом непосредственно в технологической установке (in situ) и в реальном масштабе времени [121]. Такое важное свойство эллипсометрии, как отсутствие возмущающего воздействия оказалось принципиальным при контроле процессов молекулярно-лучевой эпитаксии тройного соединения CdHgTe. Используемый обычно метод дифракции электронов приводит к локальному разогреву образца, что при сравнительно низкой температуре роста критически сказывается на процессах эпитаксии [122]. Кроме того, в отличие от электронного пучка для оптического луча не требуется высокий вакуум и измерения могут проводиться и в установках высокого давления [123]. С помощью эллипсометрических измерений в настоящее время уже контролируются такие безусловно важные характеристики процесса, как скорость роста, [122, 124, 125]состав твердых растворов [122, 126-132], морфология поверхности роста [122, 125, 133], качество межфазных границ при синтезе сверхрешеток [14, 134] и др. В пионерных работах Хотье с соавторами [124, 134] метод эллипсометрии был применен для контроля in situ процессов эпитаксии слоевGa1 x AlxAs на подложке GaAs [124] и синтеза сверхрешеток GaAs-GaAlAs [134]. Используя автоматический одноволновой эллипсометр авторы в реальном масштабе времени измеряли скорость роста пленки и определяли состав х. Особо было подчеркнуто, что при синтезе сверхрешеток эллипсометрия реального масштаба времени позволяет остановить процесс при точно заданной толщине пленки, что является принципиальным при изготовлении высококачественных структур. Состав слоев находился по измерениям оптических постоянных. Исследование начальной стадии роста Ga0.65Al0.35As выявило аномальное изменение оптических постоянных, которое было связано с переходным слоем между GaAs и AlGaAs. В последующих работах этой группы исследователей [126, 127] было показано, что методом эллипсометрии можно определять также распределение оптических постоянных (а, следовательно, и состав) по толщине синтезируемого слоя. Важный шаг в решении этой задачи был сделан недавно Аспнесом [135]. Он предложил использовть кинетические зависимости эллипсометрических параметров, измеряемых непрерывно в процессе роста пленки и показал возможность определения оптических постоянных выращенного участка без какой-либо информации о его предистории. Альтернативный способ измерения состава при спектральных измерениях использован в работах [127-129]. Определение состава в данном случае основано на зависимости пика поглощения в спектре 2(E),соответствующего критической точке Е1 плотности состояний. Прецизионные измерения диэлектрических функций тройных соединений GaAlAs [26], CdHgTe [27] позволяют постоить соответствующую градуировочную кривую - зависимость E1(x). Используя спектроэллипсометрию in situ в работе [128] исследовался процесс взаимной диффузии при повышенных температурах на гетерогранице CdTe-HgTe. Проводя последовательно отжиг и спектральныеэллипсометрические измерения, авторы наблюдали динамику интердиффузии, определили профиль состава переходного слоя и его толщину. Одна из важных проблем в технологии молекулярно-лучевой эпитаксии - определение температуры поверхности роста. В условиях сложного лучистого теплообмена гетероструктур температура подложки может заметно отличаться от температуры поверхности роста и изменяться во времени [122], поэтому обычные измерения температуры при помощи термопары, расположенной вблизи подложки, при нестационарных условиях роста дают неверные результаты. Есть несколько работ [136-139], в которых эта задача решалась с использованием эллипсометрических измерений. В работе [139] одновременно с температурой определялась также толщина окисной пленки. Основываясь на температурной зависимости оптических постоянных была показана возможность определения температуры таких полупроводников, как GaAs и Si с точностью до долей градуса. В работе [140] исследована температурная зависимость диэлектрических функций GaAs и предложено использовать для определения температуры положение максимумов в спектре 2(E). Последний вариант предпочтительней тем, что результаты в меньшей степени зависят от неконтролируемых несовершенств поверхности, например, рельефа.

        Как известно, под микроструктурой материала подразумеваются объемные неоднородности в масштабе от 1 до 1000 нм. Детальное их изучение, особенно для кремниевой технологии, очень важно, т.к. в конечном итоге от этого зависят рабочие параметры приборов. Аспнес [42, 45] предложил использовать информацию, содержащуюся в спектрах оптических постоянных для характеризации микроструктуры материала. Сравнение диэлектрических функций аморфного и монокристаллического полупроводника показывает, что для первого имеет место широкий пик в спектре 2(E), в то время как второй, обладая дальним порядком, обнаруживает более тонкую структуру поглощения, соответствующую межзонным переходам. Основываясь на этих различиях в спектрах и используя модель эффективной среды [45], можно оценить содержание обеих фаз. Такой подход позволил исследовать слои аморфного Si, получен-ные парофазной эпитаксией при низком давлении [141]. Показано, что в зависимости от температуры и скорости роста получается аморфный кремний различной плотности. Другим примером служит исследование слоев поликристаллическо-го кремния [142]. Из анализа спектров найдено процентное содержание аморфной и кристаллической модификаций кремния и пустот. Проведен-ный затем отжиг показал увеличение доли кристаллического Si за счет уменьшения как аморфного Si, так и пустот. Метод эллипсометрии применялся также для микроструктурной ха- рактеристики приповерхностных нарушений в GaAs, полученных после химико-механической полировки [143], разупорядоченных областей металлов [144] и других материалов [145].

        Поверхность играет особую роль в физике полупроводников. С технологической точки зрения качество исходной поверхности при синтезе слоев в значительной степени предопределяет физические характеристики изделия. К этому следует добавить, что тенденция к миниатюризации в микроэлектронике предъявляет также повышенные требования к качеству поверхности полупроводниковых структур. Обладая необходимой чувствительностью, метод эллипсометрии эффективно используется для характеризациисостояния поверхности - обнаружения остаточных слоев, различного рода поверхностных дефектов и нарушений, морфологии и т.д. [11, 30, 146, 147, 148,]. Прецизионные эллипсометрические измерения позволили наблюдать в условиях сверхвысокого вакуума термическую очистку кремния до атомарно гладкой поверхности [149]. Эллипсометрический контроль предъэпитаксиальной подготовки подложек GaAs путем вакуумного отжига осуществлен в [150]. Метод эллипсометрии оказывается чувствительным к структурной перестройке поверхности. Экспериментально такая перестройка наблюдалась для Ge в работе [151]. Недавно был рассмотрен вклад от структуры поверхности в эллипсометрические измерения и предложена модель их интерпретации для Ge(111)(2x1), Si(111)(2x1) и Si(100)(2x1) [152]. Широкое применение находят эллипсометрические методы контроля в технологии плазменной очистки поверхности [12, 108, 109, 153-155]. Наблюдая эволюцию состояния поверхности в процессе обработки можно избавиться от загрязнений и избежать нежелательных эффектов, связанных с воздействием ионов, - нарушений поверхностного слоя, шероховатости и т.д. Обычно для оценки качества поверхности используется степень приближения измеренных оптических констант к их объемным значениям.Этот метод, однако годится в том случае, если известна априорная информация об оптических постоянных материала. Аспнес и Студна предложили критерий качества поверхности полупроводниковых подложек, который не предполагает знания оптических констант [16]. Они обратили внимание, что наличие остаточных пленок и дефектов поверхности значительно сильнее сказывается на параметрах отраженного света в ультрафиолетовой области спектра из-за уменьшения глубины проникновения света. Поэтому всякое несовершенство поверхности приводит к уменьшению амплитуды в пике мнимой части диэлектрической функции, соответствующем критической точке Е2 зонной структуры. Этот критерий, называемый в литературе "biggest is best" (наибольшее является наилучшим) широко применяется при характеризации поверхности полупроводников тетрагональной симметрии [4,16, 18, 20, 21, 23, 24, 26-29, 34-38]. Высокая чувствительность эллипсометрии к состоянию поверхности делает метод удобным инструментом при исследовании адсорбционно-десорбционных процессов [156-162], позволяя регистрировать доли монослоя. Изучение изотерм адсорбции [158,162], т.е. зависимости толщины адсорбированного слоя от относительного давления сорбируемых молекул при данной температуре, позволяет определять термодинамические характеристики процесса, например теплоту адсорбции молекул [160]. Последнее время развивается также разновидность эллипсометрического метода - спектроскопия разностного отражения (reflectance difference spectroscopy - RDS) [163, 164]. Эта методика основана на эффекте поляризационно зависимого взаимодействия света с электронными переходами поверхностных димеров. Поскольку для кристаллов высокой симметрии анизотропия отражения обусловлена исключительно вкладом поверхности, RDS измерения содержат информацию только о самом верхнем монослое и используются для наблюдения за процессами на поверхности роста, контроля состава, стехиометрии, и т.п. [165-167].

        Исследования параметров квантоворазмерных структур и сверхрешеток - сравнительно новая область применения эллипсометрии [168-173]. Одна из первых работ в этом направлении была выполнена Эрманом с сотрудниками [168], где они изучали спектры диэлектрических функций квантоворазмерной структуры GaAs-GaAlAs и изменения в спектрах, наблюдаемые при вариации толщины квантовых ям и барьеров. Им удалось идентифицировать экстремумы в спектрах, которые соответствовали квантовым переходам между подзонами. В работе [169] используя спектроэллипсометрию с переменным углом падения исследовали сверхрешетку GaAs/AlGaAs. Было показано, что измерения хорошо согласуются с моделью, в которой 25 пар слоев сверхрешетки представлено эффективным слоем AlGaAs с некоторым средним составом. Авторы исследовали поведение спектров эллипсометрических параметров при вариации толщин сверхрешеток и ее среднего состава. Исследовали также качество границ раздела. Эллипсометрические измерения не обнаружили смешанных слоев или шероховатости на межфазных границах. Хорошее качество границ раздела подтверждалось также наличием экситонной структуры в спектрах. В работах [170, 171] изучались зависимости квантовых переходов от ориентации подложки при выращивании структуры и от ееё азимутального положения при эллипсометрических измерениях (поляризационно-зависимые эффекты). Отмечается, что эллипсометрические измерения позволяют обнаружить разрешенные и запрещенные переходы в таких структурах [171]. При этом особо подчеркивается, что эллипсометрия - полностью неразрушающий метод, что особенно важно при отработке технологии столь дорогостоящих изделий.

        Применение эллипсометрической аппаратуры in situ и в реальном масштабе времени (то есть, когда время измерения и обработки эллипсометрического сигнала меньше характерных для данного процесса времен) открывает возможности создания полностью автоматизированных технологических комплексов. Эллипсометр при этом используется в качестве чувствительного датчика, сигнал с которого поступает на управляющую ЭВМ, обрабатывается и на основе этих данных корректируются параметры технологического процесса. В ряде случаев для этих целей может быть использован одноволновой эллипсометр, например для управления быстропротекающими температурными процессами [174]. При технологических операциях с многослойными структурами используют обычно спектральную аппаратуру. Последнее стало возможным в связи с появлением нового класса быстродействующих спектральных эллипсометров на основе многоканальных фотоприемнкиков [175, 176]. Характерный пример автоматизированной установки создан в корпорации "Техас Инструментс" [177-179]. Одноволновой эллипсометр использован для контроля финишной стадии травления поликристаллического кремния индивидуально на каждой шайбе. Данные эллипсометрических измерений в реальном времени передавались на ЭВМ, управляющую процессом травления. Это позволило контролируемо менять режим травления и избежать вытравливания окисла. В отличие от нерегулируемого процесса при эллипсометрическом контроле удается поддерживать заданную скорость травления в центре шайбы (которая может меняться за счет процесса старения установки) и рассчитать неоднородность травления по шайбе [179]. Процессы травления в многослойных структурах, состоящих из комбинации слоев Si3N4, поликристаллического Si,SiO2, смеси Si3N4 и SiO2, а также процессы роста слоев контролировались с помощью многоканального спектрального эллипсометра [177, 180-182]. Данные спектроэллипсометрических измерений в процессе травления для многослойной структуры обрабатывали на ЭВМ (характерное время обработки составляло несколько секунд) и рассчитывали тощину стравливаемого слоя. На основе этих измерений определялась финишная точка травления. Кроме информации о кинетике травления получали также данные о параметрах структуры на старте технологических операций: толщинах слоев, их составе и т.д. Для технологии соединений А3В5, А2В6 и структур на их основе ключевым моментом является поддержание заданного состава композиционных материалов при их синтезе или распределения состава по толщине при выращивании варизонных структур. В ряде работ сообщается об использовании эллипсометра для наблюдения и управления процессом роста пленок композиционных соединений [183-187] Аспнес с сотрудниками [183], по-видимому впервые для технологии А3В5 реализовали обратную связь "эллипсометр - технологическая установка" и полностью автоматизировали процесс роста слоев GaAlAs, используя эллипсометрические данные для управления потоками молекулярных пучков. Отмечено, что по сравнению с неконтролируемым экспериментом (фиксированными технологическими параметрами) регулируемый таким образом процесс позволил получить пленки более однородные и стабильные по составу. В дальнейшем были получены структуры с заданным распределением состава по толщине [184, 185]. В работе [185] продемонстрированы результаты по выращиванию параболической квантовой ямы шириной 200 А. При этом разброс состава от заданного отклонялся не более чем на 0.05 при глубине ямы 0.3. Следует отметить, что помимо функции управления режимом работы автоматизированных комплексов эллипсометр служит также индикатором сбоев и отклонений в технологических процессах, выдавая сообщение об ошибках оператору. В данном разделе были кратко рассмотрены лишь основные области применения эллипсометрии в микроэлектронике. Для более детального знакомства с этими вопросами можно рекомендовать соответствующие обзоры [87, 188-192].

        Если для полупроводниковых структур измерение оптических постоянных материала является, как правило, промежуточным звеном для исследования электронных или микроскопических свойств, то в оптике именно изучение оптических характеристик образцов в зависимости от условий проведения технологических процессов и эксплуатации (темпе-ратуры, давления, механических напряжений, напряженности полей и т.д.) является основной целью. Широкое применение различных опти-ческих сред, в том числе и оптически анизотропных (гиротропных) в таких областях как кристаллооптика, акустооптика, акустоэлектрони-ка, лазерная физика, приборостроение, создание новых оптических материалов создают потребность в комплексном исследование их опти-ческих свойств (в том числе в процессе получения). Для прозрачных материалов метод не является лучшим по точности, однако имеет свои особенности, которые могут оказаться востребованными. Первая, в отличие от рефрактометрических методов, эллипсометрия несет информацию лишь о приповерхностных слоях материала, поэтому не предъявляется каких либо требований к его объемному совершенству. Кроме того, это становится принципиальным при исследовании образцов со слабо градиентными оптическими свойствами [193]. Вторая, наиболее важная особенность, - возможность измерения оптических постоянных тонких пленок и слоев (оптических покрытий или приповерхностных слоев, возникающих при обработке) [194, 195]. Для кристаллооптики метод эллипсометрии привлекателен, благодаря своей высокой информативности, особенно при исследовании кристаллов низкой симметрии [196]. Эллипсометрические измерения в настоящее время достаточно широко используются при изучении эффектов двойного лучепреломления [197], оптической активности [196], для определения параметров, характеризующих пьезо- [198,199], электро- [200], магнитооптические [201-203] взаимодействия и другие оптические эффекты. При этом отмечается высокая чувствительность метода. Так, например, в работе [204] про демонстрирована эллипсометрическая установка, позволяющая измерять разницу в показателях преломления на уровне 10-9. В ИФП СО РАН разработаны эллипсометрические методики измерения параметров анизотропных систем типа анизотропная подложка/изотропная пленка и изотропная подложка/анизотропная пленка при любой ориентации оптической оси подложки или пленки [205]. Также реализованы методики: одновременного определения двулучепреломления и дихроизма оптических кристаллических материалов; определения собственных поляризаций поляризующих оптических систем и измерения нормированных элементов матрицы Джонса для любой недеполяризующей оптической системы.

        Одна из важнейших задач оптической технологии - контроль состояния полированной оптической поверхности. В результате обработки оптических стекол, кристаллов, керамик, металлов на их поверхности образуется слой, свойства которого (физико-химические, оптические, механические и др.) отличаются от объемных [206]. Природа этого, такназываемого, модифицированного поверхностного слоя связана с наличием микротрещин, измененным химическим составом, включением инородных частиц и т.п. Модифицированные слои определяют состояние поверхностей готовых оптических изделий, поэтому их исследования позволили выявить общие закономерности изменения коэффициентов отражения и пропускания при полировке [207], влияние полирующего абразива [208] и удельного давления [209] на оптические свойства поверхности. Состояние обработки оптических деталей особенно существенно для внутрирезонаторных оптических элементов лазерных устройств. В работе [210] показано, что эллипсометрические измерения параметров поверхности внутрирезонаторных оптических элементов коррелируют с величиной потерь излучения и могут служить количественной характеристикой их качества. В практике получения крупногабаритных оптических поверхностей высокого качества (астрооптика, лазерная оптика и т.д.) в ИФП СОРАН предложено использовать упрощенные, так называемые, "накладные" эллипсометры, позволяющие производить контроль состояния поверхности в заданных точках [205]. Другой аспект применения эллипсометрии в оптической технологии - контроль рельефа полированных оптических поверхностей стеклянных и металлических зеркал. Данные эллипсометрических измерений являются критерием "готовности" поверхности при полировке. Проблемаэта очень актуальна для силовой оптики, т.е. для оптических устройств с высокой плотностью электромагнитного излучения. В качестве примера можно отметить влияние шероховатости на отражающие свойства и долговечность металлических зеркал, используемых в квантовых генераторах высокой мощности. Разработанные методы интерпретации эллипсометрических измерений шероховатой поверхности [211, 212] позволяют определять статистические размеры рельефа оптических деталей при их полировке [213] или при напылении металлических покрытий [214]. Добавочная информация, появляющаяся при спектроэллипсометрических измерениях, позволяет кроме того оценивать степень достоверности полученных результатов [215]. Таким образом, метод эллипсометрии становится лидирующим неразрушающим методом контроля состояния оптической полированной поверхности. Он реально позволяет активно контролировать процесс обработки оптической поверхности, управлять им и останавливать при достижении наилучших параметров.

       Метод эллипсометрии применялся в интегральной оптике для исследования оптических характеристик планарных волноводов [193, 3.40, 41]. Профили показателя преломления многомодовых волноводов обычно достаточно точно восстанавливаются с помощью обратного ВКБ-метода [216], однако для одномодовых волноводов (или при малом числе мод) этот метод не работает. Эллипсометрические измерения позволяют находить показатели преломления на поверхности диффузионных волноводов, восполняя недостающую информацию. Методом эллипсометрии были исследованы также приповерхностные слои, полученные направленным физико-химическим воздействием: высокотемпературной диффузией железо-иттриевого граната [217], ионной обработкой поверхности кварцевого стекла [218], при выщелачивании свинцово-силикатных стекол [219].

        Эллипсометрия в процессах синтеза оптических покрытий успешно применяется при отработке новых технологий и исследовании параметров пленкообразующих материалов [220-223], а также для характеризации оптических покрытий различного функционального назначения: оптических фильтров [224], зеркал рентгеновского диапазона [225-227], антиотражающих покрытий для солнечных батарей [228, 229] и прочих устройств [230-233]. В работе [220] изучались оптические свойства слоев CaF2, нанесенных на кремниевую подложку при различных условиях. Эллипсометрические исследования позволили установить в пленке наличие пор и определить их процентное содержание в зависимости от ее толщины и температуры синтеза. Исследовались также эффекты взаимодействия пленки и подложки, приводящие к размытию межфазной границы. В ряде работ [225, 227, 233] осуществлен контроль различных характеристик (толщин и оптических постоянных слоев, скорости роста, качества границ раздела и т.п.) непосредственно в технологическом процессе, используя кинетические эллипсометрические измерения in situ? Фирма "Leybold-Heraeus GMBH" впервые применила одноволновый эллипсометр следящего типа в промышленных установках вакуумного напыления. Однако, точность такого эллипсометра при напылении большого колическтва слоев (>10) существенно снижается, вследствие суммирования погрешностей, возникающих при изготовлении каждого отдельного слоя. В ИФП СО РАН разработана методика использования в процессах синтеза оптических покрытий спектрального эллипсометра индикаторного типа [205]. В данной методике исключено влияние неидеальности параметров предыдущих слоев на результаты контроля последующих слоев. Кроме того спектроэллипсометр позволяет с высокой точностью контролировать разнотолщинные слои и обходиться без вычислительной техники.

        Контроль качества (чистоты) оптических полированных поверхностей на практике производится в настоящее время, в основном, визуально с использованием луп и микроскопов и практически не поддается автоматизации. Необходимость выявления дефектов с размерами до единиц микрона требует большого напряжения зрения и существенных трудозатрат. В ИФП СО РАН разработана эллипсометрическая методика оценки качества плоских оптических полированных поверхностей (например, пластин) с помощью автоматического эллипсометра высокого простран-ственного разрешения "Микроскан" [205]. Эллипсометр с высоким разрешением сканирует поверхность детали и объективно определяет с помощью предложенного "критерия качества" ее дефектность и соответственно годность для дальнейшего использования. Кроме того на эллипсометре "Микроскан" можно производить контроль плоскостности оптических поверхностей с погрешностью не хуже 1/20. В отличие от интерферометрического метода, в данном случае может быть получена строго документированная и наглядная карта формы поверхности. Также эллипсометр "Микроскан" можно использовать для контроля устойчивости оптических полированных поверхностей к воздействию пятнающих реагентов химического и биологического происхождения, (что важно при эксплуатации оптических приборов в условиях теплой влажной атмосферы и тропиков), загрязненности оптических поверхностей и запыленности чистых помещений.

        На сегодняшний день имеется обширная библиография по эллипсо-метрическим исследованиям в электрохимии [234-236], что свидетельствует о большой популярности метода в этой области. Это связано главным образом с возможностью измерений in situ, т.к. эллип сометрия-единственный в своем роде метод, обладающий способностью в развитии наблюдать формирование и рост поверхностных пленок в электролите. Эта информация оказывается особенно полезной в сочетании с электрохимическими измерениями. Исследуются такие процессы, как адсорбция ионов в зависимости от потенциала электродов 237], коррозия металлов и сплавов в хи-мически активных средах и пассивация их поверхности [238-243], а также рост и формирование анодных окисных пленок [244-247]. Следует отметить особенность эллипсометрических измерений в электрохимии: оптические постоянные пленки и подложки могут меняться с изменением потенциала (эффект электроотражения), а оптические постоянные пленки меняются также и от времени взаимодействия с электролитом. Так, Гриф [244] исследуя процессы адсорбции в электролите на поверхности золота, показал, что при этом происходит изменение оптических постоянных Au, которое связано с уменьшением плотности электронов в поверхностном слое. Коррозионные процессы изучались для разных металлов и при различных химических и механических воздействиях. Так, в [238] изучались локальные коррозионные процессы на поверхности железа. Несмотря на трудности количественной интерпретации измеренных данных, авторы отмечают, что эллипсометрия дает много качественной информации: - позволяет определять начало образования ямок травления при коррозии; - обнаруживает изменения в пассивирующей пленке перед началом образования ямок; - позволяет измерить скорость репассивации при сошлифовывании предохраняющей пленки. Большое число работ посвящено исследованию роста и свойств пассивирующих пленок [239, 240], их устойчивости в зависимости от кислотности среды [241], ориентации металлической подложки [242], атакже при повышенных температурах и давлении [243]. Эллипсометрия оказывается незаменимым аналитическим методом при изучении процессов выращивания анодных окислов и отработке воспроизводимых режимов получения качественных диэлектрических слоев. Технологические проблемы встают особо остро при анодировании полярных полупроводников типа А3В5 или тройных полупроводниковых соединений, где процессы массопереноса имеют более сложный характер [28]. Метод эллипсометрии привлекается для решения таких проблем анодирования в электролите, как: - исследование начальной стадии зародышеобразования; - измерение скорости роста анодно-окисных пленок; - измерение оптических постоянных пленок и их распределения по глубине; - определение плотности осажденного материала из сравнения с электрохимическими измерениями; - исследование процессов роста - растворения пленок, которые сопровождаются также коррозией подложки. В одном из последних обзоров по применению эллипсометрии в электрохимии [244] отмечается, что поскольку исследования электрохимических процессов проводят в динамике, то предпочтение отдается эллипсометрической аппаратуре с высоким временным разрешением, а спектральное разрешение отодвигается на второй план (следует однако отметить, что применение быстродействующих многоканальных эллипсометров позволяет решать обе эти задачи одновременно [248]). В качестве примера применения эллипсометрии в [244] приводится эллипсометрический контроль роста пленки PbO2 на платиновой подложке. Обработка экспериментальных данных и численное моделирование привели к следующим результатам: обнаружено очень малое время образование зародышей, определены скорость роста пленки, ее оптические постоянные, плотность (относительно кристаллической фазы). Кроме того, из наблюдаемых в конце процесса расхождений между экспериментом и модельным расчетом сделан вывод о возможном развитии рельефа поверхности. Проблема начальной стадии роста - образование зародышей - более подробно проанализирована в работе [245], где показано, что эллипсометрия дает информацию о поверхностной плотности зародышей и дисперсии их размеров. Эллипсометрические исследования роста анодного окисла на алю-минии [115] обнаружили градиентное изменение оптических постоянных по толщине пленки, это связывалось с большей пористостью внешних слоев из-за контакта с электролитом и частичного растворения. Более того, после прекращения анодирования электролит продолжает проникать в пленку и приводит к изменению ее оптических постоянных по всей толщине. Такой вывод был сделан из анализа изменений эллипсометрических параметров в процессе растворения анодного окисла при отрицательном потенциале. После растворения пленки наблюдались аномальные (в рамках однослойной модели) изменения и , которые были интерпретированы как огрубление поверхности с последующим ее выглаживанием. Резюмируя результаты рассмотренных работ можно отметить, что метод эллипсометрии позволяет изучать механизмы формирования пле-нок при электрохимических реакциях и их свойства в зависимости от различных физико-химических условий выращивания: плотности тока, потенциала, состава электролита, температуры и т.д.

        Граница раздела фаз (жидкость - пар, твердое тело - пар, твердое тело - раствор) является наиболее интересной областью с точки зрения протекания химических реакций. Как правило, на границе раздела фаз наблюдается адсорбция. Исследование адсорбции молекул на твердых подложках [270-272] или на поверхности жидкостей [273] позволяет понять процессы молекулярного взаимодействия и характеризовать начальные стадии роста органических соединений (хемосорбция). Из эллипсометрических измерений можно с высокой точностью определить толщины адсорбированных слоев, и построить изотермы адсорбции [271] (зависимости толщины адсорбируемого материала от давления адсорбатапри данной температуре) - термодинамические характеристики процесса. Кроме того, исследования адсорбции несут информацию об изменениях в строении адсорбируемых органических макромолекул, о скорости процесса, об условиях, в которых он имеет место [273], а также позволяют наблюдать фазовые переходы [274]. Другие примеры анализа межфазных границ - исследование поверхностных пленок на границе раздела жидкость-пар [275-277] и процессов расслаивания бинарных систем в области температур, близких к критической [276, 278].

        Наибольший интерес представляют эллипсометрические исследова-ния роста слоев in situ, так как они позволяют получить много цен-ной информации о механизмах роста [279], исследуются также свойс-тва пленок ex situ после различных технологических операций и в процессе хранения [280, 281]. Основные характеристики, получаемые приэллипсометрическом контроле связаны с измерением толщины пленок и их оптических постоянных. а) Толщина пленки и скорость роста. Изучение кинетических характеристик роста в зависимости от технологических условий позволяет изучать механизмы протекания реакции и эмпирически установить закон роста. Измерением толщины наблюдали эффект изменения конформации молекул (пространственной реорганизации молекул, проходящей без разрыва молекулярных связей) [282]. В работе [283] с помощью эллипсометрических измерений исследовался процесс удаления полимерной пленки при облучении светом ультрафиолетового диапазона. Изменение толщины при хранении пленки на воздухе [281] позволило наблюдать эффект расслаивания. Эллипсометрическое топографирование использовалось при отработке технологии плазменной полимеризации сверхтонких органических пленок [284].Точное измерение толщины использовалось также для интерпретации данных других методов [285, 286]. Так в [286] прецизионные измерения толщины органических пленок использовались для определения вязкости и упругости исследуемых сред. б) Оптические постоянные слоя. Прежде всего оптические постоянные чувствительны к плотности синтезируемых пленок и наличию инородных включений, а также зависят от состава и молекулярной структуры пленки [287, 288]. Например, в [289] незначительно заниженные значения показателя преломления связывались с содержанием воды в полимерной пленке, а обнаруженное поглощение объяснялось за счет частичного разрыва сопряженных ароматических колец. Контроль оптических постоянных позволил наблюдать полимеризацию органических пленок при комнатной температуре [288] и в плазме [290], а также модификацию пленок при их плазменной обработке [291]. Оптическая неоднородность пленок по толщине свидетельствует, как правило, об их структурной неоднородности [292]. В [293] обнаружено уменьшение показателя преломления с ростом толщины пленки антрацена, на основании этого был сделан вывод о влиянии поверхностных состояний на экситонные возбуждения. Несколько подробнее следует остановиться на исследованиях пленок Лэнгмюр-Блоджет - организованных длинных цепочек органических соединений, нанесенных на твердую подложку по особой технологии. Интерес к эллипсометрическим исследованиям таких систем связан с оптической анизотропией пленок, обусловленной их молекулярным строением. Определяемые эллипсометрией значения оптических постоянных для обыкновенного и необыкновенного лучей, а также ориентация оптических осей относительно поверхности служит исходной информацией для определения состава и оценки степени ориентации молекулярных групп [294-296]. Следует отметить работу [297], где изучали процессы удаления органических соединений с хромовых и поливинилхлоридных поверхностей с помощью специальных моющих средств. Отмечается, что методика позволяет проследить процесс отмывки во времени. Таким образом, эллипсометрия может быть эффективно использована как в процессах нанесения слоев, так и при их удалении.