Lézeres technikával épített szén vékonyrétegek vizsgálata spektroszkópiai ellipszometriával

Budai Judit, V. fizikus
Témavezető: Dr. Tóth Zsolt tudományos főmunkatárs 
SZTE TTK MTA Lézerfizikai Tanszéki Kutatócsoport

Az ellipszometria optikai elven működő roncsolás mentes vizsgálati módszer, mellyel alapvetően törésmutatót és rétegvastagságot lehet meghatározni. A mintáról reflektált fény polarizációs állapotát vizsgálja és a fény polarizációs állapotában a reflexió során bekövetkezett változásokat detektálja, melyeket két szöggel Y-vel és D-val jellemzünk. A mért Y és D hullámhosszfüggéséből nem közvetlen számítással kapjuk meg a keresett tulajdonságokat, hanem egy illesztési folyamat során: a minta szerkezetére egy kezdeti modellt alkotunk, és ezt hangoljuk úgy, hogy a modellből számított ellipszometriai szögek a lehető legjobban megközelítsék a mért adatokat.
A hidrogénezett amorf szén filmek hidrogéntartalmuktól függően változtatják tulajdonságaikat a gyémánttól a polimerekig. Dolgozatomban szén rétegek spektroszkópiai ellipszometriás vizsgálatát mutatom be. A rétegeket impulzusüzemű lézeres vékonyréteg építési technikával hoztam létre. ArF excimer lézer fényét fókuszáltam vákuumban vagy alacsony nyomású (maximum 500 Pa) hidrogénben elhelyezett nagy tisztaságú grafit céltárgy felszínére, amelyen gyorsan táguló plazma keletkezett. A plazmát szilícium hordozón felfogva, azon vékonyréteg épült. A kísérletetek célja az volt, hogy a spektroszkópiai ellipszometriás mérésekkel nyomonkövessem, hogyan változik a különböző hidrogén nyomások mellett épített rétegek vastagsága, törésmutatója, porozitása és felszíni érdessége.
Az ellipszmetriai kiértékelés során a rétegek diszperzióját többféle modellel határoztam meg. Először a dielektrikumok leírására alkalmas Cauchy-féle, majd az amorf anyagok jellemzésére kidolgozott Tauc-Lorentz, végül a minták porozitásának és felületi érdességének vizsgálatára az effektív közeg modellt használtam. A hidrogén nyomás növelésével a törésmutató csökken, a porozitás és a felületi érdesség nő. Míg kis nyomásokon a targetről kiinduló plazma határozott irányultsággal bír, addig a nagyobb nyomású hidrogén atmoszférában a plazma részecskéi szóródnak, veszítenek energiájukból, így a réteg kevésbé lesz tömör. A hidrogén beépülésével kezdetben a rétegek vastagsága nő, viszont 25 Pa nyomás felett a hidrogénen való szóródás miatt a rétegek vastagsága drasztikusan csökken.