این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- اساس کار بیضی‌سنجی
3- انواع دستگاه‌های بیضی‌سنج و کاربردهای آن‌ها
4- نمونه‌های مورد مطالعه در بیضی‌سنج
5- کاربردهای بیضی‌سنجی
1- مقدمه
همچنین بیضی‌سنجی می‌تواند برای اندازه‌گیری ضخامت لایه‌هایی با ضخامت نانومتری که روی زیرلایه‌های مختلف قرار دارند، استفاده شود. حتی به کمک این روش می‌توان نمونه های چندلایه‌ای (Multilayer) را نیز بررسی و مطالعه کرد.
بیضی‌سنجی در حوزه‌هایی از قبیل زیست‌شناسی و پزشکی نیز روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. بیضی‌سنجی یک روش اپتیکی بسیار حساس است. این حساسیت به دلیل تغییر فاز نسبی نور قطبیده‌ای است که از یک لایه نازک منعکس می‌شود یا از میان آن عبور می‌کند. اندازه‌گیری این تغییر فاز را می‌توان در یک طول موج یا چندین طول موج و در یک زاویه برخورد یا در زوایای برخورد متفاوت انجام داد.
2- اساس کار بیضی‌سنجی
از جمله مدل‌هایی که برای محاسبه توابع دی‌الکتریک در بیضی‌سنجی به کار گرفته می‌شود، مدل نوسانی لورنتس (Lorentz Oscillator Model) است. معادله سلمیر (Sellmeier) که در محاسبه توابع دی‌الکتریک در مواد عایق استفاده می‌شود، و معادله کوشی (Cauchy Equation) نیز مدل‌های دیگری هستند. مدل درود (Drude) نیز در مورد فلزات به کار گرفته می‌شود. برای محاسبه توابع دی‌الکتریک در مواد بی‌شکل از معادله Tauc-Lorentz و در مواد بلوری از تئوری محیط مؤثر (Effective Medium Theory) استفاده می‌شود.
3- انواع دستگاه‌های بیضی‌سنج و کاربردهای آن‌ها
در بعضی دیگر از بیضی‌سنج‌ها از یک مدولاتور قطبیده استفاده می‌شود که دقت آن در اندازه‌گیری زوایا 0/001 درجه است و حدود 30 ثانیه زمان نیاز است تا ثابت‌های نوری n و k در یک طول موج تعیین شود.
در بیضی‌سنج‌های همزمان (In Situ) که روشی دینامیکی است، برای ثبت تغییرات نمونه در حین فرایندهایی مانند رشد لایه نازک، تمیز شدن نمونه، اثر اسیدشویی‌ها، ایجاد خراش در شرایط ویژه استفاده می‌شود. در بیضی‌سنج‌های همزمان می‌توان سرعت رشد یا سرعت فرایندی که مطالعه می‌شود را تعیین کرد و همچنین تغییرات خواص نوری نسبت به زمان اندازه‌گیری می‌شود. در این روش، وسایل جانبی مانند آینه عدسی و منشور برای متمرکز کردن نور روی نمونه نیاز است. می‌توان بیضی‌سنجی را در گستره‌ای از طول موج و با استفاده از آشکارسازهای چند کاناله مانند CCD یا در تک طول موج، انجام داد.
در دستگاه‌های بیضی‌سنج با قابلیت تخلخل‌سنجی، تغییرات ویژگی‌های نوری و ضخامت، در حین فرایند جذب یا واجذب مواد فرار در فشار اتمسفر یا فشارهای پایین، اندازه‌گیری می‌شود. این دستگاه می‌تواند اندازه حفره‌ها و توزیع آن‌ها در لایه‌های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 10 نانومتر را نیز شناسایی کند.
در نوع دیگری از بیضی‌سنج از طیف‌سنجی مادون قرمز استفاده می‌شود که در مطالعه نمونه‌های رسانا به کار گرفته می‌شود که با تلفیق بیضی‌سنج با یک میدان مغناطیسی خارجی می‌توان چگالی، تحرک نوری، بارهای آزاد و جرم مؤثر را بررسی کرد.
در دستگاه‌های بیضی‌سنج با یک طول موج، از یک منبع نور تک طول موج استفاده می‌شود که در بیضی‌سنج‌های لیزری معمولاً یک لیزر در ناحیه مرئی (مانند لیزر He-Ne با طول موج 632 نانومتر) به کار گرفته می‌شود. این نوع بیضی‌سنج، پرتو لیزر را روی یک نقطه متمرکز می‌کند و از آنجایی که قدرت لیزر نسبت به منابع با گستره‌ای از طول موج‌ها بسیار بیشتر است، از این نوع بیضی‌سنج می‌توان برای تصویربرداری استفاده کرد.
در بیضی‌سنج طیف‌سنج، گستره‌ای از طول موج‌ها، فرابنفش، مرئی و مادون قرمز به نمونه تابیده می‌شود و می‌توان ضریب شکست یا توابع دی‌الکتریک را در گستره طول موج به دست آورد و با داشتن این کمیت‌ها، سایر ویژگی‌های فیزیکی مواد را بررسی کرد. بیضی‌سنج مادون قرمز ویژگی‌های ارتعاشات شبکه و بار نمونه را تعیین می‌کند و سایر نواحی طیف، برای بررسی ضریب شکست و خواص الکترونی مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چنانچه امکان تبدیل نور پلاریزه s و p به یکدیگر وجود نداشته باشد، از بیضی‌سنج‌های معمولی استفاده می‌شود که می‌تواند برای نمونه‌های بی‌شکل و مواد بلوری با ساختار مکعبی به کار برده شود.
در دستگاه بیضی‌سنج، با استفاده از CCD به عنوان آشکارساز می‌توان به طور لحظه‌ای تصویر تهیه کرد که اطلاعات مفیدی درباره ضخامت لایه و ضریب شکست نمونه ارائه می‌کند. در بیضی‌سنج‌های لیزری، نور لیزر بعد از عبور از قطبی‌کننده و سایر قسمت‌های بیضی‌سنج به صورت بیضوی قطبیده می‌شود و سپس این نور قطبیده از سطح نمونه بازتاب می‌شود و پس از عبور از آنالیزور، در CCD تصویر تشکیل می‌شود.
4- نمونه‌های مورد مطالعه در بیضی‌سنج
5- کاربردهای بیضی‌سنجی
بیضی‌سنجیِ لایه‌های نازکی که بین زیرلایه و محیط تشکیل شده‌اند، منجر به تعیین ضخامت و خواص نوری لایه می‌شود. اندازه‌گیری‌ها معمولاً به صورت تابعی از طول موج انجام می‌شود. در واقع بیضی‌سنجی روشی مناسب برای بررسی لایه‌های نازک به شمار می آید.
جذب گونه‌های مولکولی یا اتمی روی سطح نمونه‌هایی که در محیط مایع یا گاز قرار گرفته‌اند، به کمک بیضی‌سنجی که تکنیکی غیرمخرب است، مطالعه می‌شود. در بعضی از واکنش‌ها، فرایند جذب، به طور مثال، با اعمال حرارت برگشت‌پذیر است (که به آن واجذب گفته می‌شود) و با استفاده از بیضی‌سنج، واکنش‌هایی از این نوع را نیز می‌توان مورد مطالعه و بررسی قرار داد. بایستی اشاره کرد که این گونه فرایندها متفاوت از تشکیل لایه‌های دائمی اکسیدی است که امکان مطالعه آن‌ها با استفاده از بیضی‌سنج ممکن نیست.
از روش بیضی‌سنجی در مطالعه اکسیداسیون نیمه‌رساناها و فلزات در محیط‌های مختلف می‌توان استفاده کرد؛ که می‌توان رشد لایه اکسید روی سطح را در محیط‌های گازی یا محیط‌های مایع بررسی کرد. این بررسی در مورد لایه‌های نیتریدی یا سولفیدی روی سطح نیمه‌رسانا و فلزات در دماهای مختلف امکان‌پذیر است. این روش در مطالعه فرایند الکتروشیمی نیز استفاده می‌شود که با استفاده از بیضی‌سنج می‌توان فصل‌مشترک الکترود – الکترولیت را به طور همزمان بررسی کرد. می‌توان بیضی‌سنجی را همزمان با سایر روش‌های اندازه‌گیری الکتروشیمیایی (مانند ولتاژ – جریان و ظرفیت) انجام داد. فرایندهای الکتروشیمیایی مانند جذب یونی، اکسیداسیون آندی، خوردگی، غیرفعال‌سازی و جلا دادن الکتریکی را می‌توان با استفاده از بیضی‌سنج مطالعه و بررسی کرد. در صنعت نیمه‌رسانا، برای اندازه‌گیری ضخامت لایه‌هایی مانند اکسیدها و نیتریدها روی سیلیکون، به خصوص با ضخامت‌های کمتر از 500 آنگستروم، از روش بیضی‌سنجی استفاده می‌شود.
یکی از کاربردهای بیضی‌سنجی در داروسازی و پزشکی است که واکنش آنتی‌ژن – آنتی‌بادی در لایه‌های نازک قابل بررسی است. از طرفی بیضی‌سنجی برای مطالعه آسیب‌های ناشی از تشعشع در جامدات، آسیب‌دیدگی مکانیکی سطوح نیمه‌رسانا و دی‌الکتریک کاربرد دارد.
منابـــع و مراجــــع
۱ – R. M. A. AzzamN. M. Bashara, EllipsometryPolarized Light, Elsevier Science Pub Co (1987) ISBN 0-444-87016-4.
۲ – H.G. Tompkins, spectroscopic ellipsometry andreflectometry, John Wileysons Inc (1999).
