СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ in situ

Изобретение относится к области магнитных и магнитооптических измерений и может быть использовано для быстрой характеризации магнитных материалов, получения спектральных зависимостей магнитооптических эффектов, а также зависимостей магнитооптического сигнала от приложенного магнитного поля. Способ допускает использование стандартных приборов, измеряющих состояние поляризации, серийно выпускаемых эллипсометров для измерения не только классических эллипсометрических углов, но и магнитооптических параметров, позволяющих извлекать информацию о магнитном состоянии образца, в частности получать петли гистерезиса, регистрируя магнитооптический отклик, пропорциональный намагниченности в исследуемом образце.

Известен способ измерения состояния поляризации эллипсометром [п.м. РФ №16314, МПК С01N 21/21, опубл. 20.12.2000], сконструированным по фотометрической схеме, заключающийся в расщеплении отраженного от поверхности исследуемого образца светового пучка на две составляющие, которые измеряют соответственно амплитудные и фазовые изменения света при отражении для p- и s-поляризаций.

Недостатки этого способа заключаются в невысокой точности измерений и узком спектральном диапазоне проведения измерений, а также в случае ферромагнитного образца невозможности регистрировать магнитооптический отклик при воздействии магнитного поля на исследуемую систему.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ измерения состояния поляризации эллипсометром [патент РФ №2302623, МПК: 6 С01N 21/21, опубл. 10.07.2007 (прототип)], заключающийся в том, что в конструкции также используется фотометрическая схема, позволяющая минимизировать время единичного измерения таким образом, что данную конфигурацию можно адаптировать для измерения магнитооптических эффектов.

Технический результат заключается в повышении точности измерения и информативности с целью измерения магнитооптических эффектов in situ.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения магнитооптических эффектов in situ, заключающемся в том, что исследуемый образец освещают линейно поляризованным световым пучком и измеряют изменение поляризации при отражении, используя разделение отраженного луча на p- и s-компоненты с разложением по амплитуде и фазе, получая на выходе четыре световых пучка с интенсивностями I₁, I₂, I₃, I₄, новым является то, что к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, при измерении меридионального эффекта Керра поляризатор фиксируют в положении P=0, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах А_1,2=45° и перемагничивание образца осуществляют с помощью вращающегося постоянного магнита, в этом случае величину поворота плоскости поляризации α, пропорциональную проекции намагниченности на плоскость падения света определяют по формуле:

,

где α - угол поворота плоскости поляризации, I₁ I₂ - интенсивности p- и s-компонент в амплитудном измерительном канале плеча анализатора, а при измерении экваториального эффекта Керра образец перемагничивают с помощью электромагнита, поляризатор фиксируют в положении Р=±45°, а анализаторы в амплитудном и фазовом каналах А_1,2=45°, при этом магнитооптический отклик, пропорциональный интенсивности p-компоненты определяют по формуле:

,

где β - сигнал экваториального эффекта Керра, I₁ - интенсивность в амплитудном канале, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров исследуемого образца.

Отличия заявляемого способа от наиболее близкого аналога заключаются в том, что к исследуемому образцу во время проведения измерений прикладывают переменное магнитное поле, а также в используемом математическом аппарате при вычислении значений магнитооптического сигнала. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема магнитоэллипсометрического комплекса in situ.

Устройство для измерения магнитооптических эффектов in situ (Фиг.1) состоит из источника света 1 (HeNe лазер), поляризатора 2, составляющих плечо поляризатора, высоковакуумных окон 4 и 10 для ввода и вывода оптического луча, соответственно, высоковакуумной камеры 5, исследуемого образца 6. Для создания переменного магнитного поля в плоскости образца используются не нарушающие оптическую схему вращающийся шаговым двигателем манипулятор 8 с постоянным NdFeB магнитом 7 (для измерения меридионального эффекта Керра (МЭК) или электромагнит 9 (для измерения экваториального эффекта Керра (ЭЭК)). Кроме того, техническое исполнение выполнено таким образом, чтобы при измерении МЭК использовалась только p-компонента пучка. Также во время измерений точность повышается за счет усреднений массивов данных, полученных за несколько оборотов манипулятора 8 в случае измерения МЭК, а в случае измерения ЭЭК накопление данных производится за несколько периодов перемагничивания. Плечо анализатора магнитоэллипсометрического комплекса состоит из светоделительного элемента 11, фазосдвигающего элемента 13, призм Волластона 12, 14, двухплощадных фотоприемников 15. Также на фиг. 1 показаны неотъемлемые составляющие ростовой вакуумной камеры для нанесения тонких слоев и покрытий: молекулярные источники (испарители) 16 и их заслонки 17.

Измерения магнитооптического эффекта Керра происходят следующим образом.

Световой поток 3, испускаемый осветителем 1, линейно поляризуется поляризатором 2, и, проходя через сверхвысоковакуумное окно 4, попадает внутрь сверхвысоковакуумной камеры 5, и затем падает на поверхность исследуемого образца 6. Во время измерений к образцу подводится магнитное поле либо с помощью постоянного магнита 7, приводимого в движение с помощью манипулятора 8, либо с помощью электромагнита 9. Падающий, линейно поляризованный световой пучок отражается от поверхности образца, находящегося под воздействием магнитного поля, с изменением состояния поляризации, обусловленным эффектом Керра в магнитном образце, и становится, в общем случае, эллиптически поляризованным и, в таком состоянии, выходя из высоковакуумной камеры через высоковакуумное окно 10, поступает в плечо анализатора, а именно, на композиционный расщепитель светового пучка 11, расщепляющий отраженный исследуемым образцом световой пучок на две световые компоненты, одна из которых попадает в амплитудный измерительный канал ψ, где призма Волластона 12 разделяет входной световой пучок на p- и s-компоненты, интенсивности которых затем регистрируются двухплощадным фотоприемником 15. Другая часть светового пучка попадает в фазовый измерительный канал Δ, где, проходя через фазосдвигающий элемент 13 и призму Волластона 14, также регистрируются фотоприемниками 15.

В итоге мы имеем четыре значения интенсивности I₁, I₂, I₃ и I₄, из которых вычисляют значения классических эллипсометрических углов ψ и Δ. При проведении таких измерений оптические поляризационные элементы могут принимать следующие фиксированные положения:

- поляризатор: P=0 или ±45°;

- анализатор в канале ψ: А₁=0 или 45°;

- компенсатор - С=0°;

- анализатор в канале Δ: А₂=0 или 45°.

Из доступных конфигураций оптических элементов [Швец и др. Оптика и спектроскопия, 2004, том 97, №3, С. 514-525] наиболее практичной является конфигурация, при которой оптические элементы находятся в положениях: А₁=0, С=0, А₂=45 (конфигурация I) и А₁=45, С=0, А₂=45 (конфигурация II). Для отмеченных конфигураций выполняются следующие соотношения между эллипсометрическими параметрами и измеренными сигналами:

Конфигурация I:

F_ψ=-cos2ψ

F_Δ=±sin2ψcos(Δ+δ_с)

Конфигурация II:

F_ψ=±sin2ψcosΔ

F_Δ=±sin2ψcos(Δ+δ_с)

где ψ и Δ - измеряемые эллипсометрические параметры, , , δ_с - фазовый сдвиг компенсатора, I₁, I₂, I₃, I₄ - сигналы с фотоприемников каналов ψ и Δ. Знак ± в формулах соответствует положениям поляризатора P=45 и -45°.

Эллипсометрические параметры рассчитываются следующим образом:

Конфигурация I:

Δ=p·arccos(±F_Δ/sin2ψ)-δ_c

где значение p=1 или -1, определяющее диапазон Δ, остается неопределенным в рамках данной конфигурации и задается оператором посредством выбора диапазона Δ.

Конфигурация II:

или

.

Меридиональный эффект Керра состоит в возникновении s-компоненты при отражении линейно поляризованной в плоскости падения волны. При этом вектор поляризации поворачивается на малый угол α, который и подлежит определению при измерениях на эллипсометре-магнитометре. При измерениях МЭК поляризатор фиксируется в положении P=0, а анализаторы в каналах А_1,2=45°.

Поворот плоскости поляризации в результате эффекта Керра приводит к перераспределению интенсивностей световых потоков, падающих на фотоприемники 15 (в зависимости от знака эффекта на одном фотоприемнике интенсивность будет возрастать пропорционально sin2α, а на другом на столько же убывать).

Поворот плоскости поляризации при перемагничивании образца вращающимся магнитным полем для МЭК вычисляют по формуле:

,

где α - угол поворота плоскости поляризации, I₁ I₂ - интенсивности p- и s-компонент в амплитудном измерительном канале ψ плеча анализатора.

На фиг. 2 представлены результаты измерения МЭК в слое DyNi толщиной 5 нм двухслойной структуры Ni[8nm]/DyNi[5nm]. Экспериментальные данные представлены как поворот плоскости поляризации в функции угловой координаты направления магнитного поля по отношению к произвольному направлению в плоскости образца. При измерении экваториального эффекта Керра образец перемагничивают с помощью электромагнита 9, поляризатор фиксируют в положении P=±45°, а анализаторы в каналах А_1,2=45°, при этом магнитооптический отклик пропорционален интенсивности p-компоненты:

β=kI₁,

где β - сигнал экваториального эффекта Керра, I₁ - интенсивность в амплитудном канале, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров исследуемого образца.

На фиг. 3 показаны результаты измерений ЭЭК в пленке железа толщиной 10 нм на подложке монокристаллического кремния. Экспериментальные данные представлены в виде зависимости сигнала ЭЭК от величины приложенного магнитного поля.

Преимущества заявляемого способа измерения магнитооптических эффектов in situ заключаются:

- в расширении возможностей стандартного эллипсометра;

- в возможности проведения измерения при быстром перемагничивании;

- в возможности проведения спектральных измерений магнитооптических эффектов.