Ellipsometer Sederhana

    Ellipsometer adalah suatu alat yang dapat dipergunakan untuk pengukuran sifat-sifat optik dari suatu media yang didasarkan pada analisis fenomena pantulan sinar terhadap suatu media tersebut yaitu perubahan pengkutuban (polarization) sinar dengan panjang gelombang tertentu yang terjadi sewaktu sinar dipantulkan atau diteruskan pada media tersebut. Dengan menganalisa perubaan intensitas sinar akibat pantulan gelombang tersebut, maka dimungkinkan untuk mengetahui berbagai parameter sifat optik seperti parameter index bias, ketebalan, koefisien serapan, dan lain-lain dari medium yang dikenainya.

    Beberapa faktor keuntungan yang dapat diperoleh dari alat ini antara lain : (i) tidak mengganggu sifat - sifat fisis dari permukaan sampel yang diukurnya untuk panjang gelombang tertentu yang dapat dipilih, (ii) cukup sensitif untuk pengukuran antarmuka (interface) dari suatu struktur media yang memiliki ukuran cukup kecil, (iii) dapat dioperasikan pada udara bebas (tidak harus pada kondisi khusus seperti ruang hampa), dan (iv) dapat diperoleh hasil secara langsung (in situ) dari pengukuran. Secara umum alat ellipsometer dapat dipergunakan untuk mengukur sifat - sifat optik suatu bahan baik padat maupun cair yang memiliki sifat isotropik (sifat optik tidak tergantung arah) ataupun anisotropik (sifat optik tergantung arah). Selain itu media yang akan diukur dapat berupa lapisan tipis (thin film) atau berupa lapisan yang tebal (bulk). Ellipsometer dapat digunakan untuk memantau fenomena perubahan suatu permukaan bahan akibat oksidasi, pemendapan lapisan, dan lain-lain, juga dapat digunakan untuk pengukuran faktor fisik dari suatu bahan yang dapat mengakibatkan perubahan sifat-sifat optik seperti medan listrik, medan magnet, tekanan dan suhu. Alat ini digunakan secara luas di berbagai industri mikroelektronika, minyak, kedokteran, dan lain-lain. Sebagai contoh penggunaan ellipsometer dalam teknologi mikroelektronika adalah menentukan ketebalan lapisan silikon teroksidasi oleh udara bebas (SiO₂) yang termendap di atas permukaan wafer silikon (Si), juga memonitor pengaruh endapan dari gas nitrides,sulfides ke atas permukaan wafer silikon. Selain itu di dalam teknologi kedokteran, ellipsometer dapat digunakan untuk meneliti reaksi antigen-antibodi pada lapisan tipis [1,2]. Ellipsometer yang didesain memiliki beberapa kemudahan sebagai suatu alat ukur yang dapat dikembangkan untuk berbagai aplikasi yang lebih luas lagi. Alat ini dapat dipindah-pindahkan dengan mudah sehingga fleksibel bagi pengukuran di berbagai tempat dari struktur yang ada. Kinerja alat yang relatif mudah, beaya operasional yang relatif murah dengan tingkat akurasi yang cukup tinggi ini memungkinkan untuk didesain di berbagai laboratorium di Indonesia.

Desain Alat

    Alat ellipsometer sederhana dapat diskemakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sumber sinar yang mungkin digunakan adalah dari berbagai jenis sumber sinar seperti lampu halogen dengan pemilihan panjang gelombang tertentu yang dapat dilakukan dengan menggunakan prisma atau chopper, atau sinar laser seperti laser He-Ne (Helium-Neon) dengan panjang gelombang, l = 632.8 nm. Sedangkan detektor sinar dapat digunakan berbagai macam detektor dari bahan semikonduktor yang memiliki kepekaan cukup tinggi. Jika proses deteksi ini dilakukan dengan menggunakan komputer maka akan dapat dilakukan perhitungan bagi mendapatkan nilai pantulan sinar dan parameter lain dengan lebih cepat. Sudut datang sinar terhadap sumbu normal (f ) adalah sama dengan sudut pantul sinar. Untuk desain alat ini posisi sumber sinar dan detektor harus dapat diubah secara akurat. Cara lain bagi membolehkan membuat variasi sudut datang sinar adalah dengan merubah posisi sampel yang akan diukurnya dan posisi detektor. 

 Gambar 1. Diagram dua dimensi dari alat ellipsometer sederhana bagi pengukuran struktur media udara-SiO₂-Si. P adalah polariser, f adalah sudut datang sinar terhadap sumbu normal.

    Polariser P berfungsi untuk meng-kutub-kan sinar menjadi kutub p yaitu osilasi gelombang paralel dengan bidang sinar terkutub, dan kutub s yaitu osilasi gelombang tegak lurus dengan bidang sinar terkutub. Untuk mendapatkan sifat kedua jenis pengkutuban sinar tersebut, dapat dilakukan dengan memutar polariser sebesar 90° dan 0° . Agar sinar yang datang dari sumber dapat mengenai permukaan sampel dengan baik maka dapat ditambahkan piranti slit yaitu lubang kecil yang diletakkan setelah sinar keluar dari polariser yang memungkinkan untuk mengatur diameter sinar yang mengenai permukaan sampel juga untuk mengatur intensitas sinar yang datang. Pengukuran dengan alat ellipsometer hendaknya dilakukan dalam ruangan yang cukup gelap yang memungkinkan dapat meniadakan pengaruh sinar dari sekitaran. Desain sederhana dari alat ellipsometer ini adalah dapat difungsikan hanya dengan sebuah piranti polariser tanpa harus menggunakan piranti tambahan seperti analiser.

Sistem Pengukuran dan Perhitungan Parameter

    Dari pengukuran yang dilakukan dengan menggunakan ellipsometer, akan diperoleh besaran nilai pantulan R sebagai hasil perbandingan antara nilai pantulan sinar (atau gelombang) ter-kutub jenis-p (R_p) dan jenis-s (R_s) untuk suatu panjang gelombang tertentu (l ) untuk sudut datang tertentu (f ) [3] yang dapat dituliskan sebagai :

R = R_p / R_s (Persamaan 1)

    Dari eksperimen yang dilakukan berdasarkan pantulan sinar yang berasal dari permukaan sampel, maka R_p dan R_s dapat diperoleh dari hasil pengukuran sebagai berikut :

R_p = ( I_r / I_i )_p dan R_s = ( I_r / I_i )_s (Persamaan 2)

    I_r dan I_i masing-masing adalah intensitas sinar terpantul dan sinar datang. Index p dan s menunjukkan jenis peng-kutuban jenis p dan jenis s. Nilai-nilai R_p dan R_s yang diperoleh dari pengukuran selanjutnya dimasukkan ke dalam persamaan 3.

 (Persamaan 3)

    Dengan definisi, j adalah imajiner (=), sedangkan r_01p, r_12p r_01s, dan r_12s masing-masing adalah koefisien pantulan Fresnel pada medium 0-1 (udara-film) dan medium 1-2 (film-substrat) untuk sinar terkutub jenis pdan jenis s seperti berikut :

 (Persamaan 4a)
 (Persamaan 4b)
 (Persamaan 4c)
 (Persamaan 4d)

    b ₁ adalah perubahan fase di dalam film akibat pantulan dari kedua antarmuka (0-1 dan 1-2) yang didefinisikan sebagai berikut :

 (Persamaan 5)

    d₁ dan N₁ masing-masing adalah ketebalan film dan index bias film. Untuk struktur media yang lebih banyak, maka persamaan 3, 4 dan 5 dapat disesuaikan dengan struktur media yang ada.

Sebagai contoh adalah jika akan dilakukan pengukuran bagi sifat optis dari struktur media yang terdiri dari udara-SiO₂-Si yaitu lapisan SiO₂ yang terbentuk di atas permukaan Si pada udara bebas, maka struktur media tersebut dapat dilukiskan sebagai sistem 3 fase seperti ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah. r₀₁ dan r₁₂ masing-masing adalah koefisien pantulan Fresnel oleh antarmuka dari media 0-1 dan media 1-2 yang didefinisikan pada Persamaan 4. Parameter N₀, N₁, dan N₂ masing-masing adalah index bias medium 0, 1 dan 2. 

Gambar 2. Skema sistem 3 fase daripada media (0, 1 and 2) yang bersifat isotropik.

    Dari pengukuran yang dilakukan untuk sampel dengan struktur media seperti yang diskemakan pada Gambar 2 tersebut, telah diperoleh hubungan R vs f untuk panjang gelombang 632.8 nm yang disimbolkan dengan bulatan (· ) seperti ditunjukkan dalam Gambar 3. Besarnya parameter index bias film (N₁) dan ketebalan film (d₁) akan dapat diketahui dengan melakukan fitting berdasarkan perhitungan menggunakan persamaan 3, 4(a - d) dan 5. Prosedur fitting bagi mendapatkan nilai yang paling tepat yang sesuai antara hasil pengukuran dan perhitungan dapat dilakukan dengan berbagai metode, salah satunya adalah metode Powell [5] yang dapat dilakukan dengan mudah menggunakan program komputer menggunakan bahasa level tinggi seperti Fortran, C, dan lain-lain. Dari fitting yang dilakukan diperoleh grafik hubungan antara R vs f (dilukiskan dengan kurva) yang sesuai dengan hasil pengukuran dengan diperoleh index bias bahan silikon (yang bersifat isotropik) sebesar 3.85 - i0.02 pada panjang gelombang 632.8 nm, dan lapisan SiO₂ yang memendap di atasnya memiliki index bias sebesar 1.46 [4] dengan ketebalan 15 Å . 

Gambar 3. Grafik hubungan antara rasio pantulan R terhadap variasi sudut datang, f daristruktur media udara-SiO₂-Si dengan ketebalan lapisan SiO₂ sebesar 15 Å .(· ) adalah diperoleh dari pengukuran dan (-) adalah hasil fitting..

Daftar Pustaka

1. Giaever, I., J. Immunology, 110, (1973), hal. 1424.
2. Giaever, I., Bull. Amer. Phys. Soc., 19, (1974), hal. 564.
3. Azzam, R.M.A. dan Bashara, N.M., (1977), Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, hal. 283.
4. Zaghloul, A.R.M., Azzam, R.M.A., dan Bashara, N.M., (1975), J. Opt. Soc. Amer., 65(9), hal. 1043 - 1049.
5. Press, W.H., Flannery, B.P., Teukolsky, S.A. dan Vetterling, W.T., 1985, Numerical Recipes, Cambridge, Cambridge, hal. 525 -528.