橢偏儀的研究進展

橢偏儀的研究進展楊坤;王向朝;步揚;;橢偏儀的研究進展[J];激光與光電子學進展;2007年03期膜厚測量膜厚測量非光學方法電解法水晶振子法光學方法干涉法光譜掃描法X射線法橢偏法消光式橢偏儀光度式橢偏儀旋轉偏振器件旋轉起偏器RPE旋轉補償器RCE旋轉檢偏器RAE相位調制型橢偏儀PME非光學方法電解法

主要用于測量金屬簿膜，其電解作用容易操作樣品水晶振子法

主要用于物理蒸鍍膜測定，膜層材料的密度需已知且不能測量多層膜光學方法干涉法

但當薄膜表面的反射率較低或膜層較厚時不能出現(xiàn)清晰條紋；

對于多層膜，由于層與層之間的干涉條紋想到交錯，難于區(qū)分，故不適用于多層膜測量光譜掃描法

通過測量分析膜層的反射光譜或透射光譜曲線，得到膜層厚度、折射率等參量，其中光譜分析通常采用極值點法，計算過程簡單，速度快，但沒有考慮極值點之間的影響，故不適用于厚度較薄的膜層X射線法基于探測薄膜接收到X射線后產生光子能量大小的一種方法，但測量混合成分的薄膜或兩層以上復合薄膜很困難橢偏法基于測量偏振光的相位和振幅變化具有非接觸性、測量精度高和非破壞性可同時測定薄膜厚度和光學常數(shù)可測量多層薄膜測量膜厚范圍廣測量原理橢偏儀是利用偏振光測量薄膜或界面參量的儀器，它通過測量被測樣品反射（或透射）光線偏振狀態(tài)的變化來獲得樣品參量。如圖1所示，一束已知偏振態(tài)的信號光到薄膜表面，光束與薄膜發(fā)生作用，使出射光的偏振態(tài)發(fā)生變化（圖1中由線偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振態(tài)）。因變化與薄膜的厚度、折射率等能量在關，通過測量偏振態(tài)的變化，即可反學演獲得薄膜參量。測量原理橢偏儀的測量值Ψ和Δ稱為橢偏參量。橢偏參量描述了探測光束的偏振變化，其中tanΨ代表p分量和s分量復反射系數(shù)比的實數(shù)值，Δ表示p分量和s分量的相對相位變化。橢偏參量和菲涅耳反射系數(shù)的關系為：其中Rp和Rs中分別表示偏振光相對于面的平行分量和垂直分量的反射系數(shù)。ρ由各層薄膜的折射率、消光系數(shù)和膜層厚度等參量給出。上式可寫成薄膜參量為變量的函數(shù)形式，即其中n0為入射介質的折射率，nG、kG分別為基底的折射率和消光系數(shù)，nk、kk、dk分別為多層膜各層的折射率、消光系數(shù)和厚度，λ為入射光波長，θ0為入射角。由橢偏儀測量橢偏參量Ψ和Δ后，通過數(shù)值反演計算即可求出薄膜參量。消光式橢偏儀典型的消光式橢偏儀如圖2所示，它包括光源、起偏器P、補償器C、樣品S、檢偏器A和探測器。消光式橢偏儀通過旋轉起偏器P和檢偏器A，找出起偏器、補償器和檢偏器的一組方位角（P、C、A），使入射到探測器上的光強最小。由這組消光角得出橢偏參量Ψ和Δ。

消光式橢偏儀的測量精度主要取決于偏振器件的定位精度，系統(tǒng)誤差因素較少，但測量時需讀取或計算偏振器件的方位角，影響了測量速度。所以消光式橢偏儀主要適用于對測量速度沒有太高要求的場合，例如高校實驗室。光度式橢偏儀光度橢偏儀對探測器接收到的光強進行傅里葉分析，再從傅里葉系數(shù)推導得出橢偏參量。其測量速度比消光式橢偏儀快，特別適用于在線檢測和實時測量等工業(yè)應用領域。但現(xiàn)階段所能提供的探測器的非線性效應以及光源的不穩(wěn)定性，將增大光度式橢偏儀的系統(tǒng)誤差。光度式橢偏儀旋轉偏振器件型橢偏儀旋轉起偏器型橢偏儀RPE旋轉補償器型橢偏儀RCE旋轉檢偏器型橢偏儀RAE相位調制型橢偏儀PME

RAE和RPE由于操作簡便和成本較低，在光度式橢偏儀中占主導地位；缺點時不能確定偏振光的橢偏旋向，在Δ接近0或π時，測量結果失去準確性。RCE通過旋轉補償器可以確定4個斯托克斯參量，消除了RAE和RPE系統(tǒng)中橢偏旋向的不確定性，測量準確具有一致性；但RCE系統(tǒng)對波長的選擇性較強，這限制了RCE在光譜領域中的應用。PME系統(tǒng)中起偏器和檢偏器固定于某一方位角，入射光的偏振態(tài)由調制器調制，調制頻率與調制器的頻率相同。優(yōu)點是調制器頻率較高，可以達到幾十千赫茲，光學元件不需轉動；缺點是調制器易受溫度影響。光度式橢偏儀PME系統(tǒng)中起偏器和檢偏器固定于某一方位角，入射光的偏振態(tài)由調制器調制，調制頻率與調制器的頻率相同。優(yōu)點是調制器頻率較高，可以達到幾十千赫茲，光學元件不需轉動；缺點是調制器易受溫度影響。橢偏儀普通橢偏儀橢偏光譜儀紅外橢偏光譜儀成像橢偏儀廣義橢偏儀紅外橢偏光譜儀紫外波段到可見波段消光系數(shù)較大或厚度在幾個微米以上的薄膜，其厚度和光學常數(shù)的測量需使用紅外橢偏光譜儀IRSE。紅外橢偏光譜儀已經成為半導體行業(yè)異質結構多層膜相關參量測量的標準儀器。成像橢偏儀普通橢偏儀測量的薄膜厚度是探測光在樣品表面上整個光斑內的平均厚度，而成像橢偏儀則是利用CCD采集的橢偏圖像得到樣品的三維形貌及薄膜的厚度分布，從而能夠提供樣品的細節(jié)信息。成像橢偏儀的CCD成像單元，將樣品表面被照射區(qū)域拍攝下來，一路信號輸出到視頻監(jiān)視器顯示，一路信號輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理（如圖5）。廣義橢偏儀標準橢偏儀只考慮探測光的p分量和s分量各自的反射情況，所以只能用于測量各向同性樣品的參量；對于各向異性的樣品，需使用廣義橢偏儀（GeneralizedEllipsometer）。