椭偏测厚仪主要参数及工作原理.doc

“椭偏测厚仪”有关情况介绍一、 引言：1、 椭偏法是一种测量光在样品表面反射后偏振状态改变的广西方法，它可以同时测得样品薄膜的厚度和折射率。由于此法具有非接触性、非破坏性以及高灵敏度、高精度等优点，鼓广泛用于薄膜厚度及材料的光学常数的测定。2、 椭偏法测量数据可在短时间内快速采集，可对各类薄膜的生长和工艺过程进行实时监测，故已成为半导体行业重要的在线监测设备之一。3、 纳米技术是当今科技的发展热点，能精确测得纳米级薄膜厚度和折射率的椭偏测量技术受到人们的高度重视和关注。二、 椭偏测厚仪发展概况：1、 椭偏测厚仪在我国起步较晚，70年代我国自行设计生产的椭偏测厚仪只有“TP-77型 椭偏测厚仪”和“WJZ型 椭偏测厚仪”。基本上是手动测量，仅配一种入射角和衬底材料的薄膜（n，d）（，）函数表（如SiO2，70入射角，波长632.8nm）。2、 90年代末，华东师范大学研制并生产了“HST-1型”和“HST-2型”多功能智能椭偏测厚仪。该仪器使用计算机技术，利用消光法自动完成，测量薄膜的厚度和折射率。3、 进入二十一世纪，国内生产自动椭偏测厚仪的厂家逐渐多起来。如：天津港东科技发展有限公司生产的“SGC-1型 椭圆偏振测厚仪”、“SGC-2型 自动椭圆偏振测厚仪”。天津拓普仪器有限公司生产的“TPY-1型 椭圆偏振测厚仪”和“TPY-2型 自动椭圆偏振测厚仪”等。现将目前国内生产的几种自动椭圆偏振测厚仪，其性能指标等参数列表如下，供参考：国内几种“椭圆偏振测厚仪”的性能参数指标数参称名HST-2型多功能智能椭偏仪（华东师范大学）SGC-2型自动椭圆偏振测厚仪（天津港东）TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪（天津拓普）测量范围12000 nm14000 nm14000 nm测量最小值1 nm1 nm可测镀膜折射率范围1.052.51.32.491.052.5入射角连续调节范围309040903090偏振器方位角范围01800180偏振器步进角0.05（起偏角P和检偏角A的测量分辨率）0.0375/步0.028/步仪器测量精度0.1 nm（薄膜厚度在10nm以下时）0.5 nm（薄膜厚度在10100nm时）在10 nm处为0.5 nm0.1 nm（薄膜厚度在10nm以下时）0.5 nm（薄膜厚度在10100nm时）光学中心高75 mm80 mm允许样品尺寸直径10120 mm厚度 10 mm10140 mm厚度 13 mm外形尺寸730230290560390290主机重量30 kg25 kg三、 消光法测量薄膜和折射率的计算公式：1 在椭偏法测量中，为了简便，通常引入两个物理量，来描述反射光偏振态的变化，它们与总反射系数（p分量，在入射面内），（s分量，在垂直于入射面内）之间的关系，定义如下：tan=/ 偏振方程 式中：， 椭偏参数（均为角度度量） 相对振幅衰减 相位移动之差在固定实验条件下：和为已知，则=（d，），=（d，），式中：2相邻两光束的相位差，设膜厚为d，光波长为，则有： 若：P-起偏角，A-检偏角则：=A，=k180+90-2p（当0p135时，k=1；当135p180时，k=3）综上：通过测得起偏角P和检偏角A，即可求得，还可反求d，。1） 对于透明膜，只有实部，上述椭偏方程（复数方程）只有d，两个未知数，由两个已知实测的，原则上可解出d，但因得不到它们的解析式，需用计算机进行数据处理，求出数字解。2） 如何求解未知衬底材料的复折射率（=）对于无膜样品，d=0，和的定义式可简化为：，取=1（空气），可解出衬底材料的复折射率的实部和虚部k的解析式：2 数据处理：令 将代入得： 展开后得到：式中： 求解得到两个复根，由式知x的模应该为1，在，中选取模更接近1的一个（另一个舍去），则x=，代入可得： 3 迭代法求解：根据实验测得的和比较准确，误差可以忽略不计，x的模偏离1的主要原因是由于所给的的初值与实际值有较大的偏差引起的，所以可将的大小作为衡量误差大小的一个标志量。于是，可以任意给一个初值，将进行多次迭代近似计算，直到小于某个指定的误差（例如，取=0.00001）为止，即： 此时的就是实际的薄膜折射率，由式可同时得到薄膜厚度d。4 求薄膜的真实厚度：需指出的是，上述测得的薄膜厚度均为小于一个周期时的值，即：022，易知=2，由式可得：薄膜厚度的周期 薄膜的