椭偏仪的研究进展

椭偏仪的研究进展杨坤;王向朝;步扬;;椭偏仪的研究进展[J];激光与光电子学进展;2007年03期膜厚测量膜厚测量非光学方法电解法水晶振子法光学方法干涉法光谱扫描法X射线法椭偏法消光式椭偏仪光度式椭偏仪旋转偏振器件旋转起偏器RPE旋转补偿器RCE旋转检偏器RAE相位调制型椭偏仪PME非光学方法电解法

主要用于测量金属簿膜，其电解作用容易操作样品水晶振子法

主要用于物理蒸镀膜测定，膜层材料的密度需已知且不能测量多层膜光学方法干涉法

但当薄膜表面的反射率较低或膜层较厚时不能出现清晰条纹；

对于多层膜，由于层与层之间的干涉条纹想到交错，难于区分，故不适用于多层膜测量光谱扫描法

通过测量分析膜层的反射光谱或透射光谱曲线，得到膜层厚度、折射率等参量，其中光谱分析通常采用极值点法，计算过程简单，速度快，但没有考虑极值点之间的影响，故不适用于厚度较薄的膜层X射线法基于探测薄膜接收到X射线后产生光子能量大小的一种方法，但测量混合成分的薄膜或两层以上复合薄膜很困难椭偏法基于测量偏振光的相位和振幅变化具有非接触性、测量精度高和非破坏性可同时测定薄膜厚度和光学常数可测量多层薄膜测量膜厚范围广测量原理椭偏仪是利用偏振光测量薄膜或界面参量的仪器，它通过测量被测样品反射（或透射）光线偏振状态的变化来获得样品参量。如图1所示，一束已知偏振态的信号光到薄膜表面，光束与薄膜发生作用，使出射光的偏振态发生变化（图1中由线偏振态变为椭圆偏振态）。因变化与薄膜的厚度、折射率等能量在关，通过测量偏振态的变化，即可反学演获得薄膜参量。测量原理椭偏仪的测量值Ψ和Δ称为椭偏参量。椭偏参量描述了探测光束的偏振变化，其中tanΨ代表p分量和s分量复反射系数比的实数值，Δ表示p分量和s分量的相对相位变化。椭偏参量和菲涅耳反射系数的关系为：其中Rp和Rs中分别表示偏振光相对于面的平行分量和垂直分量的反射系数。ρ由各层薄膜的折射率、消光系数和膜层厚度等参量给出。上式可写成薄膜参量为变量的函数形式，即其中n0为入射介质的折射率，nG、kG分别为基底的折射率和消光系数，nk、kk、dk分别为多层膜各层的折射率、消光系数和厚度，λ为入射光波长，θ0为入射角。由椭偏仪测量椭偏参量Ψ和Δ后，通过数值反演计算即可求出薄膜参量。消光式椭偏仪典型的消光式椭偏仪如图2所示，它包括光源、起偏器P、补偿器C、样品S、检偏器A和探测器。消光式椭偏仪通过旋转起偏器P和检偏器A，找出起偏器、补偿器和检偏器的一组方位角（P、C、A），使入射到探测器上的光强最小。由这组消光角得出椭偏参量Ψ和Δ。

消光式椭偏仪的测量精度主要取决于偏振器件的定位精度，系统误差因素较少，但测量时需读取或计算偏振器件的方位角，影响了测量速度。所以消光式椭偏仪主要适用于对测量速度没有太高要求的场合，例如高校实验室。光度式椭偏仪光度椭偏仪对探测器接收到的光强进行傅里叶分析，再从傅里叶系数推导得出椭偏参量。其测量速度比消光式椭偏仪快，特别适用于在线检测和实时测量等工业应用领域。但现阶段所能提供的探测器的非线性效应以及光源的不稳定性，将增大光度式椭偏仪的系统误差。光度式椭偏仪旋转偏振器件型椭偏仪旋转起偏器型椭偏仪RPE旋转补偿器型椭偏仪RCE旋转检偏器型椭偏仪RAE相位调制型椭偏仪PME

RAE和RPE由于操作简便和成本较低，在光度式椭偏仪中占主导地位；缺点时不能确定偏振光的椭偏旋向，在Δ接近0或π时，测量结果失去准确性。RCE通过旋转补偿器可以确定4个斯托克斯参量，消除了RAE和RPE系统中椭偏旋向的不确定性，测量准确具有一致性；但RCE系统对波长的选择性较强，这限制了RCE在光谱领域中的应用。PME系统中起偏器和检偏器固定于某一方位角，入射光的偏振态由调制器调制，调制频率与调制器的频率相同。优点是调制器频率较高，可以达到几十千赫兹，光学元件不需转动；缺点是调制器易受温度影响。光度式椭偏仪PME系统中起偏器和检偏器固定于某一方位角，入射光的偏振态由调制器调制，调制频率与调制器的频率相同。优点是调制器频率较高，可以达到几十千赫兹，光学元件不需转动；缺点是调制器易受温度影响。椭偏仪普通椭偏仪椭偏光谱仪红外椭偏光谱仪成像椭偏仪广义椭偏仪红外椭偏光谱仪紫外波段到可见波段消光系数较大或厚度在几个微米以上的薄膜，其厚度和光学常数的测量需使用红外椭偏光谱仪IRSE。红外椭偏光谱仪已经成为半导体行业异质结构多层膜相关参量测量的标准仪器。成像椭偏仪普通椭偏仪测量的薄膜厚度是探测光在样品表面上整个光斑内的平均厚度，而成像椭偏仪则是利用CCD采集的椭偏图像得到样品的三维形貌及薄膜的厚度分布，从而能够提供样品的细节信息。成像椭偏仪的CCD成像单元，将样品表面被照射区域拍摄下来，一路信号输出到视频监视器显示，一路信号输入计算机进行数据处理（如图5）。广义椭偏仪标准椭偏仪只考虑探测光的p分量和s分量各自的反射情况，所以只能用于测量各向同性样品的参量；对于各向异性的样品，需使用广义椭偏仪（GeneralizedEllipsometer）。