橢偏儀可以測(cè)什么

橢偏儀可以測(cè)什么？

橢偏儀是一種測(cè)量薄膜厚度，光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器。可以測(cè)量薄膜的厚度、折射系數(shù)、表面粗糙度、晶格結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)異性等。

橢偏儀的測(cè)量原理有些特別，叫做model-based，意思是說(shuō)橢偏儀無(wú)法直接得到上述這些參數(shù)，需要通過(guò)數(shù)據(jù)擬合才能得到這些參數(shù)，在做數(shù)據(jù)擬合的時(shí)候，所采用的模型（model）很重要。

橢偏儀光路圖

橢偏儀的測(cè)量光路圖很簡(jiǎn)單，如上圖所示。

橢圓偏振測(cè)量技術(shù)（橢偏測(cè)量技術(shù)）通過(guò)測(cè)量光在介質(zhì)表面反射前后偏振態(tài)變化，獲得材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)信息，具有測(cè)量精度高、非接觸、無(wú)破壞且不需要真空等優(yōu)點(diǎn)。自從1887年，德魯?shù)绿岢鰴E偏理論，建立了世界上第一套實(shí)驗(yàn)裝置并成功地測(cè)量了18種金屬的光學(xué)常數(shù)起，1945年，Rothen第一次提出了橢偏儀一詞。之后，橢偏儀有了很大的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于薄膜測(cè)量這一領(lǐng)域。

橢偏儀的結(jié)構(gòu)及光路如圖1所示，橢偏光在樣品表面上的反射、折射、多光束干涉過(guò)程，介質(zhì)表面作用會(huì)引起前后偏振態(tài)（橢偏參數(shù) ψ振幅比和 Δ相位差）變化，通過(guò)獲得材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)信息。

偏振光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)與介質(zhì)發(fā)生相互作用，這種相互作用將改變光波的偏振態(tài)，測(cè)出這種偏振態(tài)的變化，進(jìn)而進(jìn)行分析擬合，得出我們想要的信息。

用薄膜的橢圓函數(shù)ρ表示薄膜反射線形成橢圓偏振光的特性，即

式中:tanψ表示反射光的兩個(gè)偏振分量的振幅系數(shù)之比，ψ稱(chēng)偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量。

rp和rs的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用Maxwell方程在不同材料邊界上的電磁輻射推到得到。

其中?0是入射角，?1是折射角。入射角為入射光束和待研究表面法線的夾角。通常橢偏儀的入射角范圍是45°到90°。這樣在探測(cè)材料屬性時(shí)可以提供最佳的靈敏度。每層介質(zhì)的折射率可以用下面的復(fù)函數(shù)表示：

通常n稱(chēng)為折射率，k稱(chēng)為消光系數(shù)。這兩個(gè)系數(shù)用來(lái)描述入射光如何與材料相互作用。它們被稱(chēng)為光學(xué)常數(shù)。實(shí)際上，盡管這個(gè)值是隨著波長(zhǎng)、溫度等參數(shù)變化而變化的。當(dāng)待測(cè)樣品周?chē)橘|(zhì)是空氣或真空的時(shí)候，N0的值通常取1.000。

通常橢偏儀測(cè)量作為波長(zhǎng)和入射角函數(shù)的ρ的值（經(jīng)常以ψ和?或相關(guān)的量表示）。一次測(cè)量完成以后，所得的數(shù)據(jù)用來(lái)分析得到光學(xué)常數(shù)，膜層厚度，以及其他感興趣的參數(shù)值。如下圖所示，分析的過(guò)程包含很多步驟。

可以用一個(gè)模型（model）來(lái)描述測(cè)量的樣品，這個(gè)模型包含了每個(gè)材料的多個(gè)平面，包括基底。在測(cè)量的光譜范圍內(nèi)，用厚度和光學(xué)常數(shù)（n和k）來(lái)描述每一個(gè)層，對(duì)未知的參數(shù)先做一個(gè)初始假定。橢偏儀數(shù)據(jù)處理模型的建立是至關(guān)重要的一步 ,如果不能建立一個(gè)與參數(shù)匹配良好的模型，前面的測(cè)試就毫無(wú)意義，甚至如果建立一個(gè)錯(cuò)誤的模型 ,其結(jié)果將與真實(shí)值南轅北轍。

橢偏儀可以測(cè)什么？

橢偏儀可應(yīng)用于納米光學(xué)薄膜厚度、材料光學(xué)常數(shù)、納米結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸等分析表征：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體薄膜，如介電/金屬薄膜，AlGaN、ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體材料；集成電路：周期性納米結(jié)構(gòu)，如光刻掩模光柵結(jié)構(gòu)，納米壓印結(jié)構(gòu)，刻蝕深溝槽結(jié)構(gòu)等；平板顯示：LCD、OLED新型平板顯示中有機(jī)、無(wú)機(jī)多層薄膜結(jié)構(gòu)等；光伏太陽(yáng)能：硅、多元化合物、有機(jī)化合物、聚合物等光伏薄膜材料；新材料、新物理現(xiàn)象研究：材料光學(xué)各向異性、退偏效應(yīng)、電光效應(yīng)、光彈效應(yīng)等。

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