椭偏仪原理文档格式.docx

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比较了不同类型椭偏仪的异同点，对椭偏仪的工作特点和应用进行了说明，并展望了今后的发展趋势。

对于学习和了解椭偏仪具有较好的指导效果。

关键词：

光学原理、椭偏仪、推导

Abstract

Ellipsometryisthespectralmeasurementthatreflectsthelinearlypolarizedlightbythesampleinordertoobtainitsopticalconstant.Thispaperistomainlyintroducetheopticsprincipleoftheellipseleaningmeter.Pointingoutthesimilaritiesanddifferencesamongdifferenttypesofellipseleaningmeter,itexplainsthefeatureandtheapplicationoftheellipseleaningmeter,andhasforecastitsfuturetrendofdevelopment.Thispapergivesprincipalinstructiontothestudyandtheunderstandingoftheellipseleaninginstrument.

Keywords:

Opticsprinciple,Ellipsometry,Infers

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\u摘要PAGEREF_Toc295479954\h1

AbstractPAGEREF_Toc295479955\h1

目录PAGEREF_Toc295479956\h2

引言PAGEREF_Toc295479957\h3

1绪论PAGEREF_Toc295479958\h4

1.1椭偏仪发展史PAGEREF_Toc295479959\h4

1.2椭偏仪的仪器构造PAGEREF_Toc295479960\h7

2椭偏仪的工作原理PAGEREF_Toc295479961\h8

2.1椭偏仪的数据处理模型PAGEREF_Toc295479962\h8

2.2椭偏仪光学原理PAGEREF_Toc295479963\h10

2.2.1椭偏仪的测量原理PAGEREF_Toc295479964\h10

2.2.2Ψ和Δ的表达式推导过程PAGEREF_Toc295479965\h13

2.2.3多周期厚度的讨论PAGEREF_Toc295479966\h15

2.2.4关于误差的几点讨论PAGEREF_Toc295479967\h15

3椭偏仪的应用PAGEREF_Toc295479968\h16

3.1利用椭偏仪测量薄膜的优点和特点PAGEREF_Toc295479969\h16

3.2椭偏光谱技术的应用PAGEREF_Toc295479970\h16

4展望PAGEREF_Toc295479971\h17

5结束语PAGEREF_Toc295479972\h18

参考文献PAGEREF_Toc295479973\h19

致谢PAGEREF_Toc295479974\h20

引言

薄膜在工农业的许多领域都有起着重要作用：

一方面，薄膜本身应用广泛，例如，光存储薄膜可应用在信息技术中，生物薄膜可应用在生物医学中；

另一方面通过薄膜的形成则可用于研究和分析许多重要工艺的动力学过程，例如，通过半导体表面上薄膜的形成可以了解半导体一些工艺的动力学过程。

因此薄膜的研究在科学技术中占有重要地位。

精确测定薄膜的厚度和光学常数,如折射率和消光系数等是集成电路制造工艺中非常重要的环节。

对于已知光学常数的薄膜，需测量的物理量是薄膜厚度。

目前测定薄膜厚度的方法包括光学方法和非光学方法。

非光学方法主要有电解法[1]、水晶振子法[2]等。

电解法主要用于测量金属薄膜，其电解作用易损伤样品;

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。

常用的光学方法主要有干涉法[3]、光谱扫描法[4]、X射线法[5]和椭偏法[6]。

干涉法虽设计简单，数据处理过程快速，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相互交错，难于区分，故干涉法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，其计算过程简单，速度快，但没有考虑极值点之间色散的影响，因此该方法不适用于厚度较薄的膜层。

X射线技术是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（含两层）复合薄膜很困难。

椭圆偏振测量技术是研究两媒质间界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。

由于它的非扰动性和高灵敏度，因而在科学研究和工业生产的许多领域中获得广泛的应用。

椭偏法是基于测量偏振光的相位和振幅变化的技术，具有非接触性、测量精度高和非破坏性的特点，能同时测定薄膜厚度和光学常数，还可测量多层薄膜，适合测量的膜厚范围广，可以从几纳米到1mm。

半导体工业中以硅作为衬底的薄膜材料有SiO2、SiC、Poly-Si、GaN、AlGaAs、InP、ONO等。

这些薄膜既有透明膜也有吸收膜，既有单层膜也有多层膜，厚度一般小于1mm。

基于上述特点，椭偏仪成为半导体工业测量薄膜厚度和光学常数的标准仪器。

绪论

椭偏仪发展史

1887年，德鲁德[7]提出椭偏理论，并建立了世界上第一套实验装置，成功地测量了18种金属的光学常数。

1945年，Rothen第一次提出了椭偏仪一词。

之后，椭偏仪有了很大的发展，被广泛应用于薄膜测量这一领域。

根据椭偏仪的工作原理，主要分为消光式和光度式两类。

在普通椭偏仪的基础上，椭偏光谱仪、红外椭偏光谱仪、成像椭偏仪和广义椭偏仪又发展出来。

1消光式椭偏仪[8]

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、检偏器A和探测器几大类装置。

消光式椭偏仪的工作原理是通过起偏器和检偏器，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。

从而由这组消光角得出椭偏参量Y和D。

在椭偏仪的发展初期，作为唯一的光探测器，人眼只能探测到信号光的存在或消失，由于这种限制，早期椭偏仪的类型都是消光式椭偏仪。

早期的消光式椭偏仪起偏器和检偏器的消光位置为手动控制，系统的测量时间为数十分钟。

如需获得大批测量数据，所需时间就很长。

椭偏仪的自动化就应运而生了。

消光式椭偏仪实际上测量的是角度而不是光通量，光源的不稳定性和探测器的非线性所产生的误差较小。

早期的消光式椭偏仪直接用人眼作为探测器，由于人眼对光的“零”信号非常敏感，使得消光式椭偏仪的精度可以达到亚纳米量级。

为了实现其自动化，逐渐采用光电倍增管等光电式探测器。

把光弹调制器引入到PCSA结构的消光式椭偏仪中，研制出了相位调制的消光式椭偏仪。

该椭偏仪将起偏器和光弹调制器固定在一起，并使起偏器的快轴和光弹调制器的光轴之间的夹角为45°

，使用消色差的l/4波片作为补偿器，波片的方位角为45°

或-45°

。

通过测量起偏器和检偏器的方位角得出系统的椭偏参量。

因为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，故而产生系统误差因素较少。

但测量时需读取或计算偏振器件的方位角，这样一来便影响了测量速度。

所以消光式椭偏仪主要用于对测量速度要求不高的场合，例如高校实验室。

而在工业上主要使用的是光度式椭偏仪。

图2PCSA消光式椭偏仪

2光度式椭偏仪[9]

光度椭偏仪的原理是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。

光度式椭偏仪主要分为旋转偏振器件型椭偏仪和相位调制型椭偏仪（PME）。

第一台自动光度式椭偏仪是由Kent和Lawson设计的旋转检偏器型椭偏仪。

旋转偏振器件型椭偏仪的缺点是：

旋转部件造成系统不稳定，方位角偏差。

因此其测量精度不高。

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一样。

优点是调制器调制频率较高，可以达到几十千赫兹，光学元件不需转动;

缺点是调制器容易受到温度的影响。

图3是以光弹调制器（PM）作为偏振光调制器的光度式椭偏仪。

光度式椭偏仪测量速度比消光式椭偏仪快，特别适合用于实时测量等工业应用领域。

图3.相位调制型光度式椭偏仪（PME）

3椭偏光谱仪[10]

当需要测量多层薄膜时，一组椭偏参量不足以确定各层膜的光学常数和厚度，为了精确测定光学常数随入射波长的变化关系，并得到多组椭偏参量，椭偏仪便开始从单波长的测量向多波长的光谱测量发展。

1975年，Aspnes等人首次实现了以旋转检偏器型椭偏仪为基本结构的光谱椭偏仪（图4）。

它利用了光栅单色仪产生可变波长，从而在较宽的光谱范围内可以测量多达1000组的椭偏参量，数据采集和处理时间只需7s。

1984年,Muller等研制的基于法拉第盒自补偿技术的光谱椭偏仪采集400组椭偏参量只需要3s。

1990年Kim等研制的旋转起偏器类型的光谱椭偏仪在整个光谱范围内获取128组椭偏参数的时间仅为40ms。

4红外椭偏光谱仪[11]

现在，红外椭偏光谱仪已经逐渐成为半导体行业异质结构多层膜参量测量的标准仪器。

早期的红外椭偏光谱仪结合光栅单色仪构成的。

常规的红外光源由于其强度较低，使红外椭偏仪的灵敏度较低。

图4.Aspnes等设计的光谱椭偏仪

5成像椭偏仪[12]

由于一般椭偏仪的光斑尺寸大于集成电路的特征尺寸。

为了提高椭偏仪的空间分辨率，研制出了成像椭偏仪。

普通椭偏仪测量表面上整个光斑内的平均厚度，成像椭偏仪却是利用CCD采集的椭偏图像得到样品表面的三维形貌及薄膜的厚度分布，可以比普通椭偏仪更强的反应细节信息。

成像椭偏仪的将样品表面被照射区域拍摄下来，要经过处理和显示两个步骤。

图5是成像椭偏仪的示意图。

由于CCD成像单元的响应速度较慢，造成了其在实时监控方面的制约性。

为了克服这一缺点，利用频闪照明技术代替传统照明方式快速成像椭偏仪出现了。

与传统椭偏仪相比，由于CCD器件对样品反射光的偏振态产生了干扰，且本身具有固有信号，成像椭偏仪的系统误差因素增多，使用前需要校准。

图5.快速成像椭偏仪

椭偏仪的仪器构造

作为测量薄膜参数的重要仪器，椭偏仪根据工作原理有许多不同的机型，但其主要构成部分较为统一，分别为光源，偏振器件，补偿器，光束调节器和探测器。

1．光源

椭偏仪的光源可以产生一束强度稳定的自然光。

目前大多选氦氖光作为光源。

2．起偏器

偏振器是重要的光学元件，它能将任何偏振态的光变成线偏振光并定向于传输轴[13]。

3．1/4波片

1/4波片可以将线偏振光变成椭圆偏振光。

使o光和e光产生λ4附加光程差。

若以线偏振光入射到四分之一波片，且θ＝45°

，则穿出波片的光为圆偏振光；

反之，圆偏