橢偏儀的研究進(jìn)展

橢偏儀的研究進(jìn)展楊坤;王向朝;步揚(yáng);;橢偏儀的研究進(jìn)展[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2007年03期膜厚測(cè)量膜厚測(cè)量非光學(xué)方法電解法水晶振子法光學(xué)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(zhuǎn)偏振器件旋轉(zhuǎn)起偏器RPE旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器RCE旋轉(zhuǎn)檢偏器RAE相位調(diào)制型橢偏儀PME非光學(xué)方法電解法

主要用于測(cè)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(cè)定，膜層材料的密度需已知且不能測(cè)量多層膜光學(xué)方法干涉法

但當(dāng)薄膜表面的反射率較低或膜層較厚時(shí)不能出現(xiàn)清晰條紋；

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

通過(guò)測(cè)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(diǎn)法，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，速度快，但沒(méi)有考慮極值點(diǎn)之間的影響，故不適用于厚度較薄的膜層X(jué)射線法基于探測(cè)薄膜接收到X射線后產(chǎn)生光子能量大小的一種方法，但測(cè)量混合成分的薄膜或兩層以上復(fù)合薄膜很困難橢偏法基于測(cè)量偏振光的相位和振幅變化具有非接觸性、測(cè)量精度高和非破壞性可同時(shí)測(cè)定薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)可測(cè)量多層薄膜測(cè)量膜厚范圍廣測(cè)量原理橢偏儀是利用偏振光測(cè)量薄膜或界面參量的儀器，它通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品反射（或透射）光線偏振狀態(tài)的變化來(lái)獲得樣品參量。如圖1所示，一束已知偏振態(tài)的信號(hào)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(guān)，通過(guò)測(cè)量偏振態(tài)的變化，即可反學(xué)演獲得薄膜參量。測(cè)量原理橢偏儀的測(cè)量值Ψ和Δ稱為橢偏參量。橢偏參量描述了探測(cè)光束的偏振變化，其中tanΨ代表p分量和s分量復(fù)反射系數(shù)比的實(shí)數(shù)值，Δ表示p分量和s分量的相對(duì)相位變化。橢偏參量和菲涅耳反射系數(shù)的關(guān)系為：其中Rp和Rs中分別表示偏振光相對(duì)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(xiě)成薄膜參量為變量的函數(shù)形式，即其中n0為入射介質(zhì)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(zhǎng)，θ0為入射角。由橢偏儀測(cè)量橢偏參量Ψ和Δ后，通過(guò)數(shù)值反演計(jì)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(bǔ)償器C、樣品S、檢偏器A和探測(cè)器。消光式橢偏儀通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏器P和檢偏器A，找出起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器的一組方位角（P、C、A），使入射到探測(cè)器上的光強(qiáng)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(cè)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(cè)量時(shí)需讀取或計(jì)算偏振器件的方位角，影響了測(cè)量速度。所以消光式橢偏儀主要適用于對(duì)測(cè)量速度沒(méi)有太高要求的場(chǎng)合，例如高校實(shí)驗(yàn)室。光度式橢偏儀光度橢偏儀對(duì)探測(cè)器接收到的光強(qiáng)進(jìn)行傅里葉分析，再?gòu)母道锶~系數(shù)推導(dǎo)得出橢偏參量。其測(cè)量速度比消光式橢偏儀快，特別適用于在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。但現(xiàn)階段所能提供的探測(cè)器的非線性效應(yīng)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(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀旋轉(zhuǎn)起偏器型橢偏儀RPE旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型橢偏儀RCE旋轉(zhuǎn)檢偏器型橢偏儀RAE相位調(diào)制型橢偏儀PME

RAE和RPE由于操作簡(jiǎn)便和成本較低，在光度式橢偏儀中占主導(dǎo)地位；缺點(diǎn)時(shí)不能確定偏振光的橢偏旋向，在Δ接近0或π時(shí)，測(cè)量結(jié)果失去準(zhǔn)確性。RCE通過(guò)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可以確定4個(gè)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(cè)量準(zhǔn)確具有一致性；但RCE系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)的選擇性較強(qiáng)，這限制了RCE在光譜領(lǐng)域中的應(yīng)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(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率與調(diào)制器的頻率相同。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制器頻率較高，可以達(dá)到幾十千赫茲，光學(xué)元件不需轉(zhuǎn)動(dòng)；缺點(diǎn)是調(diào)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(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率與調(diào)制器的頻率相同。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制器頻率較高，可以達(dá)到幾十千赫茲，光學(xué)元件不需轉(zhuǎn)動(dòng)；缺點(diǎn)是調(diào)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(jiàn)波段消光系數(shù)較大或厚度在幾個(gè)微米以上的薄膜，其厚度和光學(xué)常數(shù)的測(cè)量需使用紅外橢偏光譜儀IRSE。紅外橢偏光譜儀已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)多層膜相關(guān)參量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器。成像橢偏儀普通橢偏儀測(cè)量的薄膜厚度是探測(cè)光在樣品表面上整個(gè)光斑內(nèi)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(xì)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(lái)，一路信號(hào)輸出到視頻監(jiān)視器顯示，一路信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（如圖5）。廣義橢偏儀標(biāo)準(zhǔn)橢偏儀只考慮探測(cè)光的p分量和s分量各自的反射情況，所以只能用于測(cè)量各向同性樣品的參量；對(duì)于各向異性的樣品，需使用廣義橢偏儀（GeneralizedEllipsometer）。