椭偏仪是什么_测量方法与应用

　　椭偏测量技术通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化，获得材料的光学常数和结构信息。本文主要介绍了椭偏仪的背景概述、光学原理。并对行业最前沿最高端的的双旋转穆勒矩阵椭偏仪进行功能概述，希望对广大的技术从业人员会有帮助。

　　椭偏仪概述

　　椭偏测量技术通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化，获得材料的光学常数和结构信息，具有测量精度高，非接触，无破坏且不需要真空。自从1887年，德鲁德提出椭偏理论，建立了世界上***套实验装置并成功地测量了18种金属的光学常数起，1945年，Rothen***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。

　　椭偏仪的测量原理

　　椭偏仪的结构及光路如图1所示，椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程，介质表面作用会引起前后偏振态（椭偏参数 ψ振幅比和 Δ相位差）变化，通过获得材料的光学常数和结构信息。通过后期关联 ψ振幅比和 Δ相位差的光学模型匹配获取所关心的参数值：椭偏仪是常见的测量薄膜厚度d和折射率n的高精度光学仪器,广泛用于微电子技术和薄膜制备工艺,其原理是基于测量椭偏光经过薄膜后偏振态的变化而获得待测薄膜的d和n,具有非接触性、非破坏性及高精度和灵敏度的特点。

　　椭偏仪所测得的数据检偏角A、起偏角P要经过复杂的数学运算才能得到最终的结果d、n。过去,一般是通过查厂家提供的数据表或列线图来得到d和 n,但数据表或列线图提供的数据种类极其有限,其结果精度不高且效率低,使用不方便。借助计算机强大的运算能力,已开发出了椭偏仪数据处理软件,但大多数 是Dos版的,界面不友好,操作不便而且精　度也不高。为此编制在Windows环境下的数据处理软件,使界面友好,操作简便,提高计算精度和速度就十分 必要。另一方面,椭偏仪经过使用或运输不可避免的会产生测量误差,作为高精度的光学仪器,　　A、P的很小误差都会导致d、n很大的误差。因而在实际中, 除了对仪器本身进行校准外,还需要针对椭偏仪的误差在数据处理软件中嵌入一套方便实用的误差修正方案。本文在这两方面开展了工作。

　　穆勒矩阵椭偏仪

　　穆勒矩阵偏振仪(Mueller Matrix Ellipsometer)也称为广义椭偏仪，与传统光谱椭偏仪相比，广义椭偏仪可以改变波长λ、入射角θ和方位角ψ这3个测量条件，每次测量条件下都可以获得一个4×4阶的穆勒矩阵(Mueller matrix)共16个参数（测量原理示意图如图2.所示），因此可以比传统光谱椭偏仪获得丰富得多的测量信息。其中不同配置椭偏仪，一次测量能获得的元素的数目是不同的。基于双旋转补偿器(DRC, dual rotating compensator)配置的穆勒矩阵椭偏仪可以一次测量获得全部穆勒矩阵的16个元素。以武汉颐光科技的ME-L型穆勒矩阵型椭偏仪，穆勒矩阵椭偏仪具有超宽光谱范围、重复性测量精度高、测量速度快、仪器操作便捷、光学模型丰富。可通过反射/透射率、椭偏参数、穆勒矩阵和退偏指数等参数测量，实现各种光学薄膜和纳米结构的表征分析等优势，作为高端科研仪器，特别适合分析各向异性材料。

　　在数据处理的程序被确定以后,对椭偏仪测厚误差的修正就是对测量数据A、P的修正。而作为标准的A、P的值选取,首先要***其代表性。在列线图 上,A、P在整个取值平面上分布是不均匀的,其中P在区间[30°,60°]和[100°,150°]几乎没有取值,而A只在区间[0°,90°]取值是 均匀的,在该区间中每隔3°取一个A值,相应的P尽可能取在其出现较密集的区域。这样选择了30对(A、P),通过计算可得到30对(n2、d),同时考 虑椭偏仪厚度测量的主要取值区间为[20 nm,1 000 nm],由此来确定制备标准样片的条件。样片制备好后在高精度仪器上进行定标。

　　椭偏仪的应用

　　椭偏仪可应用于纳米光学薄膜厚度、材料光学常数、纳米结构关键尺寸等分析表征：半导体：半导体薄膜，如介电/金属薄膜，AlGaN、ZnO等宽禁带半导体材料；集成电路：周期性纳米结构，如光刻掩模光栅结构，纳米压印结构，刻蚀深沟槽结构等；平板显示：LCD、OLED新型平板显示中有机、无机多层薄膜结构等；光伏太阳能：硅、多元化合物、有机化合物、聚合物等光伏薄膜材料；新材料、新物理现象研究：材料光学各向异性、退偏效应、电光效应、光弹效应等。