椭偏仪原理

摘要椭偏术是一种利用线偏振光经样品反射后转变为椭圆偏振光这一性质以获得样品的光学常数的光谱测量方法。本文主要介绍了椭偏仪的光学原理。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AbstractEllipsometryisthespectralmeasurementthatreflectsthelinearlypolarizedlightbythesampleinordertoobtainitsopticalconstant.Thispaperistomainlyintroducetheopticsprincipleoftheellipseleaningmeter.Pointingoutthesimilaritiesanddifferencesamongdifferenttypesofellipseleaningmeter,itexplainsthefeatureandtheapplicationoftheellipseleaningmeter,andhasforecastitsfuturetrendofdevelopment.Thispapergivesprincipalinstructiontothestudyandtheunderstandingoftheellipseleaninginstrument.Keywords:Opticsprinciple,Ellipsometry,Infers云南大学本科生毕业设计2目录摘要....................................................................................................................................1Abstract...............................................................................................................................1目录....................................................................................................................................2引言....................................................................................................................................31绪论...........................................................................................................................41.1椭偏仪发展史................................................................................................41.2椭偏仪的仪器构造........................................................................................72椭偏仪的工作原理...................................................................................................82.1椭偏仪的数据处理模型.....................................................................................82.2椭偏仪光学原理................................................................................................102.2.1椭偏仪的测量原理................................................................................102.2.2的表达式推导过程.....................................................................132.2.3多周期厚度的讨论................................................................................152.2.4关于误差的几点讨论............................................................................163椭偏仪的应用.........................................................................................................163.1利用椭偏仪测量薄膜的优点和特点..........................................................163.2椭偏光谱技术的应用..................................................................................174展望...............................................................................................................................175结束语...........................................................................................................................19参考文献..........................................................................................................................20致谢..................................................................................................................................21云南大学本科生毕业设计3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。云南大学本科生毕业设计41绪论1.1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。云南大学本科生毕业设计5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Law