橢偏儀，是一種用於探測薄膜厚度、光學常數以及材料微結構的光學測量設備。由於並不與樣品接觸，對樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一種極具吸引力的測量設備。
基本介紹
- 中文名：橢圓偏振光譜儀
- 外文名：ellipsometry
- 套用：探測薄膜厚度、光學常數等
- 涉及領域：半導體、通訊、數據存儲等
- 可測的材料：半導體、電介質、聚合物等
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基本原理
橢圓偏光法涉及橢圓偏振光在材料表面的反射。為表征反射光的特性，可分成兩個分量：P和S偏振態，P分量是指平行於入射面的線性偏振光，S分量是指垂直於入射面的線性偏振光。菲涅耳反射係數r描述了在一個界面入射光線的反射。P和S偏振態分量各自的菲涅耳反射係數r是各自的反射波振幅與入射波振幅的比值。大多情況下會有多個界面，回到最初入射媒介的光經過了多次反射和透射。總的反射係數Rp和Rs，由每個界面的菲涅耳反射係數決定。Rp和Rs定義為最終的反射波振幅與入射波振幅的比值。
圖1
圖1橢偏儀
偏振光橢圓率測量儀所需的組件包括：①把非偏振光轉化為線性偏振光的光學系統；②把線性偏振光轉化為橢圓偏振光的光學系統；③樣品反射；④測量反射光偏振特性的光學系統；⑤測量光強度的探測器；⑥根據假設模型計算結果的計算機，如圖2所示。
圖2
圖2匯聚束技術：匯聚束技術實現一個錐形光束，入射角最小到40°，最大70°。探測器有多個像素可以同時處理測量角度範圍內的光線。從最大或最小角度反射來的光靠近束斑的邊緣，所得的結果可能無意義，因此可以裁減掉相應的像素。而且匯聚束技術的最小束斑可以到5×10μm，可用於測量非常小的圖形。
在光譜橢偏儀的測量中使用不同的硬體配置，但每種配置都必須能產生已知偏振態的光束，測量由被測樣品反射後光的偏振態，這要求儀器能夠量化偏振態的變化量ρ。
有些儀器測量ρ是通過旋轉確定初始偏振光狀態的偏振片（稱為起偏器），再利用第二個固定位置的偏振片（稱為檢偏器）來測得輸出光束的偏振態。另外一些儀器是固定起偏器和檢偏器，而在中間部分調製偏振光的狀態，如利用聲光晶體等，最終得到輸出光束的偏振態。這些不同配置的測量示意圖的最終結果都是測量作為波長和入射角複函數ρ，如圖3所示。
圖3
圖3在選擇合適的橢偏儀的時候，光譜範圍和測量速度通常也是一個需要考慮的重要因素。可選的光譜範圍從深紫外到紅外，光譜範圍的選擇通常由套用決定，不同的光譜範圍能夠提供關於材料的不同信息，合適的儀器必須和所要測量的光譜範圍匹配。
可測材料
橢偏儀可測的材料包括：半導體、電介質、聚合物、有機物、金屬、多層膜物質…
設計領域
橢偏儀涉及領域有：半導體、通訊、數據存儲、光學鍍膜、平板顯示器、科研、生物、醫藥等。
早期的研究主要集中於偏振光及偏振光與材料相互作用的物理學研究以及儀器的光學研究。計算機的發展使橢偏儀在更多的領域得到套用。硬體的自動化和軟體的成熟大大提高了運算的速度，成熟的軟體提供了解決問題的新方法，因此，橢偏儀現在已被廣泛套用於研究、開發和製造過程中。
橢圓偏振光
橢圓偏光法是一種非接觸式、非破壞性的薄膜厚度、光學特性檢測技術。橢偏法測量的是電磁光波斜射入表面或兩種介質的界面時偏振態的變化。橢偏法只測量電磁光波的電場分量來確定偏振態，因為光與材料相互作用時，電場對電子的作用遠遠大於磁場的作用。
折射率和消光係數是表征材料光學特性的物理量，折射率是真空中的光速與材料中光的傳播速度的比值N=C/V；消光係數表征材料對光的吸收，對於透明的介電材料如二氧化矽，光完全不吸收，消光係數為0。N和K都是波長的函式，但與入射角度無關。
橢偏法通過測量偏振態的變化，結合一系列的方程和材料薄膜模型，可以計算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光係數）K。
橢偏法測量具有如下優點：
(1)能測量很薄的膜(1nm)，且精度很高，比干涉法高1~2個數量級。
(2)是一種無損測量，不必特別製備樣品，也不損壞樣品，比其他精密方法如稱重法、定量化學分析法簡便。
(3)可同時測量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作為分析工具使用。
(4)對一些表面結構、表面過程和表面反應相當敏感，是研究表面物理的一種方法。
半導體的橢圓偏振光譜
橢偏術(橢圓偏振光測量技術)的工作原理雖然建立在經典電磁理論上，但卻有原子層級的靈敏度．近年來，橢偏術有了新發展．橢圓偏振光譜把橢偏術從單波長測量擴展成光譜測量，既保存了原有特點： 如非破壞性測量、原子層靈敏度、設備相對簡單等，又增加了新內容和能力．第一，它從單波長變到多波長，可定出被測物質的色散關係，從而提供對電子能譜結構等的了解；第二， 由於它獲取更多信息，使橢偏術發展成為精細定量分析技術，可套用於測定空間非均勻分布、結構分析、界面分析及粗糙面分析等方面，不再必須用理想的體樣品或薄膜樣品了，可以對不均勻、各向異性、有結構的樣品進行較精細的分析。
我們近年來測量的橢偏光譜是在紫外及可見光範圍，波長為2600—8600
。儀器採用旋轉檢偏器式，不用1/4波片。
圖4
圖4離子注入矽的損傷分布
半導體樣品在離子注入過程中引起輻照損傷，過去測定輻照損傷主要用背散射技術等，橢偏術也是一種近期發展起來檢測損傷的方法。過去，單波長橢偏術需要與剖層技術結合，才能定出損傷分布．近來我們採用橢偏光譜結合剖層技術，可更準確地定出As注入Si的損傷分布(見圖4)，並找出確定損傷分布的最合適波長，不是常用的6328 \dot{A}，而是3600—5000 。另一方面，我們探索了不用剖層技術，單用橢偏光譜技術無損傷地確定損傷分布，即從橢偏參數的光譜分布推斷出損傷(無序度)的空間分布。結果表明是成功的。圖5是橢偏光譜測量結果及定出的損傷分布圖，並與背散射測量結果相比，兩者基本相符合。
