椭圆偏振光谱仪

　　椭偏仪，是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。由于并不与样品接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量设备。

　　基本原理

　　椭圆偏光法涉及椭圆偏振光在材料表面的反射。为表征反射光的特性，可分成两个分量：P和S偏振态，P分量是指平行于入射面的线性偏振光，S分量是指垂直于入射面的线性偏振光。菲涅耳反射系数r描述了在一个界面入射光线的反射。P和S偏振态分量各自的菲涅耳反射系数r是各自的反射波振幅与入射波振幅的比值。大多情况下会有多个界面，回到最初入射媒介的光经过了多次反射和透射。总的反射系数Rp和Rs，由每个界面的菲涅耳反射系数决定。Rp和Rs定义为最终的反射波振幅与入射波振幅的比值。

　　图1给出了椭偏仪的基本光学物理结构。已知入射光的偏振态，偏振光在样品表面被反射，测量得到反射光偏振态（幅度和相位）．计算或拟合出材料的属性。1

　　椭偏仪

　　偏振光椭圆率测量仪所需的组件包括：①把非偏振光转化为线性偏振光的光学系统；②把线性偏振光转化为椭圆偏振光的光学系统；③样品反射；④测量反射光偏振特性的光学系统；⑤测量光强度的探测器；⑥根据假设模型计算结果的计算机，如图2所示。

　　汇聚束技术：汇聚束技术实现一个锥形光束，入射角最小到40°，最大70°。探测器有多个像素可以同时处理测量角度范围内的光线。从最大或最小角度反射来的光靠近束斑的边缘，所得的结果可能无意义，因此可以裁减掉相应的像素。而且汇聚束技术的最小束斑可以到5×10μm，可用于测量非常小的图形。

　　在光谱椭偏仪的测量中使用不同的硬件配置，但每种配置都必须能产生已知偏振态的光束，测量由被测样品反射后光的偏振态，这要求仪器能够量化偏振态的变化量ρ。

　　有些仪器测量ρ是通过旋转确定初始偏振光状态的偏振片（称为起偏器），再利用第二个固定位置的偏振片（称为检偏器）来测得输出光束的偏振态。另外一些仪器是固定起偏器和检偏器，而在中间部分调制偏振光的状态，如利用声光晶体等，最终得到输出光束的偏振态。这些不同配置的测量示意图的最终结果都是测量作为波长和入射角复函数ρ，如图3所示。

　　在选择合适的椭偏仪的时候，光谱范围和测量速度通常也是一个需要考虑的重要因素。可选的光谱范围从深紫外到红外，光谱范围的选择通常由应用决定，不同的光谱范围能够提供关于材料的不同信息，合适的仪器必须和所要测量的光谱范围匹配。1

　　椭偏仪可测材料

　　椭偏仪可测的材料包括：半导体、电介质、聚合物、有机物、金属、多层膜物质…

　　椭偏仪设计领域

　　椭偏仪涉及领域有：半导体、通讯、数据存储、光学镀膜、平板显示器、科研、生物、医药等。

　　早期的研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。计算机的发展使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，成熟的软件提供了解决问题的新方法，因此，椭偏仪现在已被广泛应用于研究、开发和制造过程中。

　　椭圆偏振光

　　椭圆偏光法是一种非接触式、非破坏性的薄膜厚度、光学特性检测技术。椭偏法测量的是电磁光波斜射入表面或两种介质的界面时偏振态的变化。椭偏法只测量电磁光波的电场分量来确定偏振态，因为光与材料相互作用时，电场对电子的作用远远大于磁场的作用。

　　折射率和消光系数是表征材料光学特性的物理量，折射率是真空中的光速与材料中光的传播速度的比值N=C/V；消光系数表征材料对光的吸收，对于透明的介电材料如二氧化硅，光完全不吸收，消光系数为0。N和K都是波长的函数，但与入射角度无关。

　　椭偏法通过测量偏振态的变化，结合一系列的方程和材料薄膜模型，可以计算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光系数）K。

　　椭偏法测量具有如下优点：

　　(1)能测量很薄的膜(1nm)，且精度很高，比干涉法高1~2个数量级。

　　(2)是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法如称重法、定量化学分析法简便。

　　(3)可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作为分析工具使用。

　　(4)对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感，是研究表面物理的一种方法。1

　　半导体的椭圆偏振光谱

　　椭偏术(椭圆偏振光测量技术)的工作原理虽然建立在经典电磁理论上，但却有原子层级的灵敏度．近年来，椭偏术有了新发展．椭圆偏振光谱把椭偏术从单波长测量扩展成光谱测量，既保存了原有特点： 如非破坏性测量、原子层灵敏度、设备相对简单等，又增加了新内容和能力．第一，它从单波长变到多波长，可定出被测物质的色散关系，从而提供对电子能谱结构等的了解；第二， 由于它获取更多信息，使椭偏术发展成为精细定量分析技术，可应用于测定空间非均匀分布、结构分析、界面分析及粗糙面分析等方面。今天，不再必须用理想的体样品或薄膜样品了，可以对不均匀、各向异性、有结构的样品进行较精细的分析。

　　我们近年来测量的椭偏光谱是在紫外及可见光范围，波长为2600—8600 。仪器采用旋转检偏器式，不用1/4波片。

　　离子注入硅的损伤分布

　　半导体样品在离子注入过程中引起辐照损伤，过去测定辐照损伤主要用背散射技术等，椭偏术也是一种近期发展起来检测损伤的方法。过去，单波长椭偏术需要与剖层技术结合，才能定出损伤分布．近来我们采用椭偏光谱结合剖层技术，可更准确地定出As注入Si的损伤分布(见图4)，并找出确定损伤分布的最合适波长，不是常用的6328 \dot{A}，而是3600—5000。另一方面，我们探索了不用剖层技术，单用椭偏光谱技术无损伤地确定损伤分布，即从椭偏参数的光谱分布推断出损伤(无序度)的空间分布。结果表明是成功的。图5是椭偏光谱测量结果及定出的损伤分布图，并与背散射测量结果相比，两者基本相符合。2

　　本词条内容贡献者为:

　　张磊 - 副教授 - 西南大学