橢圓偏光儀(Ellipsometry)

1、第五章橢圓偏光儀（Ellipsometry）橢圓偏光儀的發(fā)展n1808年E.L. Malus發(fā)現(xiàn)光反射時(shí)的偏振特性n1889年P(guān).K.L. Drude利用兩道偏振方向互相垂直的光來(lái)量測(cè)薄膜的厚度 n1945年，A. Rothen將此種利用不同偏振光來(lái)量測(cè)樣品厚度及其折射率的方法統(tǒng)稱(chēng)為橢圓偏光術(shù)(ellipsometry)橢圓偏光儀的應(yīng)用n在半導(dǎo)體、物理、化學(xué)、材料、生物、機(jī)械、冶金和生物醫(yī)學(xué)工程中廣泛應(yīng)用n半導(dǎo)體、光學(xué)薄膜、晶圓、金屬、介電薄膜、玻璃及有機(jī)薄膜等，另外也可應(yīng)用於介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜及薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的即時(shí)監(jiān)控等量測(cè)n可以用來(lái)測(cè)量薄膜的偏振特性及色散特性，特別是可研究薄膜生長(zhǎng)

2、的初始階段，並用以計(jì)算分子層的厚度及密度等。在其量測(cè)的精確度及高速且非破壞性量測(cè)等特性下，無(wú)論在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上或基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究上都有非常廣的應(yīng)用層面 橢圓偏光儀原理n橢圓偏光術(shù)是一種非接觸式、非破壞性、以光學(xué)技術(shù)量測(cè)薄膜表面特性的方法n量測(cè)原理：運(yùn)用光在兩層薄膜間的介面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)方法n利用偏振光束在界面反射或穿透時(shí)出現(xiàn)的偏振轉(zhuǎn)換，得到與 ，稱(chēng)之為橢圓參數(shù)n由所建構(gòu)的物理模型，計(jì)算薄膜的折射係數(shù)n、吸收係數(shù)k、膜厚tn橢圓偏光儀無(wú)法直接測(cè)量樣品的物理參數(shù)，必須藉由一模型來(lái)描述樣品的物理性質(zhì)，以數(shù)值分析求得實(shí)際樣品的物理參數(shù)n因此數(shù)值分析方法亦決定橢圓偏光儀量測(cè)的準(zhǔn)確性及應(yīng)用的

3、範(fàn)圍n對(duì)比較單純的結(jié)構(gòu)可以等比級(jí)數(shù)的公式計(jì)算n當(dāng)考慮多層膜結(jié)構(gòu)時(shí)，由於各層間皆有交互作用，無(wú)法利用級(jí)數(shù)法來(lái)求解，必須利用遞迭的方式，一層層地以電腦程式計(jì)算穿透?jìng)S數(shù)及反射係數(shù)。 儀器結(jié)構(gòu)n光源：為單一波長(zhǎng)的雷射光或白光產(chǎn)生器附加單光儀以調(diào)變所需的波長(zhǎng)n偏光片：光源一般為非偏極光，因此需藉一偏光片，將光源轉(zhuǎn)成線(xiàn)性偏極光n補(bǔ)償片：通常為四分之一波片，其功能在於確定入射於分析片之前的光為線(xiàn)性偏極光 n分析片：結(jié)構(gòu)同偏光片，用於分析反射光之極化現(xiàn)象n檢測(cè)器：用來(lái)檢測(cè)反射光之強(qiáng)度，一般為光電倍增管或光二極體 橢圓偏光儀種類(lèi)n一種為歸零式的消光法(null elliposmeter)，如圖二(a)所示，利用

4、旋轉(zhuǎn)橢圓儀中光學(xué)元件的角度 使其偵測(cè)到的光訊號(hào)強(qiáng)度最小，再根據(jù)這些光學(xué)元件之角度計(jì)算出與n一種為相位調(diào)制光度量測(cè)法(photometric ellipsometer)，如圖二(b)所示，利用相位調(diào)制技術(shù)，將其中之光學(xué)元件加入調(diào)制訊號(hào)，然後利用鎖相放大技術(shù)來(lái)處理所得之光強(qiáng)度，再經(jīng)由傅利葉分析求得與 Scanninig channel O.M.A.channel PMTPDA光源 Xe LampPA光纖 Optical FiberrIncidence angler = rprs= Tan(Y).e j(D D)Measured Parameters TanY and CosD DSubstrate (ns, ks)Thin Film 1 (n1, k1, T1)Thin Film 2 (n2, k2, T2)Thin Film i (ni, ki, Ti)Ambient (n0, k0)foESEiEPrsrpErDUV UV VISIBLENIRMeasured