椭偏仪的原理|特点|应用

　　椭偏仪从1945年问世以来，人们在这个领域里，无论在理论上或应用上都做了大量工作，随着科学技术的发展，现在已经出现了多种新型的智能化的仪器装置，以适应当前薄膜科学的发展。

　　1887年，Drudediyi次提出椭偏理论，并建立了diyi套实验装置，成功地测量了18种金属的光学常数。1945年，Rothendiyi次提出了“Ellipsometer”(椭偏仪)一词。之后，椭偏仪有了长足发展，已被广泛应用于薄膜测量领域。

　　根据工作原理，椭偏仪主要分为消光式和光度式两类。在普通椭偏仪的基础上，又发展了椭偏光谱仪、红外椭偏仪、成像椭偏仪和广义椭偏仪。

　　消光式椭偏仪包括光源、起偏器P、补偿器C、检偏器A和探测器。消光式椭偏仪通过旋转起偏器和检偏器，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Z小。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yi的光探测器，人眼只能探测到信号光的存在或消失，因而早期椭偏仪的类型都是消光式。

　　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，例如多入射角测量，手动控制消光式椭偏仪所需时间太长，椭偏仪的自动化就十分必要了。一种自动化实现方案是用伺服马达驱动起偏器和检偏器，但是该方案仍旧需要用眼观测刻度盘读数，并未实现真正的自动化。

　　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导致的误差较小。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。1945年Rothen制作的消光式椭偏仪对薄膜厚度的测量精度可达到0.03nm。为了实现自动化，探测系统逐渐采用光电倍增管等光电探测器。光电探测器在小光强时的信噪比较低，将会增大偏振器

　　椭偏仪是利用椭圆偏振术对透明薄膜进行无损测量的一种仪器，它是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅耳公式得到光学参数和偏振态之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度。

　　椭偏仪是一种偏振态测试设备。假设所用的探测光为1**%的偏振光(线偏振、圆偏振或椭圆偏振光)。椭偏仪从光源开始到探测器，其间可以配置各种光学元件，根据光学元件配置的不同可以有三种型式的椭偏仪结构：零偏振型、偏振调制型和回转元件型等。

　　“零”偏振型椭偏仪：

　　零偏振型椭偏仪一般结构如下所示：光源→起偏器→补偿器→样品→检偏器→探测器

　　为了进行测试，起偏器、补偿器和检偏器调整到“零”(消化)。通常手动完成，椭偏仪测量过程缓慢且难以作分光测量，但是比较精确，系统误差较小。

　　偏振调制型椭偏仪：

　　偏振调制型椭偏仪一般结构如下所示：光源→起偏器→调制器→样品→检偏器→探测器

　　调制器是反映时间与延滞的关系，典型的可以达到50kHz的高速。高速调制理论上能达到很快的数据采集(每点10ms)。为了达到满意的信噪比，要求高能光源(如激光)或较长的积分时间。信噪比是与测量时收集到多少光子有关。为了实现分光测量必须对每一波长调整调制幅度。由于调制器对环境温度有很强的敏感性，因而椭偏仪标定的稳定性较差。

　　回转元件型椭偏仪：

　　回转元件型椭偏仪是总有一个偏振元件以10~60Hz的速度回转。上述两种椭偏仪结构在起偏器后包括有一个延滞元件。如果只用二个偏振元件(起偏器和检偏器)，其优点是光学性能近似于理想，在宽光谱区域接近消色(1：1000000)，而且比较容易安装和调整;缺点则是当△接近0°或180°时灵敏度较低(当然偏振调制型在ψ接近45°时也会损失灵敏度)。回转元件型基本上克服了上述缺点。回转型椭偏仪加上自动位相补偿器在0~36°范围内准确地测量△。

　　回转元件型椭偏仪可以有两种结构方案：

　　①回转起偏

　　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仪器。椭偏仪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等优点。

　　1、椭偏仪测量的对象广泛，可以测量透明膜，无膜固体样品，多层膜，吸收膜和众多性能不同、厚度不同、吸收程度不同的薄膜，甚至是强吸收的薄膜。

　　2、被测量的薄膜大小尺寸可以很小，只要1mm即可测量，小于光斑的大小。

　　3、椭偏仪方式灵活，既可以测量反射膜，也可以测量透射膜。

　　4、椭偏仪测量的速度很快。

　　5、在各种粒子束分析测试技术中，光束引起的表面损伤以及导致的表面结构改变是Z小的。

　　6、在椭偏光谱中，被测对象的结构信息(电子的、几何的)是蕴含在反射(或透射)出来的偏振光束中，通过光束本身与物质相互作用前后产生的偏振状态(振幅、相位)的改变反映出来。

　　7、椭偏仪测量精度高。椭偏光谱的工作原理虽然建立在经典电磁波理论上，但实际上它有原子层级的灵敏度。对薄膜的测量准确度可以达到1nm，相当于单原子层的厚度。

　　8、非苛刻性测量。样品可以是块体材料与薄膜，由于它可测得物质在一个波长范围内介电函数的实部和虚部，信息量较多，可对固体样品作精细分析。

　　9、椭偏仪能同时分别测量出几个物理量。椭偏光谱可直接得到光学常数的实部和虚部，不需要K-K关系。

　　随着应用与需求的扩大，椭偏仪可以应用到物理、化学、材料学、微电子技术、薄膜技术、冶金学、天文学、生物和医学等方面。

　　1、固体薄膜光学性质的测量：

　　应用椭偏仪可对单层吸收膜、双层膜及多层膜进行测量，得到材料的光学常数折射率N和吸收系数K，进而得到其介电常数。近年来椭偏仪也实现了对离子注入损伤分布的测量、超晶格、粗糙表面、界面的测量。

　　2、物理吸附和化学吸附：

　　用椭偏仪在现场且无损地研究过与气态、液态周围媒质