椭偏仪的结构原理与发展

1概述

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。

因为从一束反射偏振光中决定相对位相变化较简单的反射率测量要灵敏得多，因而椭偏测量较强度反射率测量更为极ng确，而反射光的强度是不能测量的。改变光束入射角度和测量所用光束波长(分光)相结合更能从一个给定的样品采集到大量有用的数据，以适应各种不同的样品材料和结构，扩大测量范围。

椭偏测量基本上就是光束偏振态测量。通常，椭偏测童将样品描述为一个改变光束偏振态的“光学系统”，而对于薄膜样品分析则这个“光学系统”简单地是光从样品的反射。

椭圆偏振测量可以用于确定薄膜厚度t和光学常数几，而且是很灵敏的。因而是用于确定近紫外、可见和近红外波长区域薄膜光学常数的技术。近几年来，由于自动光谱数据采集系统和快速数字微型电子计算机的发展，椭圆偏振测量技术已被广泛用于常规的样品分析。光谱椭偏测量技术与入射角自动变化相结合更是一项非常有用的薄膜测量技术。

2测量方法

椭圆偏振测量技术并不是直接测量有关样品的参数(厚度、光学常数等)，而是测量与这些参数有函数关系的量值。然后必须求解模拟测量数据的反间题，以确定样品参数(这些样品参数与测量数据达到**匹配)。通常，整个测量过程可以分为下列四个步骤。

首先，通过光学实验测量出如反射光或透射光的强度和偏振态，它们可以是光束波长、入射角和或偏振态的函数。其次，以已知样品特性参数为根据极ng确地构成数学模型。这模型应包含有某些已知的参数，如入射光束波长、入射角和入射光束偏振态等;当然这模型也包含某些未知的物理参数，如膜层厚度和光学常数等。然后，改变物理参数并计算数据，直到求得一组可变参数，使得到的计算数据与测得的光学数据紧密匹配。得到的这些参数便极ng确地表示被测样品的真实物理结构。为此，通常采用多元回归算法进行拟合。Z后则是关于模型**拟合的评价，通常可以用一个统计量作为评价标准，表示拟合结果的精度

3工作原理和仪器结构

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。

RAE和RPE各有特点。在RPE系统中，单色仪置于起偏器之后，可以YZ环境光的影响，但要修正单色仪对偏振态的影响;而光源直接位于连续旋转的起偏器之前，光源中残余的偏振会造成数据误差，旋转起偏器还可能造成光束在样品上移动。在RAE系统中，固定的起偏器可以消除由于光源残余偏振引起的任何误差，探测器的残余偏振通常是极小的，因而不会影响测量精度，但是单色仪必须置于起偏器之前，这会允许环境光到达探测器中，因而要求系统在暗室中工作(当然采用光源调制和锁相放大器这个问题是可以解决的)。

椭偏仪常用的光学元件有下列几种:

1.光源椭偏仪的理想光源是强度稳定，从紫外(一190nm)到近红外整个波长范围内输出近似为常数，目前大多选用xe或Hg一xe灯是比较合理的，但是它在uv(低于26Onm)强度较弱，而在880一1010nm具有很强的原子辐射谱线。也有采用激光作为光源(HeNe)，进行单色椭偏测量。

2.偏振器件偏振器是重要的光学元件，理想的偏振器只能传递在一个方向偏振的光，而不能传递任何沿着它垂直方向偏振的光。偏振器能将任何偏振态的光变成线偏振光并定向于传输轴。格兰泰勒(方解石)偏振器射出光的偏振度达到10“分之一，波长范围为230一2200nm。

3.补偿器亦是延滞器，它可以极ng确地作900(或1/4波长)的延滞。补偿器可以由反折射薄片或抛光的斜方形晶体构成。该元件的极ng确延滞与光学调整和所用光的波长有关。有的椭偏测量系统利用能将线偏振光变成园偏振光的补偿器。特殊情况下，补偿器能简单地在两垂直的线偏振器之间引入位相延滞。旋转补偿器与旋转偏振器相结合能将非偏振光变成椭圆偏振光。

4.光束调制器通常有几种，一种是机械调制器(斩波器)，可以实现光束强度简谐地调制为了随后的同步探测;另一种是电光或磁光调制器，用于光束强度(电光)或偏振态(磁光)的简谐扰动为了随后的同步探测，这种调制器一

般难以标定和维护，对温度敏感并且相当昂贵。现在还有一种光弹型调制器用于椭偏仪中。

5.探测器通常用于椭偏仪的探测器有三种，即光电倍增管、硅光电池和InGaAs，前者对偏振态敏感，后两种则不敏感，并且在很宽范围内对光束强度具有线性响应。此外，也有采用硅光二极管列阵作为探测器的。

4发展现状

椭圆偏振测量仪从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。在椭偏仪的研制方面，我国浙江大学、中山大学、复旦大学等校亦都有研究成果发表，有的也可以提供仪器;而目前国际市场上占主导地位的则有美国瓦拉姆(woollam)公司、法国若屏一伊洪(Jobin一Yuon)公司和索泼拉(sOPRA)公司等几家，前两家已开始进入ZG市场。下面简单介绍几种产品的技术性能。

美国Woollam公司的主要产品有M一44/M一88和VASE两类。

M一44/M一88属于多波长回转检偏器(R八E)型椭偏仪，但是在起偏器前没有单色仪，而是偏振的光从样品表面反射，通过回转检偏器，经过色散到达硅光二极管列阵上，它是44或88个波长同时进行测量。这种仪器Z初用于在线检测，希望具有快速的数据采集，但是也可以作为若干固定入射角的线外测量(实验室)用的光谱椭偏测量仪器使用。

M一44/M一88光谱椭偏仪的主要技术特性如下:

光谱范围

M一44:UV280一600nmNIR600一1100nm

VIS:410一750nm

M一88:STD280一760nm

光谱分辨率(按FWHM方法计算):

M一44:14nm;M一88:snm

光束直径:从1一smm可调，(可聚焦型M44)

光束发散角:0.05’

测量速度:Z快数据采集时间40ms;一般测量时间0.5一2.05

重复性:和.015度;△0.08度(与测量条件有关)

M一44/M一88椭偏仪可以配置在线测量工作台和线外测量工作台。在线测量入射角建议采用65。一8了范围内，线外测量如是手动建议入射角为45’一90。，计算机控制则为20一900。为了进行表面形貌描绘，线外测量可配用X一Y移动工作台。

变角度光谱椭偏仪(VASE)是一种经典的RAE型椭偏仪，它的主要特点是斩波器置于一单色仪输出端，以实现同步探测，从而YZ环境光的影响，并能在明室中工作。该仪器采用固体探测器，线性好，对偏振灵敏度低，稳定可靠，并且价格较光电倍增管便宜。硅和InGaAs探测器的光谱响应范围较宽，分别为185一1100nm和800一17oonm。回转检偏器由步进电机驱动，数据采样完全同步化而不必应用位置编码器。这种椭偏仪将不仅采集各种椭偏数据，也采集反射光和透射光的强度数据。图3所示为VASE型变角光谱椭偏仪的总体结构，它可以有垂直和水平两种配置方式。此外，vASE还可以配用光束聚焦、样品自动传递、光谱扩展(紫外到190nm和近红外到1700nm)和计算机控制延滞器(起偏器之后)用的各种附件。

VASE型光谱椭偏仪的主要技术性能如下:

光谱范围:250一i000nm(可以扩展到190一1700nm)

光谱分辨率:0.snm

光束直径:lmm一smm

光束发散角:0.05。

测量速度:每个波长1一2s

重复性:小士0.015’，△士0.08。(与测量条件有关)

入射角变化范围:20一900连续，重复性优于0.0()5’

WooUam公司的椭偏仪均采用WVASE犯计算机软件，适用MicrosoftwindowS32位操作环境，可以实现下列功能(只列出主要的):菜一单驱动、集成标定、标样和分析、显示数据、回归分析、数据拟合、成分组成、表面粗糙度、膜层生长实时分析、数据图表移送、2维和3维绘图等，并具有极高的运算速度。

法国Jobin一Yvon公司的UVISEI超快光谱椭偏仪是一种位相调制型光谱椭偏仪，其基本结构如图4所示。其中光源为75W超静高压氛灯，光谱范围为240一22O0nm。起偏器为格兰泰勒型石英偏振器，安装在一个手动旋转器中。调制器为热化光弹型调制器，安装在一个自动位置控制器中。检偏器也是格兰泰勒型石英偏振器，安装在一个自动旋转器中。光纤传输光谱范围下限为220nm。探测器为R9285滨松高灵敏光电倍增管，带有自动的微型开关。这种椭偏仪可以用于在线或线外检测，备有多种型号可供选择。激励头(起偏器和光弹调制器)和探测头(检偏器)能容易地配置于测角仪或任何淀积/蚀刻设备中。UVISEI软件适用于PC/AT机，包括采样、标定和模拟几个部分，并可配用X一Y自动样品工作台，以便进行样品表面形貌分析。

UVISEI才椭偏仪的主要技术指标如下:

Z小测量时间:lms

光谱范围;240一850nm(根据选用单色仪而定)，可以扩展到1.7um

CoS(△)，tan(劝)测量精度:0.oor(典型)

测角仪从10’一90。自动变化，设定精度优于0.05’

光弹调制器的调制频率为50kHz

另外，法国soPRA公司亦生产光谱椭偏仪，分为在线和实验室两个系列。其中，ES4G型专门设计用于研究和开发，它的特点是入射角可以手定或自动，分光采用棱镜/光栅双单色仪，探测器为光电倍增管(光子计数)。而ES4G-OMA则采用多通道光二极管列阵作为探测器，达到快速和精密测量。在线系列的型号相应为ES4和ES4一OMA。这类仪器的光斑大小为100又15如m。配置附件可以扩展光谱范围(380一1100nm和850一1700nm)，如果配置X一Y样品工作台，也可以进行样品表面形貌分析。用激光作为光源的在线型号为EL4，非在线的型号为4L4G。

美国瓦拉姆、法国若屏一伊洪和索泼拉公司都推出了VASEFTIR型光谱椭偏仪，由于配置有一台Fl，IR(FourierTransformInfra一Red)光谱仪，使椭偏测量光谱范围扩展到2一12拜m(相当于550一400oem一’)。

5结束语

椭偏仪是一种光、机、电、计算机等多学科综合的、用于薄膜无损分析的智能化仪器，目前主要用于测量光学膜层厚度和光学常数、多层膜厚度和光学常数、镀碳磁盘的碳层厚度和光学常数以及润滑层的厚度和表面粗糙度、各种半导体及其氧化物的成分、化合物半导体的成分、梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度等。运用椭偏仪测量薄膜参数具有极高的精度，例如测量薄膜厚度(一Znm)的准确性约为0.Inm，重复性达到0.01nm;折射率测量的准确性可以达到小数点第4位。但是，它亦有一定的局限性，这主要由于模型的任意性、变量之间的相关性、数据分析过程的复杂性，以及Z终结果取决于操作者的分析判断能力等。

Z后，上面介绍的几种椭偏仪产品，结构各不相同，价格亦相差很大，用户应根据科研实验具体要求，按照经济实用的原则，合理选购。同时，亦希望能够看到我国生产的椭偏仪推向市场，以促进我国薄膜科学技术的发展。