为您推荐: 全光谱椭偏仪
仪器网 椭偏仪 椭偏仪的发展历史|趋势
产品导购地图

椭偏仪的发展历史|趋势

  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。

椭偏仪的发展历史

  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

  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,将会增大偏振器件方位角的测量误差。

  消光式椭偏仪的测量精度主要取决于偏振器件的定位精度,系统误差因素较少,但测量时需读取或计算偏振器件的方位角,影响了测量速度。所以消光式椭偏仪主要适用于对测量速度没有太高要求的场合,例如高校实验室。而在工业应用上主要使用的是光度式椭偏仪。

椭偏仪的发展历史.jpg

光度式椭偏仪

  光度椭偏仪对探测器接收到的光强进行傅里叶分析,再从傅里叶系数推导得出椭偏参量。光度式椭偏仪主要分为旋转偏振器件型椭偏仪和相位调制型椭偏仪。其中旋转偏振器件型椭偏仪包括旋转起偏器型椭偏仪(RPE)、旋转补偿器型椭偏仪(RCE)和旋转检偏器型椭偏仪(RAE)。

  由于操作简便和成本较低,RAE和RPE在光度式椭偏仪中占主导地位。diyi台光度式(自动的)椭偏仪是由Kent和Lawson设计的RAE。diyi台自动光度式椭偏仪也是RAE。RAE和RPE的缺点是不能确定偏振光的椭偏旋向,在D接近0或π时,测量结果失去准确性。RCE通过旋转补偿器可以确定4个斯托克斯参量,消除了RAE和RPE系统中椭偏旋向的不确定性,测量准确度具有一致性。但是RCE系统对波长的选择性较强,这限制了RCE在光谱领域中的应用。

  旋转偏振器件型椭偏仪由于旋转部件造成的系统不稳定和方位角偏差而降低了其测量精度。PME系统中,起偏器和检偏器固定于某一方位角,入射光的偏振态由调制器调制,调制频率与调制器的频率相同。优点是调制器调制频率较高,可以达到几十千赫兹,光学元件不需转动;缺点是调制器易受温度影响。

  光度式椭偏仪不需测量偏振器件的方位角,便可直接对探测器接收的光强信号进行傅里叶分析,所以测量速度比消光式椭偏仪快,特别适用于在线检测和实时测量等工业应用领域。但现阶段所能提供的探测器的非线性效应以及光源的不稳定性,将增大光度式椭偏仪的系统误差。

椭偏光谱仪

  对于多层薄膜,一组椭偏参量不足以确定各层膜的光学常数和厚度,而且材料的光学常数是入射光波长的函数,为了精确测定光学常数随入射波长的变化关系,得到多组椭偏参量,椭偏仪从单波长测量向多波长的光谱测量发展。

  1975年,Aspnes等首次报道了以RAE为基本结构的光谱椭偏仪。它利用光栅单色仪产生可变波长,从而在较宽的光谱范围(近红外到近紫外)内可以测量高达1000组椭偏参量,膜厚测量精度可以达到0.001nm,数据采集和处理时间仅为7s。

  1984年,Muller等研制了基于法拉第盒自补偿技术的光谱椭偏仪。这种椭偏仪采集400组椭偏参量仅用时3s。为了进一步缩短系统的数据采集时间,1990年Kim等研制了旋转起偏器类型的光谱椭偏仪,探测系统用棱镜分光计结合光学多波段分析仪(OMA)代替常用的光电倍增管,在整个光谱范围内获取128组椭偏参数的时间为40ms。

红外椭偏仪

  紫外波段到可见波段消光系数较大或厚度在几个微米以上的薄膜,其厚度和光学常数的测量需使用红外椭偏仪(IRSE)。红外椭偏仪已经成为半导体行业异质结构多层膜相关参量测量的标准仪器。早期的红外椭偏仪是在RAE、RPE或PME的基础上结合光栅单色仪构成的。常规的红外光源的强度较低,降低了红外椭偏仪的灵敏度。

  Ferrieu将傅里叶变换光谱仪(FT)引入到RAE,使用常规的红外光源,其椭偏光谱可以从偏振器不同方位角连续记录的傅里叶变换光谱得到,从而能够对材料进行精确测量,提高了系统的灵敏度。其缺点是不能实现快速测量。

  Canillas等设计的红外椭偏仪基本结构为PME,PME的调制器件为光弹调制器,调制频率37kHz。将低频的傅里叶变换光谱仪和高频的PME结合,可以实现快速测量,仪器完整的椭偏光谱(900~4000cm-1)记录时间仅为2s。

椭偏仪.jpg

成像椭偏仪

  由于集成电路的特征尺寸越来越小,一般椭偏仪的光斑尺寸较大(光斑直径约为1mm),为了提高椭偏仪的空间分辨率,Beaglehole将传统椭偏仪和成像系统相结合,研制了成像椭偏仪。普通椭偏仪测量的薄膜厚度是探测光在样品表面上整个光斑内的平均厚度,而成像椭偏仪则是利用CCD采集的椭偏图像得到样品表面的三维形貌及薄膜的厚度分布,从而能够提供样品的细节信息。

  成像椭偏仪的CCD成像单元,将样品表面被照射区域拍摄下来,一路信号输出到视频监视器显示,一路信号输入计算机进行数据处理。与传统椭偏仪相比,由于CCD器件干扰了样品反射光的偏振态,且有很强的本底信号,成像椭偏仪的系统误差因素增多,使用前必须仔细校准。

广义椭偏仪

  探测光与样品相互作用时,若样品是各向同性的,探测光的p分量和s分量各自进行反射,若各向异性,则探测光与样品相互作用后还将会发生光的p分量和s分量的相互转化。标准椭偏仪只考虑探测光的p分量和s分量各自的反射情况,所以只能用于测量各向同性样品的参量,对于各向异性的样品,需使用广义椭偏仪。

  实现广义椭偏仪的途径有三种:

  ①利用偏振器件不同方位角下的多次测量将旋转器件型的椭偏仪拓展到广义椭偏仪。此类椭偏仪需假定多次测量入射到样品表面的光的照明区域相同,另外在多组起偏器方位角下,入射到样品表面光的偏振态不同,p分量和s分量的转换情况也会有所区别,这将会增大测量误差。

  ②利用两块分别位于起偏器后和检偏器前的补偿器,并利用不同的旋转频率。

  ③利用两块具有不同调制频率的光弹调制器作为偏振调制器件。

椭偏仪发展展

  椭偏测量具有非接触性、非破坏性、测量精度高和适于测量较薄膜层的特点,成为了半导体工业常用的薄膜测量工具。由于半导体制造业在器件关键尺寸上的测量要求越来越精确,薄膜常用材料日益多样化,薄膜的结构越来越复杂,需要进一步改进椭偏仪。目前椭偏仪的主要发展趋势包括:

  ①寻找较高强度的红外光源,拓宽椭偏仪的光谱范围,以准确确定异质结构的多层膜结构;

  ②建立包含成像椭偏仪的校准因素的系统模型,以减小成像椭偏仪的测量误差;

  ③对半导体工业常用薄膜材料建立准确的物理模型,以减小系统的计算误差;

  ④引入能够同步进行数据获取和数据处理的控制系统,并利用优化算法,较快得出薄膜系统待求参量,以提高椭偏仪的测量速度,增强椭偏仪的在线检测和控制功能。

 

2004-12-19 浏览次数:6978次
本文来源:https://www.yiqi.com/daogou/detail_1849.html
热门标签: 椭偏仪的发展历史|趋势椭偏仪的原理|结构椭偏仪的应用|特点|选购
同类型导购:

椭偏仪产品导购

椭偏仪产品资料

椭偏仪产品问答

椭偏仪产品厂家

最新资讯

官方微信

仪器网微信服务号

扫码获取最新信息


仪器网官方订阅号

扫码获取最新信息

在线客服

咨询客服

在线客服
工作日:  9:00-18:00
联系客服 企业专属客服
电话客服:  400-822-6768
工作日:  9:00-18:00
订阅商机

仪采招微信公众号

采购信息一键获取海量商机轻松掌控