橢偏儀是一種用于探測(cè)薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器。橢偏儀通過(guò)測(cè)量光在介質(zhì)表面反射前后偏振態(tài)變化，獲得材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)信息，具有測(cè)量精度...[查看全部]

橢偏儀從1945年問(wèn)世以來(lái)，人們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里，無(wú)論在理論上或應(yīng)用上都做了大量工作，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種新型的智能化的儀器裝置，以適應(yīng)當(dāng)前薄膜科學(xué)的發(fā)展。

1887年，Drude第一次提出橢偏理論，并建立了第一套實(shí)驗(yàn)裝置，成功地測(cè)量了18種金屬的光學(xué)常數(shù)。1945年，Rothen第一次提出了“Ellipsometer”(橢偏儀)一詞。之后，橢偏儀有了長(zhǎng)足發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于薄膜測(cè)量領(lǐng)域。

根據(jù)工作原理，橢偏儀主要分為消光式和光度式兩類。在普通橢偏儀的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了橢偏光譜儀、紅外橢偏儀、成像橢偏儀和廣義橢偏儀。

消光式橢偏儀包括光源、起偏器P、補(bǔ)償器C、檢偏器A和探測(cè)器。消光式橢偏儀通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，找出起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器的一組方位角(P、C、A)，使入射到探測(cè)器上的光強(qiáng)最小。由這組消光角得出橢偏參量Y和D。

在橢偏儀的發(fā)展初期，作為唯一的光探測(cè)器，人眼只能探測(cè)到信號(hào)光的存在或消失，因而早期橢偏儀的類型都是消光式。

早期的消光式橢偏儀起偏器和檢偏器的消光位置為手動(dòng)控制，系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間為數(shù)十分鐘。如需獲得大批測(cè)量數(shù)據(jù)，例如多入射角測(cè)量，手動(dòng)控制消光式橢偏儀所需時(shí)間太長(zhǎng)，橢偏儀的自動(dòng)化就十分必要了。一種自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案是用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)起偏器和檢偏器，但是該方案仍舊需要用眼觀測(cè)刻度盤讀數(shù)，并未實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化。

消光式橢偏儀實(shí)際上測(cè)量的是角度而不是光通量，光源的不穩(wěn)定性和探測(cè)器的非線性所導(dǎo)致的誤差較小。早期的消光式橢偏儀直接用人眼作為探測(cè)器，由于人眼對(duì)光的“零”信號(hào)非常敏感，使得消光式橢偏儀的精度可以達(dá)到亞納米量級(jí)。1945年Rothen制作的消光式橢偏儀對(duì)薄膜厚度的測(cè)量精度可達(dá)到0.03nm。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，探測(cè)系統(tǒng)逐漸采用光電倍增管等光電探測(cè)器。光電探測(cè)器在小光強(qiáng)時(shí)的信噪比較低，將會(huì)增大偏振器件方位角的測(cè)量

橢偏儀是利用橢圓偏振術(shù)對(duì)透明薄膜進(jìn)行無(wú)損測(cè)量的一種儀器，它是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通過(guò)菲涅耳公式得到光學(xué)參數(shù)和偏振態(tài)之間的關(guān)系來(lái)確定光學(xué)薄膜折射率和厚度。

橢偏儀是一種偏振態(tài)測(cè)試設(shè)備。假設(shè)所用的探測(cè)光為100%的偏振光(線偏振、圓偏振或橢圓偏振光)。橢偏儀從光源開(kāi)始到探測(cè)器，其間可以配置各種光學(xué)元件，根據(jù)光學(xué)元件配置的不同可以有三種型式的橢偏儀結(jié)構(gòu)：零偏振型、偏振調(diào)制型和回轉(zhuǎn)元件型等。

“零”偏振型橢偏儀：

零偏振型橢偏儀一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→起偏器→補(bǔ)償器→樣品→檢偏器→探測(cè)器

為了進(jìn)行測(cè)試，起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器調(diào)整到“零”(消化)。通常手動(dòng)完成，橢偏儀測(cè)量過(guò)程緩慢且難以作分光測(cè)量，但是比較精確，系統(tǒng)誤差較小。

偏振調(diào)制型橢偏儀：

偏振調(diào)制型橢偏儀一般結(jié)構(gòu)如下所示：光源→起偏器→調(diào)制器→樣品→檢偏器→探測(cè)器

調(diào)制器是反映時(shí)間與延滯的關(guān)系，典型的可以達(dá)到50kHz的高速。高速調(diào)制理論上能達(dá)到很快的數(shù)據(jù)采集(每點(diǎn)10ms)。為了達(dá)到滿意的信噪比，要求高能光源(如激光)或較長(zhǎng)的積分時(shí)間。信噪比是與測(cè)量時(shí)收集到多少光子有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)分光測(cè)量必須對(duì)每一波長(zhǎng)調(diào)整調(diào)制幅度。由于調(diào)制器對(duì)環(huán)境溫度有很強(qiáng)的敏感性，因而橢偏儀標(biāo)定的穩(wěn)定性較差。

回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀：

回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀是總有一個(gè)偏振元件以10~60Hz的速度回轉(zhuǎn)。上述兩種橢偏儀結(jié)構(gòu)在起偏器后包括有一個(gè)延滯元件。如果只用二個(gè)偏振元件(起偏器和檢偏器)，其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)性能近似于理想，在寬光譜區(qū)域接近消色(1：1000000)，而且比較容易安裝和調(diào)整;缺點(diǎn)則是當(dāng)△接近0°或180°時(shí)靈敏度較低(當(dāng)然偏振調(diào)制型在ψ接近45°時(shí)也會(huì)損失靈敏度)?；剞D(zhuǎn)元件型基本上克服了上述缺點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)型橢偏儀加上自動(dòng)位相補(bǔ)償器在0~36°范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測(cè)量△。

回轉(zhuǎn)元件型橢偏儀可以有兩種結(jié)構(gòu)方案：

①回轉(zhuǎn)起偏

橢偏儀是一種用于探測(cè)薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器。橢偏儀通過(guò)測(cè)量光在介質(zhì)表面反射前后偏振態(tài)變化，獲得材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)信息，具有測(cè)量精度高、非接觸、無(wú)破壞且不需要真空等優(yōu)點(diǎn)。

1、橢偏儀測(cè)量的對(duì)象廣泛，可以測(cè)量透明膜，無(wú)膜固體樣品，多層膜，吸收膜和眾多性能不同、厚度不同、吸收程度不同的薄膜，甚至是強(qiáng)吸收的薄膜。

2、被測(cè)量的薄膜大小尺寸可以很小，只要1mm即可測(cè)量，小于光斑的大小。

3、橢偏儀方式靈活，既可以測(cè)量反射膜，也可以測(cè)量透射膜。

4、橢偏儀測(cè)量的速度很快。

5、在各種粒子束分析測(cè)試技術(shù)中，光束引起的表面損傷以及導(dǎo)致的表面結(jié)構(gòu)改變是最小的。

6、在橢偏光譜中，被測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)信息(電子的、幾何的)是蘊(yùn)含在反射(或透射)出來(lái)的偏振光束中，通過(guò)光束本身與物質(zhì)相互作用前后產(chǎn)生的偏振狀態(tài)(振幅、相位)的改變反映出來(lái)。

7、橢偏儀測(cè)量精度高。橢偏光譜的工作原理雖然建立在經(jīng)典電磁波理論上，但實(shí)際上它有原子層級(jí)的靈敏度。對(duì)薄膜的測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到1nm，相當(dāng)于單原子層的厚度。

8、非苛刻性測(cè)量。樣品可以是塊體材料與薄膜，由于它可測(cè)得物質(zhì)在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)介電函數(shù)的實(shí)部和虛部，信息量較多，可對(duì)固體樣品作精細(xì)分析。

9、橢偏儀能同時(shí)分別測(cè)量出幾個(gè)物理量。橢偏光譜可直接得到光學(xué)常數(shù)的實(shí)部和虛部，不需要K-K關(guān)系。

隨著應(yīng)用與需求的擴(kuò)大，橢偏儀可以應(yīng)用到物理、化學(xué)、材料學(xué)、微電子技術(shù)、薄膜技術(shù)、冶金學(xué)、天文學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等方面。

1、固體薄膜光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量：

應(yīng)用橢偏儀可對(duì)單層吸收膜、雙層膜及多層膜進(jìn)行測(cè)量，得到材料的光學(xué)常數(shù)折射率N和吸收系數(shù)K，進(jìn)而得到其介電常數(shù)。近年來(lái)橢偏儀也實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子注入損傷分布的測(cè)量、超晶格、粗糙表面、界面的測(cè)量。

2、物理吸附和化學(xué)吸附：

用橢偏儀在現(xiàn)場(chǎng)且無(wú)損地研究過(guò)與氣態(tài)、液態(tài)周圍媒質(zhì)