橢偏儀是一種基于橢圓偏振分析的光學(xué)測(cè)量?jī)x器，通過(guò)探測(cè)偏振光與樣品相互作用后偏振態(tài)的變化，獲取材料的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)信息。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

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光譜橢偏法如何測(cè)定折射率?

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Ψ的振蕩具有特定的振幅

除了厚度信息，數(shù)據(jù)振蕩的形狀取決于薄膜的折射率。Ψ的振蕩曲線，其振幅具有特定值：通過(guò)振蕩振幅可確定薄膜的準(zhǔn)確折射率。圖中展示了不同折射率對(duì)應(yīng)的振蕩振幅差異，可直觀體現(xiàn)這一關(guān)系。

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光譜橢偏法可測(cè)量哪些類型的涂層?

橢偏儀可測(cè)量多種類型的薄膜，對(duì)材料類型無(wú)嚴(yán)格限制，只需滿足“光可從其表面反射”這一條件。若涂層表面過(guò)于粗糙，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光束散射、無(wú)法被探測(cè)器接收，此時(shí)無(wú)法進(jìn)行光譜橢偏測(cè)量。

光譜橢偏法的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括：測(cè)量電介質(zhì)、有機(jī)物、半導(dǎo)體甚至金屬層；測(cè)量各向同性或各向異性、均勻或具有折射率梯度的涂層；甚至可測(cè)量多層結(jié)構(gòu)（由不同材料的薄膜組成）。需注意的是，若需測(cè)定厚度，光需能夠穿透薄膜到達(dá)下方基底并反射回探測(cè)器。

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光譜橢偏法能否測(cè)量吸收性薄膜?

光譜橢偏法已成功應(yīng)用于多種吸收性薄膜的測(cè)量。若需測(cè)定吸收性薄膜的厚度，薄膜需足夠薄（通常< 50nm），以避免測(cè)量光束在穿透薄膜前被完全吸收。此外，還需考慮吸收性薄膜的未知參數(shù)數(shù)量。

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變?nèi)肷浣牵╒ASE）光譜橢偏測(cè)量有哪些優(yōu)勢(shì)?

橢偏測(cè)量通常在接近布儒斯特角的斜入射角下進(jìn)行。早期橢偏儀強(qiáng)調(diào)布儒斯特角的重要性，因其在該角度下測(cè)量效果最佳；但對(duì)于采用補(bǔ)償器的現(xiàn)代橢偏儀，布儒斯特角的重要性已大幅降低，不過(guò)斜入射角下仍能觀察到最顯著的偏振態(tài)變化。光譜橢偏測(cè)量的典型入射角范圍為50°-75°。

常規(guī)的厚度與折射率測(cè)量?jī)H需單入射角即可完成；但隨著樣品復(fù)雜度提高，對(duì)多入射角的需求會(huì)增加。對(duì)于厚度 > 1 微米（μm）的厚膜、折射率梯度薄膜、各向異性材料及復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)，建議采用2-3 個(gè)入射角測(cè)量。即便樣品無(wú)需多入射角測(cè)量，額外的入射角數(shù)據(jù)也可增強(qiáng)模型解的可信度。

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什么是原位光譜橢偏法?

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in situ（原位）源自拉丁語(yǔ)，意為“在原位”。對(duì)于橢偏法而言，原位測(cè)量指“樣品置于專用腔室或池體中時(shí)進(jìn)行的測(cè)量”。原位橢偏測(cè)量需滿足以下條件：將橢偏儀與工藝腔室 / 池體連接（薄膜在 ALD 腔室內(nèi)沉積，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的逐層生長(zhǎng)過(guò)程）或?qū)⒐に嚽皇?/ 池體安裝在橢偏儀底座上（實(shí)現(xiàn)薄膜動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的原位測(cè)量）。

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光譜橢偏法與分光光度測(cè)量相比有何不同?

光譜橢偏法（SE）與分光光度法（R/T，即反射 / 透射測(cè)量）均為光學(xué)測(cè)量技術(shù)：光譜橢偏法測(cè)量偏振態(tài)變化，而分光光度法測(cè)量反射或透射光的強(qiáng)度。兩種技術(shù)常互補(bǔ)使用，結(jié)合后可獲取更多吸收性薄膜的信息。

光譜橢偏法具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

對(duì)超薄薄膜的高靈敏度：光譜橢偏法可獲取相位（?）信息，這對(duì)非常薄的表面膜（<10nm）高度敏感；

左：反射儀數(shù)據(jù)；右：橢偏法對(duì)同類薄膜厚度變化的靈敏度

常規(guī)反射儀系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)的測(cè)量精度通常無(wú)法優(yōu)于0.1%，因此無(wú)法通過(guò)反射率測(cè)量捕捉超薄薄膜厚度的微小變化（反射率精度可能高于0.1%，但厚度測(cè)量精度需依賴數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性）；而典型橢偏儀對(duì)Ψ和?的測(cè)量精度分別可達(dá)0.02°和0.1°以上，甚至可輕松捕捉亞埃級(jí)（sub-Angstrom）的薄膜厚度變化。

測(cè)量穩(wěn)定性：橢偏法通過(guò)測(cè)量參數(shù)比值確定光的偏振態(tài)，而非測(cè)量絕對(duì)光強(qiáng)，因此在光強(qiáng)較低或波動(dòng)時(shí)仍能保持較高的測(cè)量準(zhǔn)確性。

無(wú)需校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：分光光度法（反射測(cè)量）需測(cè)量絕對(duì)光強(qiáng)，因此需使用 “經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品” 才能實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，且需長(zhǎng)期維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)樣品以確保測(cè)量準(zhǔn)確性；而橢偏法無(wú)需此類校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

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為何光譜橢偏儀系統(tǒng)在光學(xué)設(shè)計(jì)中采用補(bǔ)償器?

UVPLUS SE橢偏儀系統(tǒng)均集成補(bǔ)償器，用于調(diào)控光的偏振態(tài)。在橢偏儀設(shè)計(jì)中采用補(bǔ)償器具有多重優(yōu)勢(shì)，包括：對(duì)任意樣品均能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；可測(cè)量全范圍的Ψ（0-90°）和?（0°-360°）；可測(cè)定退偏振；可測(cè)量穆勒矩陣的更多元素。

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器：通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品前方或后方的補(bǔ)償器，持續(xù)調(diào)整延遲量，從而可同時(shí)采集多種偏振態(tài)下的光譜橢偏數(shù)據(jù)。該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)是兼容電荷耦合器件（CCD）探測(cè)：可在極短時(shí)間（如幾分之一秒）內(nèi)并行讀取全光譜數(shù)據(jù)。目前尚無(wú)其他技術(shù)能在 1 秒內(nèi)完成數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)的高精度光譜橢偏測(cè)量。

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什么是退偏振?

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光譜橢偏測(cè)量的核心是確定光從樣品表面反射或透射后的偏振態(tài)變化。在理想的測(cè)量系統(tǒng)與樣品條件下，入射光與探測(cè)光均為完全偏振光；但實(shí)際測(cè)量中，系統(tǒng)或樣品會(huì)導(dǎo)致部分光變?yōu)榉瞧窆?/strong>，這種現(xiàn)象稱為退偏振，退偏振程度用“變?yōu)榉瞧窆獾谋壤?/strong>表示。

僅配備補(bǔ)償器的橢偏儀系統(tǒng)可測(cè)定退偏振：Flexfilm全光譜橢偏儀可以測(cè)量關(guān)于樣品或測(cè)量系統(tǒng)的退偏振信息。測(cè)量系統(tǒng)引入的退偏振主要源于“角度展寬”“帶寬效應(yīng)”或兩者共同作用；樣品引入的退偏振則通常與“樣品不均勻”或“基底背面反射”相關(guān)。

退偏振測(cè)量具有重要應(yīng)用價(jià)值：可量化非理想樣品（如不均勻薄膜、圖案化層）的影響；可表征透明基底上的薄膜：若光從基底背面反射并返回探測(cè)器，會(huì)與薄膜表面反射光產(chǎn)生非相干疊加，導(dǎo)致測(cè)量光束退偏振，通過(guò)退偏振數(shù)據(jù)可量化這種背面反射的影響。

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什么是穆勒矩陣?

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穆勒矩陣可完整描述鏡面反射樣品與光的相互作用。與僅能描述偏振光的瓊斯矩陣（Jones matrix）不同，穆勒矩陣可同時(shí)描述偏振光、部分偏振光甚至非偏振光。穆勒矩陣為4×4矩陣，用于表征光的反射或透射過(guò)程：入射光與出射光的偏振態(tài)均通過(guò) 4 元素斯托克斯矢量（Stokes vectors）描述。

配備補(bǔ)償器的橢偏儀可測(cè)量穆勒矩陣 16 個(gè)元素中的 12 個(gè)；若在樣品前后均安裝補(bǔ)償器，則可測(cè)量全部 16 個(gè)元素。不過(guò)，穆勒矩陣存在大量冗余信息，無(wú)需測(cè)量全部元素即可完成常見(jiàn)樣品的完整表征。

若測(cè)量光為完全偏振光，僅需測(cè)量 Ψ 和?兩個(gè)參數(shù)；即便樣品存在退偏振，也僅需測(cè)量穆勒矩陣的 3 個(gè)元素；對(duì)于“各向異性 + 退偏振”樣品，獨(dú)立參數(shù)數(shù)量增至 7 個(gè)。對(duì)于更復(fù)雜的樣品，可通過(guò)穆勒矩陣元素觀察樣品引起的交叉偏振與散射效應(yīng)。

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選擇光譜橢偏儀時(shí)應(yīng)考慮哪些因素?

選擇符合需求的橢偏儀，最佳方式是咨詢專業(yè)人士，公司的應(yīng)用工程師已接觸過(guò)幾乎所有類型的橢偏應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合豐富的產(chǎn)品線，可針對(duì)任意應(yīng)用為客戶提供優(yōu)質(zhì)技術(shù)支持

在比較不同的橢偏儀時(shí)，建議重點(diǎn)考慮以下因素：

波長(zhǎng)范圍：可測(cè)量的波長(zhǎng)數(shù)量與范圍，是橢偏儀能否解決薄膜測(cè)量問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

入射角范圍：多數(shù)樣品可通過(guò)單入射角測(cè)量；若樣品為多層結(jié)構(gòu)、各向異性材料或復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能需要多入射角，具體可咨詢工程師。

測(cè)量速度：若需進(jìn)行原位測(cè)量或樣品多點(diǎn)均勻性掃描，測(cè)量速度至關(guān)重要。

精度：多數(shù)橢偏儀的測(cè)量精度與準(zhǔn)確度遠(yuǎn)超用戶常規(guī)需求。例如，柵氧化層厚度的測(cè)量精度通常可達(dá)0.003nm以上。

技術(shù)類型：橢偏儀的核心技術(shù)本身并非直接關(guān)注點(diǎn)，但技術(shù)類型決定了其波長(zhǎng)范圍、速度、精度等關(guān)鍵特性。

功能擴(kuò)展性：需結(jié)合應(yīng)用需求，考慮橢偏儀是否支持后續(xù)升級(jí)以滿足未來(lái)需求。典型配件包括：用于均勻性掃描的樣品平移臺(tái)、液體池、溫度臺(tái)、聚焦光斑附件，以及波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展模塊。

價(jià)格：橢偏儀系統(tǒng)的價(jià)格跨度較大，從簡(jiǎn)易配置到高端配置均有可選，可滿足不同預(yù)算需求。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問(wèn)題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Ellipsometry FAQ》

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