椭偏仪：原理、应用与分类详解

椭偏仪：原理、应用与分类详解

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。通过测量光在介质表面反射前后偏振态的变化，可以获得材料的光学常数和结构信息。本文将详细介绍椭偏仪的工作原理、应用和分类等内容。

椭偏仪

概述

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。
椭圆偏振测量技术（椭偏测量技术）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。自从1887年，德鲁德提出椭偏理论，建立了世界上第一套实验装置并成功地测量了18种金属的光学常数起，1945年，Rothen第一次提出了椭偏仪一词。之后，椭偏仪有了很大的发展，被广泛应用于薄膜测量这一领域。

工作原理

椭偏仪的结构及光路如图1所示，椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程，介质表面作用会引起前后偏振态（椭偏参数 ψ振幅比和 Δ相位差）变化，通过获得材料的光学常数和结构信息。

偏振光波通过介质时与介质发生相互作用，这种相互作用将改变光波的偏振态，测出这种偏振态的变化，进而进行分析拟合，得出我们想要的信息。
用薄膜的椭圆函数ρ表示薄膜反射线形成椭圆偏振光的特性，即
式中:tanψ表示反射光的两个偏振分量的振幅系数之比，ψ称偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量。
rp和rs的数学表达式可以用Maxwell方程在不同材料边界上的电磁辐射推到得到。
其中ϕ0是入射角，ϕ1是折射角。入射角为入射光束和待研究表面法线的夹角。通常椭偏仪的入射角范围是45°到90°。这样在探测材料属性时可以提供最佳的灵敏度。每层介质的折射率可以用下面的复函数表示：
通常n称为折射率，k称为消光系数。这两个系数用来描述入射光如何与材料相互作用。它们被称为光学常数。实际上，尽管这个值是随着波长、温度等参数变化而变化的。当待测样品周围介质是空气或真空的时候，N0的值通常取1.000。
通常椭偏仪测量作为波长和入射角函数的ρ的值（经常以ψ和∆或相关的量表示）。一次测量完成以后，所得的数据用来分析得到光学常数，膜层厚度，以及其他感兴趣的参数值。如下图所示，分析的过程包含很多步骤。
可以用一个模型（model）来描述测量的样品，这个模型包含了每个材料的多个平面，包括基底。在测量的光谱范围内，用厚度和光学常数（n和k）来描述每一个层，对未知的参数先做一个初始假定。椭偏仪数据处理模型的建立是至关重要的一步 ,如果不能建立一个与参数匹配良好的模型，前面的测试就毫无意义，甚至如果建立一个错误的模型 ,其结果将与真实值南辕北辙。

应用

椭偏仪可应用于纳米光学薄膜厚度、材料光学常数、纳米结构关键尺寸等分析表征：半导体：半导体薄膜，如介电/金属薄膜，AlGaN、ZnO等宽禁带半导体材料；集成电路：周期性纳米结构，如光刻掩模光栅结构，纳米压印结构，刻蚀深沟槽结构等；平板显示：LCD、OLED新型平板显示中有机、无机多层薄膜结构等；光伏太阳能：硅、多元化合物、有机化合物、聚合物等光伏薄膜材料；新材料、新物理现象研究：材料光学各向异性、退偏效应、电光效应、光弹效应等。

分类

椭偏仪 全自动光谱椭偏仪 成像椭偏仪（成像椭圆偏振技术）激光单波长椭偏仪
1、根据椭偏仪的工作原理，主要分为消光式和光度式两类。
（1）消光式椭偏仪
典型的消光式椭偏仪如图所示，它包括光源、起偏器P、补偿器C、检偏器A和探测器几大类装置。消光式椭偏仪的工作原理是通过起偏器和检偏器，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最小。从而由这组消光角得出椭偏参量Y和D。
PCSA消光式椭偏仪结构图
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产生的误差较小。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。为了实现其自动化，逐渐采用光电倍增管等光电式探测器。
把光弹调制器引入到PCSA结构的消光式椭偏仪中，研制出了相位调制的消光式椭偏仪。该椭偏仪将起偏器和光弹调制器固定在一起，并使起偏器的快轴和光弹调制器的光轴之间的夹角为45°，使用消色差的l/4波片作为补偿器，波片的方位角为45°或-45°。通过测量起偏器和检偏器的方位角得出系统的椭偏参量。
因为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，故而产生系统误差因素较少。但测量时需读取或计算偏振器件的方位角，这样一来便影响了测量速度。所以消光式椭偏仪主要用于对测量速度要求不高的场合，例如高校实验室。而在工业上主要使用的是光度式椭偏仪。
（2）光度式椭偏仪
光度椭偏仪的原理是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（PME）。第一台自动光度式椭偏仪是由Kent和Lawson设计的旋转检偏器型椭偏仪。旋转偏振器件型椭偏仪的缺点是：旋转部件造成系统不稳定，方位角偏差。因此其测量精度不高。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一样。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；缺点是调制器容易受到温度的影响。光度式椭偏仪测量速度比消光式椭偏仪快，特别适合用于实时测量等工业应用领域。
相位调制型椭偏仪（PME）结构图
2、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。
（1）“零”偏振型椭偏仪
其一般结构如下：
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。测量过程缓慢且难以做分光测试，但比较精确，系统误差较小。
（2）偏振调制型椭偏仪
其一般结构如下：
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，典型的可达到50khz的高速。由于调制器对环境温度有很强的敏感性，因而仪器标定的稳定性较差。
（3）回转元件型椭偏仪
种类椭偏仪有两种结构方案：
①回转起偏器椭偏仪（RPE），其一般结构如下：
光源→连续回转起偏器→样品→检偏器→探测器
②回转检偏器椭偏仪（RAE），其一般结构如下：
光源→起偏器→样品→连续回转检偏器→探测器
RAE和RPE各有特点。在RPE系统中，单色仪置于起偏器之后，可以抑制环境光的影响，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)。

选型指南

1、根据研究或测试的材料特性来确定光谱范围，进一步选择适合光源的椭偏仪。对于透明材料，考虑关心的折射率光谱区域；对于短波吸收、长波透明材料，如果关心吸收区域折射率及膜厚可扩展到红外透明区域来先确定薄膜厚度，然后求解折射率。
光源椭偏仪的理想光源是强度稳定，从紫外到近红外整个波长范围内输出近似为常数，目前大多选用氦或Hg。氦灯是比较合理的，但是它在uv(低于260nm)强度较弱，而在880~1010nm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、入射角方式选择。多角度测量增加可靠性，但不是总有必要。多角度最适用于以下几种场合：多层膜结构、吸收膜、各项异性膜、光学常数沿厚度梯度分布的膜等
3、考虑测量准确性与重度性。仪器重复性定义为仪器多次测量的结果的比较，比较容易定义与比较。一般的测准确性时将空气作为标准样品（没有其他理想的标准样品）。
4、比较分析软件。椭偏测量是一种非直接测量模式，数据需要拟合分析得来，所以分析软件的好坏将直接影响到分析结果。