橢圓偏振光譜儀橢圓偏振光

橢圓偏光法是一種非接觸式、非破壞性的薄膜厚度、光學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)。橢偏法測(cè)量的是電磁光波斜射入表面或兩種介質(zhì)的界面時(shí)偏振態(tài)的變化。橢偏法只測(cè)量電磁光波的電場(chǎng)分量來確定偏振態(tài)，因?yàn)楣馀c材料相互作用時(shí)，電場(chǎng)對(duì)電子的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)的作用。

折射率和消光系數(shù)是表征材料光學(xué)特性的物理量，折射率是真空中的光速與材料中光的傳播速度的比值N=C/V；消光系數(shù)表征材料對(duì)光的吸收，對(duì)于透明的介電材料如二氧化硅，光完全不吸收，消光系數(shù)為0。N和K都是波長的函數(shù)，但與入射角度無關(guān)。

橢偏法通過測(cè)量偏振態(tài)的變化，結(jié)合一系列的方程和材料薄膜模型，可以計(jì)算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光系數(shù)）K。

橢偏法測(cè)量具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)能測(cè)量很薄的膜(1nm)，且精度很高，比干涉法高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)是一種無損測(cè)量，不必特別制備樣品，也不損壞樣品，比其他精密方法如稱重法、定量化學(xué)分析法簡(jiǎn)便。

(3)可同時(shí)測(cè)量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作為分析工具使用。

(4)對(duì)一些表面結(jié)構(gòu)、表面過程和表面反應(yīng)相當(dāng)敏感，是研究表面物理的一種方法。

半導(dǎo)體的橢圓偏振光譜

橢偏術(shù)(橢圓偏振光測(cè)量技術(shù))的工作原理雖然建立在經(jīng)典電磁理論上，但卻有原子層級(jí)的靈敏度．近年來，橢偏術(shù)有了新發(fā)展．橢圓偏振光譜把橢偏術(shù)從單波長測(cè)量擴(kuò)展成光譜測(cè)量，既保存了原有特點(diǎn)： 如非破壞性測(cè)量、原子層靈敏度、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單等，又增加了新內(nèi)容和能力．第一，它從單波長變到多波長，可定出被測(cè)物質(zhì)的色散關(guān)系，從而提供對(duì)電子能譜結(jié)構(gòu)等的了解；第二， 由于它獲取更多信息，使橢偏術(shù)發(fā)展成為精細(xì)定量分析技術(shù)，可應(yīng)用于測(cè)定空間非均勻分布、結(jié)構(gòu)分析、界面分析及粗糙面分析等方面，不再必須用理想的體樣品或薄膜樣品了，可以對(duì)不均勻、各向異性、有結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行較精細(xì)的分析。

我們近年來測(cè)量的橢偏光譜是在紫外及可見光范圍，波長為2600—8600

離子注入硅的損傷分布

半導(dǎo)體樣品在離子注入過程中引起輻照損傷，過去測(cè)定輻照損傷主要用背散射技術(shù)等，橢偏術(shù)也是一種近期發(fā)展起來檢測(cè)損傷的方法。過去，單波長橢偏術(shù)需要與剖層技術(shù)結(jié)合，才能定出損傷分布．近來我們采用橢偏光譜結(jié)合剖層技術(shù)，可更準(zhǔn)確地定出As注入Si的損傷分布(見圖4)，并找出確定損傷分布的最合適波長，不是常用的6328 \dot{A}，而是3600—5000

橢偏儀涉及領(lǐng)域有：半導(dǎo)體、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光學(xué)鍍膜、平板顯示器、科研、生物、醫(yī)藥等 。

早期的研究主要集中于偏振光及偏振光與材料相互作用的物理學(xué)研究以及儀器的光學(xué)研究。計(jì)算機(jī)的發(fā)展使橢偏儀在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。硬件的自動(dòng)化和軟件的成熟大大提高了運(yùn)算的速度，成熟的軟件提供了解決問題的新方法，因此，橢偏儀已被廣泛應(yīng)用于研究、開發(fā)和制造過程中。

橢偏儀可測(cè)的材料包括：半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物、有機(jī)物、金屬、多層膜物質(zhì)…

偏振光橢圓率測(cè)量?jī)x所需的組件包括：①把非偏振光轉(zhuǎn)化為線性偏振光的光學(xué)系統(tǒng)；②把線性偏振光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光的光學(xué)系統(tǒng)；③樣品反射；④測(cè)量反射光偏振特性的光學(xué)系統(tǒng)；⑤測(cè)量光強(qiáng)度的探測(cè)器；⑥根據(jù)假設(shè)模型計(jì)算結(jié)果的計(jì)算機(jī)，如圖2所示。

匯聚束技術(shù)：匯聚束技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)錐形光束，入射角最小到40°，最大70°。探測(cè)器有多個(gè)像素可以同時(shí)處理測(cè)量角度范圍內(nèi)的光線。從最大或最小角度反射來的光靠近束斑的邊緣，所得的結(jié)果可能無意義，因此可以裁減掉相應(yīng)的像素。而且匯聚束技術(shù)的最小束斑可以到5×10μm，可用于測(cè)量非常小的圖形。

在光譜橢偏儀的測(cè)量中使用不同的硬件配置，但每種配置都必須能產(chǎn)生已知偏振態(tài)的光束，測(cè)量由被測(cè)樣品反射后光的偏振態(tài)，這要求儀器能夠量化偏振態(tài)的變化量ρ。

有些儀器測(cè)量ρ是通過旋轉(zhuǎn)確定初始偏振光狀態(tài)的偏振片（稱為起偏器），再利用第二個(gè)固定位置的偏振片（稱為檢偏器）來測(cè)得輸出光束的偏振態(tài)。另外一些儀器是固定起偏器和檢偏器，而在中間部分調(diào)制偏振光的狀態(tài)，如利用聲光晶體等，最終得到輸出光束的偏振態(tài)。這些不同配置的測(cè)量示意圖的最終結(jié)果都是測(cè)量作為波長和入射角復(fù)函數(shù)ρ，如圖3所示。

在選擇合適的橢偏儀的時(shí)候，光譜范圍和測(cè)量速度通常也是一個(gè)需要考慮的重要因素?？蛇x的光譜范圍從深紫外到紅外，光譜范圍的選擇通常由應(yīng)用決定，不同的光譜范圍能夠提供關(guān)于材料的不同信息，合適的儀器必須和所要測(cè)量的光譜范圍匹配。

橢圓偏光法涉及橢圓偏振光在材料表面的反射。為表征反射光的特性，可分成兩個(gè)分量：P和S偏振態(tài)，P分量是指平行于入射面的線性偏振光，S分量是指垂直于入射面的線性偏振光。菲涅耳反射系數(shù)r描述了在一個(gè)界面入射光線的反射。P和S偏振態(tài)分量各自的菲涅耳反射系數(shù)r是各自的反射波振幅與入射波振幅的比值。大多情況下會(huì)有多個(gè)界面，回到最初入射媒介的光經(jīng)過了多次反射和透射?？偟姆瓷湎禂?shù)Rp和Rs，由每個(gè)界面的菲涅耳反射系數(shù)決定。Rp和Rs定義為最終的反射波振幅與入射波振幅的比值。

圖1給出了橢偏儀的基本光學(xué)物理結(jié)構(gòu)。已知入射光的偏振態(tài)，偏振光在樣品表面被反射，測(cè)量得到反射光偏振態(tài)（幅度和相位）．計(jì)算或擬合出材料的屬性。

根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器；新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器。經(jīng)典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調(diào)制光譜儀是非空間分光的，它采用圓孔進(jìn)光。

根據(jù)色散組件的分光原理，光譜儀器可分為：棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。光學(xué)多道分析儀OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十幾年出現(xiàn)的采用光子探測(cè)器(CCD)和計(jì)算機(jī)控制的新型光譜分析儀器，它集信息采集，處理，存儲(chǔ)諸功能于一體。由于OMA不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之后的一系列繁瑣處理，測(cè)量工作，使傳統(tǒng)的光譜技術(shù)發(fā)生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率；使用OMA分析光譜，測(cè)量準(zhǔn)確迅速，方便，且靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，光譜分辨率高，測(cè)量結(jié)果可立即從顯示屏上讀出或由打印機(jī)，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用于幾乎所有的光譜測(cè)量，分析及研究工作中，特別適應(yīng)于對(duì)微弱信號(hào)，瞬變信號(hào)的檢測(cè)。

光譜儀的種類很多，分類方法也很多，根據(jù)光譜儀所采用的分解光譜的原理，可以將其分成兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀是建立在空間色散（分光）原理上的儀器；新型光譜儀是建立在調(diào)制原理上的儀器，故又稱為調(diào)制光譜儀。

經(jīng)典光譜儀依據(jù)其色散原理可將儀器分為：棱鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀、 干涉光譜儀。

根據(jù)光譜儀器所能正常工作的光譜范圍，光譜儀可分為：