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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橢偏儀測(cè)量什么?

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橢偏儀利用偏振光來(lái)表征薄膜和塊體材料。當(dāng)光與樣品結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。測(cè)量結(jié)果通常表示為兩個(gè)值：Ψ和Δ。然后通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)來(lái)確定感興趣的材料特性。

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什么是Ψ和Δ？

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Ψ和?是橢偏儀的原始測(cè)量參數(shù)，用于描述測(cè)量光束與樣品表面相互作用后偏振態(tài)的變化。入射光束包含兩種電場(chǎng)分量：平行于入射面（p偏振）和垂直于入射面（s 偏振）的電場(chǎng)。

已知入射偏振態(tài)（p面電場(chǎng)、s面電場(chǎng)）；光束經(jīng)樣品反射；測(cè)量出射偏振態(tài)（p面電場(chǎng)、s面電場(chǎng)）。

樣品表面會(huì)對(duì)p偏振光和s偏振光產(chǎn)生差異化作用，導(dǎo)致出射光偏振態(tài)改變。這種改變可通過(guò)振幅比（tanΨ）和相位差（?）共同表征，其關(guān)系如下：

Rp和Rs分別為p偏振光和s偏振光的菲涅爾反射系數(shù)

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為什么橢偏儀測(cè)量需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析？

橢偏儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)值 Ψ 和 Δ，它們與光和樣品相互作用產(chǎn)生的偏振變化相關(guān)。Ψ 和 Δ 本身提供的信息有限。我們真正需要確定的是樣品的膜厚、光學(xué)常數(shù)、折射率、表面粗糙度等物理特性。這些特性是通過(guò)將測(cè)量值（Ψ 和 Δ）代入各種方程和算法中，生成一個(gè)描述光與樣品相互作用的模型來(lái)獲得。更多詳細(xì)信息請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)分析或橢偏測(cè)量相關(guān)資料。

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為什么需要在多個(gè)波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)量？

光譜橢偏儀的多波長(zhǎng)測(cè)量具有多重優(yōu)勢(shì)，包括：獲得唯一解；提高對(duì)材料特性的靈敏度；獲取目標(biāo)應(yīng)用所需波長(zhǎng)下的數(shù)據(jù)。

獲得唯一解

（a）單波長(zhǎng)橢偏儀測(cè)量周期性與多解性示意圖（b）單波長(zhǎng)多解與光譜響應(yīng)唯一性對(duì)比圖

提升橢偏儀性能最簡(jiǎn)便的方法之一，是增加測(cè)量波長(zhǎng)的數(shù)量和范圍，每個(gè)新波長(zhǎng)都能提供關(guān)于樣品特性的額外信息。早期橢偏儀采用激光進(jìn)行單波長(zhǎng)測(cè)量，僅能獲取Ψ和?兩個(gè)參數(shù)，因此最多只能確定兩個(gè)未知的樣品特性。即使是 “已知襯底上的單層薄膜” 這一簡(jiǎn)單場(chǎng)景，也無(wú)法通過(guò)單波長(zhǎng)測(cè)量唯一確定薄膜厚度和折射率；若薄膜具有吸收性、梯度特性或表面粗糙，還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差。

即便對(duì)于 “理想透明薄膜”，單波長(zhǎng)橢偏儀測(cè)量的周期性也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)可能解。這些可能的厚度值按 “厚度周期” 分布，需通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷才能確定正確解。

而光譜橢偏儀可通過(guò)多波長(zhǎng)測(cè)量對(duì)薄膜厚度進(jìn)行“超定求解”：盡管折射率具有波長(zhǎng)依賴性，但薄膜厚度是固定值。例如，100 個(gè)波長(zhǎng)可產(chǎn)生 200 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) 1 組 Psi、?），而未知參數(shù)僅 101 個(gè)。因此，光譜測(cè)量能快速消除 “周期性問(wèn)題”，排除錯(cuò)誤解，僅保留唯一正確解。

提高對(duì)材料特性的靈敏度

硅薄膜結(jié)晶度與紫外吸收特性關(guān)系圖

特定材料特性的測(cè)量通常需要特定波長(zhǎng)范圍。例如：

透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜的導(dǎo)電性會(huì)在紅外波段表現(xiàn)出強(qiáng)吸收，并延伸至近紅外波段，可見(jiàn)光波段無(wú)法測(cè)量其導(dǎo)電性，但可用于確定薄膜厚度；

分子鍵合信息僅在中紅外波段可獲取，因?yàn)樵摬ǘ蔚牡皖l光可使材料中的原子發(fā)生振動(dòng)；

紫外光譜常與電子躍遷相關(guān)，可反映材料結(jié)構(gòu)信息（如硅薄膜的紫外吸收形態(tài)可用于判斷其結(jié)晶度：非晶態(tài)硅的吸收峰較寬且無(wú)臨界點(diǎn)特征，結(jié)晶度越高，紫外吸收特征越明顯）。

具備寬光譜覆蓋能力的光譜橢偏儀（SE）可同時(shí)利用所有波長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，因此當(dāng)前 SE 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是覆蓋更寬的波長(zhǎng)范圍、包含更多波長(zhǎng)點(diǎn)。

獲取目標(biāo)應(yīng)用所需波長(zhǎng)下的數(shù)據(jù)

許多應(yīng)用需要特定波長(zhǎng)下的光學(xué)特性數(shù)據(jù)：

半導(dǎo)體行業(yè)的光刻技術(shù)需在紫外波段進(jìn)行橢偏儀測(cè)量；

顯示行業(yè)關(guān)注可見(jiàn)光波段；

光學(xué)涂層需在其設(shè)計(jì)波長(zhǎng)（可見(jiàn)光、近紅外甚至中紅外波段）下測(cè)量。

Flexfilm全光譜橢偏儀的波長(zhǎng)覆蓋范圍為280-1050 nm，靈活性極高，幾乎可滿足所有應(yīng)用需求。

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光譜橢偏儀如何確定薄膜厚度？

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（a） 薄膜厚度與相位延遲關(guān)系示意圖（b）不同厚度SiO?薄膜的Psi 曲線對(duì)比圖

光譜橢偏儀對(duì)薄膜厚度極為敏感。隨著薄膜厚度增加，“樣品表面反射光”與“穿透薄膜后反射的光”之間的光程差會(huì)增大，由此產(chǎn)生的相位延遲與薄膜的物理厚度和折射率均相關(guān)。因此，光譜橢偏儀測(cè)量數(shù)據(jù)中包含可精確確定薄膜厚度和折射率的信息。

光譜橢偏儀通過(guò)“干涉振蕩的位置和數(shù)量”獲取厚度信息。不同厚度 SiO?薄膜的Psi 曲線：隨著厚度T增加，干涉振蕩向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移。

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光譜橢偏儀可確定的最小厚度是多少？

硅襯底上超薄氧化層的 SE 相位數(shù)據(jù)圖

光譜橢偏儀對(duì) “幾分之一納米” 量級(jí)的表面層具有極高靈敏度，這種靈敏度主要源于相位（?）的變化。然而，對(duì)于這類(lèi)超薄層，光線與薄膜的相互作用信號(hào)不足以同時(shí)確定其厚度和折射率。因此，最穩(wěn)妥的做法是先假設(shè)一個(gè)近似折射率（通常通過(guò)測(cè)量較厚薄膜獲?。?/strong>，再單獨(dú)確定其厚度。在少數(shù)情況下，也可實(shí)現(xiàn)超薄層厚度與折射率的同時(shí)表征。

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光譜橢偏儀可測(cè)量的最大厚度是多少？

光譜橢偏儀測(cè)量的最大厚度上限取決于測(cè)量波長(zhǎng)。薄膜厚度增加時(shí)，短波長(zhǎng)下的大量數(shù)據(jù)振蕩難以分辨，而長(zhǎng)波長(zhǎng)下的振蕩分離度更高。因此，通常采用近紅外或中紅外波段測(cè)量厚度達(dá) 50μm 的薄膜。

但需注意，50μm 已超出光譜橢偏儀（SE）的典型測(cè)量范圍，且此時(shí)薄膜均勻性的影響會(huì)顯著增大。對(duì)于大多數(shù) “可見(jiàn)光-近紅外” 測(cè)量，推薦的最大厚度上限為 5μm；即使是 1~5μm 的薄膜，也建議采用多入射角測(cè)量，以確保厚度解的唯一性。

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(mén)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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