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椭偏技术和成像椭偏技术介绍

椭圆偏振技术

椭圆偏振技术是测量检测薄膜的介电性质(复折射系数或介电函数)、膜厚以及表面形貌的一种光学测量技术。

椭圆偏振技术已经在许多不同领域的得到应用,从半导体物理学,微电子学和生物学,从基础研究到工业应用。椭圆偏振技术是一个非常敏感的测量技术,在薄膜度量方面具有无可比拟的优势和特点。像其他光学技术一样,光谱椭圆偏振测量技术是非接触式,并且无损的。

分析自被测试样表面反射光束的椭圆偏振状态的变化,椭圆偏振测量技术可以探测到比测量光线波长小得多的膜厚信息,甚至下降到单个原子薄层的信息。椭圆可以探测复折射指数或介电函数张量,这可获得基本的物理参数和相关的各种样品的性能,包括形态,晶体质量,化学成分,或电导率。它通常用来表征厚度为从几埃(A)或10纳米(nm)到几个微米(μm)不等的单层薄膜或复杂的多层薄膜堆叠,并且具有非常好的精度。

“椭圆偏振技术”的名字起源于绝大多数光线的偏振状态是椭圆偏振状态。这项科学技术被科学界掌握利用已经近一个世纪,并且有许多标准的应用实例和商业化仪器。然而,椭圆偏振技术正在引起其他学科,如生物学和医药研究人员越来越多的兴趣,相关的研究人员发现利用椭圆偏振技术可以实现生物芯片和生物传感器的检测,并且成像型的椭圆偏振技术还可以和成像表面等离子共振(SPR)联用。这些研究领域给椭圆偏振技术带来了新的研究热点和挑战,如在不稳定状态下液体表面的测量和显微成像技术。


成像椭圆偏振技术

将传统的椭圆偏振技术的探测器更换成CCD相机可以实现成像椭圆偏振技术。

成像椭圆偏振技术提供样品的实时对比度的图像,它同样提供了薄膜厚度和折射率的信息。先进的成像椭圆偏振技术以传统的消光型椭圆偏振法则运行,并且提供实时椭圆偏振对比度成像。成像型椭圆偏振技术通常采用单波长椭圆偏振技术配置,通常以单波长激光作为光源。激光光束在通过一个线性偏光镜(P)和一个四分之一波板(C)之后获得椭圆偏振态。该椭圆偏振态的光束在经被测样品(S)反射,通过一个工作距离较长的物镜,并且通过分析镜(A)到CCD相机上成像。在此PCSA配置中,控制线性偏光镜P和四分之一波板C的角度方向使得椭圆偏振态的光束在经过样品反射之后得到完全的线偏振光。当分析镜A偏振方向与经过试样表面反射之后得到的线性偏振光的偏振角度垂直时,获得完全的破坏性干涉,这时为椭圆偏振消光条件,即CCD相机检测到光通量的绝对最小状态。 获得椭圆偏振消光条件时线性偏光镜P,四分之一波板C和分析镜A的角度和反射样品表面的光学性质相关。与计算机化的光学建模测量数据的分析,导致空间分辨的薄膜厚度和复杂的折射率值扣除。通过计算机化的光学模型分析被测数据可以计算得到薄膜厚度和复折射指数在空间上的分布图。这就是成像椭圆偏振技术。


原位椭圆偏振技术


原位椭圆偏振技术是指对样品的变化过程进行动态椭圆偏振测量。这个过程可以是,例如,生长的薄膜,蚀刻或清洗的一个样品。在原位椭圆偏振测量中,可以确定基本的过程参数,如生长或蚀刻率,随着时间的推移光学性质的变化。在原位椭圆偏振测量中需要考虑一些额外的因素:不像是通常直接曝露在外的非原位测试样品,原位测试的样品通常都在各种过程腔体内,检测需要光线通过这些腔体的光学窗口进行。因此,需要对机械装置进行调整,其中可能包括增加额外的重定向或聚焦光束的光学元件(反射镜,棱镜,或物镜)。因为过程中的环境条件可能非常苛刻,椭圆偏振测试设置的敏感光学元件必须从热区分开。最简单的例子就是通过光学窗口进行检测,但是要考虑应变导致光学(玻璃)窗口的双折射,或者使之最小化。此外,样品可能高温下进行测试,这意味着光学部件在高温下不同的光学性质。尽管所有这些问题,作为过程控制技术原位椭圆偏振技术在薄膜沉积和变化等过程中变得越来越重要。原位椭圆偏振仪,可以是单波长或光谱型。光谱型原位椭圆偏振仪使用多通道探测器,例如CCD探测器,同时测量获得在光谱范围内各个波长的椭圆偏振测试数据。


优点:

比较标准的反射强度测量椭圆偏振测试有很多优势:

椭圆偏振技术在光谱的每个波长至少测试两组数据。如果应用广义椭偏椭圆偏振技术可以在每个波长的测量到16个参数。

椭圆偏振技术测量强度比而不是纯粹光的强度。因此,椭圆偏振技术受光源不稳定或大气吸收的影响较小。

勿需参比试样测试。

介电函数(或复折射指数)的实部和虚部分可以同时获得,而没有必要进行克拉默斯 - 克罗尼格分析。

椭圆偏振技术特别适用于研究各向异性样品的反射率测量。


2018年4月2日 10:47
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