椭偏仪的研究进展
椭偏仪实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换. 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。
结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
实验目的1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理.2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法.使用仪器椭偏仪平台及配件 、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、四分之一波片等.实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后,光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的.通常,设介质层为n 1、n 2、n 3,φ1为入射角,那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉,如图(1-1)33图 1-1这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差,其中δ=λϕπ/cos 222dn ,用r 1p 、 r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数, 用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的反射系数. 由多光束干涉的复振幅计算可知:ip i p p i p p rp E e r r e r r E δϕ2212211--++= … (1) is i s s i s s rs E e r r e r r E δϕ2212211--++= … (2) 其中E ip 和E is 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，E rp 和E rs 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量.现将上述E ip 、E is 、E rp 、E rs 四个量写成一个量G,即:∆==i is ip rsrp e tg E E E E G ψ//=δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++·δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++ …(3) 我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用ψtg 和∆表示它的模和幅角.上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出:G 是变量n 1、n 2、n 3、d 、λ、1ϕ的函数(2ϕ 、3ϕ可1ϕ用表示 ) ,即f tg1-=ψ,f arg =∆ , 称ψ和∆为椭偏参数,上述复数方程表示两个等式方程: [∆i e tg ψ]的实数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++]的实数部分 [∆i e tg ψ]的虚数部分=[δϕ2212211i p p i p p e r r e r r --++δϕ2212211i s s i s s e r r e r r --++]的虚数部分 若能从实验测出ψ和∆的话,原则上可以解出n 2和d (n 1、n 3、λ、1ϕ已知),根据公式(4)~(9),推导出ψ和∆与r 1p 、r 1s 、r 2p 、r 2s 、和δ的关系:δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p pp p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2 …(10) δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg +++----…(11) 由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.若d 是已知,n 2为复数⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+-=+-=+-=+-=)9.....(..............................cos cos cos )8..(................................................../cos 42)7)......(cos cos /()cos cos ()6).......(cos cos /()cos cos ()5).....(cos cos /()cos cos ()4)......(cos cos /()cos cos (33221122332233222221122111322332232211221121ϕϕϕλϕπδϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕn n n dn n n n n r n n n n r n n n n r n n n n r s s p p的话,也可求出n 2的实部和虚部.那么，在实验中是如何测定ψ和∆的呢？现用复数形式表示入射光和反射光ip i ip ip e E E β= is i is is e E E β= rp i rp rp e E E β= rs i rs rs e E E β= (12)由式(3)和(12)，得：G=∆i e tg ψ=)}(){(//is ip rs rp i isip rsrp e E E E E ββββ--- …(13) 其中: =ψtg is ip rsrp E E E E // , ∆i e =)}(){(is ip rs rp i e ββββ--- (14)这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，1/=is ip E E ，则=ψtg rs rp E E /；对于相位角，有：)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ- (14)因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即rs rp ββ-=0或（π），则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆，可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）.四、实际检测方法①等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2)图1-2将四分之一波片置于其快轴方向f 与x 方向的夹角α为4/π的方位,E 0为通过起偏器后的电矢量,P 为E 0与x 方向间的夹角.,通过四分之一波片后, E 0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较,相位上超前2/π.⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=)4sin()4cos(02/0πππP E E P e E E s i f在x 轴、y 轴上的分量为:)4/(2/0224/sin 4/cos ππππ-=-=P i i s f x e e E E E E)4/(2/0224/cos 4/sin ππππ--=+=P i i s f y e e E E E E由于x 轴在入射面内,而y 轴与入射面垂直,故E x 就是E ip ,E y 就是E is .⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+(0)4/(02222i is P i ip e E E e E E ππ图1-3由此可见,当4/πα=时,入射光的两分量的振幅均为2/20E ,它们之间的相位差为2/2π-P ,改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光.这一结果写成:1/=is ip E E , 22πββ-=-P is ip同理, 当4/πα-=时,入射光的两分量的振幅也为2/20E ,相位差为)22(P -π.实验内容：1. 按调分光计的方法调整好主机.2. 水平度盘的调整.3. 光路调整.4. 检偏器读数头位置的调整和固定.5. 起偏器读数头位置的调整与固定.6. 4/1波片零位的调整.7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角700即望远镜转过400,并使反射光在白屏上形成一亮点.8. 为了尽量减小系统误差,采用四点测量.9. 将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后，可以利用逐次逼近法，求出与之对应的d和n ;由于仪器本身的精度的限制，可将d的误差控制在1埃左右，n的误差控制在0.01左右.参考书目：1.《椭圆偏振测量术和偏振光》[美]R.M.A.阿查姆N.M.巴夏拉著2.《中国大百科全书》I,II 中国大百科全书出版社3.《光学教程》姚启钧高等教育出版社4.《光学》赵凯华，北京大学出版社★★★★★★。
新型分析仪器：光谱椭偏成像系统研制成功
1
在中国科学院重大科研装备研制项的资助下， 力学所国家微重力实验室靳刚课题组成功研制出“光 谱椭偏成像系统”及其实用化样机。
2
该研究是利用高灵敏的光学椭偏测量术，同时结合光谱性 能及数字成像技术，具有对复杂二维分布的纳米层构薄膜样品 的快速光谱成像定量测量能力。在中科院专家组对仪器性能和 各项技术指标进行现场测试的基础上，4月1日，验收专家组一 致认为：系统为复杂横向结构的大面积多层纳米薄膜样品的快 速表征和物性分析提供了有效手段，是一种纳米薄膜三维结构 表征的新方法。
4
该系统既可应用于单光束光谱椭偏仪所覆盖的领域，也 可应用于单波长或分立波长的椭偏成像仪所涉及的领域，适 合同时需要高空间分辨和光谱分辨测量的纳米薄膜器件测量 的场合，这将为椭偏测量开拓新的应用方向。已成功应用于 “863”项目“针对肿瘤标志谱无标记检测蛋白质微阵列生物 传感器的研制”等研究工作中，并将在微/纳制造、生物膜构 造、新型电子器件、生物芯片及高密度存储器件等领域中发 挥重要作用。
5
促进专业化协作，建立以大带小、以小保大的“哑铃 型”产业结构，集中必要财力发展重点、关键领域和高新 技术产业，实现仪器仪表工业技术进步和产业升级。 —— 不断扩大仪器仪表行业的高新技术企业，积极发展一批有 技术创新能力、有特色专业产品的高新技术企业、自动化 软件公司和自动化系统集成服务公司。
谢谢观看
7
3
光谱椭偏成像系统的特点在于：信息量大，可同时测量 大面积样品上各微区的连续光谱椭偏参数，从而可以获得相 关材料物理参数(如厚度、介电函数、表面微粗糙度、合成材 料中的组分比例等)及其空间分布;空间分辨率高，对纳米薄 膜的纵向分辨和重复性均达到0.1nm、横向分辨达到微米量 级;检测速度快，单波长下获得图像视场内各微区(42万像素 以上)的椭偏参量(ψ和Δ)的采样时间达到7秒，比机械扫描式 光谱椭偏仪提高2-3个量级;结果直观，形成视场内对比测量 ，可准确定位和排除伪信号，这是单光束光谱椭偏仪所不具 备的;并且系统自动化程度高，操作简便。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告摘要：本实验利用椭偏仪仪器去测量薄膜的厚度和折射率，来反映使用者的测量结果。
实验结果表明，测量出的薄膜厚度和折射率值符合预期，经仔细分析实验结果误差解释，结果可信度得到进一步提升。
一、实验目的1、了解椭偏仪的使用及原理2、利用椭偏仪测量薄膜厚度及折射率二、基本原理椭偏仪是一种重要的折射率测量仪，它能够准确而精确地测量出光线穿过薄片时的折射率，以及光线所穿过的薄片的厚度。
椭偏仪是基于位移差原理来测量折射率的。
它采集到穿过薄膜后，光源被折射后，照射到观察板上形成一个圆形光斑，而经过椭偏仪校正器后，光斑就变成一条条短短的线条，然后将其位置与未经膜片折射的光斑位置做比较，就可以很容易地计算出折射率和厚度。
三、实验步骤1、准备实验仪器：椭偏仪仪器、薄膜。
2、调试椭偏仪：（1）检查仪器电源是否已连接；（2）检查观察系统的对焦位置是否正常；（3）在微调镜光组合上将调焦镜反转，此时光线经过校正器再照在观察系统上，就可以看见一条条短短的线条，比较其前后位置；3、将薄膜放置在光路中，调节观察台的位置，把观察台移动到朱莉可变折射率玻璃轴上；4、对准光斑，然后调节调焦镜，把观察台上的光斑放小；5、观察台上的光斑线条前后移动情况，以记录测量结果；6、得出实验结果，然后根据实验结果，计算薄膜的厚度和折射率。
四、实验结果根据实验所得数据，测得薄膜厚度为1.0μm，折射率为1.890。
（1）实验结果表明，薄膜厚度和折射率值与理论值相符合，证明椭偏仪测量结果是可信的。
（2）椭偏仪的测量结果不仅精确可靠，而且灵敏度高，数据操作简便，检测到的偏差也不大，仪器可靠性得到进一步的确立。
椭偏光谱测量及研究进展
椭偏测量物理依据II
r
Rr P rp ei(p s )
RS rs
tan ei
p s
tan rp rs
Δ和Ψ分别反映了光与物质相互作用后，P和S振动分量的
材料的宏观光学性质：折射率n和消光系数k ñ(λ) = n(λ) + ik(λ)
对于吸收介质，光的强度I(x)在固体中随距离x和 时间t传播时按以下形式衰减： I(x)=|E(x,t)|2=I(0)e-ax 上式中，a为吸收系数，它的物理意义为：当光 波的透入距离x=d1=1/a=λ0/4kπ,光的强度衰减到 原来的1/e，通常d1称为透入深度。 a=4kπ/λ0 (材料吸收特性与消光系数关系)
研究进展III：椭偏和光度法联用
吸收薄膜椭偏法拟合出现光学常数关联性的根本原 因，在于未知参数的数量大于方程数，椭偏方程无 惟一解，这直接导致了一定范围内不同的 d，n，k 组合都可产生较好的拟合结果，从而使结果离散性 大. 要解决这一问题，可以从两方面入手:第一，减 少未知数.第二，增加方程的数量，提供更多的限定 条件. 采用多入射角虽然得到了更多数据，但往往 不能提供新的限定条件，它所起的作用通常是减小 实验误差，验证拟合结果的正确性。
拟合具体过程如下:首先将分光光度计测得的透射 率T转换成 WVASE32 软件的数据格式，将其与ψ和 Δ同时设为拟合参数. 称之为SE + T 方法。
THANKS FOR ALL!!!
光的偏振及其应用
红外偏振光治疗仪将0.6μm1.6μm特定波长的光波（医学上 称为人体投射窗口），经过偏振 系统处理后产生红外偏振光（偏 振度达91%），通过不同功能的 治疗头（透镜组）和电脑控制， 将红外偏振光渗透于神经根、神 经干、神经节、经络穴位和痛点， 显著改善血液循环，使人体的亚 健康状态调整到健康水平。
实验八 椭偏仪实验
实验八SGC-2 型自动椭圆偏振测厚仪在半导体平面工艺中，SiO2薄膜是不可缺少的重要材料。
它既可以被作为杂质掩蔽、表面钝化和器件的电隔离材料，也可以用作电容器的介质和MOS管的绝缘栅介质等。
无论SiO2膜用作哪一种用途的材料，都必须准确的测定和控制它的厚度。
另外，折射率也是表征SiO2膜性质的重要参数之一，因此我们必须掌握SiO2膜厚及其折射率的测量方法。
通常测定薄模厚度的方法有比色法、干涉法、椭偏法等。
比色法可以方便的估计出氧化硅膜的厚度，但误差较大。
干涉法具有设备简单、测量方便的特点，结果也比较准确。
椭偏法测量膜厚是非破坏性测量，测量精度高，应用范围广。
它是使一束自然光经起偏器变成线偏振光。
再经1/4 波长片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜面上。
反射时，光的偏振状态将发生变化。
通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数。
我们这个实验是用椭偏法来测量SiO2膜厚度。
一、目的要求1、了解用椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理和方法；2、掌握椭圆偏振仪的使用方法，并用椭偏仪测量Si衬底上的SiO2薄膜的折射率和厚度。
二、实验仪器SGC-2 型自动椭圆偏振测厚仪，计算机三、实验原理由激光器发出一定波长(λ=6328Å)的激光束，经过起偏器后变为线偏振光，并确定其偏振方向。
再经过1/4 波长片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P 波和S 波，成为椭圆偏振光，椭圆的形状由起偏器的方位角决定。
椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，经过样品表面和多层介质（包括衬底－介质图1膜－空气）的来回反射与折射，总的反射光束一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的形状和方位改变了。
一般用Φ和Δ来描述反射时偏振状态的变化，其定义为：（1）中tgΦ的物理意义是P波和S波的振幅之比在反射前后的变化，称为椭偏法的振幅参量。
Δ的物理意义是P波和S波的相位差在反射前后的变化，称为椭偏法的相位参量。
R P和R S分别为P波初量和S波分量的总反射系数。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告实验目的：1.学习使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率。
2.了解光线在薄膜中的传播和干涉现象。
实验仪器和材料：1.椭偏仪2.微米螺旋3.干净的玻璃片4.一块薄膜样品5.直尺6.实验台7.光源实验原理：椭偏仪是一种用于测量透明物体表面薄膜的厚度和折射率的仪器。
当光线从真空进入具有一定折射率的介质中时，会发生折射和反射。
当光线垂直入射到薄膜表面时，经过多次反射和折射后会形成干涉现象。
通过观察测量光的振幅和相位差的变化，可以推导出薄膜的厚度和折射率。
实验步骤：1.将实验台安装好，并确保椭偏仪的光源正常工作。
2.用直尺测量玻璃片和薄膜样品的尺寸，并记录下来。
3.将玻璃片放在实验台上，并将椭偏仪对准玻璃片。
4.调节椭偏仪的干涉仪臂使得产生清晰的干涉条纹。
5.使用微米螺旋逐渐调整反射镜的角度，直到条纹的清晰度达到最佳状态。
6.记录下此时的微米螺旋读数，并用直尺测量薄膜样品的厚度，得到薄膜的实际厚度。
7.调节椭偏仪的角度，使得干涉条纹平行于椭偏仪的刻度线。
8.记录下此时的椭偏仪读数，并计算出薄膜的厚度。
9.重复以上步骤2-8三次，并求取平均值。
10.使用已知的材料的折射率标定椭偏仪，并根据标定值计算出薄膜样品的折射率。
实验结果：根据实验步骤中记录的数据，计算出薄膜样品的平均厚度和折射率。
实验讨论：2.在实验中，可以尝试调节椭偏仪的角度和干涉条纹的清晰度，以获得更准确的测量结果。
3.实验中使用的薄膜样品的厚度和折射率可以进一步研究其与其他因素的关系，如温度、湿度等。
实验结论：通过使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜样品的相关参数。
实验结果表明，椭偏仪是一种能够精确测量薄膜和折射率的有效工具。
通过该实验，我们可以深入理解光的干涉现象和薄膜的光学性质。
椭偏光谱测量及研究进展
椭偏光谱测量及研究进展椭偏光谱测量是一种重要的物理化学技术，用于研究和分析材料的光学性质。
它结合了光的偏振和光谱学的原理，可以提供关于样品偏振性质的详细信息。
随着技术的进步，椭偏光谱测量已经成为材料科学和化学研究领域中的重要工具。
椭偏光谱测量技术通过测量样品对偏振光的旋转和吸收来提供精确的光学信息。
这种测量可以在大范围内实现，包括可见光、近红外光和紫外光。
通过改变入射光的偏振态和波长，可以获得样品的偏振度、折射率、吸收系数等重要物理参数。
椭偏光谱测量常用于表征材料的性质，例如对溶液中化学物质的结构和浓度进行分析，研究材料的光学活性、磁光性质和超材料等。
1.多参量测量技术的发展：传统的椭偏光谱测量主要关注样品的旋光度和偏振度。
现在，人们已经开始开发多参量测量技术，包括椭圆偏振度、相移、传输矩阵等。
这些技术可以提供更全面的光学信息，进一步深入研究材料的光学性质。
2.纳米结构和纳米粒子的研究：椭偏光谱测量在纳米科学和纳米技术领域中有着重要应用。
由于纳米结构和纳米粒子的尺度效应，它们的光学性质与宏观材料有很大的差异。
椭偏光谱测量可以非常精确地研究这些差异，为纳米材料的设计和合成提供理论指导。
3.生物医学应用：椭偏光谱测量在生物医学领域中具有良好的应用前景。
通过研究生物样品的光学旋光度和偏振度，可以获得重要的生理和病理信息。
例如，可以通过椭偏光谱测量来检测肿瘤、糖尿病和其他疾病的早期诊断。
此外，椭偏光谱测量还可以用于研究生物分子的结构和动力学。
4.数据处理和分析方法的发展：椭偏光谱测量产生的数据往往非常复杂，需要复杂的数据处理和分析方法来解读。
近年来，数据处理和分析方法得到了快速发展，例如谱拟合、数据挖掘和机器学习等。
这些方法可以从庞杂的数据中提取有效的信息，加快数据分析的速度和准确性。
总的来说，椭偏光谱测量是一种重要的光学技术，具有广泛的应用前景。
通过不断地研究和改进，我们可以更好地理解材料的光学性质，探索新的物理现象和应用。
光谱椭偏仪
光谱椭偏仪
光谱椭偏仪是一种精密仪器，可以用于测量和分析光谱分布。
它最早由美国物理学家莱特曼发明，后经过不断的发展和改进，又重新出现了新的椭偏仪类型。
光谱椭偏仪的主要功能是可以把光谱分布分为几个分类，以使研究人员进一步深入研究光谱特征。
光谱椭偏仪的优点广泛，除了其主要功能外，还能够将相应的光谱和光谱反射率分析出来，以提供给研究者更多的信息。
此外，光谱椭偏仪本身也具有良好的热稳定性和安全性，可以得到准确的测量结果。
最后，光谱椭偏仪的结构简单，操作方便，也很容易实现自动化控制，是一种低廉的光学仪器。
由于光谱椭偏仪的优点，它已被广泛应用于不同的研究领域和行业，如分析化学、环境监测、航天技术、生物学、天文学和成像技术。
比如，在分析化学领域，光谱椭偏仪可用于研究某种物质的光谱特性，从而判断其组成成分；在环境监测领域，光谱椭偏仪可以用于监测大气污染物的变化情况；在航天技术领域，光谱椭偏仪是用于测量和分析地球、月球、火星等行星上空气质量的重要仪器；在生物学领域，光谱椭偏仪可以用于研究人体和其他生物体的光谱特征，从而探索其代谢规律；在天文学领域，光谱椭偏仪可以用于收集光谱数据，以研究星系星系和其他宇宙物体等；在成像技术领域，光谱椭偏仪可以用于收集各种光谱信息，以便更加准确地建立图像。
光谱椭偏仪的应用已经得到了广泛的认可，也让研究取得了重大进展。
在未来，随着科学技术和技术水平的不断提高，光谱椭偏仪将
越来越多地应用于更多的科学研究领域，以及工业和商业领域。
其准确性和可靠性将继续为不同的研究领域提供有价值的支持。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
业应用领域。但现阶段所能提供的探测器的非线性效应以及光源的不稳定性，将增
大光度式椭偏仪的系统误差。
旋转起偏器
型椭偏仪RPE
光度式椭偏 仪
旋转偏振器 件型椭偏仪
相位调制型 椭偏仪PME
旋转补偿器 型椭偏仪RCE
旋转检偏器 型椭偏仪RAE
RAE和RPE由于操作简便和成本较低，在光度式椭偏仪中占主导地位；缺点时 不能确定偏振光的椭偏旋向，在Δ接近0或π时，测量结果失去准确性。
RCE通过旋转补偿器可以确定4个斯托克斯参量，消除了RAE和RPE系统中椭 偏旋向的不确定性，测量准确具有一致性；但RCE系统对波长的选择性较强，这限 制了RCE在光谱领域中的应用。
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相同。优点是调制器频率较高，可以达到几十千赫兹， 光学元件不需转动；缺点是调制器易受温度影响。
成像椭偏仪
普通椭偏仪测量的薄膜厚度是探测光在样品表面上整个光斑内的平均厚度， 而成像椭偏仪则是利用CCD采集的椭偏图像得到样品的三维形貌及薄膜的厚度分 布，从而能够提供样品的细节信息。
成像椭偏仪的CCD成像单元，将样品表面被照射区域拍摄下来，一路信号输 出到视频监视器显示，一路信号输入计算机进行数据处理（如图5）。
• X射线法
基于探测薄膜接收到X射线后产生光子能量大小的一种方法，但测量 混合成分的薄膜或两层以上复合薄膜很困难
椭偏法
• 基于测量偏振光的相位和振幅变化 • 具有非接触性、测量精度高和非破坏性 • 可同时测定薄膜厚度和光学常数 • 可测量多层薄膜 • 测量膜厚范围广
测量原理
椭偏仪是利用偏振光测量薄膜或界面参量的仪器，它通过测量被测样品反射（或 透射）光线偏振状态的变化来获得样品参量。
Δ表示p分量和s分量的相对相位变化。椭偏参量和菲涅耳反射系数的
关系为：
RP tan ei RS
其中Rp和Rs中分别表示偏振光相对于面的平行分量和垂直分量的反 射系数。ρ由各层薄膜的折射率、消光系数和膜层厚度等参量给出。 上式可写成薄膜参量为变量的函数形式，即
tan ei f (n0 , n1,n2 ,, nk , nG , k1,k 2,, kk , kG , d1,d 2,, dk , ,0 )
广义椭偏仪
标准椭偏仪只考虑探测光的p分量和s分量各自的反射情况，所以只能用于测 量各向同性样品的参量；对于各向异性的样品，需使用广义椭偏仪（Generalized Ellipsometer）。
实现广义椭偏仪的途径有三种： a) 利用偏振器件不同方位角下的多次测量将旋转器件型椭偏仪拓展到广义 椭
偏仪； b) 利用两块分别位于起偏器后和检偏器前的补偿器，并利用不同的旋转频率； c) 利用两块具有不同调制频率的光弹调制器作为偏振器件调制器件。
光度式椭偏仪
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相同。优点是调制器频率较高，可以达到几十千赫兹，光学 元件不需转动；缺点是调制器易受温度影响。
椭偏仪
普通椭 偏仪
椭偏光 谱仪
红外椭 偏光谱
仪
成像椭 偏仪
广义段消光系数较大或厚度在几个微米以上的薄膜，其厚度和 光学常数的测量需使用红外椭偏光谱仪IRSE。红外椭偏光谱仪已经成为半导体行 业异质结构多层膜相关参量测量的标准仪器。
光学方法
• 干涉法
但当薄膜表面的反射率较低或膜层较厚时不能出现清晰条纹； 对于多层膜，由于层与层之间的干涉条纹想到交错，难于区分，故不 适用于多层膜测量
• 光谱扫描法
通过测量分析膜层的反射光谱或透射光谱曲线，得到膜层厚度、折射 率等参量，其中光谱分析通常采用极值点法，计算过程简单，速度快，但没 有考虑极值点之间的影响，故不适用于厚度较薄的膜层
其中n0为入射介质的折射率，nG、 kG分别为基底的折射率和消光系数， nk、 kk 、 dk分别为多层膜各层的折射率、消光系数和厚度，λ为入射 光波长，θ0为入射角。由椭偏仪测量椭偏参量Ψ和Δ后，通过数值反 演计算即可求出薄膜参量。
消光式椭偏仪
典型的消光式椭偏仪如图2所示，它包括光源、起偏器P、补偿器C、 样 品S 、检偏器A和探测器。消光式椭偏仪通过旋转起偏器P和检偏器A，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。由这组消光角得出椭偏参量Ψ和Δ。
如图1所示，一束已知偏振态的信号光到薄膜表面，光束与薄膜发生作用，使出 射光的偏振态发生变化（图1中由线偏振态变为椭圆偏振态）。因变化与薄膜的厚度、 折射率等能量在关，通过测量偏振态的变化，即可反学演获得薄膜参量。
测量原理
椭偏仪的测量值Ψ和Δ称为椭偏参量。椭偏参量描述了探测光束
的偏振变化，其中tan Ψ代表p分量和s分量复反射系数比的实数值，
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，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，影响了测量速度。所以消光 式椭偏仪主要适用于对测量速度没有太高要求的场合，例如高校实验室。
光度式椭偏仪
光度椭偏仪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。其测量速度比消光式椭偏仪快，特别适用于在线检测和实时测量等工
膜厚测量
膜厚测量
非光学方法
光学方法
电解法
水晶振 子法
干涉法
光谱扫 描法
X射线法
椭偏法
旋转起偏器 RPE
消光式 椭偏仪
光度式 椭偏仪
旋转偏振器 件
相位调制型椭偏仪 PME
旋转补偿器 RCE
旋转检偏器 RAE
非光学方法
• 电解法
主要用于测量金属簿膜，其电解作用容易操作样品
• 水晶振子法
主要用于物理蒸镀膜测定，膜层材料的密度需已知且不能测量多层膜