椭圆偏振仪讲稿1
椭圆偏振仪讲稿.ppt
• Ferroelectic thin films such as BaxSr(1-x)TiO3,
Pb xZr(1-x)TiO3 system.
• Nitride doping α-DLC thin films. • TiO2 doping Polymide namometer materials. • SOI material and device. • ZnS-Ag-ZnS multilayers thin films. • Pb-Sr-Se semiconductor thin film on BaF2 substrate. • SnO2 on glass substrate
聚合物材料
SnO2 材料
光学梯度膜的测量
• Si基底上生长的SiC或Si3N4薄膜特点
Graded Film Substrate
Substrate
SiC薄膜所息
2 graded(sic_cauchy)/void 1 sic_cauchy 0 si_vuv
椭圆偏振仪的局限性
模型的任意性，变量之间的相关性， 数据分析过程有时会很复杂，最终结 果取决于分析人员的判断。
变角度光谱椭圆偏振仪
• 型号：W-VASE with AutoRetarderTM • 生产厂家：美国J.A.Woollam 公司 • 性能指标：
光谱范围：240-1100nm连续可调 光谱分辨率：0.5nm 光束直径：1mm 光束发散角：0.05o 测量速度：每个波长1-2s
S-P坐标系中电磁波的电场分量描述
Erp rp 0
Eip
Ers = 0 rs = Eis
则有rp= Erp / Eip，rs= Ers/ Eis
椭圆偏光仪(Ellipsometry)
橢圓偏光儀的應用
在半導體、物理、化學、材料、生物、機械、 冶金和生物醫學工程中廣泛應用
半導體、光學薄膜、晶圓、金屬、介電薄膜、 玻璃及有機薄膜等，另外也可應用於介電、非 晶半導體、聚合物薄膜及薄膜生長過程的即時 監控等量測
可以用來測量薄膜的偏振特性及色散特性，特 別是可研究薄膜生長的初始階段，並用以計算 分子層的厚度及密度等。在其量測的精確度及 高速且非破壞性量測等特性下，無論在產業應 用上或基礎學術研究上都有非常廣的應用層面
橢圓偏光儀種類
一種為歸零式的消光法(null elliposmeter)，如 圖二(a)所示，利用旋轉橢圓儀中光學元件的 角度 使其偵測到的光訊號強度最小，再根據 這些光學元件之角度計算出Δ與Ψ
一種為相位調制光度量測法(photometric ellipsometer)，如圖二(b)所示，利用相位調制 技術，將其中之光學元件加入調制訊號，然後 利用鎖相放大技術來處理所得之光強度，再經 由傅利葉分析求得Δ與Ψ
橢圓偏光儀無法直接測量樣品的物理參數，必 須藉由一模型來描述樣品的物理性質，以數值 分析求得實際樣品的物理參數
因此數值分析方法亦決定橢圓偏光儀量測的準 確性及應用的範圍
對比較單純的結構可以等比級數的公式計算 當考慮多層膜結構時，由於各層間皆有交互作
用，無法利用級數法來求解，必須利用遞迭的 方式，一層層地以電腦程式計算穿透係數及反 射係數。
儀器結構
光源：為單一波長的雷射光或白光產生 器附加單光儀以調變所需的波長
偏光片：光源一般為非偏極光，因此需 藉一偏光片，將光源轉成線性偏極光
補償片：通常為四分之一波片，其功能 在於確定入射於分析片之前的光為線性 偏極光
分析片：結構同偏光片，用於分析反射 光之極化現象
椭圆偏振光和圆偏振光ppt课件
(no
ne )d
4
这时相应地相位差为
2
(no
ne )d
2
则两束光通过晶片后叠加的结果是一正椭圆偏振光，其厚度为 d 4(no ne )
此时，如果再使=/4，则Eo=Ee，通过晶片的光即成为圆 偏振光。
使o光和e光的光程差等于四分之一波长的晶片成为四分之 一波片。显然，四分之一波片是对特定波长而言的。
光就是椭圆偏振光。椭圆偏振光可以看成是两个偏振方向互 相垂直、频率相同、有一定相位差的线偏振光的合成.
迎着光的传播方向看，若光矢量沿顺时针方向转动，称为 右旋椭圆偏振光，反之称为左旋的。
2. 圆偏振光
在椭圆偏振光中，如果两个分振动的光振幅相等，即 E0x=E0y, 而且两个分振动的相位差2-1=/2，此时 椭圆轨迹变为圆，这样的光就是圆偏振光。
3. 椭圆偏振光的获得
图中P为偏振片，C为单轴晶片，与P平行放置，其厚度为 d，主折射率为no和ne，光轴平行于晶面并与p的偏振化方 向成夹角。
单色自然光通过偏振片P成为线偏振光，其振幅为E，光振动 方向与晶片光轴的夹角为。此线偏振光垂直射入晶片C后，
产生双折射，o光振动垂直于光轴，振幅为 Eo E sin
当入射到检偏器上的光是圆偏振光或椭圆偏振光时，随着 检偏器的转动，对于圆偏振光，其透射光强将和自然光的 情况一样，光强不变化；对于椭圆偏振光，其透射光强的 变化和检验部分偏振光是的情况一样。因此，仅用检偏器 观察光强的变化，无法将圆偏振光和自然光区分开来；同 样也无法将椭圆偏振光和部分偏振光分开。
圆偏振光和自然光或者椭圆偏振光和部分偏振光的根本区 别是相位关系的不同。圆偏振光和椭圆偏振光是由两个有确 定相位差的互相垂直的光振动合成的，合成光矢量作有规律 的旋转。而自然光和部分偏振光在不同振动面上的光振动是 彼此独立的，因而表示它们的两个互相垂直的光振动之间没 有恒定的相位差。根据这一区别就可以将它们区分开。
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率演示课件
实验操作
将1/4波片快轴转到+450位置 仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗，
即检流计值最小。计下A、P的刻度值，测得两组消 光位置数值 将1/4波片快轴转到-450位置 重复2的工作。
其中：A分别取大于900和小于900 两种情况。
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测试结果点
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和 称为椭圆偏参量(椭圆偏角)
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和的物理意义
光的复数形式 EEexpi() 反射前后p和s分量的振幅比 ta nErpEis/ErsEip
反射前后p和s分量的位相差 (rp r)s(ipis )
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问题的简化
入射光为等幅椭圆偏振光 Eis / Eip 1
反射光为线性偏振光 rprs0()
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简化目的
ta n Erp/Ers 恰好是反射光p和s的幅值比,通过 检偏器角度A可求;
(ipis)0() 为光经过膜位相的改变,可通 过起偏器的角度P求得
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简化条件的节起偏器的角度就可以使入射光的位相差连
续可调.
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仪器校准
•自准法调光路水平和共轴 •利用布儒斯特角调节检偏器 •利用检偏器和起偏器的关系调节起偏器 •确定1/4波片
一束自然光经偏振器变成偏振光,再经过1/4波 片使它变成椭圆偏振光入射在待测膜上;
反射时,光的偏振状态发生变化;
通过检测这种变化,便可推算出待测膜面的膜 厚度和折射率.
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多光反射示意图
p s
d
n1 n2 n3
椭偏仪讲义
用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率一 实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二 实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三 实验原理：椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。
椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的14波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。
根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。
设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为d 、折射率为n 的透明各向同性的膜层。
光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p 分量及垂直于入射面的s 分量。
入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。
利用多光束干涉的理论，得p 分量和s 分量的总反射系数12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-（1） 其中242cos dn πδϕλ=（2）是相邻两反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。
光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比p s R R 来表征。
在椭圆偏振法中，用椭偏参量ψ和∆；来描述反射系数比，其定义为：tan exp()p s i R R ψ∆= （3） 在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出ψ和∆，原则上应能解出d 和n 。
然而，从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆的具体形式。
因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下(,)~(,)d n ψ∆的关系图表，待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。
椭圆偏振仪
椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率原理：He-Ne 激光（6328Å）经起偏器产生线偏振光，再经1/4波片转化为等幅椭圆偏振光，以一定入射角φ入射到样品的表面。
调节起偏角P ，可以使反射光变成线偏振光。
此时，可以用检偏器通过消光判断出来。
反射系数比参数Ψ和Δ可以通过此时的起偏角P 和检偏角A 求出来。
而Ψ和Δ只与样品的厚度d 入射角φ、介质折射率n 1（空气）n 2（薄膜）n 3（衬底）有关，与起偏角P 无关。
因此，若已知n 1，n 3，φ，就可以通过Ψ和Δ计算出d 和n 2。
通常，已经通过计算制定好了Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表。
测量步骤：1．将入社筒和反射筒置于70度。
2．打开激光器电源。
将样品放置在样品台上，调节样品台是激光反射进反射筒，在观察窗看到明亮的激光。
3．将1/4波片调至45度并锁定。
4．反复交替调节起偏角P 和检偏角A ，直至消光。
读出消光点的起偏角P 1和检偏角A 1。
5．调至另外一组消光点P 2，A 2可以通过关系式 221π≈-P P 21A A -≈ 很快找到另外一组消光点。
6．计算Ψ和Δ11227．查Ψ，Δ～n ，d 的图表或者数表，求出n 和d 的值。
椭圆偏振仪的校准1．对准光轴将入射筒和反射筒置于0度，调节镜筒的方向调节螺丝使激光入射到反射筒的中央。
2．光学镜片的校准（1）将入射筒和反射筒置于0度，1/4波片和起偏器刻度盘至于0度并锁死，检偏器刻度盘置于±90度并锁死，卸下1/4波片。
（2）松开镜片固定螺钉，将起偏器镜片标志线（偏振方向）旋至竖直方向；调节检偏器波片至消光（检偏器标志线大约在水平方向）（3）装上1/4波片，调节1/4波片方向（标志线大约在竖直方向）至消光。
（4）固定所有镜片的固定螺钉。
（5）用标准样品试测厚度，检验校准的正确性。
（6）校准的关键问题：保证起偏器出来的线偏振光的偏振方向是竖直的，这样才能保证1/4波片出来的是等幅椭圆偏振光。
椭圆偏振光谱-1
图3.
图4.
• WinEli—II软件模拟中的结构模型均按照相同原则建 立，即基片采用自行建立的K9基片NK模型，第一层 薄膜层则采用数据库中的相应材料的色散模型，大 致厚度从镀膜过程中的参数计算得出，第二层采用 数据库中空气层(层数由下至上)。 • HfO2薄膜拟合结果如图5。实线是测量的原始数据， 虚线是拟合曲线，由图5可知，测量结果和拟合结果 的吻合度达到95％以上，认为拟合结果真实准确， 得到HfO2薄膜的厚度为0.6102μm。
（SE Spectroscopic Ellipsometry）
一.定义
椭圆偏振光谱测量是研究薄膜或块体材料 光学性能的重要手段，具有测量精度高、对 样品无破坏性、可原位测量以及对被测对象 及环境要求低等优点，可同时测量薄膜的厚 度、折射率和消光系数。
二.原理
椭偏技术是一种测定入射光被样品 反射(或透射)后偏振状态变化的光 学方法。它通过测量被测对象(样 品)反射出光线的偏振状态的变化 情况来研究被测物质的性质。
图5.
• Hf02物理膜采用Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型，表 达式如式(5)、(6)： Ɛr=A+Bλ2+Cλ4 (5) Ɛi=Dλ+Eλ3+Fλ5 (6) 且Ɛr=n2—k2 ，Ɛi=2nk。 • 薄膜的折射率拟合测量结果如图6所示。
图6.
四.ห้องสมุดไป่ตู้论
• 我们采用反射式宽光谱椭偏仪测量电子束蒸 发制备HfO2薄膜的椭偏光谱，利用Sellmeier 和Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型对椭偏光谱进行拟 合分析。结果表明，在300～800nm波段范 围内Sellmeier和Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型均能 较好地描述HfO2薄膜的光学性能，同时证实 了薄膜的光学常数大小与薄膜表面结构有关。
椭圆偏振仪的原理及其应用
椭圆偏振仪的原理及其应用1. 椭圆偏振仪的原理椭圆偏振仪是一种用于测量光的偏振特性的仪器。
它主要基于两个原理：斯托克斯矩阵和椭圆参数。
1.1 斯托克斯矩阵斯托克斯矩阵是描述光偏振状态的一种数学表示方法。
它由四个参数组成：S0、S1、S2和S3。
其中，S0表示光的总强度，S1和S2表示偏振态的强度和方向，S3表示偏振轴的旋转。
1.2 椭圆参数椭圆参数是另一种描述光偏振状态的方法。
它由两个参数组成：椭圆的短轴和长轴。
2. 椭圆偏振仪的应用椭圆偏振仪在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了其中一些主要的应用。
2.1 光学材料表征椭圆偏振仪可以用来测量光学材料的偏振特性。
通过测量材料的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以了解材料的光学性质，例如透射率、反射率和吸收率等。
这对于研究光学材料的性能和开发新的光学器件非常重要。
2.2 光纤传感器椭圆偏振仪可以作为光纤传感器的检测器。
通过测量光纤中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数的变化，我们可以监测到光纤周围环境的特性。
这可以用于温度、压力、湿度等参数的监测，也可以用于检测光纤中的损伤和故障。
2.3 生物医学领域椭圆偏振仪在生物医学领域中也有广泛的应用。
例如，它可以用于测量生物组织的偏振特性，从而帮助诊断和治疗一些疾病。
此外，椭圆偏振仪还可以用于检测药物的成分和浓度，以及研究细胞和组织的结构和功能。
2.4 光通信和光储存椭圆偏振仪可以用于光通信和光储存领域。
通过测量光纤或光器件中传输的偏振光的斯托克斯矩阵或椭圆参数，我们可以优化光信号的传输和存储效率。
这对于提高光通信和光储存系统的性能非常重要。
2.5 光谱分析椭圆偏振仪还可以用于光谱分析。
通过测量光的偏振特性，我们可以了解物质的结构和成分。
这对于化学分析、材料研究和环境监测等应用非常有意义。
3. 总结椭圆偏振仪是一种重要的光学仪器，它可以测量光的偏振特性，并应用于各种领域。
通过了解椭圆偏振仪的原理和应用，我们可以更好地理解光的性质，提高光学仪器的性能，以及开发出更多的应用。
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•
重复性：ψ+/-0.015o，Δ+/-0.08o(与测量条件有关) 入射角：20-90oC连续可调，重复性优于0.005o X-Y移动台：150mm×150mm 主要附件配置： 光谱扩展系统： UV—200nm，NIR—1700nm。 聚焦系统：光斑可达直径200μm或更小(400-100nm)。 自动相位补偿器：实现0-360o范围内准确测量Δ。 固定角度垂直样品架 液体样品池
0
2000 Distance fromSubstrate in
4000
6000
8000
多层膜的测量
• ZnS-Ag-ZnS多层膜的椭偏仪拟合结果ψ和∆
（Appl. Surf. Sci.v.183 (1-2), p103-110, Nov. 12 2001 ）
Ag、ZnS的n和k随λ变化曲线
模型的选择
现阶段工作
• SiC , Si3N4 thin films. • Ferroelectic thin films such as BaxSr(1-x)TiO3, Pb xZr(1-x)TiO3 system. • Nitride doping α-DLC thin films. • TiO2 doping Polymide namometer materials. • SOI material and device. • ZnS-Ag-ZnS multilayers thin films. • Pb-Sr-Se semiconductor thin film on BaF2 substrate. • SnO2 on glass substrate
S-P坐标系中电磁波的电场分量描述
E rp rp 0 Eip E rs = 0 rs = E i s 则有rp= Erp / Eip，rs= Ers/ Eis 设入射电场分量与坐标轴成45o则Eip=Eis tan(ψ)ejΔ=rp/rs =ρ(N0,N1,N2,d1,φ0,λ) =Erp/ Ers， 其中tan(ψ)为电场反射分量的振幅比，Δ为两 者的相位差。
拟合结果
• 梯度光学特性（EMA=-14.44，说明该材料的光
学梯度由基底到样品表面折射率是梯度增大）
Depth P rofile of Optical Constants at 500nm
4.5
In d e x o f re fra c tio n n' '
4.0
n
3.5
3.0
2.5
2.0 -2000
基本结构
椭圆偏振仪是一种偏振态探测设备， 椭偏仪假设被探测光线为100%偏振光 （线偏振、圆偏振或椭圆偏振）。 一般结构为： 光源→起偏器→样品→检偏器→探测器
仪器类型
• “零”偏振型 • 偏振调制型 • 回转元件型：回转起偏、回转检偏
RPE特点
单色仪置于起偏器之后，可抑制环 境光的影响，但存在光源残余偏振造 成的数据误差，且旋转起偏器可能造 成光束在样品上移动。
EMA、Srough层定义
• EMA层的百分比反映
了界面层中上下层的 质量百分比
• Srough层定义为50%的
top layer和50%的void
结
论
变角度变波长椭圆偏振仪主要用于 测量多层膜的膜厚和光学特性，是一种 用于薄膜无损分析的智能化仪器，其精 度可达纳米数量级，是目前用于确定近 紫外、可见光、近红外波长区域内薄膜 光学常数的首选技术。
椭圆偏振仪
金承钰
上海交通大学分析测试中心
（上海市华山路1954号，中国上海，200030）
工作原理
入射光入射任何介质 Transmission=IT/IO Reflection=IR/IO
椭圆偏振测量术是研究两媒质间界面或薄膜中发生的 现象及其特性的一种光学方法，基于利用偏振光束在 界面和薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化。
椭圆偏振仪的局限性
模型的任意性，变量之间的相关性， 数据分析过程有时会很复杂，最终结 果取决于分析人员的判断。
变角度光谱椭圆偏振仪
• 型号：W-VASE with AutoRetarderTM • 生产厂家：美国J.A.Woollam 公司 • 性能指标：
光谱范围：240-1100nm连续可调 光谱分辨率：0.5nm 光束直径：1mm 光束发散角：0.05o 测量速度：每个波长1-2s
RAE特点
可消除光源残余偏振造成的任 何误差，但需系统在暗室中工作。
典型的椭圆偏振仪的操作和数据处理过程
Power Up→Verify →Alignment→Calibra tion→Acquire Data→Analysis (Model→Fit→Results)
最小均方差
MSE 1 2N M
主要应用
• 测量薄膜膜厚及其光学常数，如折射率、
消光系数、吸收系数、复介电函数等 • 测定材料的多层结构和表面粗糙度 • 研究梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度， 光学常数的梯度变化 • 测量镀碳磁盘的碳层厚度和光学常数以及 润滑层的厚度和表面粗糙度
• 无损研究与气态、液态周围媒质接触的表
面分子或原子的物理、化学吸附状态 • 研究处于各种不同环境中的半导体及金属 表面的氧化问题及其成分分析 • 现场深入研究电极-电解液界面过程，并可 和其它常规电化学测量方法同步进行 • 研究血凝过程、薄膜抗原-抗体的免疫反应、 电吸附免疫试验和细胞表面的材料测定等 • 研究固体的辐射探伤，表征介电材料和半 导体材料制备过程中造成的表面机械损伤
• ZnS膜层用的是Cauchy和Urbach模型
Cauchy色散关系： n(λ)=A+B/λ2+C/λ4 Urbach吸收模型： К(λ)=AКexp[BК(1.24(1/λ-1/CК))] • Ag膜层用的是Lorentz模型 Lorentz色散关系-谐振子模型： ε=ε∞+（4πe2/m）∑[Nj/（ωj2-ω2）-iГjω]
N
i 1
exp mod i i exp ,i
exp ,i
mod i
2
exp i
2
1 2N M
2
模型拟合
• Cauchy色散关系模型 • Herzinger-JohsTM参数 • Lorentz • Drude • Gaussian • Harmonic • Tauc-Lorentz色散关系-谐振子等模型 • Urbach吸收模型
聚合物材料
SnSi基底上生长的SiC或Si3N4薄膜特点
G ra de d Film S ub stra te
S ub strate
SiC薄膜所用的Graded模型
拟合结果
• 膜厚信息
2 graded (sic_cauchy)/void 1 sic_cauchy 0 si_vuv 7659.8 0 1 mm