椭偏仪的工作原理是什么?椭偏仪在各工业的应用有哪些?
椭偏仪的工作原理是什么?
椭偏仪的结构及光路,椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程,介质表面作用会引起前后偏振态(椭偏参数 ψ振幅比和 Δ相位差)变化,通过获得材料的光学常数和结构信息。
偏振光波通过介质时与介质发生相互作用,这种相互作用将改变光波的偏振态,测出这种偏振态的变化,进而进行分析拟合,得出我们想要的信息。
用薄膜的椭圆函数ρ表示薄膜反射线形成椭圆偏振光的特性,即
式中:tanψ表示反射光的两个偏振分量的振幅系数之比,ψ称偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量。
rp和rs的数学表达式可以用Maxwell方程在不同材料边界上的电磁辐射推到得到。
其中ϕ0是入射角,ϕ1是折射角。入射角为入射光束和待研究表面法线的夹角。通常椭偏仪的入射角范围是45°到90°。这样在探测材料属性时可以提供最佳的灵敏度。每层介质的折射率可以用下面的复函数表示:
通常n称为折射率,k称为消光系数。这两个系数用来描述入射光如何与材料相互作用。它们被称为光学常数。实际上,尽管这个值是随着波长、温度等参数变化而变化的。当待测样品周围介质是空气或真空的时候,N0的值通常取1.000。
通常椭偏仪测量作为波长和入射角函数的ρ的值(经常以ψ和∆或相关的量表示)。一次测量完成以后,所得的数据用来分析得到光学常数,膜层厚度,以及其他感兴趣的参数值。如下图所示,分析的过程包含很多步骤。
可以用一个模型(model)来描述测量的样品,这个模型包含了每个材料的多个平面,包括基底。在测量的光谱范围内,用厚度和光学常数(n和k)来描述每一个层,对未知的参数先做一个初始假定。椭偏仪数据处理模型的建立是至关重要的一步 ,如果不能建立一个与参数匹配良好的模型,前面的测试就毫无意义,甚至如果建立一个错误的模型 ,其结果将与真实值南辕北辙。
椭偏仪在各工业的应用有哪些?
1、可用于实验室研究,教学,在线制程监控,工业品质控制等应用。
2、半导体行业:硅的氧化物和氮化物,高和低k介质、多晶和非晶硅薄膜,光刻胶。
3、光学涂覆工业:高、低折射率薄膜如SiO2,TiO2,Ta2O5,MgF2,等。4、显示行业:导电层(如ITO),非晶硅薄膜、有机薄膜(OLED技术)。5、数据存储产业:类金刚石薄膜。6、R&D工序:薄膜沉积的原位表征(速率和光学常数)对应工艺条件的变化值,适用于MBE、MOCVD、ALD、溅射等。7、化学和生物:亚-单层材料吸附液体中的细胞实验检测。8、工业:在线监测和控制薄膜的厚度。
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