橢偏儀從1945年問世以來(lái)，人們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域里，無(wú)論在理論上或應(yīng)用上都做了大量工作，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了多種新型的智能化的儀器裝置，以適應(yīng)當(dāng)前薄膜科學(xué)的發(fā)展。

橢偏儀的發(fā)展歷史

　　1887年，Drudediyi次提出橢偏理論，并建立了diyi套實(shí)驗(yàn)裝置，成功地測(cè)量了18種金屬的光學(xué)常數(shù)。1945年，Rothendiyi次提出了“Ellipsometer”(橢偏儀)一詞。之后，橢偏儀有了長(zhǎng)足發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于薄膜測(cè)量領(lǐng)域。

　　根據(jù)工作原理，橢偏儀主要分為消光式和光度式兩類。在普通橢偏儀的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了橢偏光譜儀、紅外橢偏儀、成像橢偏儀和廣義橢偏儀。

消光式橢偏儀

　　消光式橢偏儀包括光源、起偏器P、補(bǔ)償器C、檢偏器A和探測(cè)器。消光式橢偏儀通過旋轉(zhuǎn)起偏器和檢偏器，找出起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器的一組方位角(P、C、A)，使入射到探測(cè)器上的光強(qiáng)Z小。由這組消光角得出橢偏參量Y和D。

　　在橢偏儀的發(fā)展初期，作為唯yi的光探測(cè)器，人眼只能探測(cè)到信號(hào)光的存在或消失，因而早期橢偏儀的類型都是消光式。

　　早期的消光式橢偏儀起偏器和檢偏器的消光位置為手動(dòng)控制，系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間為數(shù)十分鐘。如需獲得大批測(cè)量數(shù)據(jù)，例如多入射角測(cè)量，手動(dòng)控制消光式橢偏儀所需時(shí)間太長(zhǎng)，橢偏儀的自動(dòng)化就十分必要了。一種自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案是用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)起偏器和檢偏器，但是該方案仍舊需要用眼觀測(cè)刻度盤讀數(shù)，并未實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化。

　　消光式橢偏儀實(shí)際上測(cè)量的是角度而不是光通量，光源的不穩(wěn)定性和探測(cè)器的非線性所導(dǎo)致的誤差較小。早期的消光式橢偏儀直接用人眼作為探測(cè)器，由于人眼對(duì)光的“零”信號(hào)非常敏感，使得消光式橢偏儀的精度可以達(dá)到亞納米量級(jí)。1945年Rothen制作的消光式橢偏儀對(duì)薄膜厚度的測(cè)量精度可達(dá)到0.03nm。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，探測(cè)系統(tǒng)逐漸采用光電倍增管等光電探測(cè)器。光電探測(cè)器在小光強(qiáng)時(shí)的信噪比較低，將會(huì)增大偏振器件方位角的測(cè)量誤差。

　　消光式橢偏儀的測(cè)量精度主要取決于偏振器件的定位精度，系統(tǒng)誤差因素較少，但測(cè)量時(shí)需讀取或計(jì)算偏振器件的方位角，影響了測(cè)量速度。所以消光式橢偏儀主要適用于對(duì)測(cè)量速度沒有太高要求的場(chǎng)合，例如高校實(shí)驗(yàn)室。而在工業(yè)應(yīng)用上主要使用的是光度式橢偏儀。

光度式橢偏儀

　　光度橢偏儀對(duì)探測(cè)器接收到的光強(qiáng)進(jìn)行傅里葉分析，再?gòu)母道锶~系數(shù)推導(dǎo)得出橢偏參量。光度式橢偏儀主要分為旋轉(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀和相位調(diào)制型橢偏儀。其中旋轉(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀包括旋轉(zhuǎn)起偏器型橢偏儀(RPE)、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型橢偏儀(RCE)和旋轉(zhuǎn)檢偏器型橢偏儀(RAE)。

　　由于操作簡(jiǎn)便和成本較低，RAE和RPE在光度式橢偏儀中占主導(dǎo)地位。diyi臺(tái)光度式(自動(dòng)的)橢偏儀是由Kent和Lawson設(shè)計(jì)的RAE。diyi臺(tái)自動(dòng)光度式橢偏儀也是RAE。RAE和RPE的缺點(diǎn)是不能確定偏振光的橢偏旋向，在D接近0或π時(shí)，測(cè)量結(jié)果失去準(zhǔn)確性。RCE通過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器可以確定4個(gè)斯托克斯參量，消除了RAE和RPE系統(tǒng)中橢偏旋向的不確定性，測(cè)量準(zhǔn)確度具有一致性。但是RCE系統(tǒng)對(duì)波長(zhǎng)的選擇性較強(qiáng)，這限制了RCE在光譜領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　旋轉(zhuǎn)偏振器件型橢偏儀由于旋轉(zhuǎn)部件造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定和方位角偏差而降低了其測(cè)量精度。PME系統(tǒng)中，起偏器和檢偏器固定于某一方位角，入射光的偏振態(tài)由調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制頻率與調(diào)制器的頻率相同。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制器調(diào)制頻率較高，可以達(dá)到幾十千赫茲，光學(xué)元件不需轉(zhuǎn)動(dòng);缺點(diǎn)是調(diào)制器易受溫度影響。

　　光度式橢偏儀不需測(cè)量偏振器件的方位角，便可直接對(duì)探測(cè)器接收的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，所以測(cè)量速度比消光式橢偏儀快，特別適用于在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。但現(xiàn)階段所能提供的探測(cè)器的非線性效應(yīng)以及光源的不穩(wěn)定性，將增大光度式橢偏儀的系統(tǒng)誤差。

橢偏光譜儀

　　對(duì)于多層薄膜，一組橢偏參量不足以確定各層膜的光學(xué)常數(shù)和厚度，而且材料的光學(xué)常數(shù)是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)，為了精確測(cè)定光學(xué)常數(shù)隨入射波長(zhǎng)的變化關(guān)系，得到多組橢偏參量，橢偏儀從單波長(zhǎng)測(cè)量向多波長(zhǎng)的光譜測(cè)量發(fā)展。

　　1975年，Aspnes等首次報(bào)道了以RAE為基本結(jié)構(gòu)的光譜橢偏儀。它利用光柵單色儀產(chǎn)生可變波長(zhǎng)，從而在較寬的光譜范圍(近紅外到近紫外)內(nèi)可以測(cè)量高達(dá)1000組橢偏參量，膜厚測(cè)量精度可以達(dá)到0.001nm，數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)間僅為7s。

　　1984年，Muller等研制了基于法拉第盒自補(bǔ)償技術(shù)的光譜橢偏儀。這種橢偏儀采集400組橢偏參量?jī)H用時(shí)3s。為了進(jìn)一步縮短系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，1990年Kim等研制了旋轉(zhuǎn)起偏器類型的光譜橢偏儀，探測(cè)系統(tǒng)用棱鏡分光計(jì)結(jié)合光學(xué)多波段分析儀(OMA)代替常用的光電倍增管，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)獲取128組橢偏參數(shù)的時(shí)間為40ms。

紅外橢偏儀

　　紫外波段到可見波段消光系數(shù)較大或厚度在幾個(gè)微米以上的薄膜，其厚度和光學(xué)常數(shù)的測(cè)量需使用紅外橢偏儀(IRSE)。紅外橢偏儀已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)多層膜相關(guān)參量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器。早期的紅外橢偏儀是在RAE、RPE或PME的基礎(chǔ)上結(jié)合光柵單色儀構(gòu)成的。常規(guī)的紅外光源的強(qiáng)度較低，降低了紅外橢偏儀的靈敏度。

　　Ferrieu將傅里葉變換光譜儀(FT)引入到RAE，使用常規(guī)的紅外光源，其橢偏光譜可以從偏振器不同方位角連續(xù)記錄的傅里葉變換光譜得到，從而能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行精確測(cè)量，提高了系統(tǒng)的靈敏度。其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。

　　Canillas等設(shè)計(jì)的紅外橢偏儀基本結(jié)構(gòu)為PME，PME的調(diào)制器件為光彈調(diào)制器，調(diào)制頻率37kHz。將低頻的傅里葉變換光譜儀和高頻的PME結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，儀器完整的橢偏光譜(900~4000cm-1)記錄時(shí)間僅為2s。

成像橢偏儀

　　由于集成電路的特征尺寸越來(lái)越小，一般橢偏儀的光斑尺寸較大(光斑直徑約為1mm)，為了提高橢偏儀的空間分辨率，Beaglehole將傳統(tǒng)橢偏儀和成像系統(tǒng)相結(jié)合，研制了成像橢偏儀。普通橢偏儀測(cè)量的薄膜厚度是探測(cè)光在樣品表面上整個(gè)光斑內(nèi)的平均厚度，而成像橢偏儀則是利用CCD采集的橢偏圖像得到樣品表面的三維形貌及薄膜的厚度分布，從而能夠提供樣品的細(xì)節(jié)信息。

　　成像橢偏儀的CCD成像單元，將樣品表面被照射區(qū)域拍攝下來(lái)，一路信號(hào)輸出到視頻監(jiān)視器顯示，一路信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。與傳統(tǒng)橢偏儀相比，由于CCD器件干擾了樣品反射光的偏振態(tài)，且有很強(qiáng)的本底信號(hào)，成像橢偏儀的系統(tǒng)誤差因素增多，使用前必須仔細(xì)校準(zhǔn)。

廣義橢偏儀

　　探測(cè)光與樣品相互作用時(shí)，若樣品是各向同性的，探測(cè)光的p分量和s分量各自進(jìn)行反射，若各向異性，則探測(cè)光與樣品相互作用后還將會(huì)發(fā)生光的p分量和s分量的相互轉(zhuǎn)化。標(biāo)準(zhǔn)橢偏儀只考慮探測(cè)光的p分量和s分量各自的反射情況，所以只能用于測(cè)量各向同性樣品的參量，對(duì)于各向異性的樣品，需使用廣義橢偏儀。

　　實(shí)現(xiàn)廣義橢偏儀的途徑有三種:

　?、倮闷衿骷煌轿唤窍碌亩啻螠y(cè)量將旋轉(zhuǎn)器件型的橢偏儀拓展到廣義橢偏儀。此類橢偏儀需假定多次測(cè)量入射到樣品表面的光的照明區(qū)域相同，另外在多組起偏器方位角下，入射到樣品表面光的偏振態(tài)不同，p分量和s分量的轉(zhuǎn)換情況也會(huì)有所區(qū)別，這將會(huì)增大測(cè)量誤差。

　?、诶脙蓧K分別位于起偏器后和檢偏器前的補(bǔ)償器，并利用不同的旋轉(zhuǎn)頻率。

　?、劾脙蓧K具有不同調(diào)制頻率的光彈調(diào)制器作為偏振調(diào)制器件。

橢偏儀發(fā)展展望

　　橢偏測(cè)量具有非接觸性、非破壞性、測(cè)量精度高和適于測(cè)量較薄膜層的特點(diǎn)，成為了半導(dǎo)體工業(yè)常用的薄膜測(cè)量工具。由于半導(dǎo)體制造業(yè)在器件關(guān)鍵尺寸上的測(cè)量要求越來(lái)越精確，薄膜常用材料日益多樣化，薄膜的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，需要進(jìn)一步改進(jìn)橢偏儀。目前橢偏儀的主要發(fā)展趨勢(shì)包括:

　?、賹ふ逸^高強(qiáng)度的紅外光源，拓寬橢偏儀的光譜范圍，以準(zhǔn)確確定異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多層膜結(jié)構(gòu);

　　②建立包含成像橢偏儀的校準(zhǔn)因素的系統(tǒng)模型，以減小成像橢偏儀的測(cè)量誤差;

　?、蹖?duì)半導(dǎo)體工業(yè)常用薄膜材料建立準(zhǔn)確的物理模型，以減小系統(tǒng)的計(jì)算誤差;

　?、芤肽軌蛲竭M(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的控制系統(tǒng)，并利用優(yōu)化算法，較快得出薄膜系統(tǒng)待求參量，以提高橢偏儀的測(cè)量速度，增強(qiáng)橢偏儀的在線檢測(cè)和控制功能。