•
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