椭偏仪常见技术问题解答（一）

椭偏仪是一种基于椭圆偏振分析的光学测量仪器，通过探测偏振光与样品相互作用后偏振态的变化，获取材料的光学常数和结构信息。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

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椭偏仪测量什么?

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椭偏仪利用偏振光来表征薄膜和块体材料。当光与样品结构相互作用时，其偏振状态会发生变化。测量结果通常表示为两个值：Ψ和Δ。然后通过分析这些数据来确定感兴趣的材料特性。

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什么是Ψ和Δ？

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Ψ和∆是椭偏仪的原始测量参数，用于描述测量光束与样品表面相互作用后偏振态的变化。入射光束包含两种电场分量：平行于入射面（p偏振）和垂直于入射面（s 偏振）的电场。

已知入射偏振态（p面电场、s面电场）；光束经样品反射；测量出射偏振态（p面电场、s面电场）。

样品表面会对p偏振光和s偏振光产生差异化作用，导致出射光偏振态改变。这种改变可通过振幅比（tanΨ）和相位差（∆）共同表征，其关系如下：

Rp和Rs分别为p偏振光和s偏振光的菲涅尔反射系数

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为什么椭偏仪测量需要进行数据分析？

椭偏仪测量两个值 Ψ 和 Δ，它们与光和样品相互作用产生的偏振变化相关。Ψ 和 Δ 本身提供的信息有限。我们真正需要确定的是样品的膜厚、光学常数、折射率、表面粗糙度等物理特性。这些特性是通过将测量值（Ψ 和 Δ）代入各种方程和算法中，生成一个描述光与样品相互作用的模型来获得。更多详细信息请参阅数据分析或椭偏测量相关资料。

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为什么需要在多个波长下进行测量？

光谱椭偏仪的多波长测量具有多重优势，包括：获得唯一解；提高对材料特性的灵敏度；获取目标应用所需波长下的数据。

获得唯一解

（a）单波长椭偏仪测量周期性与多解性示意图（b）单波长多解与光谱响应唯一性对比图

提升椭偏仪性能最简便的方法之一，是增加测量波长的数量和范围，每个新波长都能提供关于样品特性的额外信息。早期椭偏仪采用激光进行单波长测量，仅能获取Ψ和∆两个参数，因此最多只能确定两个未知的样品特性。即使是 “已知衬底上的单层薄膜” 这一简单场景，也无法通过单波长测量唯一确定薄膜厚度和折射率；若薄膜具有吸收性、梯度特性或表面粗糙，还会导致测量结果偏差。

即便对于 “理想透明薄膜”，单波长椭偏仪测量的周期性也会产生多个可能解。这些可能的厚度值按 “厚度周期” 分布，需通过经验判断才能确定正确解。

而光谱椭偏仪可通过多波长测量对薄膜厚度进行“超定求解”：尽管折射率具有波长依赖性，但薄膜厚度是固定值。例如，100 个波长可产生 200 个数据点（每个波长对应 1 组 Psi、∆），而未知参数仅 101 个。因此，光谱测量能快速消除 “周期性问题”，排除错误解，仅保留唯一正确解。

提高对材料特性的灵敏度

硅薄膜结晶度与紫外吸收特性关系图

特定材料特性的测量通常需要特定波长范围。例如：

透明导电氧化物（TCO）薄膜的导电性会在红外波段表现出强吸收，并延伸至近红外波段，可见光波段无法测量其导电性，但可用于确定薄膜厚度；

分子键合信息仅在中红外波段可获取，因为该波段的低频光可使材料中的原子发生振动；

紫外光谱常与电子跃迁相关，可反映材料结构信息（如硅薄膜的紫外吸收形态可用于判断其结晶度：非晶态硅的吸收峰较宽且无临界点特征，结晶度越高，紫外吸收特征越明显）。

具备宽光谱覆盖能力的光谱椭偏仪（SE）可同时利用所有波长的优势，因此当前 SE 系统的发展趋势是覆盖更宽的波长范围、包含更多波长点。

获取目标应用所需波长下的数据

许多应用需要特定波长下的光学特性数据：

半导体行业的光刻技术需在紫外波段进行椭偏仪测量；

显示行业关注可见光波段；

光学涂层需在其设计波长（可见光、近红外甚至中红外波段）下测量。

Flexfilm全光谱椭偏仪的波长覆盖范围为280-1050 nm，灵活性极高，几乎可满足所有应用需求。

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光谱椭偏仪如何确定薄膜厚度？

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（a） 薄膜厚度与相位延迟关系示意图（b）不同厚度SiO₂薄膜的Psi 曲线对比图

光谱椭偏仪对薄膜厚度极为敏感。随着薄膜厚度增加，“样品表面反射光”与“穿透薄膜后反射的光”之间的光程差会增大，由此产生的相位延迟与薄膜的物理厚度和折射率均相关。因此，光谱椭偏仪测量数据中包含可精确确定薄膜厚度和折射率的信息。

光谱椭偏仪通过“干涉振荡的位置和数量”获取厚度信息。不同厚度 SiO₂薄膜的Psi 曲线：随着厚度T增加，干涉振荡向长波长方向偏移。

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光谱椭偏仪可确定的最小厚度是多少？

硅衬底上超薄氧化层的 SE 相位数据图

光谱椭偏仪对 “几分之一纳米” 量级的表面层具有极高灵敏度，这种灵敏度主要源于相位（∆）的变化。然而，对于这类超薄层，光线与薄膜的相互作用信号不足以同时确定其厚度和折射率。因此，最稳妥的做法是先假设一个近似折射率（通常通过测量较厚薄膜获取），再单独确定其厚度。在少数情况下，也可实现超薄层厚度与折射率的同时表征。

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光谱椭偏仪可测量的最大厚度是多少？

光谱椭偏仪测量的最大厚度上限取决于测量波长。薄膜厚度增加时，短波长下的大量数据振荡难以分辨，而长波长下的振荡分离度更高。因此，通常采用近红外或中红外波段测量厚度达 50μm 的薄膜。

但需注意，50μm 已超出光谱椭偏仪（SE）的典型测量范围，且此时薄膜均匀性的影响会显著增大。对于大多数 “可见光-近红外” 测量，推荐的最大厚度上限为 5μm；即使是 1~5μm 的薄膜，也建议采用多入射角测量，以确保厚度解的唯一性。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Ellipsometry FAQ》

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