宽波段大角度光谱椭偏技术：面向多层膜表征的光栅-傅里叶系统

随着半导体和光电子技术的快速发展，紫外至红外波段的薄膜材料应用日益广泛，而薄膜厚度、折射率等参数的高精度测量对器件性能至关重要。然而，现有光谱椭偏技术难以同时实现紫外至中红外的宽波段覆盖与大角度测量，限制了其在多种材料表征中的应用。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。

本研究提出了一种结合光栅光谱与傅里叶光谱的宽波段大角度椭偏测量系统：在192–2100nm波段采用光栅光谱技术，在2000–3200nm波段采用傅里叶干涉技术，并通过卧式旋转结构实现15°–90°大角度测量。实验结果表明，该系统对多种薄膜材料的厚度测量精度优于0.7nm，重复性精度达0.04nm，能够根据不同材料灵活选择最优测量波段，显著提升了宽波段、大角度薄膜测量的精度与适用性。

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椭偏仪原理

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椭偏技术通过分析偏振光与样品相互作用前后偏振态的变化，以非接触、无损方式获取光学常数（如折射率、消光系数）、膜厚及表面形貌等参数，是一种高精度光学测量方法。从紫外到红外波段的光谱椭偏技术已在半导体、光伏、显示及材料科学等领域广泛应用。然而，受限于红外光源能量与偏振器性能，红外波段椭偏技术的发展相对缓慢。

为满足不同材料在宽光谱范围内的测量需求，本文研究一种结合光栅与傅里叶光谱的椭偏系统，实现192–3200nm宽波段范围内单层与多层薄膜的高精度、快速测量。

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宽波段大角度光谱椭偏系统原理

基于光栅＋傅里叶光谱的宽波段大角度光谱椭偏原理结构图

宽波段大角度光谱椭偏系统主要由四部分组成：紫外-短波红外起偏臂（PSG-UV-SWIR）、短波红外-中红外起偏臂（PSG-SWIR-MIR）、检偏臂（PSA）及样品台（S）。其中，检偏臂PSA包含紫外-短波红外检偏单元（PSA-UV-SWIR）和短波红外-中红外检偏单元（PSA-SWIR-MIR），可根据透反射测量需求及入射角要求，与样品台一同进行大角度旋转。

紫外-短波红外波段（UV-SWIR，192~2100nm）测量系统

该波段由PSG-UV-SWIR与PSA-UV-SWIR组成测量系统，采用“复色光源+光栅光谱”的探测方式：

光源采用背透式氘灯（L₂）和钨灯（L₁），结合石英透镜实现光路重合，满足192~2100nm全波段覆盖；

通过离轴抛物面反射镜（M₂）构建无色差反射式光路，确保光线准直；

自动光阑（AS）可切换不同档位，实现测试能量的自动调控；

洛匈棱镜（P₂）负责宽光谱起偏，偏振光入射样品（S）后进入检偏臂；

旋转消色差补偿器（C₂）对被测光进行偏振调制，经检偏器（A₂）后，光束分别进入紫外可见光谱仪（GS₁，192~1000nm）和近红外光谱仪（GS₂，1000~2100nm）完成探测。

短波红外-中红外波段（SWIR-MIR，2000~3200 nm）测量系统

该波段由PSG-SWIR-MIR与PSA-SWIR-MIR组成，采用“傅里叶干涉+红外探测”的方式：

红外光源硅碳棒（L₁）发出的光线，经镀金离轴抛物面镜（M₁）准直后，进入傅里叶红外干涉具（IFI）进行干涉调制；

调制后的光线通过中红外起偏棱镜（P₁）从自动光阑（AS）出射，起偏后入射样品（S）并进入检偏臂；

旋转消色差补偿器（C₁）完成偏振调制，经检偏器（A₁）后，由离轴抛物面镜（M₂）聚焦于近红外/短波红外MCT光电探测器（D）实现信号采集。

核心理论模型

采用Stokes矢量描述偏振光束特性，穆勒矩阵描述光学元件（起偏器、补偿器、检偏器）与样品的偏振作用规律，出射光束的Stokes矢量Sₒᵤₜ可表示为：

式中，Sin=[I,0,0,0]ᵀ（I为入射光强），Sₒᵤₜ=[I',Q',U',V']ᵀ（I'为探测器/光谱仪接收光强）；Mp、Mc、Ms、MA分别为起偏器、补偿器、样品、检偏器的穆勒矩阵，其具体表达式如下：

α为起偏器偏振方向角，β为检偏器偏振方向角，γ为补偿器光轴方位角，δ为补偿器调制相位，Ψ和Δ为样品的椭偏参数（振幅比与相位差）

由于探测器和光谱仪仅能获取Sₒᵤₜ中的光强I'，结合式（1）可推导得：

I'=I・K

针对不同波段的探测特性，光强表达式进一步细化：

紫外-短波红外波段（UV-SWIR）：起偏臂为复色光，经检偏臂后由光谱仪分光，不同波长λ在不同补偿器旋转角度下的调制光强为：

I'(λ)=I(λ)・K

短波红外-中红外波段（SWIR-MIR）：起偏臂为迈克尔逊干涉具调制后的信号，经检偏臂去除直流分量后，通过傅里叶逆变换获得分光光谱，光强关系为：

λ₁、λ₂分别为该波段最小、最大波长，k为干涉光程差随时间的系数，L为傅里叶红外干涉具的最大调制光程差

根据上述理论，通过采集补偿器在不同方位角所对应的调制光谱，结合椭偏测量理论和线性回归算法，即可求出样品膜厚、折射率、消光系数等参数。

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实验结果与讨论

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实验装置

为了更快的准确对准，样机中加入了十字对准装置。紫外-近红外波段采用两个光栅光谱仪（Maya2000 pro，光谱范围 192~1000 nm；Nirquest，1000~2100 nm），短波红外-中红外波段采用定制傅里叶红外干涉具（IFI，Foli10-R，光谱范围 2000~3200 nm）。

分别对空气（透射式）、半导体、电介质、金属、聚合物、多层膜等多种薄膜进行测试，验证其测量薄膜厚度和折射率的重复测量精度。其中，薄膜样片采用国防科技工业光学一级计量站标定后的不同厚度、不同材料、不同膜层数的多个样片。

测量结果分析

样机测得样片穆勒矩阵元素Ｎ、Ｃ、Ｓ与波长的对应曲线（SiO₂－Si样片，SiO₂厚度d＝62.5 nm）

样机测得样片椭偏参量（Ψ，Δ）与波长的对应曲线（SiO₂－Si样片，SiO₂厚度d＝62.5 nm）

将样机入射角设置为70°，对SiO₂-Si标准样片（SiO₂厚度标定值62.5nm）进行测量，得到穆勒矩阵元素N=cos2Ψ、C=sin2ΨcosΔ、S=sin2ΨsinΔ与波长的关系，进而计算获得椭偏参数Ψ和Δ与波长的对应曲线。

通过构建SiO₂-Si光学模型，结合测量数据采用算法回归拟合，得到Ψ和Δ的拟合曲线，并反演获得薄膜厚度。

采用相同方法对所有实验样片进行测量，样机对Si基底上不同薄膜材料、不同厚度、不同膜层样片进行测量，其中SiO₂-Si（薄膜为电介质）、ZnO－Si（薄膜为半导体）、PI-Si（薄膜为聚合物）、Si3N4-AL2O3-Si（电介质双层膜）、Au-SiO₂-Si（金属电介质双层膜）各进行30次测量后的厚度测量精度及重复测量精度：

样机对不同类型薄膜样片测得的厚度及精度

由实验结果显示厚度测量精度优于0.7nm，重复测量精度优于0.04 nm，展现出优异的测量稳定性与准确性。

本文提出一种基于光栅+傅里叶光谱融合的宽波段大角度光谱椭偏测量技术。该技术通过紫外-短波红外波段（192~2100nm）采用光栅光谱椭偏、短波红外-中红外波段（2000~3200nm）采用傅里叶光谱椭偏的设计，结合卧式旋转结构实现15°~90°大角度测量，成功集成了覆盖192~3200nm的宽波段椭偏测量系统。对Si基底上多种类型薄膜样片的测量实验表明，该系统的薄膜厚度测量精度优于0.7 nm，30次重复测量的重复性精度可达0.04 nm。该技术可根据不同材料特性灵活选择最优光谱波段，有效拓展了光谱椭偏技术的测量材料范围，提升了测量精度，在高精度、宽波段、大角度薄膜椭偏测量领域具有重要应用价值。

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：《基于光栅＋傅里叶光谱的宽波段大角度光谱椭偏技术研究》

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