如何用好光譜橢偏儀？

在納米薄膜、光學涂層、半導體晶圓、光電材料的研發(fā)與檢測里，光譜橢偏儀是繞不開的“高精度檢測設備"。小到納米級薄膜厚度，精到材料的折射率、消光系數(shù)和介電常數(shù)，再到多層薄膜結構解析，橢偏儀都能精準測量。

但是眾多客戶也經(jīng)常向我們反饋：時間久了不會測量？不確定數(shù)據(jù)采集得準不準？數(shù)據(jù)建模更是毫無頭緒？明明是無損、高精度的專業(yè)檢測手段，偏偏卡在實操和數(shù)據(jù)分析上，最后浪費樣品又耽誤實驗進度。

今天我們就拋開復雜的公式，一文講透光譜橢偏儀的核心原理、標準操作流程，還有最頭疼的數(shù)據(jù)建模痛點，新手能快速上手，老手直接避坑～

測量原理：橢偏儀可以測什么參數(shù)？

光譜橢偏儀的核心原理很簡單：一束橢圓偏振光入射樣品，探測器通過接收反射光的偏振狀態(tài)變化，結合軟件建模反推樣品的光學常數(shù)和結構參數(shù)等信息。設備發(fā)射偏振光以某個固定角度照射樣品，光在薄膜表面與層間界面反射后，振幅和相位會發(fā)生規(guī)律性變化，最終采集到兩個核心的原始參數(shù)：

·       Ψ（Psi）：反射光振幅比變化，體現(xiàn)光的衰減程度

·       Δ（Delta）：反射光相位差變化，體現(xiàn)光的相位偏移

當然這兩個參數(shù)無法直接等同于膜厚和光學常數(shù)，必須通過后續(xù)的數(shù)據(jù)建模及擬合，才能轉化為所需要的物理量，數(shù)據(jù)建模流程涉及到復雜的菲涅爾公式和穆勒矩陣，這里就不過多介紹，感興趣的朋友可以去查閱相關文獻。

實操流程：4步標準流程，測出準確數(shù)據(jù)！

①樣品預處理（核心前提）

樣品表面必須潔凈無油污、粉塵、劃痕，超薄膜保證均勻無孔隙，塊狀樣品拋光后要進行烘干，杜絕殘留雜質造成光散射，避免測出錯誤數(shù)據(jù)。

②開機校準（設備超過3個月沒開機，重啟后必須進行校準）

開機預熱20分鐘左右，確保光源及光學部件穩(wěn)定；校準時必須用廠家提供的標準硅片做系統(tǒng)校準，消除光路偏移、環(huán)境帶來的系統(tǒng)誤差。

③數(shù)據(jù)采集

樣品放置樣品臺中心，真空吸附固定，小尺寸樣品可以測3個點，大尺寸樣品可以做多點Mapping掃描測試；測試結束后先檢查原始光譜，曲線平滑無雜峰才算合格。

④數(shù)據(jù)保存

測完及時導出Ψ、Δ原始光譜，標注樣品信息，然后進入數(shù)據(jù)建模環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)建模：橢偏儀核心痛點！

數(shù)據(jù)建模和擬合是橢偏儀使用的核心難點，也是90%使用者的困難點，以下就是武漢頤光根據(jù)多年積累的應用經(jīng)驗總結的建模小技巧：

①       熟練使用Cauchy模型

作為橢偏分析中的常用模型，柯西模型可以適用絕大多數(shù)透明薄膜（SiO2/Al2O3/ZnO2/SiNx/等）；調用模型后，需要先給模型中的參數(shù)設定初始值，調到仿真光譜和實際光譜接近后再進行擬合。值得注意的是，柯西模型中的A/B/kA/Exp等參數(shù)不能為負數(shù)，如果擬合中出現(xiàn)負數(shù)，需重新調整參數(shù)進行擬合。

示例：硅襯底上單層氧化鋁薄膜

模型頁面

擬合光譜

②       不能忽略樣品表面粗糙度

      實際的薄膜并非是光滑平整的樣品，表面粗糙層的光學常數(shù)與主體膜層會有差異；為了使擬合結果更貼合實際工藝狀況，需要考慮使用粗糙度模型。    

示例：硅襯底上單層氮化鎵薄膜，使用柯西模型分析，如下圖：

未考慮粗糙層的擬合光譜

考慮粗糙層的擬合光譜

③       擅用分層模型

針對通過反應濺射、共沉積等工藝制膜的高折、易氧化/易氮化等材料，往往在工藝中很容易出現(xiàn)折射率分層現(xiàn)象，導致最終膜層具有折射率梯度變化，例如：透明導電氧化物（ITO/IZO/AZO）、氮化物（SiNx/TiON）、非晶硅等。

未使用分層模型擬合光譜

使用分層模型后擬合光譜

關于我們

武漢頤光科技有限公司(Wuhan Eoptics Technology Co., Ltd.)是國內專業(yè)從事光譜橢偏儀及相關光學量測設備研發(fā)、制造與銷售的技術型企業(yè)，十多年來長期專注于光學量測設備賽道深耕積累，公司以自主創(chuàng)新為驅動，構建了覆蓋從科學研究到工業(yè)應用的全鏈條產(chǎn)品體系。

核心產(chǎn)品包括系列化光譜橢偏儀（SE）、反射膜厚儀（SR）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）及晶圓形貌量測設備等，廣泛應用于半導體、顯示面板、光通信、新能源、光學鍍膜、應用材料及科學研究等領域，為客戶的研發(fā)創(chuàng)新與質量管控提供精準、高效的光學量測解決方案。

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