如何用好光譜橢偏儀？

在納米薄膜、光學(xué)涂層、半導(dǎo)體晶圓、光電材料的研發(fā)與檢測(cè)里，光譜橢偏儀是繞不開(kāi)的“高精度檢測(cè)設(shè)備"。小到納米級(jí)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(jié)構(gòu)解析，橢偏儀都能精準(zhǔn)測(cè)量。

但是眾多客戶(hù)也經(jīng)常向我們反饋：時(shí)間久了不會(huì)測(cè)量？不確定數(shù)據(jù)采集得準(zhǔn)不準(zhǔn)？數(shù)據(jù)建模更是毫無(wú)頭緒？明明是無(wú)損、高精度的專(zhuān)業(yè)檢測(cè)手段，偏偏卡在實(shí)操和數(shù)據(jù)分析上，最后浪費(fèi)樣品又耽誤實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

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

測(cè)量原理：橢偏儀可以測(cè)什么參數(shù)？

光譜橢偏儀的核心原理很簡(jiǎn)單：一束橢圓偏振光入射樣品，探測(cè)器通過(guò)接收反射光的偏振狀態(tài)變化，結(jié)合軟件建模反推樣品的光學(xué)常數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。設(shè)備發(fā)射偏振光以某個(gè)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(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，最終采集到兩個(gè)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(dāng)然這兩個(gè)參數(shù)無(wú)法直接等同于膜厚和光學(xué)常數(shù)，必須通過(guò)后續(xù)的數(shù)據(jù)建模及擬合，才能轉(zhuǎn)化為所需要的物理量，數(shù)據(jù)建模流程涉及到復(fù)雜的菲涅爾公式和穆勒矩陣，這里就不過(guò)多介紹，感興趣的朋友可以去查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

實(shí)操流程：4步標(biāo)準(zhǔn)流程，測(cè)出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)！

①樣品預(yù)處理（核心前提）

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

②開(kāi)機(jī)校準(zhǔn)（設(shè)備超過(guò)3個(gè)月沒(méi)開(kāi)機(jī)，重啟后必須進(jìn)行校準(zhǔn)）

開(kāi)機(jī)預(yù)熱20分鐘左右，確保光源及光學(xué)部件穩(wěn)定；校準(zhǔn)時(shí)必須用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)硅片做系統(tǒng)校準(zhǔn)，消除光路偏移、環(huán)境帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

③數(shù)據(jù)采集

樣品放置樣品臺(tái)中心，真空吸附固定，小尺寸樣品可以測(cè)3個(gè)點(diǎn)，大尺寸樣品可以做多點(diǎn)Mapping掃描測(cè)試；測(cè)試結(jié)束后先檢查原始光譜，曲線平滑無(wú)雜峰才算合格。

④數(shù)據(jù)保存

測(cè)完及時(shí)導(dǎo)出Ψ、Δ原始光譜，標(biāo)注樣品信息，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)建模環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)建模：橢偏儀核心痛點(diǎn)！

數(shù)據(jù)建模和擬合是橢偏儀使用的核心難點(diǎn)，也是90%使用者的困難點(diǎn)，以下就是武漢頤光根據(jù)多年積累的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)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(diào)用模型后，需要先給模型中的參數(shù)設(shè)定初始值，調(diào)到仿真光譜和實(shí)際光譜接近后再進(jìn)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(fù)數(shù)，如果擬合中出現(xiàn)負(fù)數(shù)，需重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行擬合。

示例：硅襯底上單層氧化鋁薄膜

模型頁(yè)面

擬合光譜

②       不能忽略樣品表面粗糙度

      實(shí)際的薄膜并非是光滑平整的樣品，表面粗糙層的光學(xué)常數(shù)與主體膜層會(huì)有差異；為了使擬合結(jié)果更貼合實(shí)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(duì)通過(guò)反應(yīng)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(dǎo)致最終膜層具有折射率梯度變化，例如：透明導(dǎo)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(guān)于我們

武漢頤光科技有限公司(Wuhan Eoptics Technology Co., Ltd.)是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)從事光譜橢偏儀及相關(guān)光學(xué)量測(cè)設(shè)備研發(fā)、制造與銷(xiāo)售的技術(shù)型企業(yè)，十多年來(lái)長(zhǎng)期專(zhuān)注于光學(xué)量測(cè)設(shè)備賽道深耕積累，公司以自主創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了覆蓋從科學(xué)研究到工業(yè)應(yīng)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(cè)設(shè)備等，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、顯示面板、光通信、新能源、光學(xué)鍍膜、應(yīng)用材料及科學(xué)研究等領(lǐng)域，為客戶(hù)的研發(fā)創(chuàng)新與質(zhì)量管控提供精準(zhǔn)、高效的光學(xué)量測(cè)解決方案。

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