一文了解椭偏仪的前世今生

椭偏仪概述

椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量设备。由于并不与样品接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量设备。椭偏仪可测的材料包括：半导体、电介质、聚合物、有机物、金属、多层膜物质。椭偏仪涉及领域有：半导体、通讯、数据存储、光学镀膜、平板显示器、科研、生物、医药等。

椭偏法测量优点

(1)能测量很薄的膜(1nm)，且精度很高，比干涉法高1~2个数量级。

(2)是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法如称重法、定量化学分析法简便。

(3)可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收率。因此可以作为分析工具使用。

(4)对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感，是研究表面物理的一种方法。

在半导体制造领域，为了监测硅片表面薄膜生长/蚀刻的工艺，需要对其尺寸进行量测。一般量测的对象分为两种：3D结构与1D结构。3D结构是最接近于真实Device的结构，其量测出来的结果与电性关联度最大。3D结构量测的精度一般是纳米级别的。1D结构就是几层，几十层甚至上百层薄膜的堆叠，主要是用来给研发前期调整工艺稳定性保驾护航的，其测量精度一般是埃数量级的。就逻辑芯片来说，最重要的量测对象是HKMG这些站点各层薄膜的量测。因为这些站点每层薄膜的厚度往往只有几个到十几个埃，而process window更极限，往往只有1-1.5个埃，也就是说对工艺要求极高。而这些金属层又跟电性关联度很大，所以每一家fab都对这些站点的量测非常重视。

如何验证这些精度呢？在fab里，一般会撒一组DOE wafer: Baseline wafer，以及Baseline +/-几埃的wafer，然后每片wafer上切中心与边缘的两个点。zai采用TEM或XPS结果作为参考值，与椭偏仪量测结果拉线性，比如R-Square达到0.9以上就算合格。

最能精确验证椭偏仪精度的是沉积那些薄膜的机台，比如应用材料等公司的机台，通过调节cycle数可以沉积出不同厚度的薄膜，其名义值往往与椭偏仪的量测值有极其高的线性（比如R-Square在0.95以上)。但为啥不用这些机台的名义值作为参考值啊？因为这些机台本身也是以光学椭偏仪量测出来的值来调整自身工艺的，当然需要一个第三方公证，也就是TEM或XPS。

光学椭偏仪的原理上世纪七十年代就有了，已经非常成熟。光学椭偏仪的量测并不是像TEM一样直接观察，而是通过收集光信号再通过物理建模(调节材料本身的光学色散参数与薄膜3D结构参数)来反向拟合出来的。真正决定量测精度的是硬件水平，软件算法，以及物理建模调参时的经验。硬件水平决定信号的强弱，也就是信噪比。软件算法决定在物理建模调参时的速度。因为物理建模调参是一个最花费时间的过程: 需要人为判断计算是过拟合还是欠拟合，需要人为判断算出来的3D结构是否符合制程工艺，需要人为判断材料的光学色散参数是否符合物理逻辑。

仪器原理

椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。由于测量精度高，适用于超薄膜，与样品非接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量仪器。

椭圆偏光法涉及椭圆偏振光在材料表面的反射。为表征反射光的特性，可分成两个分量：P和S偏振态，P分量是指平行于入射面的线性偏振光，S分量是指垂直于入射面的线性偏振光。菲涅耳反射系数r描述了在一个界面入射光线的反射。P和S偏振态分量各自的菲涅耳反射系数r是各自的反射波振幅与入射波振幅的比值。大多情况下会有多个界面，回到最初入射媒介的光经过了多次反射和透射。总的反射系数Rp和Rs，由每个界面的菲涅耳反射系数决定。Rp和Rs定义为最终的反射波振幅与入射波振幅的比值。

椭偏法这种非接触式、非破坏性的薄膜厚度、光学特性检测技术测量的是电磁光波斜射入表面或两种介质的界面时偏振态的变化。椭偏法只测量电磁光波的电场分量来确定偏振态，因为光与材料相互作用时，电场对电子的作用远远大于磁场的作用。

折射率和消光系数是表征材料光学特性的物理量，折射率是真空中的光速与材料中光的传播速度的比值N=C/V；消光系数表征材料对光的吸收，对于透明的介电材料如二氧化硅，光完全不吸收，消光系数为0。N和K都是波长的函数，但与入射角度无关。

椭偏法通过测量偏振态的变化，结合一系列的方程和材料薄膜模型，可以计算出薄膜的厚度T、折射率N和吸收率（消光系数）K。

市场规模

据GIR (Global Info Research)调研，按收入计，2021年全球椭圆偏振仪收入大约40百万美元，预计2028年达到51百万美元，亚太地区将扮演更重要角色，除中美欧之外，日本、韩国、印度和东南亚地区，依然是不可忽视的重要市场。

目前椭偏仪被广泛应用到OLED 、集成电路、太阳能光伏、化学等领域。有专家认为，随着国内平板显示、光伏等产业爆发，国内椭偏仪将形成30亿元到50亿元大市场。据专家估计，全球显示面板制造，约有六七成在我国生产。

光谱椭圆偏振仪和激光椭圆偏振仪

根据不同产品类型，椭圆偏振仪细分为: 光谱椭圆偏振仪和激光椭圆偏振仪。

激光椭偏仪采用极窄带宽的激光器作为光源，在单波长下对纳米薄膜样品进行表面和界面的表征。激光椭偏仪作为常规的纳米薄膜测量工具,与

光谱椭偏仪相比，具有如下特点：

1.对材料的光学常数的测量更精确：这是由激光的窄带单色性质决定的，激光带宽通常远小于1nm，因此能够更准确地获得激光波长下的材料的材料参数。

2.可对动态过程进行快速测量：激光良好的方向性使得其强度非常高，因此非常适合对动态过程的实时测量。

但激光椭偏仪对多层膜分析能力不足，不如光谱型椭偏仪。

椭偏仪的发展进程

1887年，Drude第一次提出椭偏理论，并建立了第一套实验装置，成功地测量了18种金属的光学常数。1945年，Rothen第一次提出了“Ellipsometer”(椭偏仪)一词。之后，椭偏 仪有了长足发展，已被广泛应用于薄膜测量领域。根据工作原理, 椭偏仪主要分为消光式和光度式两类。在普通椭偏仪的基础上，又发展了椭偏光谱仪、红外椭偏光谱仪、成像椭偏仪和广义椭偏仪。

典型的消光式椭偏仪包括光源、起偏器、补偿器、检偏器和探测器。消光式椭偏仪通过旋转起偏器和检偏器，找出起偏器、补偿器和检偏器的一组方位角(P、C、A), 使入射到探测器上的光强最小。由这组消光角得出椭偏参量Y和D。

在椭偏仪的发展初期，作为唯一的光探测器，人眼只能探测到信号光的存在或消失，因而早期椭偏仪的类型都是消光式。

消光式椭偏仪的测量精度主要取决于偏振器件的定位精度，系统误差因素较少, 但测量时需读取或计算偏振器件的方位角，影响了测量速度。所以消光式椭偏仪主要适用于对测量速度没有太高要求的场合，例如高校实验室。而在工业应用上主要使用的是光度式椭偏仪。

光度椭偏仪对探测器接收到的光强进行傅里叶分析, 再从傅里叶系数推导得出椭偏参量。光度式椭偏仪主要分为旋转偏振器件型椭偏仪和相位调制型椭偏仪。其中旋转偏振器件型椭偏仪包括旋转起偏器型椭偏仪、旋转补偿器型椭偏仪和旋转检偏器型椭偏仪。

光度式椭偏仪不需测量偏振器件的方位角，便可直接对探测器接收的光强信号进行傅里叶分析，所以测量速度比消光式椭偏仪快，特别适用于在线检测和实时测量等工业应用领域。

对于多层薄膜，一组椭偏参量不足以确定各层膜的光学常数和厚度, 而且材料的光学常数是入射光波长的函数, 为了精确测定光学常数随入射波长的变化关系, 得到多组椭偏参量, 椭偏仪从单波长测量向多波长的光谱测量发展。1975 年，Aspnes 等首次报道了以RAE为基本结构的光谱椭偏仪。它利用光栅单色仪产生可变波长，从而在较宽的光谱范围(近红外到近紫外)内可以测量高达 1000 组椭偏参量，膜厚测量精度可以达到0.001 nm，数据采集和处理时间仅为7s。1984年，Muller 等研制了基于法拉第盒自补偿技术的光谱椭偏仪。这种椭偏仪采集400组椭偏参量仅用时 3s。为了进一步缩短系统的数据采集时间，1990年Kim 等研制了旋转起偏器类型的光谱椭偏仪，探测系统用棱镜分光计结合光学多波段分析仪(OMA) 代替常用的光电倍增管，在整个光谱范围内获取 128 组椭偏参数的时间为 40ms。

紫外波段到可见波段消光系数较大或厚度在几个微米以上的薄膜，其厚度和光学常数的测量需使用红外椭偏光谱仪。红外椭偏光谱仪已经成为半导体行业异质结构多层膜相关参量测量的标准仪器。早期的红外椭偏光谱仪是在 RAE、RPE 或 PME 的基础上结合光栅单色仪构成的。常规的红外光源的强度较低，降低了红外椭偏仪的灵敏度。F. Ferrieu 将傅里叶变换光谱仪(FT) 引入到 RAE，使用常规的红外光源，其椭偏光谱可以从偏振器不同方位角连续记录的傅里叶变换光谱得到，从而能够对材料进行精确测量，提高了系统的灵敏度。其缺点是不能实现快速测量。

由于集成电路的特征尺寸越来越小，一般椭偏仪的光斑尺寸较大(光斑直径约为 1 mm)，为了提高椭偏仪的空间分辨率，Beaglehole将传统椭偏仪和成像系统相结合，研制了成像椭偏仪。普通椭偏仪测量的薄膜厚度是探测光在样品表面上整个光斑内的平均厚度，而成像椭偏仪则是利用 CCD 采集的椭偏图像得到样品表面的三维形貌及薄膜的厚度分布，从而能够提供样品的细节信息。成像椭偏仪的 CCD 成像单元，将样品表面被照射区域拍摄下来，一路信号输出到视频监视器显示，一路信号输入计算机进行数据处理。CCD 成像单元较慢的响应速度限制了成像椭偏仪在实时监测方面的应用。为了克服这一限制，Chien - Yuan Han 等利用频闪照明技术代替传统照明方式，成功研制了快速成像椭偏仪。与传统椭偏仪相比，由于 CCD 器件干扰了样品反射光的偏振态，且有很强的本底信号，成像椭偏仪的系统误差因素增多，使用前必须仔细校准。

探测光与样品相互作用时，若样品是各向同性的，探测光的p分量和s分量各自进行反射，若各向异性，则探测光与样品相互作用后还将会发生光的 p 分量和 s分量的相互转化。标准椭偏仪只考虑探测光的 p 分量和 s 分量各自的反射情况，所以只能用于测量各向同性样品的参量，对于各向异性的样品，需使用广义椭偏仪。

国内椭偏技术的研究始于20世纪70年代。70年代中期，我国第一台单波长消光椭偏仪TP-75 型由中山大学莫党教授等设计并制造。1982年，旋转检偏器式波长扫描光度型椭偏仪( TPP-1 型) 也得以问世。随后在80年代中后期西安交通大学研制出了激光光源椭偏仪，同期实现了椭偏光谱仪的自动化。复旦大学的陈良尧教授于1994年研制出了一种同时旋转起偏器和检偏器的新型全自动椭偏仪。该类型椭偏仪曾成功实现商业化，销售给包括德国在内的多家国内外单位使用。1998年，中国科学院上海技术物理研究所的黄志明和褚君浩院士等人研制出了同时旋转起偏器和检偏器的红外椭圆偏振光谱仪。2000年，中国科学院力学所靳刚研究员研制出了我国第一台椭偏光显微成像仪。该仪器可以实现纳米级测量和对生物分子动态变化及其相互作用进行实时观测。2000 年，复旦大学陈良尧和张荣君等人研制出了基于双重傅里叶变换的红外椭偏光谱系统。2013年华中科技大学张传维团队成功研发出椭偏仪原型样机。2014年，华中科技大学的刘世元教授等人使用穆勒矩阵椭偏仪测试了纳米压印光刻的抗蚀剂图案，同时还检测了该过程中遇到的脚状不对称情况，其理论和实验结果都表明该仪器具有良好的敏感性。2015年，国内首台商品化高端穆勒矩阵椭偏仪终于成功面世。

主流厂商

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