成像橢圓偏振技術

橢偏儀是一種用於探測薄膜厚度、光學常數以及材料微結構的光學測量儀器。

橢偏技術是測量檢測薄膜的介電性質（復折射係數或介電函數）、膜厚以及表面形貌的一種光學測量技術。

橢偏儀已經在許多領域的得到應用，從半導體物理，微電子學，生物學，到高分子聚合物薄膜分析；從基礎研究到工業應用。橢偏儀是非常靈敏的表界面測量儀器，在薄膜度量方面具有獨特特點和無可比擬的優勢。像其他光學技術一樣，光譜橢偏測量技術是非接觸式測量，對被測樣品無損害。

橢偏技術分析自被測試樣表面反射光束的橢圓偏振狀態的變化，可以探測到比測量光的波長還要小的膜厚信息，甚至下降到單原子薄膜的信息。橢偏儀可以探測復折射指數或介電函數張量，獲得相關的物理參數和性能，包括形態，晶體質量，化學成分，或電導率。它通常用來表徵薄膜厚度，從幾埃（A）或10納米（nm）到幾個微米（μm）不等的單層薄膜或複雜的多層薄膜堆疊都可以通過橢偏方法測量，並且測量的準確度和精度很好。

“橢偏技術”的名字來源於測量過程中測量光的偏振狀態，即光線在測量過程中大部分時候呈橢圓的偏振狀態。這項技術被科學界掌握利用已經近一個世紀，並且有許多標準化的應用實例和商業化的儀器。

採用成像技術的橢偏儀就是成像橢偏儀。簡單地説，將傳統橢偏儀探測器更換成CCD相機可以實現成像橢圓偏振技術。該技術提供被測樣品的實時動態視頻和圖像，也提供了薄膜厚度和折射率等相關信息。

成像橢偏技術正在引起其他學科如生物學和醫藥的研究人員越來越多的興趣。研究人員發現利用成像橢偏技術可以和成像表面等離子共振（SPR）聯用，可以實現生物芯片和生物傳感器的檢測。這些跨學科的研究領域給橢偏技術帶來了新的研究熱點的同時也給該技術帶來了挑戰，例如在非穩定液體表面的薄膜的測量和顯微成像等。

即使是現在最先進的成像橢偏技術也採用傳統的消光型橢偏法來測量，並且提供實時橢偏對比度成像。成像型橢偏技術通常採用單波長橢偏技術配置，以單波長激光光源作為測量光源。激光光束在通過線性偏光鏡（P）和四分之一波板（C）之後獲得橢圓偏振態。該橢偏態的光束經過被測樣品（S）反射，再通過一個工作距離較長的物鏡，最後通過分析鏡（A）並進入到CCD相機上成像。在這個PCSA配置中，控制線性偏光鏡P和四分之一玻片C的角度使得橢偏光束在經過樣品反射之後得到完全的線偏振光。當分析鏡A偏振角度與經過被測樣品表面反射後得到的線偏振光的角度垂直（90°）時，獲得完全的破壞性干涉，此時CCD相機檢測到光通量的處於絕對值最小狀態，即為消光現象，這就是橢偏儀的消光條件。 在橢偏消光條件時線性偏光鏡P、四分之一玻片C、分析鏡A的角度和被測樣品的光學性質相關。通過計算機的光學模擬分析被測橢偏數據可以獲得薄膜厚度和復折射率在空間上的分佈圖。

原位橢偏技術是指對樣品的變化過程進行動態橢圓偏振測量。這個過程可以是，生長的薄膜、蝕刻或清洗過程中的樣品，或者是其他處於變化過程中的樣品。在原位橢偏測量中，可以測量獲得基本的過程參數，如生長速度或蝕刻率隨着時間變化而變化。

原位橢偏測量中需要考慮到環境因素，因此原位測試的樣品通常都在各種過程腔體內進行，光線要通過這些腔體的光學窗口。這會帶來其他的問題。儘管有這些問題存在，作為過程控制技術的原位橢偏技術在薄膜沉積過程中變得越來越重要。原位橢偏儀，可以是單波長橢偏儀，也可以是光譜型橢偏儀。光譜型原位橢偏儀使用多通道探測器，例如CCD探測器，可同時測量獲得被測樣品在光譜範圍內多個波長的橢偏測試數據。

相比較傳統的橢偏技術，成像橢偏技術有很多優勢：

成像橢偏儀可實現微區和選區橢偏分析，適用於超小塊薄膜分析

成像橢偏技術可實現原位橢偏測量

成像橢偏儀可實現各種液體環境下的橢偏分析

成像橢偏技術可以實現和多種技術聯用，如布魯斯特角顯微鏡、表面等離子共振、原子力顯微鏡、石英晶體微天平、LB槽、反射光譜儀、太赫茲光譜儀以及拉曼光譜儀等等。

傳統橢偏技術在光譜的每個波長至少測試兩組數據。如果應用廣義成像橢偏技術可以在每個波長的測量得到16個參數。

橢圓偏振技術測量強度比而不是純粹光的強度。因此，橢圓偏振技術受光源不穩定或大氣吸收的影響較小。

不需要參比測試。

介電函數（或復折射指數）的實部和虛部分可以同時獲得，而沒有必要進行克拉默斯- 克羅尼格分析。

橢偏儀適用於研究各向異性樣品的反射率測量。

成像橢偏儀通過動態視頻能夠直接“看”到試樣，對原位橢偏測量和橢偏儀在微結構試樣和生物芯片方面的應用有很大幫助。

成像橢偏儀設計和製造複雜，造價較高。

成像橢偏儀難以實現寬光譜橢偏測量。

半導體物理、通訊、數據存儲、光學鍍膜、平板顯示器、表界面科學研究、物理、化學、生物、醫藥、介電材料、有機高分子聚合物、金屬氧化物、金屬鈍化膜、各種液體薄膜、自組裝單分子層、多層膜物質等等