光学椭偏仪的原理及应用

 

光谱椭偏仪是一种先进的光学测量设备，它能够无损、非接触地测量光学膜层厚度和光学常数、多层膜厚度和光学常数、镀碳磁盘的碳层厚度和光学常数，以及润滑层的厚度和表面粗糙度、各种半导体及其氧化物的成分、化合物半导体的成分、梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度等。本文将介绍光谱椭偏仪的工作原理、在不同领域的应用及产品推荐。

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椭偏仪工作原理

1) 光学原理

光谱椭偏仪的工作原理基于椭圆偏振光在材料表面的反射。当偏振光入射到材料表面时，由于材料的光学特性，反射光的偏振态会发生改变。这种改变可以通过两个参数来描述：相位差（Δ）和振幅比（Ψ）。

2）光路图

3) 测量过程

  1. 光源：使用单色光源或可调谐光源产生偏振光。

  2. 光束入射：光束入射到待测材料表面，反射后偏振态发生变化。

  3. 偏振态变化：测量反射光的Δ和Ψ，这两个参数与材料的光学性质有关。

  4. 数据分析：通过建立材料的光学模型，利用测量的Δ和Ψ值进行拟合，得到材料的厚度、折射率（n）和消光系数（k）。

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椭偏仪应用领域

 

1) 半导体工业
在半导体工业中，光谱椭偏仪用于测量单层及多层介质薄：如氧化物薄膜、氮化物薄膜；硅化物（Silicide）薄膜：WSix, TiSix；光刻胶等薄膜的厚度和光学常数，这对于制造集成电路和光电器件至关重要。
2) 光学镀膜
在光学镀膜领域，可测量各种光学元件，如反射镜、透镜的薄膜厚度和光学性质。通过测量薄膜的折射率和厚度，可以优化设计反射镜、滤光片和增透膜等。
3) 新能源材料

在太阳能电池和燃料电池等新能源材料的开发中，光谱椭偏仪用于表征材料的光电性质，推动能源技术的进步。

  1. 太阳能电池材料：椭偏仪用于测量太阳能电池中各种薄膜的厚度和光学常数，如硅基太阳能电池中的硅片、钝化层、抗反射层等，对提高太阳能电池的转换效率具有重要意义。

  2. LED和OLED显示技术：在LED和OLED照明及显示技术中，椭偏仪用于表征半导体材料、电介质、有机材料等的薄膜特性，如薄膜厚度、折射率等，对优化器件性能至关重要。

  3. 锂离子电池材料：椭偏仪可以用于锂离子电池电极材料的表征，如电极薄膜的厚度和均匀性，进而影响电池的充放电性能和稳定性。

  4. 燃料电池材料：在燃料电池研究中，椭偏仪可以用于测量电解质薄膜的厚度和光学性质，对提高燃料电池的效率和耐久性有重要作用。

  5. 光伏材料：椭偏仪在光伏材料的研发中，用于薄膜沉积的原位表征，如薄膜沉积速率和光学常数的实时监控，对薄膜光伏材料的研发具有指导意义。

  6. 纳米材料学：椭偏仪在纳米材料学领域内用于各种功能材料和体材料的光学性质以及结构特性分析，对开发新型能源材料具有重要作用。

  7. 微电子、光电子器件：椭偏仪通过高精度定量获取待测样品的光学常数和几何形貌等信息，对提高微电子、光电子器件性能具有重要意义。

  8. 碳纳米材料：椭偏仪用于表征采用特殊技术如Gas cluster ion beam（CIB）制备的碳膜，对分类和应用碳纳米材料具有指导作用。
4) 材料科学研究
材料科学研究中，光谱椭偏仪能够提供多晶硅，单晶硅等材料的微观结构信息，如晶格结构、缺陷密度和界面特性等。

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椭偏仪产品推荐

晶诺微 Quasar E100是一款桌面式光谱椭偏膜厚仪，它为客户提供更加准确和更加稳定的厚度和折射率测量，广泛应用于科研、半导体、液晶、太阳能制造等领域，适用于对厚度和折射率测量有更高精度要求的应用场景。

 

1）产品特点

a．各种尺寸样品测量：可测量如4-12英寸的晶圆及其他各种不规则形状样品；

b．测量精度和稳定性高：相对于反射仪，Quasar E100可提供更高精度的测量，且可提供极薄膜的测量；

c．多参数测量：可测量材料厚度、折射率和消光系数；

d．操作简单且功能丰富：用户无需过多培训即可轻松掌握测量流程及建立菜单，数据查看、统计和分析功能丰富。
2）产品规格

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结   论

光谱椭偏仪作为一种高精度的光学测量工具，它的原理基于对椭圆偏振光在材料表面反射特性的测量。通过先进的数据处理算法，可以获得材料的光学性质，如薄膜厚度、折射率和消光系数。这项技术在多个领域内都有着不可替代的作用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。