新型椭圆偏振光谱仪MM-16
俞罡
（法国HORIBA JOBIN YVON公司上海代表处 上 海 200030）
Email:[email protected]
摘 要 通过对新型椭圆偏振光谱仪MM-16原理和应用的研究，浅析MM-16的特点及优势。关键词 椭偏; 液晶; 相位调制中图分类号 TH744.1
New Ellipsometer MM-16
Y u Gang
(HORIBA JOBIN YVON Shanghai Representative Office , Shanghai 200030, China )
Abstract By discussing about the theory and application of MM-16 Liquid Crystal Modulation Ellipsometer, we show the specialty and advantage of MM-16. Key words ellopsometer; liquid crystal; phase modulator
1 引 言
目前，在各种领域中薄膜材料扮演着越来越重要的角色。从单膜结构向着多膜膜系，各向异性膜等方向发展。而薄膜的厚度，折射率，消光系数等指标作为薄膜（膜系）的基本特性成为大家研究的重点。
椭圆偏振光谱仪，作为一种非接触性的测试手段，可以同时测量薄膜的这些基本参数。已经越来越受到人们的关注。
MM-16相调制型椭圆偏振光谱仪为Horiba JobinYvon 公司最新产品，该型椭偏仪为世界上首款采用液晶盒作为偏振光调制器的光电型相位调制椭圆偏振光谱仪。由于MM-16光路中无机械转动部件，所以无磨损，精确度高，稳定性好，速度快。同时还提供了微光斑配置。
2 原理及特点
2.1 液晶调制
MM-16采用液晶调制器，仪器示意图如下：
图2 MM-16仪器原理示意图
PSG（起偏探头）/PSA（分析探头）均采用 “偏振片，液晶调制器，1/4波片，液晶调制器”结构。两个探头完全相同，维护非常简单。
2.2 Mueller Matrix测量
MM-16在原理上采用了4x4的穆勒矩阵(MuellerMatrix),而不是普通的2x2的琼斯矩阵(Jones Matrix),其原因是每个液晶调制器在一次测量时,都分别有0o 和45o 这两个状态，这样4个液晶调制器就可以产生24=16种不同的排列组合方式对光进行调制,即每次均测量了样品的16个偏振参量信息。这样椭偏就测量了所有的样品偏振信息。(普通型机械转动椭偏仪仅能通过多次测量得到10个椭偏参量。UVISEL型相位调制型可以得到12个参量)。这对于复杂样品结构,或复杂材料(各相异性,渐变折射率型等等)的分析是非常重要的。下图所
图
1
MM-16
相调制型椭圆偏振光谱仪
示为ITO/Glass结构中Mueller Matrix的16个参量图。可
收稿日期：2005-06-15
作者简介：俞罡，系统应用工程师。
以看出每个参量都有其独特的信息。
图3 Mueller Matrix
2.3 Ψ 和Δ
在椭偏仪的测量中Ψ和Δ是其中最重要的两个参量。分别代表椭偏光的振幅比（Ψ）和相位差（Δ）。但是因为我们在测量中仅能得到光强信息。所以椭偏仪测量的是Ψ和Δ的函数值，MM16所测量的是
Is = sin2Ψ.sinΔIc = sin2Ψ.cosΔIc' = cos2Ψ
相比于普通旋转型椭偏光谱仪所测量的tan(Ψ) 和cos(Δ)。MM-16在Ψ和Δ的全谱段（Ψ （0°-90°)和
Δ(0°-360°)）都保证了极高的精度,特别是在Δ（0°-20°）和（160°-180°）时。而Δ在此区段的所代表的是透明膜和超薄膜，因此对于这种材料的测量和分析方面MM16有着巨大的优势。
2.4 光源
MM16采用卤素灯和蓝光LED 双光源覆盖测量范围，其工作寿命长，可24小时连续开机，同时其更换成本也非常低，大大节省了仪器后期的维护费用。
2.5 光学系统
MM16采用HJY公司的“单色仪＋2048像素CCD”, 全光谱同时读出,分辨率达到2nm以上,保证其测量超厚样品的分辨率,下图为13μm SiO2/Si样品,可见其超高的分辨率。同时CCD 探测器使光谱采集时间可快达2s。
2.6 机器整合
MM16采用紧凑型设计,光源、驱动、采集,电脑系统都集成在一个主机中,尺寸为520 x 500 x 220mm,十分小巧方便。同时其中也配置了USB等接口,方便数据共享。
整个机器对于环境适应性很高,即兼容洁净室环境,又适合普通实验室要求,也无需其他供水,供气设备。方便使用。
2.7 软件
图4 13μm SiO2/Si样品测量图谱
MM16采用功能强大的DeltaPsi 2软件。仪器操作，数据处理都在同一界面下完成，同时软件提供了200多种材料的光学性质图谱。数十种材料色散公式，用户还可以为自己的研究创见自己的材料数据库。
样品建模中也包括了普通薄膜，各向异性膜，渐变折射率膜等等。同时软件有自动扣除背底功能，可以正确的测量分析透明基底上的膜层，如光学镀膜，ITO/Glass等结构。
3 应用举例
Horiba Jobin Yvon公司在全世界有多处应用实验室，与用户紧密合作，不断研究椭偏各种新的应用，下面就举几个应用的例子，以飨读者。
3.1 TFT-LCD 显示器的研究
现在,显示器正在向更薄更大方向发展,而以前的显示器采用阴极射线管技术无法满足这方面的需求,因此新型平面显示技术的研究就越来越重要。目前平面显示技术主要包括光电二极管(LED),液晶显示(LCD)和等离子发光等。其中LED 和等离子发光作为主动发光而LCD技术为被动显示技术,采用反射或透射光进行显示。因此LCD 技术相比LED 和等离子发光技术更加节能。被广泛的应用在笔记本显示和台式电脑中。3.1.1 LCD结构
LCD 设备结构时由两块平板玻璃中添加向列性液晶组成的三明治结构。详细说来,其每块玻璃上由一层作为电极的透明金属氧化膜覆盖。在该层上添加电压可以改变液晶的相位。其上还有一层取向聚合物膜,用以液晶分子的排列。当在两层玻璃中的导电膜中加电压时液晶排列方向就会改变从而改变其透光率。见图5。3.1.2 显示地址技术
LCD 一般可以采用栅格型的被动矩阵结构或像素
型的主动矩阵结构，其中主动矩阵结构就是现在广泛
图5 LCD结构
采用的薄膜晶体管技术（TFT）。其在每个像素上都可以独立控制其亮度，并且由更快的速度和更小的能耗。TFT结构如下，为一层2000-3000 A o
金属，以及PECVD 沉积的SiN 和a-Si 组成。其结构见图6。
图6 TFT 结构图
采用MM-16液晶调制型椭偏光谱仪对TFT-LCD结构中各个变量进行研究。其入射角为70°。波长范围430nm-850nm。3.1.3 测量和结果
1）玻璃衬底上的ITO 及聚合物膜
ITO 膜为一种半透膜，其在FUV 和NIR 波段有吸收，同时其光学性质因为制膜和后期处理的工艺不同而不同。使用渐变折射率模型可以很好的解析ITO 层。其最后数据见图7。
图7 Polymer/ITO/Glass结构分析
2）LCD三明治结构
液晶是一种单轴各向异性结构，其晶轴在N 方向（垂直于样品表面）。采用DP2软件中的各向异性模型和双背底校正功能，我们可以轻松的得到其结构信息。见图8。
3）TFT 结构
测试结构如下所示，因为TFT 结构随着工艺的不同其性质有较大的变化，而MM-16的超灵敏度可以看
出这些微小的不同。见图9。
图8 Glass/LQ/Glass结构分析
图9 TFT 结构分析
3.2 ZnO 膜的研究
对低造价,高性能光电材料的寻找和研制中,使透明导电氧化(TCO)材料成为了研究的热点。可广泛的应用于太阳能电池,光热转换设备,各种传感器等等。
Z n O 薄膜因为其光电性质，高化学机械稳定性，丰富的资源储量而成为TCO 材料研究的宠儿。然而未掺杂的Z n O 薄膜不是十分稳定。特别是在高温状态下。而适当的掺杂可以大大的提高ZnO 性能。另外掺铟（In），铝（Al），镓（Ga）等可以增强其的导电特性。
采用MM-16可以研究各种情况下ZnO薄膜的性质。
3.2.1 样品制备
ZnO 膜采用溶胶-凝胶法进行制备，Zinc醋酸二水化合物作为原材料溶解于酒精和乙醇胺中分别作为溶剂和复合媒剂。采用硝酸铝作为掺杂原料，Al/Zn摩尔比1%-3%不等。采用九次旋涂沉积，3000rpm，30s。掺杂和非掺杂层在涂层和结束后预热300℃（10min）。并且550℃煺火2小时（ Prepared by LIMHP-Paris 13University）3.2.2 测量及结果
对每个样品进行测量和数据处理，发现采用如下结构可以很好的解释样品结构。其中有一层致密膜在底部，其上是一层多孔膜层（厚度大概在50nm 左右）。
多孔层ZnO 致密层ZnO
玻璃
下图为3%Al掺杂时的实验数据和ZnO 层的光学参数。
下表为不同掺杂浓度下的薄膜厚度和光学常数。可以看见采用MM-16椭偏仪可以对不同掺杂浓度下薄膜的变化进行精确的研究。
图10 3%-ZnO
结构分析
图11 不同A l 掺杂浓度下的光学性质分析
表1 不同掺杂浓度下的薄膜厚度
样品致密层厚度o
A
o
多孔层厚度A 非掺杂ZnO 12685481%掺杂ZnO 11286102％掺杂ZnO 12313153％掺杂ZnO
1510
484
4 小 结
MM-16是Horiba Jobin Yvon公司最新推出的一款椭圆偏振光谱仪，其采用最新的液晶调制技术，CCD快速采集，全数字化设计，使其性能达到了一个新台阶。从上文的应用中我们可以看出其对负责样品和微小变化都可以进行精确的研究。希望MM-16型光谱椭偏仪可以为各位专家的研究出一份力。
参考文献
[1] Technical note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. TN05[2] Application note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. SE07[3] Application note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. SE10
新型椭圆偏振光谱仪MM-16
俞罡
（法国HORIBA JOBIN YVON公司上海代表处 上 海 200030）
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摘 要 通过对新型椭圆偏振光谱仪MM-16原理和应用的研究，浅析MM-16的特点及优势。关键词 椭偏; 液晶; 相位调制中图分类号 TH744.1
New Ellipsometer MM-16
Y u Gang
(HORIBA JOBIN YVON Shanghai Representative Office , Shanghai 200030, China )
Abstract By discussing about the theory and application of MM-16 Liquid Crystal Modulation Ellipsometer, we show the specialty and advantage of MM-16. Key words ellopsometer; liquid crystal; phase modulator
1 引 言
目前，在各种领域中薄膜材料扮演着越来越重要的角色。从单膜结构向着多膜膜系，各向异性膜等方向发展。而薄膜的厚度，折射率，消光系数等指标作为薄膜（膜系）的基本特性成为大家研究的重点。
椭圆偏振光谱仪，作为一种非接触性的测试手段，可以同时测量薄膜的这些基本参数。已经越来越受到人们的关注。
MM-16相调制型椭圆偏振光谱仪为Horiba JobinYvon 公司最新产品，该型椭偏仪为世界上首款采用液晶盒作为偏振光调制器的光电型相位调制椭圆偏振光谱仪。由于MM-16光路中无机械转动部件，所以无磨损，精确度高，稳定性好，速度快。同时还提供了微光斑配置。
2 原理及特点
2.1 液晶调制
MM-16采用液晶调制器，仪器示意图如下：
图2 MM-16仪器原理示意图
PSG（起偏探头）/PSA（分析探头）均采用 “偏振片，液晶调制器，1/4波片，液晶调制器”结构。两个探头完全相同，维护非常简单。
2.2 Mueller Matrix测量
MM-16在原理上采用了4x4的穆勒矩阵(MuellerMatrix),而不是普通的2x2的琼斯矩阵(Jones Matrix),其原因是每个液晶调制器在一次测量时,都分别有0o 和45o 这两个状态，这样4个液晶调制器就可以产生24=16种不同的排列组合方式对光进行调制,即每次均测量了样品的16个偏振参量信息。这样椭偏就测量了所有的样品偏振信息。(普通型机械转动椭偏仪仅能通过多次测量得到10个椭偏参量。UVISEL型相位调制型可以得到12个参量)。这对于复杂样品结构,或复杂材料(各相异性,渐变折射率型等等)的分析是非常重要的。下图所
图
1
MM-16
相调制型椭圆偏振光谱仪
示为ITO/Glass结构中Mueller Matrix的16个参量图。可
收稿日期：2005-06-15
作者简介：俞罡，系统应用工程师。
以看出每个参量都有其独特的信息。
图3 Mueller Matrix
2.3 Ψ 和Δ
在椭偏仪的测量中Ψ和Δ是其中最重要的两个参量。分别代表椭偏光的振幅比（Ψ）和相位差（Δ）。但是因为我们在测量中仅能得到光强信息。所以椭偏仪测量的是Ψ和Δ的函数值，MM16所测量的是
Is = sin2Ψ.sinΔIc = sin2Ψ.cosΔIc' = cos2Ψ
相比于普通旋转型椭偏光谱仪所测量的tan(Ψ) 和cos(Δ)。MM-16在Ψ和Δ的全谱段（Ψ （0°-90°)和
Δ(0°-360°)）都保证了极高的精度,特别是在Δ（0°-20°）和（160°-180°）时。而Δ在此区段的所代表的是透明膜和超薄膜，因此对于这种材料的测量和分析方面MM16有着巨大的优势。
2.4 光源
MM16采用卤素灯和蓝光LED 双光源覆盖测量范围，其工作寿命长，可24小时连续开机，同时其更换成本也非常低，大大节省了仪器后期的维护费用。
2.5 光学系统
MM16采用HJY公司的“单色仪＋2048像素CCD”, 全光谱同时读出,分辨率达到2nm以上,保证其测量超厚样品的分辨率,下图为13μm SiO2/Si样品,可见其超高的分辨率。同时CCD 探测器使光谱采集时间可快达2s。
2.6 机器整合
MM16采用紧凑型设计,光源、驱动、采集,电脑系统都集成在一个主机中,尺寸为520 x 500 x 220mm,十分小巧方便。同时其中也配置了USB等接口,方便数据共享。
整个机器对于环境适应性很高,即兼容洁净室环境,又适合普通实验室要求,也无需其他供水,供气设备。方便使用。
2.7 软件
图4 13μm SiO2/Si样品测量图谱
MM16采用功能强大的DeltaPsi 2软件。仪器操作，数据处理都在同一界面下完成，同时软件提供了200多种材料的光学性质图谱。数十种材料色散公式，用户还可以为自己的研究创见自己的材料数据库。
样品建模中也包括了普通薄膜，各向异性膜，渐变折射率膜等等。同时软件有自动扣除背底功能，可以正确的测量分析透明基底上的膜层，如光学镀膜，ITO/Glass等结构。
3 应用举例
Horiba Jobin Yvon公司在全世界有多处应用实验室，与用户紧密合作，不断研究椭偏各种新的应用，下面就举几个应用的例子，以飨读者。
3.1 TFT-LCD 显示器的研究
现在,显示器正在向更薄更大方向发展,而以前的显示器采用阴极射线管技术无法满足这方面的需求,因此新型平面显示技术的研究就越来越重要。目前平面显示技术主要包括光电二极管(LED),液晶显示(LCD)和等离子发光等。其中LED 和等离子发光作为主动发光而LCD技术为被动显示技术,采用反射或透射光进行显示。因此LCD 技术相比LED 和等离子发光技术更加节能。被广泛的应用在笔记本显示和台式电脑中。3.1.1 LCD结构
LCD 设备结构时由两块平板玻璃中添加向列性液晶组成的三明治结构。详细说来,其每块玻璃上由一层作为电极的透明金属氧化膜覆盖。在该层上添加电压可以改变液晶的相位。其上还有一层取向聚合物膜,用以液晶分子的排列。当在两层玻璃中的导电膜中加电压时液晶排列方向就会改变从而改变其透光率。见图5。3.1.2 显示地址技术
LCD 一般可以采用栅格型的被动矩阵结构或像素
型的主动矩阵结构，其中主动矩阵结构就是现在广泛
图5 LCD结构
采用的薄膜晶体管技术（TFT）。其在每个像素上都可以独立控制其亮度，并且由更快的速度和更小的能耗。TFT结构如下，为一层2000-3000 A o
金属，以及PECVD 沉积的SiN 和a-Si 组成。其结构见图6。
图6 TFT 结构图
采用MM-16液晶调制型椭偏光谱仪对TFT-LCD结构中各个变量进行研究。其入射角为70°。波长范围430nm-850nm。3.1.3 测量和结果
1）玻璃衬底上的ITO 及聚合物膜
ITO 膜为一种半透膜，其在FUV 和NIR 波段有吸收，同时其光学性质因为制膜和后期处理的工艺不同而不同。使用渐变折射率模型可以很好的解析ITO 层。其最后数据见图7。
图7 Polymer/ITO/Glass结构分析
2）LCD三明治结构
液晶是一种单轴各向异性结构，其晶轴在N 方向（垂直于样品表面）。采用DP2软件中的各向异性模型和双背底校正功能，我们可以轻松的得到其结构信息。见图8。
3）TFT 结构
测试结构如下所示，因为TFT 结构随着工艺的不同其性质有较大的变化，而MM-16的超灵敏度可以看
出这些微小的不同。见图9。
图8 Glass/LQ/Glass结构分析
图9 TFT 结构分析
3.2 ZnO 膜的研究
对低造价,高性能光电材料的寻找和研制中,使透明导电氧化(TCO)材料成为了研究的热点。可广泛的应用于太阳能电池,光热转换设备,各种传感器等等。
Z n O 薄膜因为其光电性质，高化学机械稳定性，丰富的资源储量而成为TCO 材料研究的宠儿。然而未掺杂的Z n O 薄膜不是十分稳定。特别是在高温状态下。而适当的掺杂可以大大的提高ZnO 性能。另外掺铟（In），铝（Al），镓（Ga）等可以增强其的导电特性。
采用MM-16可以研究各种情况下ZnO薄膜的性质。
3.2.1 样品制备
ZnO 膜采用溶胶-凝胶法进行制备，Zinc醋酸二水化合物作为原材料溶解于酒精和乙醇胺中分别作为溶剂和复合媒剂。采用硝酸铝作为掺杂原料，Al/Zn摩尔比1%-3%不等。采用九次旋涂沉积，3000rpm，30s。掺杂和非掺杂层在涂层和结束后预热300℃（10min）。并且550℃煺火2小时（ Prepared by LIMHP-Paris 13University）3.2.2 测量及结果
对每个样品进行测量和数据处理，发现采用如下结构可以很好的解释样品结构。其中有一层致密膜在底部，其上是一层多孔膜层（厚度大概在50nm 左右）。
多孔层ZnO 致密层ZnO
玻璃
下图为3%Al掺杂时的实验数据和ZnO 层的光学参数。
下表为不同掺杂浓度下的薄膜厚度和光学常数。可以看见采用MM-16椭偏仪可以对不同掺杂浓度下薄膜的变化进行精确的研究。
图10 3%-ZnO
结构分析
图11 不同A l 掺杂浓度下的光学性质分析
表1 不同掺杂浓度下的薄膜厚度
样品致密层厚度o
A
o
多孔层厚度A 非掺杂ZnO 12685481%掺杂ZnO 11286102％掺杂ZnO 12313153％掺杂ZnO
1510
484
4 小 结
MM-16是Horiba Jobin Yvon公司最新推出的一款椭圆偏振光谱仪，其采用最新的液晶调制技术，CCD快速采集，全数字化设计，使其性能达到了一个新台阶。从上文的应用中我们可以看出其对负责样品和微小变化都可以进行精确的研究。希望MM-16型光谱椭偏仪可以为各位专家的研究出一份力。
参考文献
[1] Technical note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. TN05[2] Application note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. SE07[3] Application note of Horiba Jobin Yvon Thin film Division No. SE10