橢圓偏光儀之原理與應用
1890 年代德國物理學家 Drude 利用兩道偏振方向互相垂直的光來量測薄膜的厚度，此為橢圓偏光儀量測最早的基本概念，而在 1945 年，Alexandre Rothen 將此種利用不同偏振光來量測樣品厚度及其折射率的方法統稱為橢圓偏光術 (ellipsometry)。雖然橢圓偏光術發展相當早，但受限於光源、偵測器及數值運算的速度，其精確度及應用範圍都受到一定程度的限制。直到 1960 及 1970 年代，隨著光電倍增管、雷射及電腦產業的發展，橢圓偏光儀的發展相當進步，大大地提升了精確度及應用層面，而各式不同類型的橢圓偏光儀也相繼出現，商用的橢圓偏光儀產品技術也日益成熟，當今橢圓偏光儀的用途不再只侷限於實驗室或學術研究上，於半導體、光碟及液晶顯示器等產業上，都已是不可或缺的量測工具。
圖一、偏振光束在界面或薄膜上反射或穿透時出現的偏振轉換
在薄膜製鍍與分析方面， 為得到高品質的濾光片，首先要精確的製鍍每一層單層膜，因此如何量測單層光學薄膜的特性，是首要步驟，其中薄膜折射率與厚度是光學薄膜非常重要的光學常數。目前在量測薄膜折射率及薄膜厚度的方法中，較常用的是光度法 (photometry) 及橢圓偏光術 (ellipsometry)。光度法是以量測光透過或反射自樣品後強度的變化來求得各項係數，而橢圓偏光術則是量測偏振光經樣品反射後之振幅與相位的變化來求得各項係數。由於光度法在對於強吸收材料 (如金屬材料) 的量測上有其侷限性，所以橢圓偏光術在應用範圍上就顯得較為廣泛。利用橢圓偏光術所發展出之橢圓偏光儀，為量測物質折射率、薄膜厚度及準確度最佳的儀器之一，本文針對橢圓偏光儀基本的原理、方法及應用做簡單的介紹。
橢圓偏光術是一種非接觸式、非破壞性、以光學技術量測薄膜表面特性的方法。其量測原理係運用光在兩層薄膜間的介面或薄膜中發生的現象及其特性的一種光學方法，如圖一所示，利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或穿透時出現的偏振轉換，得到兩獨立的數據 Ψ 與 Δ，稱之為橢圓參數，再經由所建構的物理模型，計算求得折射係數 n、吸收係數 k 值及膜厚 t。
橢圓偏光儀無法直接測量樣品的物理參數，而是必須藉由一模型來描述樣品的物理性質，以數值分析求得實際上樣品的物理參數，因此，數值分析方法亦決定橢圓偏光儀量測的準確性及應用的範圍。其主要量測不同偏振態改變量的比例，而不量測光的絕對強度，因此增加了量測的精確度。對於此較單純的結構，尚可以等比級數的公式加以計算，當考慮多層膜結構時，由於各層間皆有交互作用，無法利用級數法來求解，必須利用遞迭的方式，一層層地以電腦程式計算穿透係數及反射係數。
橢圓偏光儀之儀器架構簡介
圖二、橢圓偏光儀示意圖
- 光源 (light source)：光源可為單一波長的雷射光或白光產生器附加單光儀 (monochromator) 以調變所需的波長。
- 偏光片 (polarizer)：光源一般為非偏極光，因此需藉一偏光片，將光源轉成線性偏極光 (linearly polarized light)。
- 補償片 (compensator)：通常為四分之一波片 (quarter wave plate)，光學上稱為延相器 (retarder)，若置於樣品之前，其作用在於將線性偏極光轉成適當的橢圓偏極光，使光線經樣品反射後能變成線性偏極光再進入檢測器。若置於樣品之後，其作用在於將樣品反射出的橢圓偏極光轉成線性偏極光，再進入檢測器。無論何種擺置，延相器的功能在於確定入射於分析片之前的光為線性偏極光。
- 分析片 (analyzer)：結構同偏光片，用於分析反射光之極化現象。
- 偵測器 (detector)：用來偵測反射光之強度，一般為光電倍增管 (photomultiplier) 或發光二極體 (photodiode)。
橢圓偏光儀一般有兩種，一為歸零式的消光法 (null elliposmeter)，如圖二 (a) 所示，亦即旋轉橢圓儀中光學元件的角度 (亦可利用 Faraday cell 或 pockels cell 來調制) 使其偵測到的光訊號強度最小，再根據這些光學元件之角度計算出 Δ 與 Ψ。另一種為相位調制光度量測法 (photometric ellipsometer) 如圖二 (b) 所示，這是利用相位調制技術，將其中之光學元件加入調制訊號，然後利用鎖相放大技術來處理所得之光強度，再經由傅利葉分析而求得 Δ 與 Ψ。
圖三、橢圓偏光儀
橢圓偏光技術早期應用於分析物質的各項光學參數，但由於量測速度極慢且數據分析不易，所以應用層面並不廣。但是隨著電腦科技的不斷進步，電腦運算能力的提升，也促進橢圓偏光儀的發展，使其更能發揮量測上的特性，成為現今產業界相當重要的量測工具。橢圓偏光術量測的應用範圍廣泛，如半導體、光學薄膜、晶圓、金屬、介電薄膜、玻璃及有機薄膜等，另外也可應用於介電、非晶半導體、聚合物薄膜及薄膜生長過程的即時監控等量測。
除了可以量測薄膜的基本光學常數之外，還可以用來測量薄膜的偏振特性及色散特性，特別是可研究薄膜生長的初始階段，並用以計算分子層的厚度及密度等。在其量測的精確度及高速且非破壞性量測等特性下，無論在產業應用上或基礎學術研究上都有非常廣的應用層面，而隨著光源波長減短、分光技術及偵測器等的發展，可以預期在未來橢圓偏光儀將擴展其應用層面，為一項有力的檢測技術。
本中心為因應光電高科技產業及學術研究之需求，已建立一系列薄膜光學、物理、化學及機械性質分析檢測技術，其中就包含了光譜式橢圓偏光儀 (如圖三)，並提供薄膜檢測技術服務。
更新日期：2007 年 5 月 7 日
