觀點|反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應用

1 引言

橢圓偏振(簡稱橢偏)光譜測量是一種非接觸、非破壞性的光學分析技術，是研究材料光學性質的重要手段?。橢偏光譜測量技術自問世以來已有 100 多年歷史，1887 年，Drude 發現光與物質相互作用將導致光的偏振態發生改變，偏振態在相互作用前后所發生的變化與物質的屬性、厚度和結構有關。Drude 以此提出了橢圓偏振光測量的理論并建立了第 1 套實驗裝置，測量了 18 種金屬的光學常數。隨后，橢偏測量研究一直陷于停滯，直到 Tronstad 將其應用于電化學的研究中，橢偏測量所具有的高精確度與非破壞性的優點才得以重視并廣泛地應用在各個研究領域中。自從1945 年 Rothen 首次提出 Ellipsometry(橢偏)，將此測量技術從傳統的偏振測量方法獨立出來，至今橢偏測量技術已獲得極大的發展，不論是測量理論的研究還是測量儀器的研發均取得大量的有價值成果。橢偏測量的基本原理是測量光束經材料反射、透
射或散射前后偏振態的改變，由于偏振態的改變與材料的光學性質、厚度、結構直接相關，因此，通過橢偏測量可以獲得材料的光學常數。應用最廣的是反射式橢偏儀，即測量反射光相對于入射光偏振態的變化，其中依據測量方式又可分為消光式橢偏儀與光度式橢偏儀，消光式橢偏儀以尋找輸出最小光強的位置為測量手段，光度式橢偏儀則以測定分析光強的輸出變化為測量手段。隨著橢偏測量理論的研究與實驗技術的發展，現代橢偏儀已獲得巨大的技術進步，典型的現代橢偏光譜儀其發展演化主要有如下 3 個方向:

① 測量的光譜范圍越來越寬，以滿足各種不同材料的測量需求，尤其對于寬禁帶的材料，廣闊的波長范圍才能獲得完整的分析數據，同時對于一些特殊材料必須在紫外與紅外波段進行測量，因而也出現相應波長范圍的專用橢偏儀。

② 測量的自動化程度越來越高。這主要得益于計算機技術的進步并在橢偏技術中的應用。橢偏儀除被用于研究用途之外，又被大量、廣泛地應用于工業生產當中，產量與產能上的需求促使橢偏儀技術向測量自動化、數據分析自動化的方向發展，當今知名的橢偏儀廠商均以自動化與系統集成作為產品研發的重要方向。

③ 測量的速度越來越快，以面陣 CCD 探測器為主流的多通道探測技術以及并行測試模式使橢偏儀的響應時間越來越短，原來只能對樣品進行離位測量的橢偏測量技術發展為可以實時監控的在線測量技術，極大地拓展了該技術在工業應用領域的發展空間。橢偏測量技術以其高精度、快速、簡易以及對測量對象限制少等特點廣泛地應用于科研與工業生產當中，其主要應用的領域包括:

① 材料的光學性質測量。被測的材料可以是固體或是液體，可以是各向同性也可以是各向異性，橢偏測量優點在于不用通過Kramers-Kronig 關系而直接獲得材料的光學常數與介電函數譜。

② 界面及表面應用。橢偏測量技術可用于不同材料交界面的分析。

③ 微電子與半導體產業。橢偏測量技術常用于半導體加工或微電子研究中薄膜生長的監控與分析，現代新材料的研究開發也常常使用橢偏技術作為研究手段。

④ 生命科學。橢偏測量技術可用于細胞表面膜相互作用、蛋白質等大分子的測量。國內科研教學以及工業生產中也有多種型號的橢偏儀獲得應用，但國內高校目前用于教學的橢偏儀多為單波長消光式，而且自動化程度不高，測量誤差較大。本文報道一種反射式同時旋轉起偏器和檢偏器的動態光度式全自動橢偏儀，并用于實驗應用。

2 橢偏光譜測量原理

橢偏光譜測量以光波為測量媒介，可以測定任意波長下 2 個相互獨立的橢偏參數，通過對橢偏參數的求解即可獲得樣品的光學性質，具有非破壞性與非接觸的優點。被測的樣品可以是固體、液體或者薄膜，可以在大氣、真空、高溫等多種環境下對樣品結構與光學性質進行研究。橢偏光譜測量以光的偏振態為測量手段，可快速、準確地獲得材料的光學常數與復介電函數，并且能方便、快捷地應用于薄膜材料的測量，是研究薄膜材料物理性質的理想手段。

3 反射式 RAP 型橢偏光譜儀

偏儀最初采用消光式的測量方法，即通過尋找光強輸出最小的位置為測量手段，但相位補償器的引入以及光強極小值位置的判斷容易引入誤差，測量精度不高。1975 年，Aspnes 首次成功設計了光度式橢偏儀?，這種橢偏儀不需要相位補償器，只需旋轉檢偏器并記錄反射光光強隨檢偏器轉動角度變化的規律，通過計算機即可計算出反射光的偏振狀態。光度
式橢偏儀不需要相位調制，并且免去了光強極值判斷，因此可獲得很高的測量精度。

4 應用

(1) 馬呂斯定律驗證實驗。

對于反射式 RAP 型橢偏儀，其測量的核心手段是旋轉檢偏器并記錄反射光光強隨檢偏器轉動角度變化的規律，并由此計算反射光的偏振狀態。為了讓學生對此有直觀的認識，首先設計一項準備實驗。探測光不經樣品反射，僅旋轉起偏器或檢偏器，觀察光強變化形式并驗證馬呂斯定律。根據馬呂斯定律，如果線偏振光的振動面與起偏器(或檢偏器)的方位角(即透光方向)的夾角為 θ 時，其強度為 I 0 的線偏振光通過起偏器(或檢偏器)后光強為:I = I 0 cos 2 θ。由實驗控制程序發出命令，控制起偏器 P 與檢偏器 A 分別單獨旋轉，收集探測器接收到的光電壓，記錄光強隨探測光振動面與偏振片方位角夾角的變化。

(2) 樣品參數測量實驗。

作為橢偏儀的另一應用實例，在室溫下，使用該系統對一標準硅片樣品進行測量，探測并計算其主要光學參數:復折射率的實部 n、虛部 k、復介電常數的實部 ε 1 、虛部 ε 2 、反射率 R 及吸收系數 α。控制起偏器與檢偏器以 A = 2P 的速度轉
動，并探測光強。從上述馬呂斯定律驗證實驗、硅片光學常數測試實驗等結果表明，該反射式 RAP 型橢偏儀具有全自
動、多功能、高精度、易操作等優點。由于考慮成本因素等，該教學型橢偏儀僅使用 650 nm 的單波長，實際上該型號橢偏儀已擴展到較寬的測試波長范圍，并且在多方面的研究中發揮較大作用。

本文轉自中國知網作者張榮君，材料人Allen整理編輯。

參考文獻

[1]張榮君,姚明遠,鄭玉祥,陳良堯. 反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應用[J]. 實驗室研究與探索,2010,29(03):30-34.?