反射式RAP型橢圓偏振光譜儀及其應用

1 引 言

橢圓偏振(簡(jiǎn)稱(chēng)橢偏)光譜測量是一種非接觸、非破壞性的光學(xué)分析技術(shù)，是研究材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段［1］。橢偏光譜測量技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)已有 100 多年歷史，1887 年，Drude 發(fā)現光與物質(zhì)相互作用將導致光的偏振態(tài)發(fā)生改變，偏振態(tài)在相互作用前后所發(fā)生的變化與物質(zhì)的屬性、厚度和結構有關(guān)。Drude 以此提出了橢圓偏振光測量的理論并建立了第 1 套實(shí)驗裝置，測量了 18 種金屬的光學(xué)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(xué)的研究中，橢偏測量所具有的高精確度與非破壞性的優(yōu)點(diǎn)才得以重視并廣泛地應用在各個(gè)研究領(lǐng)域中。自從1945 年 Rothen 首次提出 Ellipsometry ( 橢偏 )，將此測量技術(shù)從傳統的偏振測量方法獨立出來(lái)，至今橢偏測量技術(shù)已獲得極大的發(fā)展，不論是測量理論的研究還是測量?jì)x器的研發(fā)均取得大量的有價(jià)值成果［1-3］。

橢偏測量的基本原理是測量光束經(jīng)材料反射、透射或散射前后偏振態(tài)的改變，由于偏振態(tài)的改變與材料的光學(xué)性質(zhì)、厚度、結構直接相關(guān)，因此，通過(guò)橢偏測量可以獲得材料的光學(xué)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(tài)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［1-3］。

隨著(zhù)橢偏測量理論的研究與實(shí)驗技術(shù)的發(fā)展，現代橢偏儀已獲得巨大的技術(shù)進(jìn)步，典型的現代橢偏光譜儀其發(fā)展演化主要有如下 3 個(gè)方向［1］:

① 測量的光譜范圍越來(lái)越寬，以滿(mǎn)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(cháng)范圍才能獲得完整的分析數據，同時(shí)對于一些特殊材料必須在紫外與紅外波段進(jìn)行測量，因而也出現相應波長(cháng)范圍的專(zhuān)用橢偏儀。② 測量的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。這主要得益于計算機技術(shù)的進(jìn)步并在橢偏技術(shù)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(yè)生產(chǎn)當中，產(chǎn)量與產(chǎn)能上的需求促使橢偏儀技術(shù)向測量自動(dòng)化、數據分析自動(dòng)化的方向發(fā)展，當今知名的橢偏儀廠(chǎng)商均以自動(dòng)化與系統集成作為產(chǎn)品研發(fā)的重要方向。③ 測量的速度越來(lái)越快，以面陣 CCD 探測器為主流的多通道探測技術(shù)［4］以及并行測試模式［5］使橢偏儀的響應時(shí)間越來(lái)越短，原來(lái)只能對樣品進(jìn)行離位測量的橢偏測量技術(shù)發(fā)展為可以實(shí)時(shí)監控的在線(xiàn)測量技術(shù)，極大地拓展了該技術(shù)在工業(yè)應用領(lǐng)域的發(fā)展空間。

橢偏測量技術(shù)以其高精度、快速、簡(jiǎn)易以及對測量對象限制少等特點(diǎn)廣泛地應用于科研與工業(yè)生產(chǎn)當中，其主要應用的領(lǐng)域包括［1，3］:

①材料的光學(xué)性質(zhì)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?jì)?yōu)點(diǎn)在于不用通過(guò)Kramers-Kronig 關(guān)系而直接獲得材料的光學(xué)常數與介電函數譜。② 界面及表面應用。橢偏測量技術(shù)可用于不同材料交界面的分析。③ 微電子與半導體產(chǎn)業(yè)。橢偏測量技術(shù)常用于半導體加工或微電子研究中薄膜生長(cháng)的監控與分析，現代新材料的研究開(kāi)發(fā)也常常使用橢偏技術(shù)作為研究手段。④ 生命科學(xué)。橢偏測量技術(shù)可用于細胞表面膜相互作用、蛋白質(zhì)等大分子的測量。

國內科研教學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中也有多種型號的橢偏儀獲得應用［6］，但國內高校目前用于教學(xué)的橢偏儀多為單波長(cháng)消光式，而且自動(dòng)化程度不高，測量誤差較大。本文報道一種反射式同時(shí)旋轉起偏器和檢偏器的動(dòng)態(tài)光度式全自動(dòng)橢偏儀，并用于實(shí)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(cháng)下 2 個(gè)相互獨立的橢偏參數，通過(guò)對橢偏參數的求解即可獲得樣品的光學(xué)性質(zhì)，具有非破壞性與非接觸的優(yōu)點(diǎn)。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(huán)境下對樣品結構與光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究［1，3］。

2. 1 材料的光學(xué)常數與 Kramas-Kronig 關(guān)系［7］

電磁波在介電常數 ε、電導率 σ 和磁導率 μ 的各向同性介質(zhì)中傳播，滿(mǎn)足 Maxwell 方程組:

對大多數材料，在可見(jiàn)光波段光頻電場(chǎng) E 的頻率不足以使電子的磁矩發(fā)生響應，因此可認為μ = 1，同時(shí)，如果介質(zhì)內不存在自由電荷，則上式可改寫(xiě)為

包括實(shí)部 n(折射率)和虛部 k(消光系數)2 個(gè)量，通常是波長(cháng)的函數。

引入復介電函數 ε～，其物理意義為介質(zhì)對外加電場(chǎng)的響應，定義