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［1］。橢偏光譜測量技術自問世以來已有 100 多年歷史，1887 年，Drude 發(fā)現(xiàn)光與物質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(shù)。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(yōu)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(tǒng)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(fā)展，不論是測量理論的研究還是測量儀器的研發(fā)均取得大量的有價值成果［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(shù)。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(jù)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］。

隨著橢偏測量理論的研究與實驗技術的發(fā)展，現(xiàn)代橢偏儀已獲得巨大的技術進步，典型的現(xiàn)代橢偏光譜儀其發(fā)展演化主要有如下 3 個方向［1］:

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(shù)據(jù)，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(xiàn)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(yè)生產(chǎn)當中，產(chǎn)量與產(chǎn)能上的需求促使橢偏儀技術向測量自動化、數(shù)據(jù)分析自動化的方向發(fā)展，當今知名的橢偏儀廠商均以自動化與系統(tǒng)集成作為產(chǎn)品研發(fā)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［4］以及并行測試模式［5］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(fā)展為可以實時監(jiān)控的在線測量技術，極大地拓展了該技術在工業(yè)應用領域的發(fā)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(yè)生產(chǎn)當中，其主要應用的領域包括［1，3］:

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(yōu)點在于不用通過Kramers-Kronig 關系而直接獲得材料的光學常數(shù)與介電函數(shù)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(chǎn)業(yè)。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(jiān)控與分析，現(xiàn)代新材料的研究開發(fā)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(nèi)科研教學以及工業(yè)生產(chǎn)中也有多種型號的橢偏儀獲得應用［6］，但國內(nèi)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(tài)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(shù)，通過對橢偏參數(shù)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(yōu)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(huán)境下對樣品結構與光學性質進行研究［1，3］。

2. 1 材料的光學常數(shù)與 Kramas-Kronig 關系［7］

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

對大多數(shù)材料，在可見光波段光頻電場 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，如果介質內(nèi)不存在自由電荷，則上式可改寫為

包括實部 n(折射率)和虛部 k(消光系數(shù))2 個量，通常是波長的函數(shù)。

引入復介電函數(shù) ε～，其物理意義為介質對外加電場的響應，定義