反射式RAP型椭圆偏振光谱仪及其应用
时间:2019-01-20 12:40:22 来源:天游 作者:匿名


1简介

椭圆偏振(缩写为椭圆偏振)光谱测量是一种非接触,非破坏性的光学分析技术,是研究材料光学性质的重要手段[1]。椭偏光谱自成立以来已存在超过100年。在1887年,德鲁德发现光物质相互作用导致光的偏振变化,相互作用前后的极化状态的变化,以及物质的性质和厚度。结构相关。 Drude提出了椭圆偏振测量理论,并建立了第一个测量18种金属光学常数的实验装置。随后,椭圆光度法研究一直停滞不前,直到Tronstad将其应用于电化学研究。椭圆偏光法的高精度和非破坏性优点广泛应用于各种研究领域。自Rothen于1945年首次提出椭圆测量法(椭圆测量法)以来,这种测量技术已经与传统的偏振测量方法分离开来。到目前为止,椭圆测量技术在测量理论研究和测量仪器开发方面都得到了很大的发展。大量有价值的结果[1-3]。

椭圆偏光法的基本原理是测量材料反射,透射或散射之前和之后光束偏振态的变化。由于偏振态的变化与材料的光学性质,厚度和结构直接相关,因此可以通过椭圆光度法获得材料的光学性质。不变。最广泛使用的是反射椭圆偏振仪,其测量反射光相对于入射光的偏振状态的变化。根据测量方法,可分为消光椭偏仪和光度椭偏仪,消光椭偏仪将输出最小光强度的位置作为测量装置,用光度椭偏仪测量输出变化。分析光强度作为测量手段[1-3]。

随着椭圆偏光理论的发展和实验技术的发展,现代椭偏仪已经取得了很大的技术进步。典型的现代椭偏光谱仪的发展和演变主要有以下三个方向[1]:

1测量的光谱范围越来越宽,以满足各种不同材料的测量需求,特别是对于宽带隙材料,宽范围的波长,以获得完整的分析数据,对于一些特殊材料必须在紫外和红外波段进行测量,以便出现相应波长范围的专用椭圆偏振仪。 2测量的自动化程度越来越高。这主要是由于计算机技术的进步及其在椭圆偏光法中的应用。椭圆测量法除了用于研究目的外,还广泛应用于工业生产中。对输出和生产率的需求导致了椭圆测量技术在测量自动化和数据分析自动化方向上的发展。部分仪器制造商将自动化和系统集成作为产品开发的重要方向。 3测量速度越来越快。以面阵CCD检测器为主流的多通道检测技术[4]和并行测试模式[5]使椭圆偏振仪的响应时间越来越短。用于偏移测量的椭圆偏振技术已经发展成为可以实时监控的在线测量技术,极大地扩展了该技术在工业应用中的开发空间。椭圆偏光法由于其高精度,坚固性,简单性和有限的测量对象而广泛用于科学研究和工业生产。其主要应用包括[1,3]:。

1测量材料的光学性质。待测材料可以是固体或液体,并且可以是各向同性的或各向异性的。椭圆偏光法的优点在于,在没有Kramers-Kronig关系的情况下直接获得材料的光学常数和介电函数光谱。 2界面和表面应用。椭圆测量法可用于分析不同材料的界面。 3微电子和半导体工业。椭圆偏光法通常用于半导体加工或微电子研究中薄膜生长的监测和分析。现代新材料的研究和开发通常使用椭圆偏光法作为研究工具。 4生命科学。椭圆测量法可用于测量细胞表面膜相互作用,大分子如蛋白质。

国内研究和教学以及工业生产中也有许多类型的椭圆偏振仪[6],但目前国内大学教学中使用的椭偏仪大多是单波长消光,自动化程度不高,测量误差是大。本文报道了一种带有反射同时旋转偏振器和分析仪的动态光度自动椭圆偏振仪,并用于实验应用。

2椭圆偏振测量原理

椭圆光谱测量使用光波作为测量介质,并且可以测量任何波长的两个独立的椭圆参数。通过求解椭圆参数可以获得样品的光学性质,其具有非破坏性和非接触性的优点。待测样品可以是固体,液体或薄膜,样品的结构和光学性质可以在各种环境中研究,如大气,真空和高温[1,3]。

该材料的光学常数与Kramas-Kronig [7]有关。

电磁波在各向同性介质中传播,介电常数ε,电导率σ和磁导率μ,满足麦克斯韦方程组:

对于大多数材料,可见光波段中光学频率场E的频率不足以响应电子的磁矩,因此可以考虑μ=1,并且如果介质中没有自由电荷,包括实部n(折射率)和虚部k(消光系数)是两个量,通常是波长的函数。引入复介电函数ε~,其物理意义是介质对施加电场的响应,定义

因此,只要测量材料的光学常数n和k,就可以转换ε?,或者可以获得ε~以获得材料的其他光学常数。

椭圆偏光测量基于光的偏振状态。它可以快速准确地获得材料的光学常数和复杂介电功能,并可以方便快捷地应用于薄膜材料的测量。它是薄膜材料物理性质的理想研究。手段[4]。

此外,Kramas等人的研究表明,:是由光学响应函数ε~的实部和虚部之间的因果关系决定的,光学常数n和k不完全独立,而是由一系列相连表达式,即Kramas -Kronig关系(简称KK关系):

在该公式中,光学频率积分范围从0到无穷大,即全谱。只要获得上述n至ε至4中的任何一个量,就可以通过K-K关系获得其余三个。然而,由于大多数光源的光谱范围非常有限,因此不可能获得n~和ε~4中的任何一个的全光谱值,这使得难以评估全光谱积分,如果它在测量光谱区域之外。值的外推引入了巨大的误差,这是使用KK关系的限制。

2.推导2菲涅耳公式和椭圆参数[1,3]

当灯光遇到两个不同的媒体界面时,界面将反射和折射。界面两侧的光相位相同,E和H必须满足边界条件。如图1所示,考虑到在界面处入射的单色平面波的反射和折射,z=0的两侧是无限各向同性的均匀介质,它们的复折射率分别为n~1和n~2。

图1两种不同介质界面的光反射和折射。入射光被分成偏振方向平行于入射表面的p光和偏振方向垂直于入射表面的s光,并且p和s光分别被反射和折射。相位和强度独立变化。在界面处,E和H满足边界条件,从而获得p和s光的各个反射系数r to和透射系数t~:。

以上是菲涅耳公式。椭圆偏光法的原理是基于介质界面处的p和s光的相对独立的反射和折射定律。对于反射测量的椭圆偏振测量,定义椭圆参数Ψ和Δ,其满足椭圆偏振仪的测量。 s光反射系数的比值tanΨ表示两个反射系数的幅度之比; Δ表示两次反射的相位移动,其可以通过相位调制,偏振器或分析器的旋转来测量。

表示与待测材料界面接触的环境介质的复杂介电功能。在正常测量环境中,环境介质是空气,因此ε~a=1。可以看出,椭圆偏光测量可以直接获得材料的介电函数而不计算K-K关系,从而获得相应的光学常数,并克服了使用K-K关系的限制。

3反射式RAP型椭偏仪

椭圆偏振仪最初采用消光测量方法,即通过找到光强度输出最小的位置作为测量装置,但相位补偿器的引入和光强度最小值的位置判断很容易引入误差,测量精度不高[1]

1975年,Aspnes首次成功设计了光度椭偏仪[2]。该椭圆偏振仪不需要相位补偿器。它只需要旋转分析仪并记录反射光强度的定律,作为分析仪旋转角度的函数。可以通过计算机计算反射光的偏振状态。光度椭偏仪不需要相位调制并消除了光强度的极值,因此可以获得高测量精度。本文采用反射式同步旋转分析仪和偏振器(Rotating Analyzer and Polariz-Er,RAP)光度椭偏仪[8-10]。

根据式(18),对于环境介质/样品两相结构,只要通过测量环境介质的介电函数获得椭圆参数Ψ和Δ,就可以通过计算获得样品的光学常数。图2用于实验。反射式RAP型椭偏仪实验装置示意图。 P0,P和A是偏振装置,其中P0是偏振方向为S的固定偏振器; P和A分别是可旋转偏振器和分析器,两者的初始偏振方向是S,测量当P和A同时旋转时,A的旋转速度是P的两倍。入射角θ为探头灯可在35°以上的范围内调节,旋转精度优于0.01°。椭圆计的测量过程由计算机自动控制,数据采集和初步计算由计算机完成。该仪器使用波长为650nm的半导体激光器作为单色光源。探测器使用光电倍增管,其信号大小由A/D卡收集。整个系统的操作由工业计算机控制,系统放置在光学隔振平台上,以保持系统稳定,可靠和高精度的操作。根据图2,进入检测器的反射电场的强度是

在实验系统中,探测器的暗电流对直流信号有影响,因此单个旋转偏振器或分析仪的椭圆偏振仪在测量过程中需要对直流信号进行特殊处理。从等式(23)和(24)可知,RAP型椭偏仪可以克服这个困难,测量椭圆参数和不需要测量光强度信号的直流分量,只要交流分量是测量后,系统测量的准确性得到提高。 。同时,方程(23)和(24)都可以计算椭圆参数,这可以用于系统自洽检查。测量数据表明,实验系统在可见光范围内的自洽度超过1%。

4实验应用

(1)马吕斯的法律验证实验。对于反射式RAP型椭圆偏振仪,测量的核心是旋转分析仪并记录反射光强度的定律,作为分析仪旋转角度的函数,从而计算反射光的偏振态。为了让学生对此有直观的了解,首先要设计一个准备实验。探测光不会被样品反射,只有偏振器或分析仪旋转,观察到强度变化并验证马里乌斯定律。

根据Malus定律,如果线性偏振光的振动表面与偏振器(或偏转器)的方位角之间的角度是θ,则强度为I0的线性偏振光通过偏置。器件(或分析仪)的强度为: I=I0cos2θ。实验控制程序发出命令控制偏振器P和分析器A分别旋转,收集检测器接收的光电压,并记录光强度随探头振动平面与方位角之间的角度变化偏振器。实验结果如图3所示。

上述实验数据表明,Marius定律I=I0cos2θ是在实验过程中建立的,实验系统控制偏振器和分析仪的旋转。

(2)样品参数测量实验。作为椭圆偏振仪的另一个应用实例,在室温下测量标准硅晶片样品,并且检测并计算实部n的主光学参数:复折射率,虚部k,复介电常数。实部ε1,虚部ε2,反射率R和吸收系数α。控制偏振器和分析器以A=2P的速度旋转,并检测光强度。椭圆参数由等式(22),(23)或(24)计算,并且使用等式(17),(18)等计算样品的其他光学参数。在实验中,λ=650nm,入射角为5组,分别为55°,60°,65°,70°,75°,硅晶片的平均光学特性为:ε~1=12。 212 11,ε~2=3。 535 10,n-=3。 529 97,k-=0。 501 73,R-=0。 320 34,α-=12。 415 78.考虑到样品表面的氧化层和污染等误差因素,试验结果与文献报道的结果一致[1]。上述马吕斯定律验证实验和硅光学常数测试结果表明,反射式RAP型椭偏仪具有全自动,多功能,高精度,易操作的优点。由于考虑了成本因素等,教学椭圆仪仅使用650nm的单一波长。事实上,这种类型的椭圆偏振仪已经扩展到各种测试波长,并在研究的许多方面发挥了重要作用[11] -12]。

摘录自:中国计量与测量网络

关键词:椭圆偏振法,光学常数,复介电函数,AOC官方网站,北京世纪奥克

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