自动旋转检偏器椭偏谱仪的研制及其应用

一、引言自动旋转检偏器椭偏谱仪是一种研究薄膜及表面的光学仪器,用于测量不同波长下,样品的折射率n、消光系数k、介电常数e_1和e_2、膜厚d 等光学参数,在物理、化学、电子、生物医学等研究中是一种十分有效的工具。1962年Budde 设计了旋转检偏器椭偏仪以后,这项技术在椭偏光测量领域获得了很大发展。1975年,Aspaes 等人报道了他们的、计算机化的高精度扫描椭偏仪,该仪器工作波长范围是2250～7200(?),ψ的精密度±0.0005°,△的精密度±0.001°。1982年,江任荣等也报道了他们建立的手动式椭圆偏振光谱仪。本文介绍我们研制的、自动旋转检偏器椭偏谱仪(简称SRAE )的结构、测量原理及应用。二、结构和工作原理SRAE 的结构如图1所示。有两种工作方式。处在工作方式Ⅰ时,检偏器和光电倍增管(简称PMT)与起偏器在同一直线上,适应于系统调试或透射式椭偏测量。SRAE 一般工作在方式Ⅱ状态,布局和定位如图1。测量时,起偏器的起偏角P 为30°,光对样品的入射角φ为70°。     

磁泡膜厚度的可见光谱测量法

磁泡膜通常是指在钆镓石榴石(GGG)基片上外延的一层铁石榴石薄膜,它的厚度为几个微米,由于厚度对磁特性有影响,膜的厚度成为一个重要参数。磁泡类型的外延膜也可用作磁光器件,如在激光陀螺中的磁镜。测量此种外延膜厚度的不破坏方法最常用的是红外透射光谱法〔1〕。但用红外谱测厚存在二个问题:一是外延膜生长在基片的上下两面,透射法对两个面的干涉效果是相同的,实际测得的干涉图是由上下两个外延膜的干涉图的叠加而成;二是光谱法测厚需用介质的折射率数据,可见光下测薄膜折射率的方法很多,如椭偏仪法、布     

非偏振分光镜对干涉式椭偏仪测量精度的影响

提出了一种新型激光外差干涉椭偏测量术用于实现纳米级精度的薄膜厚度测量。采用偏振光p和s分量透射比、反射比、反射相移、透射相移共同表征非偏振分光镜(NPBS)的退偏效应,建立了相应的误差模型,从而研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对椭偏参数误差的影响。研究结果表明,由环境温度、入射角和光束偏振态的变化引起的NPBS退偏参数的漂移对椭偏测量精度影响很大,且无法通过标定来降低。为实现纳米级测量精度,NPBS的对准误差需要控制在0.1°以内。相对而言,用于合光的NPBS方位角误差对测量精度影响较大,NPBS所导致的膜厚测量总误差约为1.8～2.5nm,说明NPBS是马赫曾德尔干涉式椭偏仪的一个不可忽视的误差源。     

椭圆偏振光谱法测定磁性薄膜的光色散特性

本文报导了用变波长的椭偏仪研究磁性薄膜的光色散特性的工作。在波长为3000～6200(?),入射角φ=70.0°的条件下,测量了铁膜、镍膜、坡莫(Fe-Ni)合金膜及磁光石榴石单晶膜的折射率n(λ)、消光系数K(λ)和解电常数ε(λ)的谱线。并对此结果进行了讨论。     

旋转元件式自动椭圆偏振仪

旋转元件式椭圆偏振仪,是一种光度式椭偏仪。它不采用消光原理而以测量椭圆偏振光的强度为基础,利用计算机求出偏振参数ψ、Δ,因而具有较高的测量速度。旋转检偏器时,不能测定Δ的符号,但是可运用于不同波长的测量。旋转四分之一波片时则是一种完全的椭偏仪,能唯一确定Δ,ψ值。本文介绍了利用旋转四分之一波片式椭偏仪对蒸发中的介质膜进行实时测量的结果。     

自动椭偏测厚仪测量精确度的实验研究

根据椭偏消光法和光度法原理,研制成功一台消光法和光度法兼容的自动椭偏测厚仪。本文介绍椭偏光度法的测量原理和仪器的测量过程及方法,并详细给出仪器测量精确度的实验研究结果。     

纳米级薄膜厚度自动椭偏测量系统设计

椭圆偏振测量技术特别适于测量纳米级薄膜的厚度和折射率。本文介绍一种新型的反射消光型椭偏薄膜厚度自动测量仪的测量原理和仪器系统设计方法,详细分析了等幅椭圆偏振光的获取方法、椭偏参数测量方法以及仪器结构方面的设计问题,并报道了仪器样机已达到的性能指标。     

基于椭偏法的火棉胶薄膜光学参数测量

火棉胶醋酸戊脂溶液常被用于医学治疗,在分析材料内部结构时,利用火棉胶醋酸戊脂溶液成膜后表现出的致密性和透光性,将其作为待分析材料的底膜,采用电子衍射的方法获得材料结构。火棉胶薄膜的厚度及材料膜厚对电子衍射结果影响很大,采用光纤光谱仪测量材料膜厚时需要知道火棉胶薄膜的折射率和厚度。为获得不同体积火棉胶醋酸戊脂溶液捞制的火棉胶薄膜的厚度和折射率,利用椭偏原理,采用光谱反射型椭偏仪进行测量,拟合所建模型为Srough/Cauchy/BK7。实验结果表明:该模型能够很好地表征薄膜结构,并得到体积不同的火棉胶醋酸戊脂溶液所捞制的薄膜厚度不同,体积也越大,火棉胶膜厚也越大,Cauchy系数A、B、C系数基本相同。     

LCD工业用自动椭偏仪的设计思路

简要介绍了椭圆偏振测量术的基本原理及自动椭偏仪,并设计制作了一台新型自动消光椭偏仪的原理样机.分析了各种可用于液晶显示器(LCD)膜系测量的技术,指出由于自动椭偏仪具有无损探测、测量准确度高和测量迅速等特点,非常适合用于LCD薄膜系统的在线监测.并且,自动椭偏仪在其他领域的测量应用前景也很好.     

单晶金刚石衬底超精密加工损伤层无损测量与表征

针对超精密加工后单晶金刚石衬底表面损伤层具有超薄(试验仅几个纳米)且透明的特点,提出一种基于光谱椭偏的测量和表征方法,实现衬底损伤层厚度和折射率的无损测量和表征。首先,建立“粗糙层+纯基底”两层光学模型,利用离散型穆勒矩阵椭偏测量模式测量加工前籽晶衬底,分析测量数据获得其光学常数,作为后续加工损伤层椭偏数值反演的基础,以避免损伤层与衬底间椭偏参数耦合;然后,根据衬底加工后的特征,建立“粗糙层+损伤层+纯基底”三层光学模型,采用多点拟合分析策略,在此基础上,实现粗磨和精磨两个典型加工阶段金刚石衬底损伤层的无损表征,并进一步探究单面磨削和双面磨削损伤层差异。结果表明,籽晶折射率与金刚石折射率理论值接近,且随波长的变化趋势一致,说明测量模式和拟合策略可行;粗磨后衬底损伤层的厚度和折射率均高于精磨后衬底损伤层的厚度和折射率;双面磨削与单面磨削损伤层的折射率在红外波段基本一致,在紫外-可见波段具有差异。损伤层厚度椭偏测量结果与透射电子显微镜(Transmissionelectron microscope,TEM)测量结果进行比对分析,验证椭偏测量方法的准确性。所提方法可无损测量单晶金刚石衬底超薄...     

各向异性材料光学常数全自动椭偏测仪

本文介绍了一套将光度式旋转检偏器椭偏(RAE)系统同改变环境媒质、改变样品方位角、改变入射角相结合的全部测试过程由计算机控制的椭偏测试系统VMAE。它是通过改变环境媒质、光入射角以及自动改变样品方位角等方法测量多组椭偏参数,得到足够的独立方程,并通过计算机采用三种优化Powell,单纯形,转轴法方法求解多峰值超越方程组以研究光轴垂直、平行于表面的各向异性体、膜材料光学性能。并研制了一套除适用上述方法外还可兼容多波长法、多厚度法等方法的功能全面的模块集成化软件。最后通过比较实验结果与理论值的方法对系统的可靠性进行了验证。     

表面微粗糙度椭偏法的测定

叙述了一种用椭偏技术快速测量表面微粗糙度的方法，推导了在单层膜模型下微粗糙表面的反射特性，给出了根据椭偏测量所得位相差△值估算均方根粗糙度的公式以及对两种不同微粗糙度表面测量的结果。     

表面微粗糙度椭偏法的测定

叙述了一种用椭偏技术快速测量表面微粗糙度的方法，推导了在单层膜模型下微粗糙表面的反射特性，给出了根据椭偏测量所得位相差△值估算均根粗糙度的公式以及对两种不同的微粗糙度表面测量的结果。     

弹光调制测椭偏参量的数字锁相数据处理

为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量,建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析,针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点,设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源,并控制AD采样;同时产生正弦和余弦参考序列,并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取,进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明,采样时间为20ms时,椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°,标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200ms时,椭偏参量测量平均值与20ms的非常接近,标准偏差减小,并且都在0.001°量级,揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。     

消光法测量乳剂颗粒的研究

为研究消光法颗粒粒径测量中浓度和双层球形颗粒问题,根据Lambert-Beer定律,对不同浓度下的乳剂和PBA/PMMA双层球颗粒乳剂采用多波长消光法进行测量分析。实验结果表明:当颗粒物浓度超出某一临界浓度范围后,由消光法测量的粒径结果将受浓度变化的剧烈影响;对于核壳结构的双层球形颗粒,如果两层结构的折射率相差不大,采用其中一种折射率通过消光法来测量,其结果仍比较准确,误差不大。     

CeO_2析光膜的性能试验

我厂在试镀其他膜系中,得知 CeO_2膜层的许多优点,如机械牢固性好,化学稳定性高,膜层折射率 n=2.2～2.3。因此我们试镀了CeO_2析光膜,目的是代替 ZnS 析光膜,因为     

蓝宝石衬底损伤层厚度和折射率的椭偏测量

为了定量测量蓝宝石衬底在化学机械抛光过程中产生的损伤层厚度d和折射率n，提出了一种光谱椭偏测量法。首先，测量蓝宝石衬底反射光谱（波长范围：250~1650 mm）偏振态的改变量（即振幅比和相位差）：然后，通过光学建模和测量数据反演，获得损伤层d和n。实验研究了Al，0。和SiO，两种磨料加工蓝宝石衬底损伤层d和n的变化趋势，前者d呈现波动趋势且最小值（约1.4mm）出现在40min左右，后者d持续下降，在20min接近1mm；二者损伤层n均小于蓝宝石晶体n。另外，实验和仿真分析结果表明相位差与厚度变化趋势一致，因无需建模反演，可作为快速表征损伤层 d变化趋势的参量。总之，所提方法作为光学无损测量模式，适用于加工过程监测。     

纳米厚度非透明介质薄膜的测量

本文叙述了用椭偏仪多次入射选择最佳法测量纳米厚度非透明薄膜原理及方法,给出了由此方法测量得到的数据和用迭代法(下降法)计算得到的膜厚结果,并与台阶仪测试结果进行了比较。     

椭园偏振仪的瞬时测量

<正> 一、导言椭园偏振仪是当前研究薄膜表面现象的一种新方法。在半导体器件领域它研究Si—SiO_2及GaAs等材料的参数;在金属抗腐蚀学方面,研究镍基底、铁基底的生成物变化情况;在光学薄膜领域研究透明基底的介质膜的n、d测量,以及金属膜的N=n-ik的测量。也有研究各种薄膜在VUV及IR光谱范围的椭偏参数的报导。大多数旋转检偏器椭圆偏振仪系统都可以达到较高的精度,测量表面薄膜的有效平均厚度约为～0.01数量级。为了研究和控制瞬变的表面现象,需进行动态测量。这时,有效测     

以二氧化钛为主的光学膜层

本文介绍通过在氧气中一氧化钛的反应蒸发把折射率为 n=2.5二氧化钛膜镀在光学表面上的方法。研究膜的折射率与温度的关系。同时整理出以二氧化钛为主的单层和多层分光器的透过光谱系数。