观点|反射式RAP型椭圆偏振光谱仪及其应用

1 引言

椭圆偏振(简称椭偏)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 。椭偏光谱测量技术自问世以来已有 100 多年历史，1887 年，Drude 发现光与物质相互作用将导致光的偏振态发生改变，偏振态在相互作用前后所发生的变化与物质的属性、厚度和结构有关。Drude 以此提出了椭圆偏振光测量的理论并建立了第 1 套实验装置，测量了 18 种金属的光学常数。随后，椭偏测量研究一直陷于停滞，直到 Tronstad 将其应用于电化学的研究中，椭偏测量所具有的高精确度与非破坏性的优点才得以重视并广泛地应用在各个研究领域中。自从1945 年 Rothen 首次提出 Ellipsometry(椭偏)，将此测量技术从传统的偏振测量方法独立出来，至今椭偏测量技术已获得极大的发展，不论是测量理论的研究还是测量仪器的研发均取得大量的有价值成果。椭偏测量的基本原理是测量光束经材料反射、透
射或散射前后偏振态的改变，由于偏振态的改变与材料的光学性质、厚度、结构直接相关，因此，通过椭偏测量可以获得材料的光学常数。应用最广的是反射式椭偏仪，即测量反射光相对于入射光偏振态的变化，其中依据测量方式又可分为消光式椭偏仪与光度式椭偏仪，消光式椭偏仪以寻找输出最小光强的位置为测量手段，光度式椭偏仪则以测定分析光强的输出变化为测量手段。随着椭偏测量理论的研究与实验技术的发展，现代椭偏仪已获得巨大的技术进步，典型的现代椭偏光谱仪其发展演化主要有如下 3 个方向:

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，尤其对于宽禁带的材料，广阔的波长范围才能获得完整的分析数据，同时对于一些特殊材料必须在紫外与红外波段进行测量，因而也出现相应波长范围的专用椭偏仪。

② 测量的自动化程度越来越高。这主要得益于计算机技术的进步并在椭偏技术中的应用。椭偏仪除被用于研究用途之外，又被大量、广泛地应用于工业生产当中，产量与产能上的需求促使椭偏仪技术向测量自动化、数据分析自动化的方向发展，当今知名的椭偏仪厂商均以自动化与系统集成作为产品研发的重要方向。

③ 测量的速度越来越快，以面阵 CCD 探测器为主流的多通道探测技术以及并行测试模式使椭偏仪的响应时间越来越短，原来只能对样品进行离位测量的椭偏测量技术发展为可以实时监控的在线测量技术，极大地拓展了该技术在工业应用领域的发展空间。椭偏测量技术以其高精度、快速、简易以及对测量对象限制少等特点广泛地应用于科研与工业生产当中，其主要应用的领域包括:

① 材料的光学性质测量。被测的材料可以是固体或是液体，可以是各向同性也可以是各向异性，椭偏测量优点在于不用通过Kramers-Kronig 关系而直接获得材料的光学常数与介电函数谱。

② 界面及表面应用。椭偏测量技术可用于不同材料交界面的分析。

③ 微电子与半导体产业。椭偏测量技术常用于半导体加工或微电子研究中薄膜生长的监控与分析，现代新材料的研究开发也常常使用椭偏技术作为研究手段。

④ 生命科学。椭偏测量技术可用于细胞表面膜相互作用、蛋白质等大分子的测量。国内科研教学以及工业生产中也有多种型号的椭偏仪获得应用，但国内高校目前用于教学的椭偏仪多为单波长消光式，而且自动化程度不高，测量误差较大。本文报道一种反射式同时旋转起偏器和检偏器的动态光度式全自动椭偏仪，并用于实验应用。

2 椭偏光谱测量原理

椭偏光谱测量以光波为测量媒介，可以测定任意波长下 2 个相互独立的椭偏参数，通过对椭偏参数的求解即可获得样品的光学性质，具有非破坏性与非接触的优点。被测的样品可以是固体、液体或者薄膜，可以在大气、真空、高温等多种环境下对样品结构与光学性质进行研究。椭偏光谱测量以光的偏振态为测量手段，可快速、准确地获得材料的光学常数与复介电函数，并且能方便、快捷地应用于薄膜材料的测量，是研究薄膜材料物理性质的理想手段。

3 反射式 RAP 型椭偏光谱仪

偏仪最初采用消光式的测量方法，即通过寻找光强输出最小的位置为测量手段，但相位补偿器的引入以及光强极小值位置的判断容易引入误差，测量精度不高。1975 年，Aspnes 首次成功设计了光度式椭偏仪 ，这种椭偏仪不需要相位补偿器，只需旋转检偏器并记录反射光光强随检偏器转动角度变化的规律，通过计算机即可计算出反射光的偏振状态。光度
式椭偏仪不需要相位调制，并且免去了光强极值判断，因此可获得很高的测量精度。

4 应用

(1) 马吕斯定律验证实验。

对于反射式 RAP 型椭偏仪，其测量的核心手段是旋转检偏器并记录反射光光强随检偏器转动角度变化的规律，并由此计算反射光的偏振状态。为了让学生对此有直观的认识，首先设计一项准备实验。探测光不经样品反射，仅旋转起偏器或检偏器，观察光强变化形式并验证马吕斯定律。根据马吕斯定律，如果线偏振光的振动面与起偏器(或检偏器)的方位角(即透光方向)的夹角为 θ 时，其强度为 I 0 的线偏振光通过起偏器(或检偏器)后光强为:I = I 0 cos 2 θ。由实验控制程序发出命令，控制起偏器 P 与检偏器 A 分别单独旋转，收集探测器接收到的光电压，记录光强随探测光振动面与偏振片方位角夹角的变化。

(2) 样品参数测量实验。

作为椭偏仪的另一应用实例，在室温下，使用该系统对一标准硅片样品进行测量，探测并计算其主要光学参数:复折射率的实部 n、虚部 k、复介电常数的实部 ε 1 、虚部 ε 2 、反射率 R 及吸收系数 α。控制起偏器与检偏器以 A = 2P 的速度转
动，并探测光强。从上述马吕斯定律验证实验、硅片光学常数测试实验等结果表明，该反射式 RAP 型椭偏仪具有全自
动、多功能、高精度、易操作等优点。由于考虑成本因素等，该教学型椭偏仪仅使用 650 nm 的单波长，实际上该型号椭偏仪已扩展到较宽的测试波长范围，并且在多方面的研究中发挥较大作用。

本文转自中国知网作者张荣君，材料人Allen整理编辑。

参考文献

[1]张荣君,姚明远,郑玉祥,陈良尧. 反射式RAP型椭圆偏振光谱仪及其应用[J]. 实验室研究与探索,2010,29(03):30-34.