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  問題戶2 2010-01-22 00:00:00

  http://baike.baidu.com/view/1669388.htm

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  深海之魚厭卻水 2017-09-20 00:00:00

  【這里有詳細(xì)資料，希望對(duì)你有幫助?！?橢偏儀 應(yīng)用 光譜型橢偏儀是一種用于探測(cè)波膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量設(shè)備。由于與樣品非接觸，對(duì)樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一種極具吸引力的測(cè)量設(shè)備。 橢偏儀可測(cè)的材料包括： 半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物、有機(jī)物、金屬、多層膜物質(zhì)… 涉及領(lǐng)域有： 半導(dǎo)體、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光學(xué)鍍膜、平板顯示器、科研、生物、醫(yī)藥… 發(fā)展歷史 早期的研究主要集中于偏振光及偏振光與材料相互作用的物理學(xué)研究以及儀器的光學(xué)研究。計(jì)算機(jī)的發(fā)展使橢偏儀在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。硬件的自動(dòng)化和軟件的成熟大大提高了運(yùn)算的速度，成熟的軟件提供了解決問題的新方法，因此，橢偏儀現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于研究、開發(fā)和制造過程中。 光譜范圍 早些年，橢偏儀的工作波長(zhǎng)為單波長(zhǎng)或少數(shù)獨(dú)立的波長(zhǎng)，Z典型的是采用激光或?qū)﹄娀〉葟?qiáng)光譜光進(jìn)行濾光產(chǎn)生的單色光源?，F(xiàn)在大多數(shù)的橢偏儀在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)以多波長(zhǎng)工作（通常有幾百個(gè)波長(zhǎng)，接近連續(xù)）。和單波長(zhǎng)的橢偏儀相比，多波長(zhǎng)光譜橢偏儀有下面的優(yōu)點(diǎn)：可以提升多層探測(cè)能力，可以測(cè)試物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光波的折射率等。 橢偏儀的光譜范圍在深紫外的142nm到紅外33µm可選。光譜范圍的選擇取決于被測(cè)材料的屬性、薄膜厚度及關(guān)心的光譜段等因素。例如，摻雜濃度對(duì)材料紅外光學(xué)屬性有很大的影響，因此需要能測(cè)量紅外波段的橢偏儀；薄膜的厚度測(cè)量需要光能穿透這薄膜，到達(dá)基底，然后并被探測(cè)器檢測(cè)到，因此需要選用該待測(cè)材料透明或部分透明的光譜段；對(duì)于厚的薄膜選取長(zhǎng)波長(zhǎng)更有利于測(cè)量。 橢偏儀如何工作？ 下圖給出了橢偏儀的基本光學(xué)物理結(jié)構(gòu)。已知入射光的偏振態(tài)，偏振光在樣品表面被反射，測(cè)量得到反射光偏振態(tài)（幅度和相位），計(jì)算或擬合出材料的屬性。 入射光束（線偏振光）的電場(chǎng)可以在兩個(gè)垂直平面上分解為矢量元。P平面包含入射光和出射光，s平面則是與這個(gè)平面垂直。類似的，反射光或透射光是典型的橢圓偏振光，因此儀器被稱為橢偏儀。關(guān)于偏振光的詳細(xì)描述可以參考其他文獻(xiàn)。在物理學(xué)上，偏振態(tài)的變化可以用復(fù)數(shù)ρ來表示： 其中，ψ和∆分別描述振幅和相位。P平面和s平面上的Fresnel反射系數(shù)分別用復(fù)函數(shù)rp和rs來表示。rp和rs的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用Maxwell方程在不同材料邊界上的電磁輻射推到得到。 其中ϕ0是入射角，ϕ1是折射角。入射角為入射光束和待研究表面法線的夾角。通常橢偏儀的入射角范圍是45°到90°。這樣在探測(cè)材料屬性時(shí)可以提供Z佳的靈敏度。每層介質(zhì)的折射率可以用下面的復(fù)函數(shù)表示 通常n稱為折射率，k稱為消光系數(shù)。這兩個(gè)系數(shù)用來描述入射光如何與材料相互作用。它們被稱為光學(xué)常數(shù)。實(shí)際上，盡管這個(gè)值是隨著波長(zhǎng)、溫度等參數(shù)變化而變化的。當(dāng)代測(cè)樣品周圍介質(zhì)是空氣或真空的時(shí)候，N0的值通常取1.000。 通常橢偏儀測(cè)量作為波長(zhǎng)和入射角函數(shù)的ρ的值（經(jīng)常以ψ和∆或相關(guān)的量表示）。一次測(cè)量完成以后，所得的數(shù)據(jù)用來分析得到光學(xué)常數(shù)，膜層厚度，以及其他感興趣的參數(shù)值。如下圖所示，分析的過程包含很多步驟。 可以用一個(gè)模型（model）來描述測(cè)量的樣品，這個(gè)模型包含了每個(gè)材料的多個(gè)平面，包括基底。在測(cè)量的光譜范圍內(nèi)，用厚度和光學(xué)常數(shù)（n和k）來描述每一個(gè)層，對(duì)未知的參數(shù)先做一個(gè)初始假定。Z簡(jiǎn)單的模型是一個(gè)均勻的大塊固體，表面沒有粗糙和氧化。這種情況下，折射率的復(fù)函數(shù)直接表示為： 但實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)材料都是粗糙或有氧化的表面，因此上述函數(shù)式常常不能應(yīng)用。 圖中的下一步，利用模型來生成Gen.Data，由模型確定的參數(shù)生成Psi和Detla數(shù)據(jù)，并與測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不斷修正模型中的參數(shù)使得生成的數(shù)據(jù)與測(cè)量得到的數(shù)據(jù)盡量一致。即使在一個(gè)大的基底上只有一層薄膜，理論上對(duì)這個(gè)模型的代數(shù)方程描述也是非常復(fù)雜的。因此通常不能對(duì)光學(xué)常數(shù)、厚度等給出類似上面方程一樣的數(shù)學(xué)描述，這樣的問題，通常被稱作是反演問題。 Z通常的解決橢偏儀反演問題的方法就是在衰減分析中，應(yīng)用Levenberg-Marquardt算法。利用比較方程，將實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)和模型生成的數(shù)據(jù)比較。通常，定義均方誤差為： 在有些情況下，Z小的MSE可能產(chǎn)生非物理或非唯yi的結(jié)果。但是加入符合物理定律的限制或判斷后，還是可以得到很好的結(jié)果。衰減分析已經(jīng)在橢偏儀分析中收到成功的應(yīng)用，結(jié)果是可信的、符合物理定律的、精確可靠。 儀器構(gòu)造 在光譜橢偏儀的測(cè)量中使用不同的硬件配置，但每種配置都必須能產(chǎn)生已知偏振態(tài)的光束。測(cè)量由被測(cè)樣品反射后光的偏振態(tài)。這要求儀器能夠量化偏振態(tài)的變化量ρ。 有些儀器測(cè)量ρ是通過旋轉(zhuǎn)確定初始偏振光狀態(tài)的偏振片（稱為起偏器）。再利用第二個(gè)固定位置的偏振片（稱為檢偏器）來測(cè)得輸出光束的偏振態(tài)。另外一些儀器是固定起偏器和檢偏器，而在中間部分調(diào)制偏振光的狀態(tài)，如利用聲光晶體等，Z終得到輸出光束的偏振態(tài)。這些不同的配置的Z終結(jié)果都是測(cè)量作為波長(zhǎng)和入射角復(fù)函數(shù)ρ。 在選則合適的橢偏儀的時(shí)候，光譜范圍和測(cè)量速度也是一個(gè)通常需要考慮的重要因素。可選的光譜范圍從深紫外的142nm到紅外的33µm。光譜范圍的選擇通常由應(yīng)用決定。不同的光譜范圍能夠提供關(guān)于材料的不同信息，合適的儀器必須和所要測(cè)量的光譜范圍匹配。 測(cè)量速度通常由所選擇的分光儀器（用來分開波長(zhǎng)）來決定。單色儀用來選擇單一的、窄帶的波長(zhǎng)，通過移動(dòng)單色儀內(nèi)的光學(xué)設(shè)備（一般由計(jì)算機(jī)控制），單色儀可以選擇感興趣的波長(zhǎng)。這種方式波長(zhǎng)比較準(zhǔn)確，但速度比較慢，因?yàn)槊看沃荒軠y(cè)試一個(gè)波長(zhǎng)。如果單色儀放置在樣品前，有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是明顯減少了到達(dá)樣品的入射光的量（避免了感光材料的改變）。另外一種測(cè)量的方式是同時(shí)測(cè)量整個(gè)光譜范圍，將復(fù)合光束的波長(zhǎng)展開，利用探測(cè)器陣列來檢測(cè)各個(gè)不同的波長(zhǎng)信號(hào)。在需要快速測(cè)量的時(shí)候，通常是用這種方式。傅立葉變換分光計(jì)也能同時(shí)測(cè)量整個(gè)光譜，但通常只需一個(gè)探測(cè)器，而不用陣列，這種方法在紅外光譜范圍應(yīng)用Z為廣泛。

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