開放式光譜橢偏實驗教學中的科研訓練

陳 莉, 尹鵬和, 劉軍山, 徐 征, 崔 巖

(大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024)

開放式光譜橢偏實驗教學中的科研訓練

陳 莉, 尹鵬和, 劉軍山, 徐 征, 崔 巖

(大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024)

橢偏法在材料的光學性質和薄膜厚度檢測中發揮著重要的作用,橢偏測量也已納入很多高校的實驗教學內容。針對實驗教學中原理展示性不足、與科研實際結合不緊密的問題,對課程形式和內容進行了改變。制作了光譜橢偏儀器件裝配和動態測量視頻,增加橢偏測量教學中的原理展示性,加強理論貫通性,聯系科研實際,增加實驗內容,通過對不同類型樣品的測量分析討論,培養學生解決實際問題的能力和創造性思維。

光譜橢偏儀； 橢偏實驗； 折射率； 膜厚

光譜橢偏測量由于其精度高、非接觸式、無損測量以及可測量多層薄膜等優勢,在材料研究、微納器件制造、生物醫學等領域得到廣泛應用[1-5],許多高校都將橢偏測量納入了教學內容,并開設了相關的實驗課[6-7]。早期的橢偏測量以消光式橢偏儀為主,在教學中使用的通常也是消光式橢偏儀,測量速度慢,每次測量都需要人為轉動橢偏儀相關部件并記錄其角度。隨著微納米相關技術的快速發展,這種測量方式跟科研需求實際上是脫節的,消光式橢偏儀逐漸被調制式橢偏儀取代。調制式橢偏儀是器件可旋轉以實現自動測量的一類橢偏儀的統稱,包括旋轉起偏器、補償器和檢偏器等。本實驗室在教學中使用的美國J.A.Woollam公司的M-2000DI型光譜橢偏儀,就應用了旋轉補償器技術,可從紅外到紫外波長范圍內測量樣品的光學參數。儀器橢偏系統所采用的結構為PCRSA(起偏器—旋轉補償器—樣品—檢偏器),儀器為RCE(旋轉補償器橢偏儀)型。橢偏測量實驗課僅以圖片結合文字介紹橢偏測量的原理,學生無法深入理解基本概念,更無法將原理和儀器結構結合起來掌握其應用功能,學習興趣和積極性難以調動。此外,實驗課測試樣品以SiO2薄膜樣品居多,而對于科研實際來說,存在各種各樣對應于不同物理結構和光學模型的樣品,需要掌握不同的色散關系模型,具備對不同樣品的綜合分析能力。

本文針對橢偏測量實驗課的問題,改進教學形式、拓展教學內容,對學生進行有針對性的科研訓練,以更好地激發學生學習興趣,鍛煉學生解決實際問題的能力,培養創新性思維。

1 橢偏測量原理

當入射光照射到膜層上,會在膜層的上下2個界面發生多次反射和折射,如圖1所示。膜層的上下2個界面平行,介質、膜層和基底的折射率分別是n1、n2和n3,d為膜層厚度,φ1為入射角,φ2和φ3分別為光束在膜層上下2個界面發生折射的折射角。反射光與入射光構成的平面通常稱為入射平面,入射光可以分解為振動方向在入射平面內的p分量和振動方向垂直于入射平面的s分量。

圖1 光在單層薄膜中的反射和折射

根據折射定律,

n1sinφ1=n2sinφ2=n3sinφ3

(1)

任意2束相鄰反射光的相位差可表示為

(2)

根據菲涅爾公式,可將p分量和s分量的總反射系數Rp和RS表示為

(3)

(4)

其中,Eip和Eis分別表示入射光的p分量和s分量,Erp和Ers分別表示反射光的p分量和s分量。在橢偏測量中,用Ψ和Δ2個物理量來描述反射光偏振態的變化,定義如式(5)所示。

exp{i[(θrp-θrs)-(θip-θis)]}

(5)

其中,θip、θis、θrp和θrs分別是入射光和反射光的p分量和s分量的相位。可得到,

(6)

Δ=(θrp-θrs)-(θip-θis)

(7)

由此可見,Ψ和Δ從振幅和相位2方面描述了反射光偏振態的變化。利用光譜橢偏儀測得Ψ和Δ后,建模模擬光束在樣品中的光學反應,然后擬合結果,最終得到薄膜厚度和膜層的其他光學常數。

2 橢偏實驗教學形式改進

結合Solidworks和視頻編輯軟件制作了光譜橢偏儀的器件裝配和動態測量視頻,將抽象的橢偏理論直觀生動地表現出來,同時輔以橢偏測量發展歷史和應用前景的介紹,增加了原理展示性,加強了理論的貫通。

學生能夠在掌握橢偏測量復雜原理的同時,將測量原理和具體儀器結構結合起來理解光譜橢偏儀的應用功能,調動了學習的興趣和積極性。圖2為PCRSA型RCE光譜橢偏儀的動態測量視頻截圖,光從光源發出后(圖2a),經起偏器變為線偏振光(圖2b)進入旋轉補償器,然后變為橢圓偏振光(圖2c)入射,從樣品表面穿出后(圖2d)進入檢偏器,之后變為線偏振光(圖2e)進入探測器。同時,旋轉補償器方式[3,8-9]與旋轉起偏器和旋轉檢偏器相比,可以解決光的偏振態對檢偏器造成的影響,最大限度上減小光源和探測器對偏振態的敏感度,且對所有{φ,Δ}的靈敏度一致,能夠用來測量消偏振光譜。

3 橢偏實驗教學內容拓展

橢偏測量屬于非直接測量,利用橢偏儀測量得到的原始數據是Ψ和Δ2個物理量,這就需要進一步建模分析擬合,以最終得到所需的薄膜厚度和光學常數等值。建模的過程包含2部分內容,其一為樣品物理結構模型的建立,包括樣品由幾層物質構成、是否存在界面層和粗糙層、每層的初始厚度值等；其二為每層物質的光學模型,符合什么色散方程、每層的初始光學常數等。因此建模擬合過程的準確性非常重要,而這一建模過程又依賴于測試者對材料性質和制備工藝的認識以及對模型的把握。緊密結合科研實際,在已有SiO2薄膜樣品的基礎上設計實驗內容,制備了可應用不同物理結構和光學模型的4種測量樣品,包括含表面粗糙層的PMMA樣品、TiO2薄膜樣品、AZ701光刻正膠薄膜樣品和ITO薄膜樣品。

如圖3所示,在掌握橢偏實驗原理、了解橢偏測量應用領域、理解橢偏實驗目的以及認知光譜橢偏儀構造的基礎上,著重在實驗過程環節對學生進行科研訓練,鍛煉解決實際問題的能力。

圖2 PCRSA型RCE光譜橢偏儀工作進程圖

圖3 實驗規劃及進程

實驗過程中,首先以測量硅片表面SiO2薄膜的折射率為例,講解利用光譜橢偏儀測試分析的全過程,包括樣品處理、測量、樣品結構確定、色散模型選擇以及測量結果正確性判斷,啟發學生主動提出問題、解答疑惑。然后提供其他4種不同類型(應用于不同物理結構和光學模型)的樣品:含表面粗糙層的PMMA樣品、TiO2薄膜樣品、AZ701光刻正膠薄膜樣品和ITO薄膜樣品。所選擇的PMMA、TiO2、光刻膠和ITO均為應用廣泛,目前科研領域仍在深入研究的材料[10-13]。學生可根據自己的科研方向和興趣選擇其中的2種進行測量,提交詳細實驗報告。在這一過程中,極大地調動了學生自主學習的積極性,通過對所選樣品的測試分析,將抽象理論運用到了具體實踐中,加深了對知識點的掌握,鍛煉了分析解決實際問題的能力,拓展了創新性的思維,取得了良好的教學效果,表1所示為橢偏實驗具體內容及測量得到的結果列表。

表1 橢偏實驗內容及測量結果列表

表1(續)

4 結語

制作了光譜橢偏儀器件裝配和動態測量視頻,將抽象的橢偏理論直觀、生動地表現出來,同時輔以橢偏測量發展歷史和應用前景介紹,增加了橢偏測量教學中的原理展示性、加強了理論貫通性,應用于課堂實踐之后,證明學生通過這一過程能清晰理解測量原理和應用功能,激發出了學習熱情和積極性,為接下來的具體實踐打好了基礎。設計實驗內容,制備了對應于不同物理結構和光學模型的4種測量樣品,包括含表面粗糙層的PMMA樣品、TiO2薄膜樣品、AZ701光刻正膠薄膜樣品和ITO薄膜樣品。通過對不同類型樣品的測量分析討論,培養了學生針對具體樣品具體分析以及解決綜合問題的能力,鍛煉了科研能力,開拓了創造性思維,取得了良好的教學效果。

References)

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Research training in open experimental teaching of spectroscopic ellipsometry

Chen Li,Yin Penghe,Liu Junshan,Xu Zheng,Cui Yan

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Ellipsometry plays an important role in the detection of the optical properties of materials and the film thickness, and ellipsometry measurement has also been incorporated into the experimental teaching in many colleges and universities. In view of the problems in the experimental teaching such as the lack of effective principle display and the insufficient integration with scientific research, the form and content of the course are changed. The device assembly of spectroscopic ellipsometry and the dynamic measurement video have been developed to increase the principle display in the ellipsometry measurement teaching, strengthen the theoretical integration, combine with the research reality, and increase the content of experiments. Through the measurement, analysis and discussion of different types of samples, the students’ ability to solve the practical problems and their creative thinking are cultivated.

spectroscopic ellipsometer； ellipsometry experiment； refractive index； film thickness

TP206.1

: A

: 1002-4956(2017)09-0181-04

2017-02-20修改日期:2017-04-13

中國學位與研究生教育研究課題(B1-2015Y0504-029)；大連理工大學教改基金項目(JG2016026,ZD2016008)；遼寧重大裝備制造協同創新中心研究生校內實踐基地建設基金項目

陳莉(1981—),女,甘肅嘉峪關,碩士,工程師,從事微納系統測試研究和實驗教學工作.

E-mail:yu2107@dlut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.045