陳 莉, 尹鵬和, 劉軍山, 徐 征, 崔 巖

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

開(kāi)放式光譜橢偏實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的科研訓(xùn)練

陳 莉, 尹鵬和, 劉軍山, 徐 征, 崔 巖

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

橢偏法在材料的光學(xué)性質(zhì)和薄膜厚度檢測(cè)中發(fā)揮著重要的作用,橢偏測(cè)量也已納入很多高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中原理展示性不足、與科研實(shí)際結(jié)合不緊密的問(wèn)題,對(duì)課程形式和內(nèi)容進(jìn)行了改變。制作了光譜橢偏儀器件裝配和動(dòng)態(tài)測(cè)量視頻,增加橢偏測(cè)量教學(xué)中的原理展示性,加強(qiáng)理論貫通性,聯(lián)系科研實(shí)際,增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型樣品的測(cè)量分析討論,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)造性思維。

光譜橢偏儀； 橢偏實(shí)驗(yàn)； 折射率； 膜厚

光譜橢偏測(cè)量由于其精度高、非接觸式、無(wú)損測(cè)量以及可測(cè)量多層薄膜等優(yōu)勢(shì),在材料研究、微納器件制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5],許多高校都將橢偏測(cè)量納入了教學(xué)內(nèi)容,并開(kāi)設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課[6-7]。早期的橢偏測(cè)量以消光式橢偏儀為主,在教學(xué)中使用的通常也是消光式橢偏儀,測(cè)量速度慢,每次測(cè)量都需要人為轉(zhuǎn)動(dòng)橢偏儀相關(guān)部件并記錄其角度。隨著微納米相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,這種測(cè)量方式跟科研需求實(shí)際上是脫節(jié)的,消光式橢偏儀逐漸被調(diào)制式橢偏儀取代。調(diào)制式橢偏儀是器件可旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的一類(lèi)橢偏儀的統(tǒng)稱(chēng),包括旋轉(zhuǎn)起偏器、補(bǔ)償器和檢偏器等。本實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中使用的美國(guó)J.A.Woollam公司的M-2000DI型光譜橢偏儀,就應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器技術(shù),可從紅外到紫外波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量樣品的光學(xué)參數(shù)。儀器橢偏系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)為PCRSA(起偏器—旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器—樣品—檢偏器),儀器為RCE(旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢偏儀)型。橢偏測(cè)量實(shí)驗(yàn)課僅以圖片結(jié)合文字介紹橢偏測(cè)量的原理,學(xué)生無(wú)法深入理解基本概念,更無(wú)法將原理和儀器結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)掌握其應(yīng)用功能,學(xué)習(xí)興趣和積極性難以調(diào)動(dòng)。此外,實(shí)驗(yàn)課測(cè)試樣品以SiO2薄膜樣品居多,而對(duì)于科研實(shí)際來(lái)說(shuō),存在各種各樣對(duì)應(yīng)于不同物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)模型的樣品,需要掌握不同的色散關(guān)系模型,具備對(duì)不同樣品的綜合分析能力。

本文針對(duì)橢偏測(cè)量實(shí)驗(yàn)課的問(wèn)題,改進(jìn)教學(xué)形式、拓展教學(xué)內(nèi)容,對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的科研訓(xùn)練,以更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新性思維。

1 橢偏測(cè)量原理

當(dāng)入射光照射到膜層上,會(huì)在膜層的上下2個(gè)界面發(fā)生多次反射和折射,如圖1所示。膜層的上下2個(gè)界面平行,介質(zhì)、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(gè)界面發(fā)生折射的折射角。反射光與入射光構(gòu)成的平面通常稱(chēng)為入射平面,入射光可以分解為振動(dòng)方向在入射平面內(nèi)的p分量和振動(dòng)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(jù)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(jù)菲涅爾公式,可將p分量和s分量的總反射系數(shù)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(cè)量中,用Ψ和Δ2個(gè)物理量來(lái)描述反射光偏振態(tài)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(jiàn),Ψ和Δ從振幅和相位2方面描述了反射光偏振態(tài)的變化。利用光譜橢偏儀測(cè)得Ψ和Δ后,建模模擬光束在樣品中的光學(xué)反應(yīng),然后擬合結(jié)果,最終得到薄膜厚度和膜層的其他光學(xué)常數(shù)。

2 橢偏實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式改進(jìn)

結(jié)合Solidworks和視頻編輯軟件制作了光譜橢偏儀的器件裝配和動(dòng)態(tài)測(cè)量視頻,將抽象的橢偏理論直觀(guān)生動(dòng)地表現(xiàn)出來(lái),同時(shí)輔以橢偏測(cè)量發(fā)展歷史和應(yīng)用前景的介紹,增加了原理展示性,加強(qiáng)了理論的貫通。

學(xué)生能夠在掌握橢偏測(cè)量復(fù)雜原理的同時(shí),將測(cè)量原理和具體儀器結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)理解光譜橢偏儀的應(yīng)用功能,調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的興趣和積極性。圖2為PCRSA型RCE光譜橢偏儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量視頻截圖,光從光源發(fā)出后(圖2a),經(jīng)起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光(圖2b)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器,然后變?yōu)闄E圓偏振光(圖2c)入射,從樣品表面穿出后(圖2d)進(jìn)入檢偏器,之后變?yōu)榫€(xiàn)偏振光(圖2e)進(jìn)入探測(cè)器。同時(shí),旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器方式[3,8-9]與旋轉(zhuǎn)起偏器和旋轉(zhuǎn)檢偏器相比,可以解決光的偏振態(tài)對(duì)檢偏器造成的影響,最大限度上減小光源和探測(cè)器對(duì)偏振態(tài)的敏感度,且對(duì)所有{φ,Δ}的靈敏度一致,能夠用來(lái)測(cè)量消偏振光譜。

3 橢偏實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容拓展

橢偏測(cè)量屬于非直接測(cè)量,利用橢偏儀測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)是Ψ和Δ2個(gè)物理量,這就需要進(jìn)一步建模分析擬合,以最終得到所需的薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)等值。建模的過(guò)程包含2部分內(nèi)容,其一為樣品物理結(jié)構(gòu)模型的建立,包括樣品由幾層物質(zhì)構(gòu)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(zhì)的光學(xué)模型,符合什么色散方程、每層的初始光學(xué)常數(shù)等。因此建模擬合過(guò)程的準(zhǔn)確性非常重要,而這一建模過(guò)程又依賴(lài)于測(cè)試者對(duì)材料性質(zhì)和制備工藝的認(rèn)識(shí)以及對(duì)模型的把握。緊密結(jié)合科研實(shí)際,在已有SiO2薄膜樣品的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,制備了可應(yīng)用不同物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)模型的4種測(cè)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(shí)驗(yàn)原理、了解橢偏測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域、理解橢偏實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约罢J(rèn)知光譜橢偏儀構(gòu)造的基礎(chǔ)上,著重在實(shí)驗(yàn)過(guò)程環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研訓(xùn)練,鍛煉解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

圖2 PCRSA型RCE光譜橢偏儀工作進(jìn)程圖

圖3 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃及進(jìn)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,首先以測(cè)量硅片表面SiO2薄膜的折射率為例,講解利用光譜橢偏儀測(cè)試分析的全過(guò)程,包括樣品處理、測(cè)量、樣品結(jié)構(gòu)確定、色散模型選擇以及測(cè)量結(jié)果正確性判斷,啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題、解答疑惑。然后提供其他4種不同類(lèi)型(應(yīng)用于不同物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)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(yīng)用廣泛,目前科研領(lǐng)域仍在深入研究的材料[10-13]。學(xué)生可根據(jù)自己的科研方向和興趣選擇其中的2種進(jìn)行測(cè)量,提交詳細(xì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這一過(guò)程中,極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,通過(guò)對(duì)所選樣品的測(cè)試分析,將抽象理論運(yùn)用到了具體實(shí)踐中,加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握,鍛煉了分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力,拓展了創(chuàng)新性的思維,取得了良好的教學(xué)效果,表1所示為橢偏實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容及測(cè)量得到的結(jié)果列表。

表1 橢偏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)量結(jié)果列表

表1(續(xù))

4 結(jié)語(yǔ)

制作了光譜橢偏儀器件裝配和動(dòng)態(tài)測(cè)量視頻,將抽象的橢偏理論直觀(guān)、生動(dòng)地表現(xiàn)出來(lái),同時(shí)輔以橢偏測(cè)量發(fā)展歷史和應(yīng)用前景介紹,增加了橢偏測(cè)量教學(xué)中的原理展示性、加強(qiáng)了理論貫通性,應(yīng)用于課堂實(shí)踐之后,證明學(xué)生通過(guò)這一過(guò)程能清晰理解測(cè)量原理和應(yīng)用功能,激發(fā)出了學(xué)習(xí)熱情和積極性,為接下來(lái)的具體實(shí)踐打好了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,制備了對(duì)應(yīng)于不同物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)模型的4種測(cè)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(guò)對(duì)不同類(lèi)型樣品的測(cè)量分析討論,培養(yǎng)了學(xué)生針對(duì)具體樣品具體分析以及解決綜合問(wèn)題的能力,鍛煉了科研能力,開(kāi)拓了創(chuàng)造性思維,取得了良好的教學(xué)效果。

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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(guó)學(xué)位與研究生教育研究課題(B1-2015Y0504-029)；大連理工大學(xué)教改基金項(xiàng)目(JG2016026,ZD2016008)；遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心研究生校內(nèi)實(shí)踐基地建設(shè)基金項(xiàng)目

陳莉(1981—),女,甘肅嘉峪關(guān),碩士,工程師,從事微納系統(tǒng)測(cè)試研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

E-mail:yu2107@dlut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.045