新型椭圆偏振光谱仪MM-16

　　1 引言

　　目前，在各种领域中薄膜材料扮演着越来越重要的角色。从单膜结构向着多膜膜系，各向异性膜等方向发展。而薄膜的厚度，折射率，消光系数等指标作为薄膜(膜系)的基本特性成为大家研究的重点。椭圆偏振光谱仪，作为一种非接触性的测试手段，可以同时测量薄膜的这些基本参数。已经越来越受到人们的关注。

　　MM-16 相调制型椭圆偏振光谱仪为Horiba JobinYvon 公司最新产品，该型椭偏仪为世界上首款采用液晶盒作为偏振光调制器的光电型相位调制椭圆偏振光谱仪。由于MM-16 光路中无机械转动部件，所以无磨损，精确度高，稳定性好，速度快。同时还提供了微光斑配置。

　　2 原理及特点

　　2.1 液晶调制

　　MM-16 采用液晶调制器，仪器示意图如下：

　　PSG(起偏探头)/PSA(分析探头)均采用 “偏振片，液晶调制器，1/4波片，液晶调制器”结构。两个探头完全相同，维护非常简单。

　　2.2 Mueller Matrix测量

　　MM-16 在原理上采用了4x4 的穆勒矩阵(MuellerMatrix),而不是普通的2x2的琼斯矩阵(JonesMatrix),其原因是每个液晶调制器在一次测量时,都分别有0o和45o这两个状态，这样4 个液晶调制器就可以产生24=16 种不同的排列组合方式对光进行调制,即每次均测量了样品的16 个偏振参量信息。这样椭偏就测量了所有的样品偏振信息。(普通型机械转动椭偏仪仅能通过多次测量得到10 个椭偏参量。UVISEL型相位调制型可以得到12个参量)。这对于复杂样品结构,或复杂材料(各相异性,渐变折射率型等等)的分析是非常重要的。下图所示为ITO/Glass结构中Mueller Matrix的16个参量图。可以看出每个参量都有其独特的信息。

　　2.3 Ψ 和Δ

　　在椭偏仪的测量中Ψ和Δ是其中最重要的两个参量。分别代表椭偏光的振幅比(Ψ)和相位差(Δ)。但是因为我们在测量中仅能得到光强信息。所以椭偏仪测量的是Ψ和Δ的函数值，MM16 所测量的是

　　相比于普通旋转型椭偏光谱仪所测量的tan(Ψ) 和cos(Δ)。MM-16在Ψ和Δ的全谱段(Ψ (0°-90°)和Δ(0°-360°))都保证了极高的精度,特别是在Δ(0°-20°)和(160°-180°)时。而Δ在此区段的所代表的是透明膜和超薄膜，因此对于这种材料的测量和分析方面 MM16 有着巨大的优势。

　　2.4 光源

　　MM16 采用卤素灯和蓝光 LED 双光源覆盖测量范围，其工作寿命长，可24 小时连续开机，同时其更换成本也非常低，大大节省了仪器后期的维护费用。

　　2.5 光学系统

　　MM16 采用HJY 公司的“单色仪+2048 像素CCD”,全光谱同时读出,分辨率达到2nm以上,保证其测量超厚样品的分辨率,下图为13μm SiO2/Si样品,可见其超高的分辨率。同时CCD探测器使光谱采集时间可快达2s。