光弹调制式反射差分光谱仪的理论分析

　　反射差分光谱仪是近年来研究表面/界面的新型光学分析仪器[1—2].它以接近垂直入射的角度,测量出样品表面的反射系数在两个互相垂直的本征 轴方向上的细微差别(故也称为反射各向异性光谱仪),具有非接触、无损伤、快速、无严格环境要求和测量信息丰富等特点,在研究半导体材料及其量子阱超晶格 等低维结构中的平面内光学各向异性[3]、半导体表面重构[4—5]和晶体、半导体薄膜外衍生长过程中的实时监控[6—9]等微电子领域,已得到了广泛应 用.

　　最近,反射差分光谱仪又成为研究金属表面光学属性的有力工具[10].研究表明,它对金属表面的分子吸附[11]和氧化诱发的表面重构[12] 具有敏感性,并能探测金属表面结合的有机分子的排列方向.反射差分光谱对于表面电子结构也有相当的灵敏度.一个洁净的金属表面,其反射差分光谱的特征形状 与表面态的电子跃迁存在联系,这使反射差分光谱仪具有探测表面态行为的功能.

　　反射差分光谱仪虽然是一种新型仪器,但仍属于偏振调制技术家族,如椭偏仪和二向色性偏振仪[13—14].与其他偏振光学技术相比,它对材料表 面更为敏感,特别是体结构各向同性的样品,反射差分光谱仪可测得因表面的低对称性引起的光学各向异性,如硅(110)面.然而表面产生的信号差异相对于体 内各向同性信号微弱很多,通常仅有体内信号强度的千分之一,容易受到外界噪声和仪器系统误差的干扰;研究反射差分的测量原理有助于认识各种误差对测量的影 响程度,有助于获得最为优化的系统结构.

　　1985年,美国和俄罗斯的两个研究小组分别研制出反射差分光谱技术的仪器[15—16].反射差分光谱仪的结构几经变化,先后出现了旋转样 品、旋转偏振器(起偏器/检偏器)和光弹调制器等3种类型.其中,光弹调制式光谱仪具有测量速度快、抗干扰和易于调试等特点,是目前研究最多、应用最为广 泛的一类光谱仪[17],其结构如图1所示.

　　按光束传播顺序,反射差分光谱仪的器件排列如下:入射光路由光源、起偏器、观测窗组成,光束近垂直方向入射在样品表面,反射光又先后经过观测 窗、光弹调制器(分离信号与低频噪声,增强抗干扰性能)、检偏器以及单色分光计,照射在光学探测器上,如光电倍增管和光电二极管,由其将光学信号转换为电 信号,传输给信号处理系统,最后在计算机上计算出反射差分光谱.图2是经改进的商用光谱仪得到的Si(100)面的反射差分光谱.

　　尽管有关光弹调制式反射差分光谱仪的结构已有多篇文章分析讨论[13, 18—21],但各有侧重.本文从仪器设计角度,采用Jones表示法建立了光学组件以及测试样品在一般情况下的数学表达式,推算出光谱仪的数学模型;详 细叙述了差分信号的提取方法,讨论了引起测量误差的主要因素,并针对不同的误差提出应对的方案.