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3.2 外 光 路 系 统 及 样 品 装 置 激 光 器 之 后 到 单 色 仪 之 前 为 外 光 路 系 统 和 试样 装 置 ， 它 的 作 用 是 为 了 要 在 试 样 上 得 到 最 有效 的 照 射 ， 最 大 限 度 地 收 集 散 射 光 ， 还 要 适 合于 作 不 同 状 态 的 试 样 在 各 种 不 同 条 件 （ 如 高 ，低 温 等 ） 下 的 测 试 。 由 于 喇 曼 散 射 的 效 率 很 低 ， 试 样 装 置 要 能 以最 有 效 的 方 式 照 射 样 品 和 聚 集 散 射 光 ， 它 的 光 学设 计 是 非 常 重 要 的 。 通 常 采 用 聚 焦 激 光 束 照 射 到试 样 上 ， 以 提 高 试 样 上 的 辐 照 度 ， 产 生 喇 曼 散 射。 一 般 用 透 镜 L1聚 焦 激 光 束 ， 使 其 最 集 中 的 区 域（ 束 腰 处 直 径 可 达 10 m） 照 射 到 试 样 上 ， 试 样上 的 辐 照 度 大 约 可 增 大 一 千 倍 。 如 功 率 密 度 太 高会 损 坏 样 品 时 ， 则 不 用 透 镜 。 透 镜 L2把 样 品 上 被激 光 束 照 明 的 焦 柱 部 分 准 确 地 成 象 在 单 色 仪 的 入射 狭 缝 上 ， 以 最 佳 的 立 体 角 聚 集 散 射 光 ， 并 使 之 与单 色 仪 的 立 体 角 相 匹 配 。 试 样 室 内 的 凹 面 镜 M1和M2是 用 以 提 高 散 射 强 度 的 ， M1把 透 过 试 样 的 激 光束 反 射 回 来 多 次 通 过 试 样 ， 以 增 强 激 光 对 试 样 的激 发 效 率 。 对 于 透 明 试 样 照 射 光 的 强 度 增 大 五 倍以 上 。 M2则 把 反 方 向 的 散 射 光 收 集 起 来 反 射 回 去。 下 图 是 天 津 港 东 的 激 光 喇 曼 /荧 光 光 谱 仪的 外 光 路 系 统 及 样 品 装 置 。 3.3 分 光 系 统 分 光 系 统 是 喇 曼 谱 仪 的 核 心 部 分 ， 它 的 主 要作 用 是 把 散 射 光 分 光 并 减 弱 杂 散 光 。 分 光 系 统 要求 有 高 的 分 辨 率 和 低 的 杂 散 光 ， 一 般 用 双 联 单 色仪 。 两 个 单 色 仪 耦 合 起 来 ， 色 散 是 相 加 的 ， 可 以得 到 较 高 的 分 辨 率 （ 约 1cm-1） 。 为 了 进 一 步 降 低杂 散 光 ， 有 时 再 加 一 个 联 动 的 第 三 单 色 仪 ， 此 时分 辨 率 提 高 了 ， 但 谱 线 强 度 也 相 应 减 弱 。 3.4 探 测 ， 放 大 和 记 录 系 统 喇 曼 光 谱 仪 的 探 测 器 为 光 电 倍 增 管 。 用 不 同 波长 的 激 发 光 ， 散 射 光 在 不 同 的 光 谱 区 ， 要 选 用 合 适的 光 谱 响 应 的 光 电 倍 增 管 。 为 了 减 少 其 暗 电 流 降 低噪 声 ， 以 提 高 信 噪 比 ， 需 用 致 冷 器 冷 却 光 电 倍 增 管。 3.5 喇 曼 光 谱 实 验 中 应 注 意 的 几 个 问 题 在 喇 曼 光 谱 实 验 中 ， 为 了 得 到 高 质 量 的 谱 图 ，除 了 选 用 性 能 优 异 的 谱 仪 外 ， 准 确 地 使 用 光 谱 仪 ，控 制 和 提 高 仪 器 分 辨 率 和 信 噪 比 是 很 重 要 的 。 狭 缝 出 射 入 射 和 中 间 狭 缝 是 喇 曼 光 谱 仪 的 重 要 部分 。 入 射 、 出 射 狭 缝 的 主 要 功 能 是 控 制 仪 器 分 辨率 ， 中 间 狭 缝 主 要 是 用 来 抑 制 杂 散 光 。 对 于 一 个光 谱 仪 ， 即 使 用 一 绝 对 单 色 光 照 射 狭 缝 ， 其 出 射光 也 总 有 一 宽 度 为 的 光 谱 分 布 。 这 主 要 是 由仪 器 光 栅 ， 光 学 系 统 的 象 差 ， 零 件 加 工 及 系 统 调整 等 因 素 造 成 的 ， 并 由 此 决 定 了 仪 器 的 极 限 分 辨率 。 在 实 际 测 量 中 ， 随 着 狭 缝 宽 度 加 大 ， 分 辨 率还 要 线 性 下 降 ， 使 谱 线 展 宽 。 激 发 功 率 提 高 激 发 光 强 度 或 增 加 缝 宽 能 够 提 高 信 噪 比 ，但 在 进 行 低 波 数 测 量 时 这 样 做 常 常 会 因 增 加 了 杂 散光 而 适 得 其 反 。 一 般 应 首 先 尽 量 降 低 杂 散 光 ， 例 如， 适 当 减 小 狭 缝 宽 度 ， 保 证 仪 器 光 路 准 直 等 ； 然 后再 考 虑 用 重 复 扫 描 ， 增 加 取 样 时 间 或 计 算 机 累 加 平均 等 方 法 来 消 除 激 光 器 、 光 电 倍 增 管 及 电 子 学 系 统带 来 的 噪 声 。 激 发 波 长 激 光 波 长 对 杂 散 光 及 信 噪 比 的 影 响 十 分 显 著 ，当 狭 缝 宽 度 不 变 时 ， 用 氩 激 光 514.5nm比 用 488.0nm波 长 激 发 样 品 ， 杂 散 光 要 小 一 到 二 个 数 量 级 ， 并 且分 辨 率 有 所 提 高 。 这 一 方 面 是 由 于 长 波 长 激 光 对 仪器 内 少 量 灰 尘 或 试 样 中 缺 陷 的 散 射 弱 ； 另 一 方 面 由于 狭 缝 宽 度 一 样 时 ， 不 同 波 长 的 光 由 出 射 狭 缝 出 射时 所 包 含 的 谱 带 宽 度 不 一 样 。 所 以 一 般 用 长 波 长 的激 光 谱 线 作 为 激 发 光 ， 对 获 得 高 质 量 的 谱 图 有 利 。伴 随 喇 曼 光 谱 出 现 的 光 背 景 是 一 种 难 以 克 服 的 噪 声 来 源 。 强 的 噪 声 不 单会 淹 没 弱 的 喇 曼 信 号 ， 而 且 由 于 光 电 倍 增 管 的发 射 噪 声 会 随 入 射 光 的 平 方 根 增 加 ， 在 非 常 强的 荧 光 背 景 的 情 况 下 ， 将 导 致 发 射 噪 声 的 涨 落， 从 而 破 坏 了 所 要 测 量 的 光 谱 。 降 低 荧 光 背 景一 般 可 采 用 纯 化 试 样 ， 长 时 间 辐 照 试 样 ， 改 变激 发 波 长 等 方 法 。 四 . 应 用 改 变 激 光 波 长 可 导 致 不 同 的 吸 收 深 度 ， 因 此 可 以 做 深 度 剖 析 。 绝 大 多 数 半 导 体 材 料 均 可 做 Raman 测 量 离 子 注 入 监 控 ， 损 伤 或 结 构 缺 陷 均 会 引 起 峰 位 位 移 由 非 晶 化 导 致 的 谱 线 展 宽 ， 可 用 于 清 晰 的 区 别 单 ， 多 ， 非 晶 。 薄 膜 应 力 也 会 引 起 峰 位 位 移 。 Ge导 致 的 压 应 力 造成 Raman峰 位 移 4. 椭 偏 法 (ELLIPSOMETRY) l引 言l原 理l仪 器 u椭 偏 法 是 70年 代 以 来 随 着 电 子 计 算 机 的 广 泛 应 用 而 发 展 起 来的 目 前 已 有 的 测 量 薄 膜 的 最 精 确 的 方 法 之 一 。u椭 偏 法 测 量 具 有 如 下 特 点 ：能 测 量 很 薄 的 膜 （ 1nm） ， 且 精 度 很 高 ， 比 干 涉 法 高 1-2个 数量 级 。是 一 种 无 损 测 量 ， 不 必 特 别 制 备 样 品 ， 也 不 损 坏 样 品 ， 比 其 它精 密 方 法 ： 如 称 重 法 、 定 量 化 学 分 析 法 简 便 。可 同 时 测 量 膜 的 厚 度 、 折 射 率 以 及 吸 收 系 数 。 因 此 可 以 作 为 分析 工 具 使 用 。对 一 些 表 面 结 构 、 表 面 过 程 和 表 面 反 应 相 当 敏 感 。 是 研 究 表 面物 理 的 一 种 方 法 引 言 u椭 偏 法 在 半 导 体 测 量 中 最 有 效 的 用 途 是 测 量 衬 底 上 薄 介 电 层的 厚 度 ,线 宽 ,光 学 常 数 等 u椭 偏 法 并 不 是 直 接 测 量 薄 膜 性 质 ,而 是 测 量 由 样 品 的 厚 度 和 其他 参 数 引 发 的 光 性 质 .u在 基 本 的 椭 偏 法 基 础 上 增 加 了 可 变 角 和 波 长 的 功 能 . 原 理 光 的 偏 振 态 u将 一 束 波 长 为 的 自 然 光 经 起 偏 器 变 成 线 偏 振 光 ， 再 经 1/4波 片 使 它 变 成 椭 圆 偏 振 光 入 射 到 待 测 样 品 的 膜 面 上 ， 反 射 时 ，光 的 偏 振 状 态 （ 振 幅 和 相 位 的 改 变 ） 将 发 生 变 化 ， 通 过 检 测这 种 变 化 ， 便 可 推 算 出 待 测 膜 的 厚 度 和 折 射 率 。 如 图 所 示 。 激 光 单色 光 经 起 偏 器 后 变 成 线偏 振 光 ， 线 偏 振 光 再 经1/4波 片 后 产 生 的 位相 差 ， 变 成 椭 圆 偏 振 光 。对 一 定 厚 度 的 某 种 薄 膜 ，S分 量 和 P分 量 之 间 出 现相 移 之 差 ， 当 入 射 光 为椭 圆 偏 振 光 时 ， 总 可 以找 到 合 适 的 起 偏 角 使 通过 薄 膜 以 后 反 射 光 为 线偏 振 光 。 薄 膜激 光 光 源 起 偏 器 基 底 白 屏 目 镜检 偏 器椭 偏 仪 测 试 系 统 原 理41 玻 片90 由 此 可 见 ， 由 起 偏 器 的 方 位 角 P可 确 定 偏 振 光 的 P分 量 和 S分 量 的 相 移 之 差 。 经 样 品 反 射 后 由 于 S波 与 P波 不 存 在 位 相差 ， 可 合 成 特 定 方 向 的 线 偏 振 光 。 它 的 偏 振 方 向 由 S分 量和 P分 量 的 反 射 系 数 和 确 定 。 转 动 检 偏 器 的 方 位 角 ， 当 检 偏 器 的 方 位 角 A与 反 射 光 线的 偏 振 方 向 垂 直 时 ， 光 束 不 能 通 过 ， 出 现 消 光 状 态 。 椭 偏 仪 是 集 光 、 机 、 电 于 一 体 的 仪 器 。 椭 偏 仪 主 要 由 光 源 机 构 、 起 偏 机构 、 检 偏 机 构 、 接 收 机 构 、 主 机 机 构 和 装 卡 机 构 共 六 部 分 组 成 。(1) 光 源 机 构 ： 主 要 由 功 率 0.8mW， 波 长 为 632.8nm 的 氦 氖 激 光 器 等 组 成(2) 起 偏 机 构 ： 主 要 由 步 进 电 机 、 偏 振 片 机 构 、 1/4 波 片 机 构 等 组 成 ， 如 图 所 示 。 通 过 起 偏 机 构 ， 首 先 使 入 射 到 其 上 的 自 然 光 （ 非 偏 振 激 光 ） 变 成 线 偏振 光 出 射 ， 通 过 1/4 波 片 又 使 线 偏 振 光 变 成 椭 圆 偏 振 光 （ 波 片 位 置 出 厂 时 已调 节 好 ， 无 须 调 节 ） 。 起 偏 机 构 可 测 得 起 偏 角 。 (3) 检 偏 机 构 ： 主 要 由 步 进 电 机 、 偏 振 片 等 组 成 ， 如 图 所 示 ， 其 结 构 形式 与 起 偏 机 构 相 似 ， 通 过 检 偏 机 构 可 测 出 检 偏 角 。(4) 接 收 机 构 ： 主 要 由 光 电 倍 增 管 、 支 架 、 底 板 及 检 偏 度 盘 副 尺 等 组 成 ，如 图 所 示 。 5） 主 体 机 构 ： 主 要 由 大 刻 度 盘 、 上 回 转 托 盘 、 下 回 转 托 盘 及 箱 体 等 组 成 ， 如 图所 示 。 下 回 转 托 盘 上 固 定 有 光 源 机 构 和 起 偏 机 构 ， 可 绕 大 刻 度 盘 上 的 下 悬 立 轴回 转 。 上 回 转 托 盘 上 固 定 有 检 偏 机 构 和 接 收 机 构 ， 可 绕 大 刻 度 盘 上 的 下 悬 立 轴回 转 。 大 刻 度 盘 通 过 三 个 大 刻 度 盘 支 柱 固 定 在 箱 体 上 ， 其 上 固 定 装 卡 机 构 以 装卡 被 测 样 品 。 箱 体 由 箱 体 上 面 板 、 底 板 及 底 脚 等 组 成 。(6) 装 卡 机 构 ： 装 卡 机 构 主 要 由 样 品 架 、 调 整 架 、 光 阑 机 构 等 组 成 ， 如 图 所 示 。 样 品 架 可 以 夹 持 直 径 10 14， 厚 度 13m 的 被 测 样 品 。 调 整 架可 对 被 夹 持 的 样 品 作 上 下 俯 仰 、 左 右 偏 摆 、 前 后 移 动 的 三 维 调 节 。 光 阑 机 构 置 于 被 测 样 品 表 面 处 ， 起 限 制 其 它 杂 散 光 的 进 入 。 光 阑 机 构 可 前 后 移 动 ，以 方 便 被 测 样 品 的 装 卡 。
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