旋转偏振器型椭偏仪的设计开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

椭偏测量是一种光学测量技术，它表征了样品的光反射（或透射）。椭圆偏振测量法的主要特征是测量偏振光在光反射到样品上（或光透射样品的）时的变化。“椭圆偏振”的名字来源于偏振光在光反射后常常变成“椭圆”。椭圆偏振法测量两个值（Ψ、Δ）。这两个符号代表了p偏振光和s偏振光的振幅比和相位差。在椭圆偏振光谱法中，（Ψ、Δ）是通过改变光的波长来测量的。一般来说，椭圆偏振光谱测量是在紫外/可见光区域进行的，而红外区域的测量也得到了广泛的应用。

椭圆偏振光谱法的应用范围很广。对于实时监控，不仅可以进行薄膜生长的表征，还可以进行包括蚀刻和热氧化在内的过程诊断。特别是，椭圆偏振光谱法可以表征溶液形式的薄膜，因为光被用作探针。然而，椭圆偏振测量有两个普遍的局限，具体是（1）样品表面的粗糙度必须很小和（2）测量必须在斜入射下进行。当表面粗糙度引起的光散射严重降低反射光强度时，由于椭圆偏振法根据其光强确定偏振态，使得椭偏仪的测量变得困难。如果表面粗糙度的大小超过测量波长的30%，测量误差通常会增加，尽管这种影响完全取决于仪器的类型。

在椭圆偏振测量中选择一个入射角使得测量灵敏度达到最大然而，入射角的选择随样品的光学常数而变化。对于半导体特性，入射角通常为70-80度。需要指出的是，在正入射情况下，椭圆偏振测量是不可能的，因为在这个角度下，p偏振光和s偏振光已经无法区分了。一个例外是对平面内光学各向异性的描述。在这种情况下，椭圆偏振测量通常是在正入射下进行，以确定光学常数随样品旋转的变化。

椭圆偏振测量有优点和缺点。椭圆偏振测量的一个显著特点是测量精度高，即使在常规仪器上也能获得很高的厚度灵敏度（~0.1A）。光谱椭圆偏振法允许各种表征，包括光学常数和薄膜结构。另外，由于椭偏测量只需几秒钟，因此实时观测和处理反馈控制相对容易。椭圆偏振测量技术的一个固有缺陷是这种表征方法的间接性。具体来说，椭偏数据分析需要一个由样品的光学常数和层厚定义的光学模型。在极端情况下，即使样品结构一点也不清楚，也要建立光学模型。此外，这种使用光学模型的椭偏分析往往变得复杂，这可被认为是该技术的另一个缺点。由于光谱偏振测量的光束的光斑尺寸通常为几毫米，导致测量的空间分辨率较低。但是可以确定覆盖在样品表面的不同材料的表面积比。近年来，为了提高空间分辨率，人们开发了成像椭圆偏振法。

椭圆偏振法是由Drude在1887年首先发展起来的。他还推导了椭偏法的方程，至今仍在使用。Drude以“Drude模型”著名，它表达了金属的光学性质。知道20世纪70年代初，大多数椭偏仪都是人工操作，椭偏仪的测量时非常耗时的。然而在1975年，Aspnes等人实现了光谱椭偏测量的完全自动化。该仪器的研制不仅大大缩短了测量时间，而且提高了测量精度。1984年，Muller和Farmer首次报到了一种用于实时监测的椭圆偏振光谱仪，这种仪器大大增加了测量数据的数量。1990年，宾夕法尼亚州立大学的一个小组开发了一种实时仪器，迄今已被广泛使用。特别是，该仪器结合了光电二极管阵列（PDA）探测器，可以同时测量多个波长的光强度。到目前为止，椭圆偏振光谱仪得到了不断的改进，主要采用了四种不同类型的仪器。然而（Ψ，Δ）测量的范围和误差因仪器类型的不同有很大的差异。自20世纪90年代初以来，由于椭偏仪的商业化，应用椭偏仪的研究急剧增加。20世纪90年代，椭圆偏振光谱法主要用于半导体材料的表征。现在从仪器和数据分析方法的进步来看，光谱椭圆偏振技术的应用在从半导体到生物材料的更广泛的科学领域中已经非常普遍。

由于近年来计算机技术的发展，椭圆偏振光谱技术得到了迅速的发展。因此，椭圆偏振光谱法的应用领域也得到了极大的拓展。在椭圆偏振光谱法中，利用光作为测量探针，可以实时进行包括薄膜生长在内的过程诊断。最近，“反馈控制”，在复杂设备结构实时控制，已经用椭圆偏振光谱技术实施。

我的毕业设计研究的是“旋转偏振器型椭偏仪设计”，学习掌握旋转偏振器型椭偏仪测量原理和光路原理，学习光学器件的选型，通过软件实现旋转偏振器。特别的是，所做的是极紫外线波段的测量，极紫外线比紫外线波长要短，可以更好地表征一些材料的特性。然而低于200nm的波长，会被空气中的水蒸气吸收，只能在真空或者氮气环境下使用。所以整个装置外面要加真空腔或者氮气腔。

参考国内外文献，通过网络资源对光学器件进行选型，再通过软件搭建极紫外线旋转偏振器型椭偏仪平台和仿真，是我毕业设计的目的。

2、基本内容和技术方案

基本内容：

1） 查阅文献调研国内外旋转偏振器型椭偏仪研究现状；

2） 学习旋转偏振器型椭偏仪测量原理和光路原理；

3） 学习旋转偏振器椭偏仪及关键器件选型；

4） 学习SolidWorks三维绘图软件，通过软件实现旋转偏振器；

5） 整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；

6） 完成毕业论文的答辩工作。

技术方案：

光学偏振散射测量技术如基于传统光谱椭偏仪的散射测量技术，由于具有测量速度快、成本低、无接触、非破坏和易于集成等优点，目前已经发展成为批量纳米制造中纳米结构形貌参数在线测量的一种重要手段。光谱偏振散射测量技术本质上是一种基于模型的测量技术，其成功与否主要取决于两个方面的关键技术，一是如何获得精确的偏振散射测量数据，二是如何从测量数据中快速准确地反演得到待测纳米结构的形貌参数。我所做的旋转偏振器型椭偏仪（RAE）光学原理结构并不复杂，如下图。主要器件就是极紫外线光源、偏振片、样品、分析器、接收器，当然这只是示意图。

结合我要做的极紫外线旋转偏振器型椭偏仪，确定了如下的技术方案：

1）根据调研分析，了解旋转偏振器型椭偏仪（RAE）的基本原理，确定初步设计旋转偏振器型椭偏仪（RAE）的结构原理图；

2）确定基本尺寸并用CAD软件对其进行三维建模；

3）确定全部参数并绘制装配图并三维建模；

4）用matlab对椭偏仪进行仿真；

5）对设计进行总结。