TPY-2自動橢圓偏振測厚儀

時間：2016-08-10作者：濟寧市科爾奇機電設備有限公司瀏覽：394

TPY-2自動橢圓偏振測厚儀

 

 

 

 

V1.0.1

 

科爾奇中國有限公司榮譽出品

訂購熱線：15006471345

 

 

 

 




 

目錄

 

1.        概述  …………………………………………………………………………………  1

2.        儀器的用途  …………………………………………………………………………  1

3.        橢圓偏振法測量原理   ………………………………………………………………  1

4.        儀器的主要性能指標  ………………………………………………………………  2

5.        儀器的組成和結構  …………………………………………………………………  2

5.1.     光源機構   …………………………………………………………………  2

5.2.     起偏機構   …………………………………………………………………  3

5.3.     檢偏機構   …………………………………………………………………  3

5.4.     接收機構   …………………………………………………………………  4

5.5.     主體機構   …………………………………………………………………  4

5.6.     裝卡機構   …………………………………………………………………  5

5.7.     光學系統(tǒng)   …………………………………………………………………  6

6.        儀器的安裝說明    …………………………………………………………………  6

7.        實驗步驟    …………………………………………………………………………  6

8.        儀器的軟件設計  ……………………………………………………………………  8

9.        軟件的安裝及使用  …………………………………………………………………  8

10.    儀器使用及注意事項    …………………………………………………………… 18

11.    技術服務幫助  ……………………………………………………………………… 18

 

 

 

 

 

1.        概述

在近代科學技術的許多門類中對各種薄膜的研究和應用日益廣泛。因此，能夠較加迅速和精確地測量薄膜的光學參數(shù)已變得非常迫切。

在實際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法，測定薄膜光學參數(shù)，如：布儒斯特角法測介質膜的折射率，干涉法測膜厚。另外，還有稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等等。其中，因為橢圓偏振法具有測量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點，故已在光學、半導體學、生物學、醫(yī)學等諸多領域得到廣泛的應用。

橢圓偏振測厚技術是一種測量納米級薄膜厚度和薄膜折射率的**技術，同時也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振測量實驗已成為高校近代物理實驗中較重要的一項內容。

 

2.        儀器的用途

TPY-2自動橢圓偏振測厚儀是集光、機、電一體化的精密測量儀器。

主要用于測量：

2.1 固體表面薄膜的厚度和折射率；

2.2 金屬膜的復折射率。

此外，還可以用于研究固體表面及其膜層的光學特性，在半導體、金屬材料、光學、化學、生物學及醫(yī)學領域有廣泛的應用。

 

3.        橢圓偏振法測量原理

3.1 光是一種電磁波，且是橫波。電場強度E、磁場強度H和光的傳播方向構成一個右旋的正交三矢族。

3.2 光矢量存在著各種方位值。因此，與光的強度、頻率、位相等參量一樣，偏振態(tài)也是光的基本量之一。

3.3 偏振態(tài)可以作為一種光學探針。如果已知入射光束的偏振態(tài)，一旦測得通過光學系統(tǒng)后出射光偏振態(tài)，就能將影響系統(tǒng)光學性能的某些物理量（n、d）確定下來。

使一束自然光（非偏振激光）經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)1/4波片，使它變成橢圓偏振光，入射到待測的膜面上。反射時光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。通過檢測這種變化，便可計算出待測膜面的光學參數(shù)。對于一定的樣品，總可以找到一個起方子位角P，使反射光由橢圓偏振光變成線偏振光。這時，轉動檢偏器，在某個檢偏器的方位角A下得到消光狀態(tài)，即沒有光到達光電倍增管。以上方法被稱為消光測量法。

 

 

 

4.        儀器的主要性能指標

4.1  測量范圍：

薄膜厚度范圍：1nm～4000nm；

折射率范圍：1～10；

4.2  測量厚度較小值：≤1nm；

4.3  偏振器方位角范圍：0°～ 180°；

4.4  偏振器步進角：0.014°/步；

4.5  測量膜厚和折射率重復性精度分別為±0.5nm和±0.005；

4.6  入射角連續(xù)調節(jié)范圍：20°～ 90°精度為0.05°；

4.7  入射光波長：632.8nm；

4.8  光學中心高：80mm；

4.9  允許樣品尺寸：φ10～φ140mm（或任意形狀），厚度≤15mm；

4.10  外形尺寸：580×390×320；

4.11  主機重量：28 kg；

 

5.  儀器的組成和結構

該儀器集光、機、電于一體。主要由光源機構、起偏機構、檢偏機構、接收機構、主機機構和裝卡機構共六部分組成。

 

5.1  光源機構：

光源機構主要由長150mm，功率0.8mw，波長為632.8nm的氦氖激光器、調節(jié)套筒、光源外殼、起偏度盤副尺等組成，詳見圖5.1。

 

 

圖5.1  光源機構

 

 

5.2  起偏機構：

起偏機構主要由步進電機、偏振片機構、1/4波片機構及齒輪副等組成，詳見圖5.2。

 

圖5.2   起偏機構

 

5.2.1.步進電機采用步距角為1.8°,12v的直流步進電機，它由1/64細分電路控制，故步進角可達0.028°，從而拖動齒輪副回轉。通過起偏機構可測得起偏角P。

5.2.2.齒輪副由一對直齒圓柱齒輪組成。與步進電機輸出軸聯(lián)接的主動齒輪，齒數(shù)為60，模數(shù)m=0.38。從動齒輪齒數(shù)120，模數(shù)m=0.38，故傳動比為i=0.5，較小輸出的步進角可達0.014°。

5.2.3. 偏振片置于偏振片機構中，通過從動齒輪的回轉可以實現(xiàn)0°~ 180°范圍內的轉動，從而使入射到其上的自然光（非偏振激光）變成線偏振光出射。

5.2.4. 1/4波片的調節(jié)是通過旋轉1/4波片機構實現(xiàn)的，使射入其上的線偏振光變成橢圓偏振光（波片位置出廠時已調節(jié)好，用戶無須調節(jié)）。

 

5.3  檢偏機構：

檢偏機構主要由步進電機、齒輪副及偏振片機構等組成，其結構形式作用等同于起偏機構，通過檢偏機構可測出精度為0.014°的檢偏角A，詳見圖5.3。

=

 

圖5.3   檢偏機構

 

5.4  接收機構：

接收機構主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤副尺等組成。光電倍增管采用側窗式，型號為CR114，詳見圖5.4。

 

圖5-4   接收機構

 

5.5  主體機構：

主體機構主要由大刻度盤、上回轉臂、下回轉臂及箱體機構等組成，詳見圖5.5。

5.5.1.下回轉臂通過立軸下?lián)跞潭ㄔ诖罂潭缺P上的下懸的立軸上。其上固定光源機構和起偏機構，故下回轉臂可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉。

5.5.2.上回轉臂通過立軸上擋圈固定在大刻度盤上的下懸立軸上，其上固定檢偏機構和接收機構，故上回轉臂可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉。

5.5.3.大刻度盤通過三個大刻度盤支柱固定在箱體上，其上固定裝卡機構以裝卡被測樣品。

大刻度盤上表面的外邊緣，刻有兩段20°~ 90°的刻線，每刻度值為1°，兩個起偏、檢偏度盤副尺上均勻刻有20格刻線，故入射角讀數(shù)精度為0.05°。

5.5.4.箱體機構由箱體上面板、箱體框及底腳等組成。

圖5.5   主體機構

 

5.6  裝卡機構：

裝卡機構主要由燕尾導軌、調整架、光闌片及二維底座等組成，詳見圖5.6。，

5.6.1.燕尾導軌可以固定直徑φ10-φ140mm（或任意形狀），厚度≤15mm的被測樣品。

5.6.2.調整架可使固定在燕尾導軌上的被測樣品作俯仰；或左右偏擺。

5.6.3.光闌片置于被測樣品表面處，可限制其它雜散光直接照射被測樣品。光闌片可前后移動，以方便被測樣品的裝卡。

5.6.4．二維底座上固定調整架及燕尾導軌，其作用有二：其一通過轉動千分尺，可拖動被測樣品，左右移動，以適合不同厚度的被測樣品的裝卡。其二通過轉動X向千分尺，可拖動被測樣品作前后移動（朝向人眼的方向或遠離人眼的方向移動）。

 


 

圖5-6   裝卡機構

 

 

 

 

5.7  光學系統(tǒng)：

儀器的光學系統(tǒng)包括光源、接收器、偏振片、1/4波片，其光路圖：詳見圖5-7。

 

 


 

 

 




圖5-7   光學系統(tǒng)（主視圖）

 

6.  儀器的安裝說明

6.1  開箱：

用戶打開儀器的包裝后，請對照裝箱單對儀器的齊套性進行認真地清點驗收，如發(fā)現(xiàn)與裝箱單不符等情況，請立即與銷售方聯(lián)系解決。

6.2  儀器的安裝：  

儀器的安裝通常是由技術人員負責完成(或電話指導)。

6.3  儀器的安裝環(huán)境：

該儀器為測量用的精密儀器，為了提高儀器的工作質量和延長儀器的使用壽命，在選擇儀器的使用場地時應注意以下幾點：

室內溫度 ： 20±5℃

凈化濕度 ： <50%

室內無腐蝕性氣體、無強振動源、無強電磁干擾。

儀器應置于堅固的平臺上。

室內應具穩(wěn)壓電源對儀器供電，并有良好的接地。

 

7.  實驗步驟

7.1  準備過程：

7.1.1.首先開啟主機電源，點亮氦氖激光器（預熱30分鐘后再測量）。然后將電控箱調節(jié)旋鈕逆時針旋到頭，聯(lián)接好主機與電控箱間的各種數(shù)據(jù)線，開啟電控箱電源。聯(lián)接主機與計算機間的USb線（此時計算機可能會提示‘發(fā)現(xiàn)新硬件’，硬件驅動程序的安裝請參閱后面的軟件安裝說明）。

7.1.2.如果軟件程序已安裝，可直接雙擊桌面的快捷方式，運行程序。否則，請參閱后面的程序安裝說明。

7.1.3.裝卡被測樣品。

7.1.4.選定入射角φ（如70°），調節(jié)起偏機構懸臂和檢偏機構懸臂，使經(jīng)樣品表面反射后激光束剛好通過檢偏器入光口。

7.1.5.順時針旋轉電控箱調節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調到150伏左右（視儀器情況而定）即可。

 

7.2  實驗過程：

說明：通過旋轉起偏器的角度，可使入射到樣品表面的橢圓偏振光的兩個分量的位相差變化，當起偏器調到某一角度P時，經(jīng)樣品反射的橢圓偏振光就變成了線偏振光。此時，旋轉檢偏器到某一角度A，使檢偏器的透光方向與線偏振光的振動方向垂直，達到消光狀態(tài)，探測器接收的光強較小，這時，A、P就是我們要測的一對消光角。為了減小因系統(tǒng)的不完善造成的系統(tǒng)誤差，通常儀器采取在多個不同的消光位置進行測量。重復上述步驟，即可得到多對消光角。

7.2.1.雙擊桌面圖標，運行程序。點擊‘進入’按鈕，再點擊‘實驗’，選擇實驗類型（通常選擇第一類），再點擊‘實驗’填入相應參數(shù)，‘確定’后。點擊‘測量’，填入相應參數(shù)點擊‘確定’。此時，如果一切準備就緒，就可以點擊‘測量’，開始實驗。測量時實驗框的左側會顯示出儀器測量過程的步驟提示，同時還能在右側的坐標欄中看到掃描曲線。等待測量結束后，選擇數(shù)據(jù)平均次數(shù)，點擊‘確定’?，F(xiàn)在窗體會回到進入時的對話框，同時測量數(shù)據(jù)已自動填入?yún)?shù)欄內，點擊‘測量’旁的‘計算’按鈕。程序將自動計算出測量結果。點擊‘確定’，**組數(shù)據(jù)測量完畢。（提示：在實驗過程中，如果掃描曲線的谷點過低，接近‘0’點，此時可適當把電控箱電壓上調一些。）

7.2.2.為了計算薄膜的真實厚度：由理論分析可知，樣品的一組（Ψ，Δ）只能求得一個膜厚周期內的厚度值，要測量膜厚**過一個周期的真實厚度，常采用改變入射角或波長的方法得到多組（Ψ_i，Δ_i），真實膜厚d可由下式解得：

d= m₁ D₁ + d₁ = m₂ D₂+ d₂ = …… = m_i D_i+ d_i

式中：m₁、m₂、m₃ ……為正整數(shù)

D₁、D₂、D₃ ……為膜厚周期數(shù)                     

d₁、d₂、d₃ …………分別為不同測量條件時，所對應一個周期內的厚度值。

此時，將測得的（P₁ , A₁）和（P₂ ,A₂）加上測量時對應的角度φ，分別代入公式，就能求出真實的薄膜厚度。

重新設定一個入射角φ后，接著上面的過程，點擊‘測量’，填入新的參數(shù)點擊‘確定’。此時點‘測量’，開始*二組實驗。等待測量結束后，選擇數(shù)據(jù)平均次數(shù)，點擊‘確定’?；氐竭M入時的對話框，點擊‘計算’按鈕。程序將計算出*二組測量結果。

兩次測量完畢后，點擊‘折射率擬合’，在彈出對話框中選擇擬合類型。點擊‘確定’，得到薄膜的真實厚度及折射率。

實驗完畢。

8.  儀器的軟件設計：

本款應用軟件采用**語言編制，具有模塊化結構。可在windows 各版本操作系統(tǒng)下運行，包括實驗、查表、工具等幾個主菜單，它包含了橢偏儀的測量、調試、計算、顯示、存盤和打印的所有功能。

8.1  文件菜單：

它包含的‘退出’功能可直接退出本程序。

8.2  測試菜單：

它是專為我公司人員對儀器的各種狀態(tài)進行調試所用，用戶無須操作。

8.3  實驗菜單：

它是儀器軟件的**，它包括信號的采集、數(shù)據(jù)處理、有關參數(shù)的計算和顯示；它是系統(tǒng)軟件中較大的一個模塊，也是較重要的一個模塊，它直接關系到測量數(shù)據(jù)的精度和正確性。

為了能正確找到起、檢偏器的消光位置，測量采取多次轉動起、檢偏器，逐漸逼近消光點，并把最后幾次逼近點的值進行平均作為起、檢偏器的消光角P₁，A₁，P₂，A₂的方法。

對光強大小的判斷是找消光角的關鍵，由于在消光位置附近，光強很弱，噪聲對信號的影響非常大，很容易造成錯判光強較小位置。因此，不能直接把從A/D采進來的信號進行簡單的平均作為光強大小進行比較，而確定光強較小位置。本程序是利用在較小光強位置附近光強曲線成“U”形這一特性，先挑出一定范圍內的較弱光強所對應的角度，再把這些角度進行平均，并把平均值走向的較小值作為較小光強對應的角度。此種方法能大大降低噪聲對信號的影響，顯著提高了測量的精度。

8.4  查表菜單：

它包括生成表和查表功能，它可以生成不同入射角（20°~ 90°）和多種襯底材料薄膜的橢偏參數(shù)（Ψ，Δ）與薄膜的折射率和厚度（n，d）的關系數(shù)據(jù)文件，用戶在測得橢偏參數(shù)Ψ和Δ的情況下可以用此菜單查表計算薄膜的折射率和厚度。

8.5  幫助菜單：

它提供橢偏儀有關情況介紹、公式推導以及儀器操作等內容。

 

9.  軟件的安裝及使用：

9.1  軟件的安裝：

9.1.1.把安裝光盤放入光驅中，打開光盤。光盤內包含‘TPY-2自動橢圓偏振測厚儀’軟件安裝程序和使用說明書（電子版）。

9.1.2.打開‘TPY-2自動橢圓偏振測厚儀’文件夾，點擊其中的setup.exe即開始安裝程序，出現(xiàn)如下界面：

圖9.1.1 安裝界面1

點擊“下一步”按鈕，

圖 9.1.2 安裝界面2

 

點擊“瀏覽”選擇安裝路徑，點擊“下一步”出現(xiàn)如下界面，

 

圖 9.1.3 安裝界面3

點擊“安裝”出現(xiàn)如下界面，開始安裝程序。

圖 9.1.4 安裝界面4

等待進度條達到**時，自動彈出‘結束’框，點擊‘結束’，‘TPY-2自動橢圓偏振測厚儀’的軟件安裝完成。

圖 9.1.5 安裝界面5

 

 

9.2  硬件驅動的安裝：

按順序連接好各部件間的電源線及電纜，最后將USB數(shù)據(jù)電纜連接到計算機上，此時系統(tǒng)提示‘發(fā)現(xiàn)新硬件’，根據(jù)系統(tǒng)提示，將路徑*到安裝光盤\usb100驅動程序下，一步步點擊完成安裝。

9.3  軟件的使用：

9.3.1連接好各部件間的線路后，打開電源開關。按照**的‘實驗步驟’調整好儀器狀態(tài)。

9.3.2雙擊計算機桌面上的‘TPY 2型自動橢圓偏振測厚儀’圖標，運行程序。

圖 9.3.1 運行程序

點擊后出現(xiàn)如下界面，

 


圖 9.3.2 歡迎對話框

點擊對話框右下腳的‘進入’，

 


圖 9.3.3   運行界面

 

鼠標單擊工具欄中‘文件’，其中的‘退出’可直接退出本程序。

‘測試’欄，是專為我公司人員對儀器的初始狀態(tài)等參數(shù)調試所使用，用戶無須操作。

 

   圖 9.3.4  ‘測試’欄

 

 

圖 9.3.5  ‘實驗’欄

 

‘實驗’欄是本軟件的**部分包括圖示的兩項，其功能操作后面會作詳細介紹。

‘查表’、‘幫助’這兩項**已經(jīng)介紹過，這里就不再重復。

要開始實驗，點擊快捷欄中的‘實驗’將彈出對話框：

  圖 9.3.6  ‘實驗選擇’對話框

在此選擇實驗類型，一般情況下我們選擇‘測量薄膜的折射率和厚度’，選擇后點‘確定’，進入操作界面，如下：

圖 9.3.7  ‘測量’對話框

 

在這里可以對實驗結果進行‘打開’、‘保存’、‘打印’等操作，方便用戶的使用。

要進行實驗測量，點‘實驗’鍵，彈出如下框：

 

圖 9.3.8  ‘參數(shù)設置’對話框

 

在對話框中填入實驗前已確定的一些基本參數(shù)，填好后點擊‘確定’：

 

圖 9.3.9  進入測量前的對話框

 

如圖所示，原有界面彈出兩個按鈕‘測量’和‘計算’，點‘測量’，出現(xiàn)如下對話框。

 

圖 9.3.10 ‘測量設置’對話框

填好參數(shù)后，點擊‘確定’，出現(xiàn)如下測量主界面。

圖 9.3.11  測量界面

在此點擊‘測量’，開始實驗。測量時實驗框的左側會顯示出儀器測量過程的步驟提示，同時還能在右側的坐標欄中看到掃描曲線。

圖 9.3.12  測量界面

等待測量結束后，選擇數(shù)據(jù)平均次數(shù)，點擊‘確定’。現(xiàn)在窗口會回到進入主界面前的對話框，同時測量數(shù)據(jù)已自動填入?yún)?shù)欄內，點擊‘測量’旁的‘計算’按鈕。即可計算出測量結果。

圖 9.3.13  實驗結果輸出界面1

顯示的折射率、厚度即為實驗所求結果。如果想保留數(shù)據(jù)點‘確定’，否則點‘取消’。保存后，計算結果自動填入表格中。

圖 9.3.14  實驗結果輸出界面2

為了求解真實厚度，往往需要改變角度后，再測一次，重復上述步驟，可以得到*二組數(shù)據(jù)。

圖 9.*  顯示兩組測量結果

點擊 ‘折射率擬合’，將出現(xiàn)‘折射率擬合’界面。

圖 9.3.16  ‘折射率擬合’框

根據(jù)對實驗結果的判定，選擇相應擬合方法，‘擬合’后，點‘確定’,又出現(xiàn)如下界面。

圖 9.3.17 測量結果輸出界面

所顯示的真實厚度值即為所測量的薄膜厚度。實驗結束。

為了能夠同時測得多種樣品的數(shù)據(jù)，您可以選擇多個‘寄存器’分別實驗。

9.4  軟件的功能：

以下介紹的這些功能是我們?yōu)榱溯^好的幫助您進行測量實驗而增設的。它們不僅可以實現(xiàn)（n，d）～（Ψ，Δ）關系的圖形化，提高測量數(shù)據(jù)與結果的誤差分析，而且能較好地幫助您理解橢圓偏振法的測量原理。

9.4.1‘工具’欄中的生成表：可以生成一系列（n，d）～（Ψ，Δ）對應關系的數(shù)據(jù)。

圖 9.4.1 ‘工具’中的‘生成表’

 

9.4.2‘工具’欄中的單層膜曲線：可以生成Ψ~ Δ關系曲線，即單層膜曲線。

圖 9.4.2 ‘工具’中的‘單層膜曲線’圖框

 

9.4.3工具’欄中的數(shù)據(jù)計算：在已知參數(shù)的空格中填入已知的Ψ，Δ值，點擊計算即可得出n₂和d值。‘數(shù)據(jù)計算’能夠計算出您在各種條件下測量的薄膜厚度及折射率。

圖 9.4.3 ‘工具’中的‘數(shù)據(jù)計算’框

 

9.4.4查表法

我們還為您提供了一種傳統(tǒng)的尋找測量結果的方法——查表法，也能幫助您檢驗實驗結果的正確性。

 


圖 9.4.4  點擊‘查表’

 

點擊查表將出現(xiàn)如圖9.4.5，在圖中相應的空白框中填入測量數(shù)據(jù)，將生成一系列（Ψ，Δ）～（n，d）表格，再點‘查表’。讓您通過傳統(tǒng)查找結果的方法也能得到測量結果。

圖 9.4.5 ‘查表’界面

以上是對一般的非金屬薄膜進行參數(shù)測量的過程。測量‘金屬復折射率’的方法與此類似，這里就不一一介紹了。

 

10.  儀器使用及注意事項

10.1  激光光源點亮后會發(fā)出較強的激光，對人眼會造成傷害，故在使用中，**禁止直視光源。

10.2  儀器在使用過程中各部件會產(chǎn)生熱量，為了能夠較有效地使用本儀器。工作時應盡量選擇在陰涼、通風好的地方，以免影響儀器的使用壽命。

10.3  長時間不使用時，應將儀器置于防塵、隔熱、相對濕度<70%環(huán)境。

 

11.  技術服務幫助

您在使用我們公司產(chǎn)品過程中，如果遇到技術問題無法解決，或提出新的技術要求，請和我們聯(lián)系，我們將為您提供良好的技術服務。

 

我們的宗旨是：質量**  服務**  信譽**

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