本實驗的架構是利用光彈調變器內部的參考訊號來觸發源(trigger source)，來控制可程式化脈衝產生器(programmable pulse generator)產生脈衝 訊號來驅動二體雷射產生一極短之脈衝光，使得本架構形成頻閃式照射模
經運算後可得: 位下開啟快門來擷取影像的方法無法實現。根據頻閃效應(Stroboscopic
effect)原理，當高速脈衝的頻率與對象的運動同步時，在觀察者的眼中對象
源照明的方法，使之成為高速脈衝照射模式，設定光源在調變週期內的特 定時間開啟照明，持續一段很短的時間後熄滅(本系統中約為 110ns，相當 於光彈調變週期中的2o)，由於光源照明的時間非常短，剩下大部分的時間 中並沒有光源照明，所以一次頻閃照明並不能使電荷耦合元件獲得足夠的 光強形成圖像，我們即設定電荷耦合元件之曝光時間為一定值，如此頻閃 照明則重複過若干次調變週期，電荷耦合元件即可累積足夠的電荷完成擷 取光彈調變器中某特定相位的光強訊息，其次分別改變開起照明的時間相 對於調變週期內時序的位置(如時間相位在0 、30 、90 與210 )以獲得不同 相位的光強訊息[27]。
圖5-1 影像強度擷取原理
5.2 系統架構與同步化
本實驗基本光學架構與光彈調變式橢圓偏光儀相同，如圖5-2所示，
將光偵測器改為具有二維偵測能力的電荷耦合元件，且雷射照明模式由連 續照射改為調變的脈衝照射。為符合高速光交換開關需求，在半導體雷射
前利用一Bias Tee混合 AC和DC 訊號，DC訊號提供順向偏壓電流使半導
體雷射工作於臨界電流(Ith)附近，AC訊號為輸入之調變訊號使半導體雷射 激發。使用之光束擴大器(beam expander)為伽利略式擴束方法，依據待測物 大小之不同，可置放在待測物前端以增加照射區域的面積或是置放在待測 物後端以放大被照射的區域的影像。
圖5-2 影像式光彈調變橢圓偏光儀實驗架構圖
在傳統的光彈調變式橢圓儀中，我們藉由光彈調變器控制器所輸出的 一方波訊號(square wave)，將其送入鎖相放大器中當參考訊號才可將各倍頻 訊號的強度與相位解析出來。而本實驗以方波訊號輸入可程式化脈衝延遲 產生器當作觸發訊號來驅動半導體雷射激發，如此一來則半導體雷射之激 發時間則與光彈調變器建立了同步的時間關係，而我們所需要的不同時間 相位則可藉由改變可程式化脈衝延遲產生器中延遲脈衝激發的時間功能來 達成。經由本方法光彈調變訊號的時間相位則被鎖定，除非改變脈衝激發 的時間，系統所偵測光強度的大小不因光彈調變器是時變的訊號而有所改 變， 由此可知系統中偵測速度則決定在光偵測器上。如電荷耦合元件曝光 時間為0.5秒時，所偵測到的光強度大小是 25000(=50 kHz/2)次雷射脈衝強 度之合，我們控制每次曝光時間相同並配合不同的脈衝激發時間，則可以 藉由偵測到四個時間相位(0 、30 、90 與210 )的光強度大小經由計算得到 二維的橢圓偏光參數Ψ與Δ。
5.3 時間相位之校正
但進一步觀察可發現，光彈調變器參考訊號之起始點與理論上調變訊 號之起始點並不為同一位置，如圖5-4所示，然而在此狀況下參考訊號起始 點並不是位於調變波形的極點，並不容易判斷出正確的起點位置。本實驗 利用一厚的鉑(Pt)試片為待測物，利用不同入射角會造成不同橢圓偏光參數 與不同波形的特性，調整入射角使得參考訊號起點與調變波形的極點重 合，進而尋找出系統參考訊號與調變訊號之相位差值且加以校正。
實驗中將半導體雷射調整為連續照射模式，並利用鉑試片當作反射 物，調整入射的角度，並由示波器觀察調變訊號波形的變化至參考訊號與 調變訊號波形的極點重合的結果，顯示如圖5-5。
5-5 鉑(Pt)試片之光學諧波訊號圖形
此此時利用傳統雙鎖相放大器量測方法量測橢圓偏光參數Ψ與Δ，量測 的結果為Ψ =29.63 Δ =230.64 ，代入式(3.3)中則可得理論波形如圖 5-6所 示。
圖5-6 29.63Ψ = Δ =230.64 時光學諧波訊號與不同入射角之變化圖
由圖5-6可以看出光彈調變器的參考訊號之起始點是位於理論圖上的 226°的位置。由此可知，脈波產生器的時間相位若在不移動的情況下，就 是在其數學理論圖上的226°。因此，若量測值要與理論值相等則必須將時 間相位提前226°或是延遲134°，因為時間相位一開始就是在226°，在此情 況脈波產生器無法如此操作，故只能將時間相位延遲134°至下一個週期的
時，需將時間相位延遲至0°的位置時所需延遲的時間為7.287μs，其餘時間 相位所需延遲的時間依此類推。
為了驗證本時間相位的校正是否正確，本實驗先將時間相位延遲至下
一個週期的起始點處，再以10°為間隔延遲時間相位至270°為止，每延遲一 次則用電荷耦合元件拍攝光強度大小度一次，並與理論曲線擬合，結果如 圖5-7所示。結果顯示每一個相位的光強度大小與理論值十分吻合，如此可 確定相位延遲的度數是正確的。
圖5-7 相位延遲後光強度大小之理論與實驗值擬合
5.4 臨界電壓的確認
(spontaneous emission)，而此自發放射會影響到偵測時的光強度值，所以我
們把自發放射的光子當作電荷耦合元件偵測的自然背景光加以消去補償處 理。半導體雷射的臨界電流隨溫度和各別個體改變並非定值，應用上需依 各半導體雷射和環境溫度加以補償調整。又本實驗所用的電荷耦合元件為 具有電熱制冷(thermo-electric cooling)的裝置可予以降溫控制，大幅降低偵 測時的熱雜訊使其灰階可以達到16bit，也因如此微小電流所造成的光強度 變化皆會影響偵測值，進而使的橢圓偏光參數的運算出現誤差，所以調整 半導體雷射的臨界電流至適當的工作值也為本實驗的重要校正過程。
以下本實驗利用電荷耦合元件當作光偵測器，來了解此半導體雷射的 I-V特性，進而找出適合本實驗系統的實際臨界電流值，以便消去做補償處
圖5-8 是由電荷耦合元件直接量測到雷射二極體隨著改變電流大小而
橢圓偏光參數的理論值為Ψ =45 Δ =0 ，且理論波型如圖5-3所示。
光強度 12203 33449 53493
表5-1 相位為 0°、30°與 90°時光強度值比較表
由上表可知當輸入DC電壓值為22.5V時所得到的數據是相對於其他電 壓值所得到最為接近比例值，所以則將此DC 電壓值當作半導體雷射的臨界 電壓值。
由上可知若要進行量測，則須設定輸入DC電壓為22.5V，此時半導體 雷射因自發放射使的CCD偵測到光強度值我們可以當作是背景光強，然後 輸入AC訊號使半導體雷射至真正的激發狀態，且調整不同的延遲時間來偵 測不同時間相位下的光強度大小，各時間相位(0 、30 、90 與210 )的光強 度值必須減去背景光強度值，之後才可計算橢圓偏光參數Ψ與Δ且進一步反 推欲知的光學參數。
5.5 靜態量測
再利用BOE(Buffer Oxide Etch)蝕刻溶液(100nm/min)去除未被光阻覆蓋的 二氧化矽薄膜，最後利用丙酮將光阻移除而留下具有圖形化的二氧化矽晶 圓。
圖5-9為利用量測出的二維橢圓偏光參數Ψ與Δ後反推厚度的結果，而 左上角為利用照相機拍攝的實際圖形與右上角為一橫切面上厚度與距離的 變化圖。我們也利用光譜式反射儀Spectroscopic Reflectometer (AM-001C) 量測二氧化矽薄膜上幾個位置的厚度，厚度分佈約為48nm~50nm，與本實
化的待測物時，因為在高處反射與在低處反射的路徑差易產生側向干涉或 是陰影效應的影響使的量測發生誤差，而造成具有圖形的區域底部無法為 理想的直角圖形。
圖5-9 具有圖形的二氧化矽薄膜厚度分布圖 (a) 實體照片圖
(b) 距離與厚度關係的橫切面圖
5.6 動態量測
本光彈調變式橢圓偏光儀最主要優點是不需旋轉任何光學元件而具
有快速量測之優點，我們利用一已知折射率的顯微鏡折射率匹配油當作待 測物來驗證本系統動態量測的能力。
圖5-10 二氧化矽薄膜厚度分佈圖
矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層，稱為原生氧
化層(native oxide)，因為本試片未放在真空或充滿氮氣的容器中，所以矽晶
圓上必有一層原生氧化層，我們先利用本影像式橢圓偏光儀量測矽晶圓上 原生氧化層的厚度。結果如圖5-9所示，我們發現此原生氧化層的厚度約為
們將一2μl的油滴輕輕附著在矽晶圓表面，油滴由於重力的關係會漸漸向下 度太大則會造成經過調變後的出射光有去極化(depolarization)現
象，更容易造成量測誤差，需要經過誤差分析計算來估算適當的寬 度值。
(3)光彈調變器的靜態相位延遲：雖然文獻上記載此靜態相位延遲通常 小於0.2°，但是本實驗室所量測出來的結果遠大於此數值[28]，此結 果對於較薄的薄膜量測會造成較大的誤差，仍需要利用更複雜的光 學模型來推算此值。
圖5-11 油滴薄膜之Δ 隨時間變化的分佈圖