第四章 實驗結果
4.4 標準片五號區域
4.4.1 理論波形
標準測試片第五塊區域為厚度5100Å 之SiO2，當入射角為 70度其橢 圓參數Ψ與∆的值分別為為32.2度和-81.7度。接著以此算出的理論
值代入(式 2.25)中，可得到以下波形。
0 100 200 300 400
圖 4-6五號區域之理論波形與示波器觀察的波形
上圖左為理論波形，上圖右則為由示波器所看到之波形。可以觀察出 兩圖非常接近。
4.4.2 電荷耦合元件(CCD)量測二維橢圓參數之分佈
在前面章節4.3.3中，已經提到如何量測其二維橢圓參數分佈。首先 還是利用本實驗室之前發展的光彈調變器校正方法[7]將相位調變振
調變頻率約為 51.080kHz，所以相位零度必須延遲 134 度，則延遲至 下一週期零度時所需延遲時間一樣為 7.3μs，而 30 度、90 度以及 210 度分別為 8.9μs、12.2μs 和 18.7μs，當調整脈波產生器的延 遲時間至各個時間點時再用 CCD 拍下其光強度，其後每一張照片先使 用影像處理優化功能處理，再利用 Matlab 程式計算出樣品之橢圓偏 光參數。下圖為理論波形與各個相位之標示。
0 50 100 150 200 250 300 350 400
210
0
30
90
圖 4-7 五號區域之理論波形與各相位之相對位置
下面表格為每個相位之最強光強度值與pixel位置以及理論式所算出 相對強度值。
公式之相對強度 由CCD得最大光強
現在可以利用算出的偏光參數反算其厚度，與入射角之誤差。
(單點) 1293.788Ǻ 1.461(632.8nm) 5149.994 Ǻ 1.454(632.8nm) 5135.76 Ǻ 1.454(632.8nm) 元件旋轉式橢圓
偏光儀(影像) 1290.3≤0.9Ǻ 1.461(632.8nm)
5090.76 Ǻ 1.461(632.8nm) 光彈調變式橢圓
偏光儀(影像) 1298.7≤0.3Ǻ 1.456(660nm) 5103≤1Ǻ 1.456(660nm)
表4-4 量測結果之比較
第五章 結論
本實驗改變光彈調變式橢圓儀利用倍頻訊號求出橢圓偏極參數 的方法，採用可程式化脈衝延遲產生器(Programmable delay/pulse
generator)，將半導體雷射光源與光彈調變器進行同步的調制，而形成
同步照射(synchronous illumination)的模式，來達成鎖定光學調變訊號 中特定時間相位的目的，並利用延遲脈衝時間的方法來改變光學調變 訊號時間的相位，運用此技術我們才能克服因為調變速度遠快於偵測 速度的實驗架構缺點，而利用電荷耦合元件(CCD)來進行二維橢圓偏 極參數的量測。
在此實驗中我們先推導了利用此方法以求出橢圓參數的數學模 式，而後驗證的利用程式化脈衝延遲產生器，將半導體雷射光源與光 彈調變器進行同步的調制的可行性。而後發現光彈調變器調制時的時 間相位與所需計算的理論值上有所誤差，我們利用鉑(Pt)為材料配合 傳統光彈調變式橢圓儀量測法求出橢圓參數(Ψ，∆)，藉由此橢圓參數 反算出當相位調變振幅(δ0)為0.5λ時之理論波形，並與示波器上之圖 形進行比較而找出光學調變器與理論計算值之時間相位差226度，此 一時間相位差在實驗中也利用延遲脈衝時間的方法來做補償。而利用 半導體雷射作為光源在注入電流在臨界電流密度以下時，發光機制主
功率與輸入電流之間為線性關係之特性不同，此一特性使的半導體雷 射無法當作一理想的光開關，我們先找出此半導體雷射的臨界電流值 區域，配合空氣當介質來找出適合本實驗臨界電流值大小為
(55mA)。利用以前本實驗室發展的光彈調變器校正方法配合以上兩
種光源校正方法來量測標準測試片的二維橢圓偏極參數，實驗結果顯 示利用本方法之二維量測值與商用橢圓儀的單點量測比較，在量測兩 種不同厚度之SiO2差值分別為0.5與3nm，所以證實此實驗架構已可精 確的量測二維的橢圓參數變化。
本實驗採用調制電子訊號方式鎖定特定光學調制相位的方法，
與傳統須轉動補波片(wave plate)來進行光學相位調制的方法最大不 同是利用電子訊號調制方法的速度將遠快於機械轉動補波片的速 度，如此可以大大的增加量測二維橢圓參數速度。在傳統機械元件旋 轉式橢圓儀之量測速度是被限制在轉動速度，而本實驗架構之量測速 度是被限制在電荷耦合元件的畫面(frame)傳輸速度，目前本實驗是用 天文觀測的電荷耦合元件，類比/數位(A-D)轉換速度與傳輸速度較 慢，所需量測一組二維橢圓偏極參數的時間約8~10秒，如使用更為專 業的電荷耦合元件，則量測一組二維橢圓參數的時間可快至2秒左 右，如此使的在全部反應在分鐘級的二維動態反應量測目標得以實 現，與機械轉動方法只能量測全部反應在小時級的二維動態反應將有
很大的進步。利用此方法將可利用在生物晶片的二維動態反應偵測，
可以大量篩選不同結合係數的生物分子，或是利用在有圖形化的蝕刻 反應中。
利用架構不需要轉動偏光片或析光片，不易造成轉元件時的光 路偏差，減少了實驗的誤差，但是本實驗目前忽略了光彈調變器的內 稟雙折射誤差，本誤差可能會隨著溫度或波長而有所改變，雖然經由 以前實驗證明此內稟雙折射值約為一度以內，但仍須再經過精密的校 正，可以減少量測的誤差。本實驗的半導體雷射光源並無電熱制冷
(Thermal electric cooling)裝置，使的高頻率雜訊較大且輸出功率較不
穩定，如改用有電熱制冷的半導體雷射裝置，則可大幅增加系統之穩 定性。
參考文獻
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