RAS 實驗架構與原理探討

2-1 RAS 實驗儀器:

2-1-1 氙燈(Xe Lamp)

氙燈為Oriel公司生產，NewPort代理。因為RAS所需的光源不用 非常高的瓦數，故此處選擇型號6258的氙燈燈泡為300W的燈泡，再利 用最高可承受500W功率型號69901的氙燈HOUSE，與提供燈泡電源型號 66983的電源供應器，產生全頻譜的光。

2-1-2 單色儀(Monochromator)

本實驗的單色儀為Oriel公司生產，NewPort代理，型號74100，

此產品共有三個光柵(Grating)，以利不同解析度與不同波長使用。

此次選用的光柵為每毫米1200 條(1200Grooves/mm)，強化波長 (Blaze wavelength)在750nm。

2-1-3 光彈調變器(Photoelastic Modulator,PEM)

光彈調變器為HINDS INSTRUMENT 所生產，其型號為PEM90。光彈 調變器主要由三個部份組合而成，分為控制器(controller) ，電壓 驅動器(driver circuit)以及光學頭(optical head)所組成，藉由產 生控制器改變驅動器不同的電壓改變與光學頭相黏的石英晶體的振 動頻率而帶動光學頭的共振。對整個光彈調變器而言，光學頭是最重 要的組件。

圖 2-1 PEM示意圖

一般而言，壓電換能器(Piezo-transducer)採用石英晶體作為主要材 料，而穿透性光學材料較常使用熔凝石英(Fused Quartz)，當調變進 行時，驅動器提供以頻率ω變化的外加交流電壓給壓光換能器，此時 光學頭中膠黏在一起的換能器及熔凝石英皆以頻率ω共振，此處的ω 為50kHz。因而造成石英材料產生應變，熔凝石英X，Y 方向折射率的 變化而產生相位調變。對於入射光而言，因X-Y 方向折射率改變而產 生的相位變化δ為：

=

cos( t)

δ δ ω

此實驗使用的為HINDS INSTRUMENT公司出產的DET-100-002，其 偵測波長範圍主要在350nm~950nm，頻率反應從直流到500KHz之間，

電壓與電流轉換比為2000mA/mV。

2-1-5 SCU(Signal Conditioning Unit)

當由光電偵測器得到訊號之後，訊號本身包含著交流與直流的成 分，而由反射的光路得到的訊號極為微弱，故需要此儀器幫助分離直 流與交流訊號並做放大的處理。此實驗使用的是HINDS INSTRUMENT 公司所生產的，型號為 SCU-100，其直流增益為1~100，交流增益由 0.1~20。

2-1-6 鎖相放大器(Lock-in Amplifier)

當由SCU分離出交流訊號後，經過増益放大訊號，而後進入鎖相放大 器。此處的鎖相放大器為Stanford Research Systems所生產的Model SR810。其所能夠鎖相的頻率範圍從1mHz到102kHz。

因為鎖相放大器在本實驗為不可或缺，故稍微介紹鎖相放大器的 工作原理。鎖相放大器的優越之處在於其中的Phase sensitive detector之帶寬極窄，可將參考頻率之訊號挑選出來，把其它頻率之 雜訊濾除，而大幅提升訊雜比。並將波形對參考頻率之正弦波及餘弦 波作傅利葉轉換，而取出與參考頻率相同之信號。

訊號輸入後首先經過三道濾波器處理：60Hz、120Hz濾波器濾除 電源中60Hz與其倍頻之雜訊；而自動追蹤帶通濾波器（Autotracking bandpass filter）是以參考頻率為中心頻率之帶通濾波器，此中心

AC amplifier）放大，放大倍率隨Dynamic resevre而變。Dynamic reserve為所設定的Sensitivity條件下所能容忍參考頻率之外，其它 頻率噪音之最大量，如超過此上限，鎖相放大器就會Overload。雖說 放大比例越大，後期之處理越容易準確，但放大器亦會因此失去DC 穩定性，故除非訊號真的太小，否則Dynamic reserve均應調至較小 的檔位。

Time constant 即為低通濾波器之電阻與電容的乘積，此時間常 數之倒數即為此濾波器在低通範圍之頻寬，當 Time constant 越大 時，頻寬越窄，也越能夠達大低通濾波的效果，Time constant 越大，

其反應時間亦需越長，故實驗時應加以取捨。

2-2 RAS 實驗架構與建立:

2-2-1 RAS實驗架構:

本實驗RAS架構與Aspnes[16]的架構是一樣的，其基本架構圖如 下:

圖 2-2 RAS 系統示意圖

其光路主要由三個光學元件組合而成，為兩個偏極片與一個光彈調變 器的光學頭。當氙燈經由單色儀選擇波長射出經過第一片偏極片，其 偏極片穿透軸為 0°，產生偏極光之後打在樣品上，其反射光經過光 彈調變器的光學頭，其Modulator Axis的方向為0°，之後經過檢偏 片，其穿透軸為45°，之後再進入光電偵測器而得到訊號。但因為其 訊號包含交流與直流訊號，而因為偵測到的為反射訊號，所以其訊號

值非常的小。利用SCU幫助我們分離交流與直流訊號並且增益放大，

放大之後的直流訊號由示波器顯示出來，而放大的交流訊號由鎖相放 大器得到。基本上的實驗架構與調制式的橢圓儀[17]相當類似，但橢 圓儀為斜向入射，而RAS為正向入射。橢圓儀因為斜向入射的原因，

光會在基板內部形成干涉效應，但液晶配向需要瞭解的是表面的異向 性，故利用正向入射的RAS使其不會在基板內部干涉，而只對表面的 異向性較為敏感。

2-2-2 RAS 實驗建立:

(1)RAS 光路部份:

包含了偏極片與光彈調變器的光學頭，其中偏極片的校正極為重 要。先利用一個已確定偏極方向的偏極薄片(Polarized Sheet)，使 其成 90°偏極，光電偵測器放在偏極片與偏極薄片之後，當光強度在 示波器上先使在最低點時，即可得知偏極片穿透軸為 0°。同理，第 二片偏極片也可先依此法得到 0°，再轉動 45°即可。而光彈調變器的 Modulator Axis 已經固定住，故不用校正，直接擺放在 0°即可。

(2)光電偵測器:

在使用之前，需要先對其 OFFSET 做歸零的動作才可以開始使用，

而其歸零的動作需與 SCU 來配合完成。因為此次反射訊號非常微弱，

故不論是交流或是直流訊號都需要放大到一定的比例才可擷取到訊

號。交流訊號此次放大為 20 倍，而直流放大倍率為 100 倍。為了確 保光電偵測器得到的值誤差為最小，首先使其與 SCU 先連結，直流增 益開到最大檔位 1000，並確定光無法入射到光電偵測器，之後利用 工具旋轉在背後的 OFFSET 調整鈕使其在示波器顯示的直流位准最接 近零的時候，校正即完成。

(3)SCU:

所使用的 BNC 訊號線不得超過三公尺長，以免訊號失真。此次實 驗因為訊號很小，所以交流增益在調到 20 倍，而直流增益為 100 倍。

(4)光彈調變器:

本次實驗為手動控制光彈調變器，先確定光學頭與電壓驅動器及 控制器已連接完成，才可以打開電源，否則馬上燒壞。開機後等待三 十分鐘，等電壓驅動器穩定後使開始測量。在背後面板有 1f、2f 的 訊號輸出 BNC 孔，代表的是其共振頻率 1 倍與 2 倍，此次需要兩倍頻 的訊號，故將 2f 的 BNC 孔與鎖相放大器的 REF BNC 孔利用 BNC 線連 接在一起，即可以鎖住兩倍頻的訊號。

(4)鎖相放大器:

為了避免訊號被雜訊干擾太嚴重，Dynamic reserve 在這邊設定 為 6dB，Time constant 設定為 1second，使其訊號在最後濾波後更 接近直流，但因為 Time constant 時間過長，所以在擷取數據時需等

待五秒左右。Sensitivity 配合訊號大小而選擇，盡量越小越好，而 當變換波長重新測量時，需要按 Auto Phase，使擷取到的訊號更加 精確。

(5)示波器:

SCU 的直流部分連接到示波器上，需要確保示波器的 Channel 為 1MΩ的檔位。

2-3 RAS 原理探討:

RAS長期以來在半導體晶圓與長晶的表面量測使用非常多，另外 在金屬的表面資訊取得也被廣泛運用。而其對於表面反射訊號優異的 敏感度一直是其最大的優勢。從1980年代到最近，其在半導體應用始 終不墜，而在其他表面量測的應用也越來越廣[18]。近幾年RAS在液 晶配向方面也有較為深入的研究，包含了摩擦配向與非摩擦配向PI 膜的異向性研究[19~25]。

要瞭解RAS的原理首先需要瞭解與極化光相關定理，光偏極態的 特性，可藉由平面波的兩個分量:垂直入射面的電場分量S 偏振及平 行入射面的電場分量P 偏振。當一束光從表面反射時，將造成P 偏振 光及S 偏振光振幅及相位上的改變，若其反射係數分別為

r

r

則此兩數皆為複數，可分別表示為：

i p

因其異向性訊號與雙折射的電磁理論有相當重要的關連性，故需

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