研究生橢偏光譜實驗課的教學(xué)探討

張玉蘋

摘要：在研究生的橢偏光譜實驗課中，本文站在學(xué)生的角度精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，采用理論結(jié)合實際的講授方式，從儀器的注意事項、操作步驟、數(shù)據(jù)處理三方面深入討論，使研究生更好地利用橢偏譜儀為科學(xué)研究提供有力的數(shù)據(jù)支持，并掌握一項科研儀器的使用技能。

關(guān)鍵詞：橢偏光譜；膜厚；光學(xué)常數(shù)；教學(xué)討論

中圖分類號：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）28-0266-02

橢偏光譜為橢圓偏振光譜的簡稱，是一種研究表面、界面、薄膜分析的光學(xué)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料和生物等學(xué)科領(lǐng)域[1-4]。由于其對樣品無損無接觸、精度高、靈敏度高、無需真空、快速等特點，同時能夠確定薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)，在眾多薄膜分析技術(shù)中嶄露頭角，已成為一種極具吸引力的測量技術(shù)。目前，眾多高校的相關(guān)專業(yè)都為本科生開設(shè)了橢偏光譜課程，使用橢偏儀測量薄膜的厚度與光學(xué)常數(shù)也逐漸成為高校儀器分析課程的基礎(chǔ)實驗之一[5，6]。這種封閉式儀器管理模式直接影響了學(xué)生實驗的進(jìn)展，降低了科研效率，也使大型儀器的作用得不到充分發(fā)揮，造成科研資源的浪費。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對科研資金的投入逐年提高，高校和科研院所對橢偏儀的采購逐漸增多，如何使橢偏儀得到充分利用，更好地為科研工作者服務(wù)，是很多科研單位需要認(rèn)真思考的問題。這里我就結(jié)合自身的體會和經(jīng)驗，以Uvisel 2橢偏儀為例，從儀器的注意事項、測試的操作使用、建模型技巧等三個方面，談?wù)勅绾螌ρ芯可M(jìn)行安全、規(guī)范的橢偏實驗教學(xué)。

一、儀器使用注意事項

向研究生開放橢偏儀的上機(jī)測試，目的是讓他們及時獲取實驗數(shù)據(jù)，并發(fā)揮儀器的價值。鑒于橢偏儀屬于高精密儀器，儀器中重要的部件仍需進(jìn)口，所以不是任何學(xué)生都可以上機(jī)操作儀器。對需要使用橢偏儀的學(xué)生進(jìn)行儀器的理論與上機(jī)操作培訓(xùn)是非常有必要的。

首先，要讓準(zhǔn)備上機(jī)操作的學(xué)生熟悉橢偏儀的結(jié)構(gòu)組成、測試操作步驟、數(shù)據(jù)處理分析等。例如，Uvisel 2型橢偏儀的組成部件主要包括光源、起偏器、樣品臺、光彈調(diào)制器、檢偏器、檢測器等。其中，光源使用的是能夠發(fā)射白光的氙燈，在測試中需用高純氮氣對其進(jìn)行保護(hù)，所以在使用儀器前必須確認(rèn)有足夠的高純氮氣以保證測試的完成。此外，對學(xué)生反復(fù)強(qiáng)調(diào)不要觸摸標(biāo)準(zhǔn)樣品、校準(zhǔn)樣品、測試臂（光彈晶體），以及不能用力彎折用于通信的光纖。

其次，介紹正常操作中可能出現(xiàn)的異常情況，這些情況的出現(xiàn)會對儀器造成或大或小的影響，甚至?xí)竺鎸W(xué)生的實驗造成影響。再比如，嚴(yán)禁個人私自使用U盤拷貝數(shù)據(jù)，一旦帶入病毒，將導(dǎo)致主機(jī)崩潰，進(jìn)而造成測試數(shù)據(jù)丟失甚至重裝儀器軟件的風(fēng)險，這將嚴(yán)重影響整個實驗室的科研進(jìn)度。以上事例均需反復(fù)強(qiáng)調(diào)，因為進(jìn)口儀器一旦出現(xiàn)事故，不但需要大筆的維修經(jīng)費，而且至少耗費1—2個月的時間從國外購買配件，這對實驗室與科研工作者都是極大的損失。

最后，在確認(rèn)學(xué)生參加了橢偏儀的理論與上機(jī)操作培訓(xùn)，并且掌握了測試流程與軟件使用的前提下，方可允許學(xué)生進(jìn)行上機(jī)操作。由于標(biāo)準(zhǔn)樣的測試不僅可以用于確認(rèn)儀器是否處于正常狀態(tài)，還可以讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉待測樣品的操作步驟。因此，在對樣品進(jìn)行橢偏測試之前，重點提醒學(xué)生先對標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行測試，并強(qiáng)調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)樣測試的重要性。

二、測試操作步驟

在設(shè)計橢偏光譜實驗課的教學(xué)時，作為教師應(yīng)該認(rèn)真思考如何安排教學(xué)內(nèi)容與授課方式，使學(xué)生了解橢偏光譜的原理并掌握儀器的操作使用。因此，我們一定要結(jié)合儀器說明書，對學(xué)生進(jìn)行基本且詳細(xì)的操作培訓(xùn)。對于儀器操作使用的培訓(xùn)，應(yīng)采用理論與實踐相結(jié)合的方式，不僅要有老師的理論講解和動手演示，還要讓學(xué)生動手嘗試，這樣才能使他們有效掌握儀器的使用，并深刻認(rèn)識到操作過程中的注意事項。

橢偏儀測試直接獲得是橢偏角（Ψ與Δ），就是反映線偏振光經(jīng)過樣品反射后的橢圓偏振光的狀態(tài)變化參數(shù)。測試的操作步驟如下：

1.設(shè)置采集數(shù)據(jù)的參數(shù)（光斑大小、曝光時間、光譜范圍與間隔）。

2.調(diào)整樣品使線偏振光打在樣品并反射進(jìn)入檢偏器。

3.對數(shù)據(jù)命名并記錄測試的詳細(xì)條件。比如，樣品的調(diào)整是為了實現(xiàn)線偏振光打在樣品并反射進(jìn)入檢偏器，此部分內(nèi)容不僅要重點詳細(xì)介紹，還要讓學(xué)生親自動手操作。首先，在Sample Vision界面調(diào)整樣品位置以確保線偏振光打在樣品上；其次，在Tilt Vision界面將樣品面調(diào)成水平使與樣品作用形成的橢圓偏振光能夠進(jìn)入檢偏器。實驗結(jié)束后，依次點擊軟件中Results>Acquisation>當(dāng)天日期的文件夾，查看樣品測試的橢偏角數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉測試界面并取回樣品，最后將防塵蓋蓋在標(biāo)準(zhǔn)樣上。

三、橢偏數(shù)據(jù)的建模分析

橢偏光譜法并不能直接得到樣品的厚度與光學(xué)常數(shù)，必須通過建立模型并利用測量的橢偏角數(shù)據(jù)來確定有關(guān)樣品的信息。因此，應(yīng)結(jié)合實例詳細(xì)講解建模的基本步驟、技巧、評判模型的原則，使學(xué)生真正掌握建模處理分析橢偏數(shù)據(jù)的方法。

建立模型時，先確定樣品結(jié)構(gòu)，并對其厚度擬合，確定厚度區(qū)間；然后根據(jù)樣品的材料屬性及透明性，選擇合理的色散公式，對厚度與光學(xué)常數(shù)（n，k）同時擬合，最終獲得樣品厚度、n和k的曲線。模型建立后，軟件會自動調(diào)節(jié)擬合參量尋找模型計算與測試數(shù)據(jù)之間的最佳匹配，Uvisel 2型橢偏儀采用χ2來表示擬合結(jié)果。χ2是量化實驗數(shù)據(jù)與模型計算之間的差，一般來說，χ2越小，模型越接近樣品的真實物理結(jié)構(gòu)。評判模型不僅要看χ2值的大小，還要兼顧測試的橢偏數(shù)據(jù)、色散公式中的參數(shù)等方面的信息。具體來講：（1）比較測試的橢偏數(shù)據(jù)和模型擬合生成數(shù)據(jù)是否匹配；（2）變化樣品結(jié)構(gòu)（添加粗糙層、漸變、空隙）觀察χ2值是否下降；（3）觀察模型擬合給出的膜厚值是否在預(yù)期范圍之內(nèi)；（4）查看色散公式中的參數(shù)是否符合其物理意義且誤差在10%以內(nèi)。另外，還可以通過其他表征手段對樣品進(jìn)行測試，相互對比結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)模型的合理性。需要指出的是：有時樣品比較厚，深度方向上的均勻性較差，即使測試與模型都正常的情況下，也會出現(xiàn)χ2值較大的現(xiàn)象。

四、結(jié)束語

研究生的橢偏光譜實驗課與科學(xué)研究緊密相關(guān)，作為實驗課教師應(yīng)該從學(xué)生的角度設(shè)計安排教學(xué)內(nèi)容與講授方式，對儀器的注意事項要反復(fù)強(qiáng)調(diào)，測試操作要詳細(xì)說明，建模處理分析要重點闡述。努力做到以人為本與因材施教相結(jié)合，使橢偏光譜儀更好地為每位研究生的科學(xué)研究提供有力的數(shù)據(jù)支持，儀器價值能夠得到充分利用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]孫順明，張良瑩，姚熹.橢偏技術(shù)的原理及其在功能薄膜表征中的應(yīng)用[J].壓電與聲光，1998，20（3）：209-213.

[4]黃宗卿，張勝濤，謝上芬，等.橢圓偏振光譜方法對電化學(xué)的研究及應(yīng)用[J].電化學(xué)，1999，5（3）：247-253.

[5]吳思誠，王祖銓.近代物理實驗[M].第2版.北京：北京大學(xué)出版社，1995.

[6]林木欣.近代物理實驗[M].北京：科學(xué)出版社，1999：133-139.

Abstract：For the spectroscopic ellipsometer experiment of graduate students，the teaching content was carefully designed from the perspective of students. The application notice，operating steps，and processing data were instructed by combining theory with practice for the lecture. Therefore，the graduate students can take full advantage of ellipsometer to provide powerful data support for their scientific research，and master the use of a scientific instruments skills.

Key words：spectroscopic ellipsometer；film thickness；optical constant；teaching discussion