博碩士論文 962206030 詳細資訊


姓名 吳肇元(Chao-Yuan Wu)  查詢紙本館藏   畢業系所 光電科學與工程學系
論文名稱 動態干涉儀量測薄膜之光學常數
(Measurement of optical thin film constants using dynamic interferometer)
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摘要(中) 本文提出一套以Twyman-Green干涉儀為架構的偏極相移干涉儀,用以量測薄膜的光學導納值,並且由公式推導可直接求得單層膜的折射率(Refractive Index)與厚度(Thickness),而在多層膜的情況下,則需要利用數值方法擬合(fitting)出各層薄膜的折射率以及厚度。
量測系統採用的低同調的光源為涵蓋可見光範圍多波長的白光鹵素燈,外加上窄帶濾光片構成高斯光譜密度的光源,而消色差相移法的使用,使本實驗的架構可以對不同波長進行量測。
本研究使用具四個偏極態的偏極陣列在CCD鏡頭前,在偏極相移干涉儀中可同時取出四步相移的值,帶入電腦運算即時求解得到相位,速度快且減少環境擾動造成的誤差。最後將量測得到的折射率與厚度結果與SOPRA橢偏儀進行比較,量測結果相當精確。
摘要(英) In this thesis, we proposed a polarize phase shifting interferometer based on Twyman-Green interferometer structure which is used to measure the thin film optical admittance, and the refractive index and thickness of single layer thin film can be derived directly; moreover, the refractive index and thickness of multilayer thin film can be solved by numerical fitting method.
In our arrangement, the low coherence light source is composed of a halogen lamp, which is a polychromatic light source and covering the visible spectral range, and a choosable narrow band pass filter, which is used to create a Gaussian power spectral density source, and achromatic phase shifter are need to this multi-wavelength measurement.
As a polarization interferometer, a novel pixelated mask with a micro-polarizer phase shifting array are placed just prior to the CCD, so that we can use single interferogram to extract phase information and that’s effective in reducing environmental vibration.
The measurement results were compared with the results obtained by ellipsometer. The results meet reasonable values in both refractive index and thickness.
關鍵字(中) ★ 薄膜光學常數
★ 光學導納
★ 偏極相移干涉儀
★ 即時相位量測
關鍵字(英) ★ optical constants
★ Thin film
★ dynamic interferometer
★ optical admittance
論文目次 目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 前言 1
第二章 基礎理論 4
2-1 垂直入射之光學導納 4
2-1-1 光學導納定義 4
2-1-2 單介面穿透與反射 7
2-1-3 單層膜的等效導納與膜矩陣 9
2-1-4 多層膜的反射與透射 12
2-1-5 非相干性之反射與透射 13
2-2 相移干涉原理 16
2-2-1 波的干涉原理 16
2-2-2 相移干涉術 19
2-2-3 消色差相移法 21
2-2-4 波片組Jones矩陣計算 22
第三章 光學常數的量測法 29
3-1 光度法 30
3-1-1 Abeles法 30
3-1-2 包絡法 33
3-2 橢圓偏極術 36
3-2-1 偏極態光波理論 36
3-2-2 橢圓參數之定義 38
第四章 實驗儀器與架構 42
4-1 實驗架構 42
4-2 相位分析方法 46
4-3 量測步驟與結果討論 52
4-3-1 相移量測步驟 52
第五章 量測結果與討論 56
5-1 量測結果 56
5-2 結果討論 61
第六章 結論 62
Conclusion 63
參考文獻 64
圖目錄
圖 2.1 電場、磁場、波向量之關係圖 6
圖 2.2 光波由介質0垂直入射到介質1 8
圖 2.3 基板Ns上鍍一層厚度為d折射率為N的薄膜 9
圖 2.4 a、b界面之等效導納 11
圖 2.5 多層膜等效原理 12
圖 2.6 基板兩面穿透反射圖 14
圖 2.7 Fizeau干涉儀 18
圖 2.8 Twyman-Green干涉儀 18
圖 2.9 (a)移動PZT產生相移 (b)旋轉檢偏器產生相移 21
圖 2.10 消色差相移波片組 22
圖 2.11 兩種波片組合相對於相位延遲隨波長的改變 27
圖 3.1 Abeles 法求薄膜折射率 30
圖 3.2 弱吸收薄膜在透明基板之示意圖 35
圖 3.3 單層膜弱吸收之光譜圖,虛線為光譜知包絡線,假設n>ns 35
圖 3.4 橢圓偏極光 38
圖 3.5 薄膜內部多次反射 40
圖 4.1 實驗架構圖 43
圖 4.2 偏極陣列示意圖 44
圖 4.3 光源於待測樣品之反射圖 47
圖 4.4 使用檢偏器使參考光與待測光產生相移 47
圖 4.5 取九個像素計算薄膜相位 49
圖 4.6 NI LabVIEW 軟體操作介面 53
圖 4.7 入射均勻無偏極光線,CCD影像修正前後之比較 54
圖 4.8 消色差相移法量測流程圖 55
圖 5.1 量測樣本10次相位圖(at 633nm) 57
圖 5.2 相位剖面、橫截面及折射率圖(at 633nm) 57
圖 5.3 二維折射率分佈圖 59
圖 5.4 二維薄膜表面輪廓圖(單位:nm) 60
表目錄
表 1-1 光學常數量測法比較 2
表 2-1 各波長對應之振幅與相位差 26
表 4-1 量測系統的光學元件表 45
表 5-1 量測波長633nm的Ta2O5薄膜折射率與厚度 58

參考文獻 參考文獻
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指導教授 陳昇暉、李正中
(Sheng-Hui Chen、Cheng-Chung Lee)
審核日期 2009-7-21
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