椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

《椭偏仪测量薄膜厚度和折射率》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、实验背景介绍椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃（或镀膜）、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层为ni、n2、n3，咖为人射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界

2、面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图（1・1）图（i-i）这里我们用2S表示相邻两分波的相位差，其中S=2ndcos以入，用饰、途表示光线的p分量、s分量在界面1、2间的反射系数，用r2p、r2s表示光线的p分、s分量在界面2、3间的反射系数。由多光束干涉的复振幅计算可知：其中Eip和Eis分别代表入射光波电矢量的p分量和S分量，Erp和Ers分另1J代表反射光波电矢量的p分量和S分量。现将上述Eip、Eis、Erp、Ers四个量写成一个量G,即：我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tg书和△表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：=(即2COSW

3、1一4］COS02)/(卸2C0S01+COSWz)七,二(%3COS02一片2COS03)/(总3cos02+邪2C0S@3)&=(正］cos0］一题2cos卬a)/(&］cos卬［+力,cosw?)r2：=(«2cosw飞一cos@/(«2cos伊？+n3cos28-A^dn2cos/2cos伊i=n2cos(p2=nzcos(p3(4)(5)⑺⑼1G是变量m、口2、n3、d、人如的函数（（2、如可用如表示）,即书二tgf,△=arglfI称书和△为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程：[tge△的实数部分二1+WT+凡小".的实数部分[tg肌e的虚数部分二的虚数部分若能从实验测出

4、书和△的话，原则上可以解出加和d(n1、口3、人咖已知)，根据公式(4)~(9),推导出中和△与rip、％、如烁、和S的关系:八p+F2P+2斤兀第cos231+r>r22p+□1+rur2s+26心$cos2（5II一八（L•厂七）血2（5匚Q+An）+fQ+r4fl-72（l-i）sm23A=ig云tg-彳」1+尸即）+%（1+厂”）cw2S-由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。若d是已知，门2为复数的话，也可求出门2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定书和△的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：%严瓦二I垃I严耳二的瓦二氏必由式(3)和(

5、12)，得:总』｛(卷-论备-兔))（13）其中:fg打1公_（用/-忌e—8这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，Bp/Eis=1，贝Utg书=1Erp/Ers；对于相位角,有：A二（禹p〜凤）-（0妙-傀）二卜+口耶一氐=0耀-兀（⑸因为入射光Bp-3s连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即和邛鬲二0或（n,）则△=3・3）或a:iiBp-3），可见△只与反射光的p波和s波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出。对于特定的膜，△是定值，只要改变入射光两分量的相位差（3・3s），肯定会找到特定值使反射光成线

6、偏光，Bp-3s=0或（n。）实际检测方法等幅椭偏振光的获得（实验光路如图1-2）-平面偏振光通过四分之一波片，使得具有土n相位差-使人射光的振动平面和四分之一波片的主截面成45°图1-2反射光的检测将四分之一波片置于其快轴方向f与x方向的夹角a为n/4的方位，E0为通过起偏器后的电矢量，P为Eo与x方向间的夹角。，通过四分之一波片后，Eo沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前n/2在x轴、y轴上的分量为:Ej.贰/4+童$cos兀f4由于x轴在入射面内，而y触与人射面垂直，故Ex就是即5Ey就是Es图1-3由此可见，当a=n/4寸，入射光的两分量的振幅均为Eo/2它们之间的相位差为

7、2P-n/2改变P的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。这一结果写成：实验内容:1.按调分光it的方法调整好主机。2.水平度盘的调整。3.光路调整。4.检偏器读数头位置的调整和固定5.起偏器读数头位置的调整与固定6.1/4波片零位的调整7.将样品放在载物台中央，旋转载物台使达到预定的入射角70°即望远镜转过40°,并使反射光在白屏上形成一亮点。8.为了尽量减小系统误差，采用四点测量。9.将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经