实验二 椭偏仪测定薄膜厚度与折射率.doc

1实验一　椭偏仪测定薄膜厚度与折射率一. 实验目的1、 掌握获得椭偏光的原理；2、 掌握椭圆偏振仪的基本结构和使用方法，理解其测量薄膜厚度和折射率的原理； 3、 学会通过椭圆偏振仪对测量薄膜的厚度与折射率二. 实验仪器激光椭偏仪 EM01-PV-III， 薄膜样品；三. 实验原理当一束光以一定的入射角照射到薄膜介质样品上时，光要在多层介质膜的交界面处发生多次折射和反射，在薄膜的反射方向得到的光束的振幅和位相变化情况与膜的厚度和光学常数有关因而可以根据反射光的特性来确定薄膜的光学特性若入射光是椭圆偏振光(简称椭偏光)，只要测量反射光的偏振态之变化，就可以确定出薄膜的厚度和折射率，这就是椭圆偏振仪(简称椭偏仪)测量薄膜厚度和折射率的基本原理1、椭偏仪的基本光路图图 1 所示为椭偏仪的基本光路图单色自然光(其电矢量均匀地分布在垂直于光束传播方向的平面上) ，由氦氖激光器提供，其经过起偏器过滤为线偏振光 (电矢量在一定方向上振动)，再经过1/4 波片的作用变为等幅的椭圆偏振光(电矢量端点的轨迹在垂直于光束传播方向的平面上为椭圆)该椭圆偏振光入射到样品上，适当调节起偏器的起偏轴方向(即调节起偏角，称为 P 角) ，则可使经样品反射后的椭偏光变为线偏光，反射的线偏光方向可由检偏器检测出，称为检偏角 A 角；当检偏轴与线偏振光的振动方向相垂直时便构成消光状态，这时光电倍增管的光电流最小。

2图 1. 椭偏仪的基本光路图对于椭偏光，可将其电场分量分解为相互垂直的两个线偏光，这两个线偏光为：振动方向与入射平面平行的线偏光以 P 表示(简称 P 波或者 P 分量)，垂直于入射面振动的线偏光以 S 表示(简称 S 波或者 S 分量)，如图 2 所示ps p s图 2. 椭偏光的两分量， p 光：平行于入射平面，s 光：垂直于入射平面2、测量原理下面简要分析用激光椭偏仪如何根据反射光相对入射光的振幅、位相变化从而测出薄膜厚度及折射率图 3. 光线入射多层介质的反射情况入射光经薄膜上、下分界面折射时满足折射定律： 321sinsisin根据光学相关公式，可求出薄膜总的反射系数 、 分别为：PRsjpPperE21入3jsserER21入co2nd入入入PiPe入入入iE入入入SiSe入入入Si式中 、 代表光从 介质入射到 介质的反射系数， 、 代表光从 介质入射到 介质的pr1s1n2npr2s2n3n反射系数， 代表对应的位相差根据光学相关知识，并引入反射比系数 可得到以下公 ieta式：(1)),,(tan321dnfReSPi （2）入入SPEta（3）入入入入入入 )()(PP规定 在 0- 之间取值， 相当于复数的模量，其意义是相对振幅的衰减； 的意义是 P 分2tan 量和 S 分量的位相差。

从上式可以看出，若能从实验中测出 和 就可以求出 中dn,,321的一些未知量，又若 已知，就可求出 ，即可测定出薄膜的折射率和厚度当折射31,dn,2率为实验时，且 是实位相角，其对 的贡献就含有周期性，因此薄膜厚度2cos2nd,d 也具有周期性，当 时对应的厚度 为周期厚度，实测时计算出的薄厚度 d 都以第一周期0d为基准，也就是取 0 至周期厚度 之间，一般情况不是薄膜的实际厚度，若需测定薄膜的实际厚0度，需用其它测量方法从（2）和（3）式可以看出，若入射光用等幅的椭偏光( )，而经样品反射后的反射1入SPE4光又是线偏振光的情况下，对 的测量就简化多了在上述条件下有： ，对, )(入入入SPiSeE的测量就简化为对 的测量，通过测量起偏角 P 即可完成对 的测量；反射光入SPE)(入入SPie )(入入SPi为线偏振光时， 与 的位相差就是 0 或者 ，即 ，而 就是线偏振光的入PE入S 入入SSE入SP方位角 A(检偏角 A)的正切值，因此对 的测量可以简化为对方位角（检偏角）A 的测量于入SPE是对 测量就简化为在消光态下对起偏角 P 和检偏角 A 的测量。

,3、椭偏角 的测量,所谓测量反射系数比，就是测量 值对于任一确定的 值，总可以调节起偏角 P 使得, 反射光的 P 光和 S 光的位相差 ，在反射光进行的方向上，再放置一个检偏器，其nSP入入透光方向与 方向垂直时，便可实现消光，从而测出检偏角入E（1）当 时. 此时 P 记为 P1，合成的反射线偏振光的 在第二及第四象限里，入入SP 入E于是 A 在第一象限并记为 A1，则有： 123PA（2）当 时. 此时 P 记为 P2，合成的反射线偏振光的 在第一及第三象限里，0入入SP 入E于是 A 在第二象限并记为 A2，则有： 2018PA根据求出的 值，用计算机即可算出薄膜的厚度 d 和折射率 n在实际的测量中，为提高,测量精度，可以采用求 A 和 P 的平均值的方法，具体如下：将所测得的 A2 和 P2 利用下式进行转换为 和 ,'2A'P0202' 20'29,18PA5与 A1 和 P1 求平均值： 2'1P'1A00135,23,7P算出 就可计算出薄膜的折射率和厚度。

,四．实验内容He-Ne 激光(6328Å)经起偏器产生线偏振光，再经 1/4 波片转化为等幅椭圆偏振光，以一定入射角 φ 入射到样品的表面调节起偏角 P，可以使反射光变成线偏振光此时，可以用检偏器通过消光判断出来反射系数比参数 Ψ 和∆可以通过此时的起偏角 P 和检偏角 A 求出来而 Ψ 和∆只与样品的厚度 d 入射角 φ、介质折射率 n1（空气）n2 （薄膜）n3（衬底）有关，与起偏角 P 无关因此，若已知 n1，n3，φ，就可以通过 Ψ 和∆ 计算出 d 和 n2图 4. 激光椭偏仪 EM01-PV-III 外观图本实验所用仪器为激光椭偏仪 EM01-PV-III，如图 4 所示该实验仪器将相关计算已经集成到测试软件里，具体测量步骤如下： 1) 打开激光器电源将样品放置在样品台上，调节样品台；2) 设置恰当的入射角与反射角，注意按照反射定律进行设定，否则不能获得正确的数据；63) 激光反射进反射筒，在观察窗看到明亮的激光4) 打开桌面上的测试软件，对仪器进行预热 10 分钟；如果之前已经做过测试，可以直接选择取消预热；之后对仪器对进行初始化；5) 选择不同的测试项目，如测试不同薄膜厚度、折射率、消光系数等（实验时测量硅衬底上二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的折射率和厚度） 。

之后开始数据测量；6) 计算 Ψ 和∆，用计算机算出 n 和 d 的值；7) 分析数据的详细信息、导出数据并作好相应记录；关于椭偏仪的具体结构和使用方法，请参看仪器说明书实验时为了减小测量误差，不但应将样品台调水平，还应尽量保证入射角 φ1 放置的准确性，保证消光状态的灵敏判别．另外，以下的测量均是在波长为 632.8nm 时的参数．而且，所有测量均是光从空气介质入射到膜面． 数据记录与处理：表 1. 椭偏仪测量薄膜厚度与折射率记录表测试项目 入射角 Ψ ∆ n d五．思考题(1) 用椭偏仪测薄膜的厚度和折射率时，对薄膜有何要求？ (2) 若须同时测定单层膜的三个参数（折射率 n2，厚度 d 和吸收系数 κ） ，应如何利用椭偏方程?(3) 用椭偏仪测薄膜的厚度和折射率时，其误差如何分析？。