1、实验名称：椭圆 偏振法测量薄膜厚度和折射率 (一)引言：椭圆偏振法广泛地应用于固体基片上介质薄膜的测量。在己有测定薄膜厚度的方法中，它是能测量到最薄和精度最高的一类。测量范围从 0. 1 nm 到几个 m，比干涉法 测量精度高一个数量级以上。它能同时测量薄膜厚度和折射率。椭圆偏振法应用范围广泛，它是表面科学研究的一个重要工具。本实验通过测量若干介质薄膜的厚度和折射率，掌握椭园偏振法测量原理和方法。实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验日期：2006 年 3月 29 日姓名：王灿辉学号：03071024Class：Physics实验原理:当一束光以一定的入射角射到一个薄膜系统的表面时，光要
2、在多层介质膜的交界面发生多次反射和折射。反射束的振幅和位相变化与薄膜的厚度和折射率有关。如果入射束采用椭圆偏振光，例如把激光器发出的单色光变成椭圆偏振光投射到样品表面，则只要观测反射偏振光状态的变化（包括振幅和位相），就可以定出膜层的厚度和折射率。设在硅片表面上复盖均匀透明的同性薄膜系统，如下图所示，0为入射角，1 和 2 为薄膜和衬底的折射角，no 为空气折射率，n1为薄膜折射率，n2 为衬底折射率。入射光在两个界面来回反射和折射，总反射光由多光束合成。把光的电矢量和磁矢量各分为两个分量，把光波在入射面上的分量称为 P 波，垂直入射面的称 S 波。由菲涅尔反射公式，可以给出 P 波和 S 波
3、的振幅反射系数（ rP, rS）。对空气一薄膜界面(I)：根据折射定律，1 和 0 应满足下面关系：对薄膜硅衬底界面（II），同理有如上述确定的关系式。进而可以算出，任意两相邻反射光间的光程差：由此光程差引起的相邻两级反射光的位相差为 2，则：由于薄膜上下表面对光多次反射和折射，我们在空气中看到的是多次反射光相干叠加的结果。引入 P 波、 S 波的 总振幅反射系数：根据多光束干涉理论，我们可以求得总振幅反射系数：定义 ，两个参数： 和 具有角度的量 纲，称为椭偏角。tg 表征反射光对入射光相对振幅的变化，称为振幅衰减比或相对振幅衰减。表征经过整个薄膜系统后，P 波和 S 波的位相移动之差，P
4、和 S 表示 P 波和 S 波各自的位相移动值，P 和 S 表示 P 波 S 波的位相。用 G 表示反射系数比。此式称为椭圆偏振方程，它表示薄膜厚度 d 和折射率 n；与光偏振状态的变化（， ）之间的关系。薄膜厚度和折射率的测量归结为反射系数比的测量。椭偏法测量薄膜厚度和折射率的基本原理就是由实验测得 和 ，再由以上关系定出薄膜厚度 d 和折射率 n1。，两个参数定义式包含多个物理量，测量比较复杂。为了使问题简化，通常把实验条件作某些限制：(1)使入射光为等幅椭圆偏振光，P 波和 S 波振幅相等。这样， 只与反射光的振幅比有关，可从检偏器方位角算出。(2)使反射光为线偏振光，即反射光 P 波和
5、 S 波的位相差。这样只与入射光的 P 波， S 波的位相差有关，可从起偏器方位角算出。实验仪器和实验方法椭圆偏振光测厚仪简略的结构图及光路图如下图：图中，由于生波片与入射面成 450 倾斜，故入射光为等幅椭圆偏振光。测量原理和方法如下：激光器发射的单色自然光，经起偏器变成线偏振光，复经补偿器（1/4 波长片）将线偏振光椭圆偏振光，再射到待测样品表面。反射光通过反射光栏进入检偏器，调整起偏器 2，总会找到一个方位角 P 使入射的椭圆偏振光在反射方向变成线偏振光。旋转检偏器 7，使其消光。此时检偏器在方位角 A 的位置其透光方向与线偏振光偏振方向垂直。先由观察窗目测光强的变化，当光强最弱时，才转
6、为光电流观察，光电倍增管将光能转变为电能，通过微电流放大器由微安表表头指示最弱光电流（光强），这样就可以准确判断消光状态，测出消光状态下起偏器和检偏器对应的（P, A)数值，以确定入射椭圆偏振光和反射线偏振光的振幅比和位相差，进而得出被测样品的表面薄膜厚度和折射率。仪器在正常使用时，不要随意调整和校正，特别是 1/4 波长片，不允许折下或转动，以免造成测量误差。实验内容 :本实验测量样品为 Si 与 Si02。硅是吸收介质，所以具有复数折射率，对波长 6328 A 的 He-Ne 激光，n,=3. 9-0. 02i，实验时取入射角0700。测量过程中，激光器输出光功率应稳定，为此，激光管必须点
7、亮半小时后才能开始测量。对消光状态的判断，有目测和光电检测两种结构，为了保护光电管，应先用目测，从 观察窗观察反射光的光斑。光斑应是完整的园形亮斑，当样品台转动时，亮斑不应转动或出现残缺。旋转偏振器目测至光斑消失或最暗，再转换到光电检测。当光电流指示到最小值后，应把转换旋钮拨到观察窗的位置，再去读取起偏器 P 和检偏器 A 的读数（P，A）。光 电管的高 压取值 600-900 伏，一般放在 700 伏左右。对于样品上的同一点，有两组起偏器和检偏器的刻度值，使得反射光处于消光状态。对这两组（P, A)进行数据处理。得到和 ，通过列线图，数据表和计算机程序计算，最后获得厚度和折射率。1.由测量的
8、两组(P, A)计算和 ：根据仪器选用的座标系，必须把测量出的两组(P, A)通过适当的变换求平均值，然后算出和 ，步骤如下：(a）区分（P1- A1,）和（P2, A2）：先根据检偏器方位角范围区分 A1和 A2；对应于 A1 的起偏器方位角称 P1，对应 于 A2 称 P2,读数范围表示如下：A1：在 0-90o 之间 P1：在 0-180o 之间A2：在 90-180o 之间 P2：P2=P1 士 90（当 P20)(b ）根据下式将（P2 ，A2)换算成（P2，A2）（c）把（P1，A1）（P2，A2）求平均，即：通过以上变换，P，A 的读数范围是：（d）和 的计算公式：实验数据表格及
9、数据处理：1.对 SiO2 的测量数据与 计算机计算：参量 A1P1A2P2A2P2SiO211.69O67.50O168.58 O157.54 O11.42 O67.54 O11.56O67.52 O=134.96 O 和 =11.56O将以上参数输入计算机得：折射率 N12.34；SiO2 样品（周期）厚度：D1140.66 ，D2=1617.89 ，D3=3095.138 。 2.对 Si 的数据 测量与公式计算：参量 A1P1A2P2A2P2Si10.56 O67.50 O167.52O170.00O12.48O80.00 O11.52O73.75O=132.4O 和 =11.52 O将以上数据代入公式：得： n1 = N iNK =3.230.31i
