椭偏光法测薄膜的折射率和厚度

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1、实验五椭偏光法测薄膜的折射率和厚度一、引言椭圆偏振测量术简称椭偏术。它是利用光的偏振性质，将一椭圆偏振光射到被测样品表面，观测反射光偏振状态的变化来推知样品的光学常数。就其理论范畴来讲，它与十涉法一样，都是利用光的波动性，以经典物理学为基础。这种测量方法的原理早在上个世纪就提出来了，距今已有近百年的历史。由于光波通过偏振器件及样品反射时，光波偏振状态变化得异常灵敏，使得椭偏术的理论精度之高是干涉法不能比拟的，又由于这种测理是非破坏性的，因此它的优越性是显而易见的。长期以来，人们一直力图将这种测量方法付诸应用。早在40年代就有人提出实验

2、装置，但由于计算上的困难一直得不到发展。电子计算机及激光技术的广泛应用，为椭偏术的实际应用及迅猛发展创造了条件。今天椭偏术已成为测量技术的一个重要的分支。椭偏术有很多优点，主要是测量灵敏、精度高，测量范围从1到几个微米而且是非接触测量。国外生产的高精度自动椭偏仪能测量正在生长的薄膜小于l的厚度变化，可检测百分之儿的单分子层厚度，深入到原子数量级。因此既可将其应用于精密分析测量，也可以用于表面研究，用于自动监控及分析液、固分界面的变化。目前椭偏术已应用到电子工业，光学工业，金属材料工业，化学工业，表面科学和生物医学等领域。在我们的实验中

3、，使用消光椭偏仪测量薄膜的折射率和厚度。除了能学习到其测量方法外，其巧妙的设计思想也将给我们极人的启发和收益。二、椭偏术原理1．椭偏术基本方程椭圆偏振光入射到透明介质薄膜时，光在两个分界面(空气与薄膜，薄膜与衬底)来同反射和折射，如图5．1所示。总反射光由多光束干涉而成，光在两个分界面的P波和S波的反射系数分别为P界面IP界面IIP图5—1由菲涅尔公式有：　　　　　　　　　　以上各式中为空气折射率，为膜层的折射率，为衬底折射率。为入射角，，分别为光波在薄膜和衬底的折射角。它们满足折射定律：　　　　　　　　　　　总反射系数、分别为：　　

4、　　　　　　　　　（5-1）其中引入反射系数比，定义：　　　　　　　　　　　　　　（5-2）这就是椭偏术基本方程。其物理意义为样品对Ｐ波的总反射系数与对Ｓ波的总反射系数之比。　　设Ｐ波入射的电矢量为，反射的电矢量为；Ｓ波入射的电矢量为，反射的电矢量为。因为　　　　　　　　　　　　所以　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５－３）　　　　　　上式中A代表光波的振幅，代表光波的位相，脚标“反”和“入”分别表示反射光波和和入射光波。　　的物理意义是偏振光经过多次反射和折射以及经过多束光干涉，即经过整个系统反射后光波中P分量与S分量的振幅比，

5、称相对振幅衰减。△的物理意义是P波与S波经过整个系统反射后的位相移动之差。和△是椭偏术中两个基本物理量。也称反射系数比的参量。一般用角的度数来量度。的变化范围为一，△的变化范围为一。　　椭偏术基本方程的系数由菲涅尔公式，折射定律以及位相因子来决定。写成函数关系式：　　　　　　　　　　　　　(5-4)在上二式中，为仪器所用的氦——氖激光器在真空中的波长，为测量时选用的入射角，为空气的折射率，、分别为衬底的折射率和消光系数。在实验中测出、△就可以决定待测透明薄膜的折射率和厚度d(消光系数为零)。2．反射系数比的测量反射系数比的测量即为和△

6、的测量。我们把公式(5—3)重写如下：　　　　　如果入射光和反射光的振幅和位相可以测量，则和△可以测量。再从公式(5—4)就可以求出薄膜的和d．　　一种最简单的方法是：入射光在样品入射处其P波和S波的振幅相等，而连续可调，使经过样品反射后的反射光恰好是线偏振光，也就是，，而是或0。这样只需要测量出在样品入射处入射光的P波和S波的位相差，经样品反射后反射光的P波和S波的振幅比。从而和△能方便地通过这两个量的测量来获得，这就是消光法椭偏仪的设计思想。　　图中x和x’射面内且分别垂直于入射光和反射光的进行方向，y和y’轴都垂直于入射面。光电

7、倍增管x’　　单色光由氦氖激光器提供，波长为6328，经起偏器过滤后成为线偏光。1／4波片与x轴成450夹角，为样品提供椭圆偏振光，而且它的P分量和S分量的振幅相等。起偏器的起偏轴与x辅的夹角P可以调节。调节它可以使经样品反射后的反射光成为线偏振光反射线偏振光可由检偏器测出，当检偏轴与Ｅ反振动方向垂直时便构成消光状态，从而使光电倍增管的光电流量小。xptxt’y’yyf样品图5-2　消光法椭偏仪光路图　　我们从光学课程的学习中知道，当光线经过晶体后，将分解成O光和e光。只有入射光线是线偏振光，双折射的O光和e光才能相干成椭园偏振光。当

8、晶体的厚度使O光和e光的位相差为时，此晶体称为1／4波片。当1／4波片放置的位置与x轴夹角为450，即其快轴与x轴夹角为450时，入射的线偏振光经1／4波片后成为椭圆偏振光，并且在样品入射处，在x轴的分量(即P波)，y轴