实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率(一

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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0.1nm到几个μm，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日王灿辉学号：03071024Class：Physic

2、s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，Φ0为入射角，Φ1和Φ2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

3、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波的振幅反射系数（rP,rS）。对空气一薄膜界面(I)：根据折射定律，Φ1和Φ0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2δ，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：（作文网zw.N

4、SEaC.编辑发布）根据多光束干涉理论，我们可以求得总振幅反射系数：定义Ψ，△两个参数：Ψ和△具有角度的量纲，称为椭偏角。tgΨ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和△S表示P波和S波各自的位相移动值，θP和θS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（Ψ，△）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

5、理就是由实验测得Ψ和△，再由以上关系定出薄膜厚度d和折射率n1。Ψ，△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，Ψ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。

6、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nbsp;168.58O157.54O11.42O67.54O11.56O67.52O△=134.96O和Ψ=11.56O将以上参数输入计算机得：折射率N1＝2.34；SiO2样品（周期）厚度：D1＝1

7、40.66Å，D2=1617.89Å，D3=3095.138Å。2.对Si的数据测量与公式计算：参量A1P1A2P2A2’P2’Si10.56O67.50O167.52O170.00O12.48O80.00O11.52O73.75O△=132.4O和Ψ=11.52O将以上数据代入公式：得：n1=N–iNK=3.23－0.31i