实验十一 椭偏法测薄膜厚度和折射率

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1、云南大学物理实验教学中心实验报告云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验十一椭偏法测薄膜厚度和折射率学生姓名：马晓娇学号：20131050137物理科学技术学院物理系2013级天文菁英班专业成绩指导老师：何俊试验时间：2015年10月13日13时00分至14时30分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□)学生科研□课外开放□测试□其它□7云南大学物理实验教学中心实验报告一、导论当一个方向的尺寸相对其他两个方向的尺寸小很多时，这种物质结构称为薄膜。对于薄膜，厚度是其重要的基本参数，薄膜材料的力学性能、磁性能、热导率和表面结构等都与

2、厚度有着密切的联系。薄膜的厚度是指基地表面和薄膜表面的距离。薄膜厚度的测量方法很多，常见的测量方法有：螺旋测微法、台阶法、扫描电子显微法、椭圆偏振法、称量法、干涉法等。椭圆偏振法测量具有如下特点：1、能测量很薄的膜（10A）；2、测量精度很高，比干涉法高1~2个数量级；3、无损检测，不需特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法，如称量法简便4、可同时测量膜的厚度、折射率及吸收系数。二、实验目的1、学会一种比较准确、简便测量透明介质膜厚度和折射率的方法；2、了解椭圆偏正法测量薄膜参数的基本原理；3、进一步掌握光的偏正、反射、干涉等经典物理光学原理。三、实验原理（一）椭圆偏振光光是一种

3、电磁波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度V垂直,因此光波的振动面与传播方向垂直,光波是横波,光波具有偏振性。椭圆偏振光可以通过让线偏振光透射双折射晶体做成的波片获得。（二）椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。设有硅片表面上覆盖均匀透明的同性薄膜系统。如图1所示，n0，

4、n1和n2分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，分别为入射角、薄膜和衬底的折射角，d是薄膜的厚度。入射光在两个界面来回反射和折射，总反射光由多束光合成。把光的电矢量和磁矢量各分为两个分量，把光波在入射面的分量称为p分量或P波，垂直面射入的叫S分量或S波。7云南大学物理实验教学中心实验报告定义（1）表征反射波对入射波的相对振幅变化。（2）表征经反射系统后的P波和S波得相位变化。（表示光波中P波和S波的相位）由光学知识可得反射系数比为（3）表征入射光P波和S波的振幅。表征反射光P波和S波的振幅。此式称为椭圆偏振方程，它表示薄膜厚度d和直射率n与光偏振状态的变之间的关系。薄膜的厚度和折射率的

5、测量鬼节为反射系数比的测量。椭圆偏振光法测量膜厚度和折射率的基本原理就是有实验测得,再有以上关系定出膜厚d和折射率n。（三）和的物理意义由（1）式可知，参量与反射前后的P波和S波分量的振幅比有关，同理，有（2）式可知，参量与反射前后的P波和S波分量的相位差有关。则和的变化范围为7云南大学物理实验教学中心实验报告当入射光为椭圆偏振光时，反射光一般为偏振态，为了能直接测得和，可对问题进行简化。首先，使入射的椭圆偏振光的主轴为45°倾斜，入射在膜面上的光则为等幅椭圆偏振光。这样则（1）式变为，可见只与反射光的振幅有关，可从偏振器的方位角算出。其次，使反射光为一线偏振光，即，则可见只与入射光

6、的P波、S波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出。（四）折射率和膜厚的计算在、、、确定之后，用计算机编制和的关系表，在测得样品的值后，从图中查出对应的膜厚d。再求厚度时，当和为实数是，为实数，两相邻反射光线间的相位差，其周期为2π。可能随着d的变化而处于不同的周期中。若令时对应的膜厚度为第一个周期厚度，可得到由计算机算出的d值是第一周期内的数值。若膜厚大于。可用其他方法确定所在的周期数j，总膜厚度为四．实验仪器反射式椭圆偏振仪7云南大学物理实验教学中心实验报告五．实验内容1、测量在玻璃衬底上蒸镀的一层膜的厚度和折射率2.2、测量硅（Si）衬底表面的SiO2薄膜厚度和折射率n2.3、测

7、量出和后用计算机求出结果。六、思考题1、厚度和折射率的测量原理 如图（11.1）所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为的空气(或真空)．中间是一层厚度为折射率为的介质薄膜，下层是折射率为的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉．其干涉结果反映了膜的光学特性．设表示光的入射角，和分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有（1