椭偏仪测量薄膜厚度和折射率讲义

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1、实验:椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率随着现代科技的快速发展，薄膜材料的研究和应用受到越来越多的关注。如何快速准确的测量薄膜材料的厚度和折射率等光学参数成为急需解决的问题之一。椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，这种方法测量灵敏度高(可探测小于0.1nm的厚度变化)、精度较好(比干涉法高一到两个数量级)、对待测样品无损伤并且能同时测量薄膜的厚度和折射率。因而，目前椭圆偏振法已经在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。实验目的：1.了解椭圆偏振测量的基本原理，掌握利用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率的基

2、本方法。2.学会组装椭圆偏振仪，熟悉椭圆偏振仪使用。实验原理：椭圆偏振法测量的基本思路是，经由起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后获得等幅椭圆偏振光，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。1介质n1界面1薄膜n22界面2衬底n33图1光在薄膜和衬底系统上的反射和折射图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n1的空气(或

3、真空)．中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3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φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有：n1sinφ1=n2sinφ2＝n3sinφ3(1)光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的s分量。用r1p、r1s表示光线的p分量、s分量在界面1的反射系数，用r2p、r2s表示光线的p分

4、量、s分量在界面2的反射系数。用Eip、Eis表示入射光波电矢量的p分量和s分量，用Erp、Ers分别表示各束反射光电矢量的p分量和s分量的和。由多光束干涉的复振幅计算可知：rrei2i21p2pr1sr2seEE(2)EE(3)rpi2iprsi2is1rre1rre1p2p1s2s其中2表示相邻两分波的相位差,其中=2dncos/。22在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量ψ和Δ来描述反射光偏振态的变化．它们与总反射系数的关系定义为：E/Errei2i2

5、rprsi1p2pr1sr2seGtge=²(4)i2i2Eip/Eis1r1pr2pe1r1sr2se定义G为反射系数比，(4)式一般被称为椭偏方程，其中ψ和Δ被称为椭偏参数也叫椭偏角。根据(1)式和菲涅尔公式，可得方程组：r1p(n2cos1n1cos2)/(n2cos1n1cos2)r(ncosncos)/(ncosncos)2p32233223r1s(n1cos1n2cos2)/(n1cos1n2cos2)r2s(n2cos2n

6、3cos3)/(n2cos2n3cos3)(5)24dncos/22nsinnsinnsin112233i即tge=f(n2,φ1,n3,d,λ)若能从实验测出和,原则上可以由(4)和(5)式解出n2和d(n1、n3、、1已知)如果我们用复数形式表示入射光和反射光的p分量和s分量，即：EEeiip，EEeiis，EEeirp，EEeirs(6)ipipisisrprprsrs其中各绝对值为相应电矢量的振幅，β值为界面处的位相。则由(4)和(5)式可

7、以得到：E/EG=tgei=rprsei{(rprs)(ipis)}(7)E/Eipis比较两端即可得到：E/Etgrprs,ei=ei{(rprs)(ipis)}(8)E/Eipis由(7)式看以看出，参量ψ与反射前后p和s分量的振幅比有关，参量Δ与反射前后p和s分量的位相差有关，可见，ψ和Δ直接反映了光在反射前后偏振态的变化。这就是椭圆偏振法测量薄膜厚度的基本原理。实验方案：当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光。为了能直接测得ψ

8、和Δ，须将实验条件作某些限制以使问题简化．也就是要求入射光和反射光满足以下两个条件：1.要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即P和S二分量的振幅相等）,E/E1，则tgE/E。ipisrprs2.要求反射光为线偏振光，=0或（），则()或rprsipis()。ipis实现椭圆偏振法测量的仪