椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

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1、椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率引言:椭圆偏振测赧(椭偏术)是研究两媒质界而或薄膜屮发生的现象及其特性的一种光学方法,其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时岀现的偏振变换。椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆品、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、冇机薄膜等，也口J用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有对手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。实验目的：1•了解椭偏光法测量原理和实验方法。2.熟悉椭偏仪辭的结构和调

2、试方法。3.测量介质薄膜样品的厚度和折射率。实验原理：在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同吋存在的。通常，设介质层为nl、n2、n3,<1)1为入射角，那么在1、2介质交界面和2^3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(M)图(1・1)这里我们用26表示相邻两分波的相位差，其屮5=2ndnlcos4)2/X,用Np、rls表示光线的p分量、s分量在界而1、2间的反射系数，用r2p、r2s表示光线的p分、s分量在界面2、3间的反射系数。由多光束干涉的复振幅计算可知：E

3、』「1+22严®⑴罠=.i+y"e「1+q占…⑵其屮Eip和Eis分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分罐和s分量。现将上述Eip、Eis、Erp、Ers四个量写成一个量G,B

4、J：E/EE.IE.ip25我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用（gW和A表示它的模和幅角。上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：rlp=（刑2COS仔］一刑］COS仔2）/（刑2COS仔1+COS俗2）（4）r2p=（«3COS诃2一总2COS诃3）/（旳3cos诃2+总2

5、cos诃3）（了）ris=（总1COS诃1一总2COS诃2）/（总1COS诃1+总2COS诃2）（6）厂2$=（刑2COS仔2_刑3C0S仔3）'（刑2C0S俗2+刑3C0S俗3）（?）28=2cos诃2/兄（8）cos仔］=n2cos仔2=cos（9）—Y2卩G是变量nl、n2、n3、d、X、"1的函数（"2、4>3可用©1表示）fl,称W和△为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程：Ltgu/eiA］ft

6、+皆曲］1+5严1+i號曲的虚数部分若能从实验测出眇和△的话，原则上可以解出n2和d（nl、n3、入、r2p>r2s>和§的关系：绘申=［+己』+2gcos251+几入+2卩2,小2必严口。）14-r2iPr22P+2r』2pcos25r2u+r22t+2rbr23cos2<5-切（1-T%）sin25S（1+爲）+W厂£）C0S26—^Q—八ijsin2/i（1+厂纭）+厂2$（1+厂2b）cos2J由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。这

7、就是椭偏仪测量薄膜的基木原理。若d是已知，n2为复数的话，也可求出n2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定甲和△的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：瓦=

8、血

9、严瓦=

10、耳

11、必為=

12、岛严必=風严(12)由式(3)和(12),得：EIEG=/g弊仏=亠丄/金％)心宀)}(13)£谚/己药其中：E/£咖二,严=』(看SGVQ(14)EJE)s这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和和位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，Eip/Eis=1,则tgW=IErp/Ersl；对于相位角，

13、有：A=(0乡-久)-(0妙-仇)=人+0妙-层=0乡-久(⑸因为入射光3ip-Pis连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即3ip-Prs=()或(ji),则A=-(Bip-pis)或△=JT・(Bip・Bis),可见△只与反射光的p波和s波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出。对于特定的膜，A是定值，只要改变入射光两分量的相位差(Pip-Pis),肯定会找到特定值使反射光成线偏光，3rp-Prs=O或(n)。实际检测方法等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1・2)平面偏振光通过四分Z—波片，使得具冇±n/4相

14、位差。使入射光的振动平面和四分Z—•波片的主截面成45°。图1-2反射光的检测将四分Z—波片置丁淇快轴方向f少x方向的夹角Q为n/4的方位，E0为通过起偏器后的电矢:S,P为E0与x方向间的夹角。，通过四分Z—波片后，E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前兀/2。在X轴、y轴上的分量为:Ek=£/cos^/4-£5sin^/4=^/TEy=sintt/4+E5co