9-用椭园偏振仪测量透明薄膜.doc

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1、实验九用椭圆偏振仪测量透明薄膜厚度和折射率椭圆偏振光测量方法是一种光学薄膜参数测量常用的专门方法。这种方法早在1930年就已经产生，因为当时计算技术的限制，所以发展较慢。随着计算机的出现及计算技术的发展，现已得到了广泛的应用。它可以测量介质膜、有机膜、半导体膜的折射率、消光系数、厚度等。而且这种方法测量精度高，对样品表面无损伤。对超薄膜（可达10Å以下）同样具有很高的灵敏度。如果椭圆偏振仪的起偏器和检偏器回转角有0.01度的精度时，则膜厚0.07Å的变化也可能被检测出来。所以在薄膜物理及固体物理研究中，它都是一种有效的方法。【实验目的】1．了解偏振法测量薄膜参数的基本原理。

2、2．了解激光椭圆偏振仪的结构，学会正确的调节和使用。3．用椭圆偏振仪测量透明薄膜的厚度和折射率。【实验原理】pssp若有一偏振光在样品表面反射，如图（1），我们可以将其分解成为在二个互相垂直方向上的分量波：振动面平行入射面的线偏振光称P波，振动面垂直入射面的线偏振光称S波。图1在界面1和界面2菲涅尔反射系数分别为：(1)(2)(3)(4)-46-其中n。为空气折射率（n。=1.0），n为膜折射率，ns为衬底折射率（可以是复数折射率）θ。为入射角。θ。、θ1、θ2有如下关系：(5)而相邻两反射光之间的光程差为：(6)上式中d为薄膜的厚度，因此相邻两反射光的位相差为：(7)根据

3、（5）式可得：(8)上式中λ是光在真空中的波长，d为膜层厚度。由此可知，在入射角θ。确定的条件下，位相差仅依赖于膜的厚度d。从图（1）可以知道，总反射系数实际上是多光束干涉结果。根据斯托克斯倒逆关系有：（分别是光从界面2射向1时的反射系数和透射系数）总反射系数为：（9）(10)为使理论分析和实验测定方便，我们在椭偏法中定义；(11)即：(12)(13)上式中tgθ是相对振幅衰减，Δ是P波和S波间的位相差经系统反射后发生的变化。由（1）式知，ρ是入射媒质折射率、膜层折射率和厚度、基片折射率、入射角、波长的函数。即：上式中除n.d是未知外，其余都是已知的。所以只要确定θ、Δ后，

4、就可以解出n.d。而θ、Δ正是可以用椭偏仪测量的量，由测量的参数θ、Δ来定出薄膜的厚度d和折射率n。当我们选定入射角θ。、光波波长（如氦氖激光波长入=6328Å），薄膜衬底折射率ns这三个参量，则就可以由θ和Δ这二个方程解出d和n。实际上由tgθ和Δ求解n和d-46-的过程是十分复杂的，甚至得不到清晰的表达式。所以要通过计算机来求解。而现在已经有人做了这工作，用计算机求解列表，实验中只要测定θ和Δ后在表上查一下即可得出对应的n和d。椭圆偏振仪测量椭偏状态变化参数θ和Δ从原理上有二种类型，一类是消光型，即以寻求输出最小光强位置为主要步骤的椭偏仪。另一类是光度型、以测定、分析输

5、出光强度变化为目的的椭偏仪。而我们所用的是属于消光型椭偏仪。其光路如图（2）1234561.起偏器P2.1/4波片Q3.检偏器A4.白屏5.被测膜层S6.基片（材料kg）图2内腔式氦氖激光器发出波长为6328Å的激光束，该光束经起偏器后变成线偏振光，偏振光的偏振方向由起偏器方位角决定，转动起偏器可以改变光束的偏振方向。该线偏振光经过波片后，由于晶体双折射现象o光和e光产生相差，二者的偏振方向互相垂直（对正晶体波片、o光沿快轴方向偏振，e光沿慢轴方向偏振，对负晶体波片，则相反），所以o光e光合成为椭圆偏振光，椭园偏振光的椭圆长短轴沿着波片的快慢轴，而椭圆形状（椭圆率）由射入波

6、片的线偏振光的偏振方向决定。当椭圆偏振光以一定的入射角（本实验以70°角入射）射到样品表面后，经过样品表面和多层解质（一般为衬底——解质膜——空气）的来回反射和折射。总的反射光束一般仍为椭圆偏振光。但随着薄膜厚度d和折射率的不同，反射光的偏振状态也不同。通过转动起偏器，找到某个起偏器的方位角，使反射光变为线偏振光，而转动检偏器的方位角使之与样品上反射光的偏振方向垂直时，即实现消光。这样就可以由消光时起偏器，补偿器（波片）和检偏器的方位角来确定椭圆偏振参数θ和Δ。为了使实验中计算简化，如果使rp/rS=1,即θ=45°，即只要将波片主方向恒为45°，此时，椭圆偏振光分解在P和

7、S方向上的两分量振幅比恒等于1。当样品反射后，其对应的分量必然分别与rp和rs成正比。而tgθ=rp/rs,故反射偏振光与S分量的夹角就等于θ。当检偏器A的透光方位与它正交时，仪器达到消光。如图（3）-46-SAPAPS图3由上图知，二种消光情况下，检偏器方位角A与θ的关系对应有：θ=A1θ=180°-A2同样，将波片置于-45°，同样得二组消光位置：θ=A3θ=180°-A4由图（3）知，波片快轴固定在θ=45°的方向上时，tgθ=1。而起偏器方位角与入射到样品表面的椭偏光中P波和S波的位相差有以下关系：Δ=27