椭偏测薄膜厚度.ppt

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1、用椭圆偏振仪测量薄膜厚度——叶昕【实验目的】（1）了解薄膜的厚度测量的基本原理。（2）利用椭圆偏振光消光法，测定透明薄膜的厚度。【实验原理】有一束自然光通过起偏器后，变成了线偏振光，再经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测的薄膜表面上时，反射光的偏振状态发生了变化。我们测量这种变化，就可以计算出待测薄膜的厚度。（1）椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量图8.1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

2、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。图8.1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（8.1）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．若用Eip和Eis分别代表入射光的p和s分量，用Erp及Ers分别代表各束反射光K0，K1，K2，…中电矢量的p分量之和及s分量之和，则膜对两个分量的总反射系数Rp和Rs定义为（8.2）经计算可得（8.

3、3）式中，r1p或r1s和r2p或r2s分别为p或s分量在界面1和界面2上一次反射的反射系数。为任意相邻两束反射光之间的位相差。根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，可以证明（8.4）式（8.4）即著名的菲涅尔（Fresnel）反射系数公式。由相邻两反射光束间的光程差，不难算出（8.5）式中，为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率．在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量和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上式简称为椭偏方程，其中的和称为椭偏参数（由于具有角度量纲也称椭偏角）．由式（8.

4、1）、（8.4）、（8.5）和上式可以看出，参数和是n1,n2,n3,和d的函数．其中n1,n2,和可以是已知量，如果能从实验中测出和的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d．这就是椭圆偏振法测量的基本原理．实际上，究竟和的具体物理意义是什么，如何测出它们，以及测出后又如何得到n2和d，均须作进一步的讨论。和的物理意义用复数形式表示入射光和反射光的p和s分量（8.6）式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各值为相应界面处的位相．由式（8.6）、（8.6）可以得到式（8.7）（8.7）比较等式两端即可得（8.8）（8.9）式（

5、8.8）表明，参量与反射前后p和s分量的振幅比有关．而（8.9）式表明，参量与反射前后p和s分量的位相差有关．可见，和直接反映了光在反射前后偏振态的变化．一般规定，和的变化范围分别为和。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（除开且的情况）．为了能直接测得和，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）．这时，式（8.8）则简化为（8.10）（2）要求反射光为一线偏振光．也就

6、是要求（或），式（8.9）则简化为（8.11）满足后一条件并不困难．因为对某一特定的膜，总反射系数比是一定值．式（8.6）决定了也是某一定值．根据（8.9）式可知，只要改变入射光二分量的位相差，直到其大小为一适当值（具体方法见后面的叙述），就可以使（或），从而使反射光变成一线偏振光．利用一检偏器可以检验此条件是否已满足．以上两条件都得到满足时，式（8.10）表明，恰好是反射光的p和s分量的幅值比，是反射光线偏振方向与s方向间的夹角，如图8.2所示．式（8.11）则表明，恰好是在膜面上的入射光中s和s分量间的位相差．（3）和的

7、测量实现椭圆偏振法测量的仪器称为椭圆偏振仪（简称椭偏仪）．它的光路原理如图8.3所示．氦氖激光管发出的波长为632.8nm的自然光，先后通过起偏器Q，波片C入射在待测薄膜F上，反射光通过检偏器R射入光电接收器T．如前所述，p和s分别代表平行和垂直于入射面的二个方向．快轴方向f，对于负是指平行于光轴的方向，对于正晶体是指垂直于光轴的方向．t代表Q的偏振方向，f代表C的快轴方向，tr代表R的偏振方向．慢轴方向l，对于负晶体是指垂直于光轴方向，对于正晶体是指平等于光轴方向．无论起偏器的方位如何，经过它获得的线偏振光再经过波片后一般

8、成为椭圆偏振光．为了在膜面上获得p和s二分量等幅的椭圆偏振光，只须转动波片，使其快轴方向f与s方向的夹角即可．为了进一步使反射光变成为一线偏振光E，可转动起偏器，使它的偏振方向t与s方向间的夹角p1为某些特定值．这时，如果转动检偏器R使它的偏振方向tr与Er垂直，则仪器处于消光状态，光电接