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1、第25卷第4期云南师范大学学报Vol.25No.42005年7月JournalofYunnanNormalUniversityJul.2005椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率*马逊,刘祖明,陈庭金,廖华(云南师范大学太阳能研究所,云南省农村能源工程重点试验室,云南昆明650092)摘要:文章通过对椭偏仪测量原理的分析给出了四区平均消光状态下的计算公式,利用该公式计算在一个周期内的薄膜厚度和折射率结果较好;同时给出了膜厚大于一个周期时的计算方法。关键词:椭圆偏振测量;薄膜厚度;折射率中图分类号:TK51文献标识码:A文章编号:1007-9793(2005)04-0024-
2、04在太阳电池的制作工艺中,常需在发射区表定。转动检偏器的方位,当检偏器的方位角A与面制作钝化膜和减反膜。且太阳电池制作中其薄反射光线的偏振方向垂直时,光束不能通过,出现膜的厚度需严格控制。因而薄膜厚度的测量在太消光状态。阳电池工艺中也显得尤为重要。由于采用椭圆偏振法测量高吸收衬底上的介电薄膜厚度,其测量精度比干涉法高一个数量级以上,是目前已有的厚度测量方法中最精确的方法之一。本文重点分析椭圆偏振仪的测量原理,并给出了通过四区平均后新的计算薄膜厚度和折射率的公式。同时给出了超过一个周期的薄膜计算公式。图1椭偏仪测试系统基本光路原理图1测试原理Fig.1Elliptic
3、alpolarizationmeasurementschematic因此,在椭圆偏振法中采用Δ和Φ来描述反椭圆偏振法的装置包括He-Ne激光器(λ=[1]射光偏振状态的变化。6328j)、起偏器、λ/4波片以及在反射光路上的检Δ=ΔI-ΔK=相移之差(1)偏器和光电倍增管。如图1所示。He-Ne激光Ф=tg-1
4、RI
5、(2)器发出的单色光,经起偏器后变成线偏光,线偏光
6、RK
7、再经1/4波片后产生90º的位相差,变成椭圆偏振(1)式中的Δ、Δ是反射时各自引起的相移。(2)IK光。对一定厚度的某种膜,s分量和p分量之间式中的R、R分别为K和I分量各自的反射系RP出现相移之
8、差,当入射光为椭圆偏振光时,通过薄数。因为反射光的K和I分量因相移不同出现位相膜以后反射光为线偏振光。由此可见,由起偏器差ΔISΔK,为了重新让它变成线偏振光,必须用附的方位角P可确定偏振光的p分量和s分量的相加光学元件引入一个相移补偿这个位相差。用实移之差Δ。经样品反射后由于s波与p波不存在验测定附加光学元件引入的相移量便可以确定Δ位相差,可合成特定方向的线偏振光。它的偏振=ΔI-ΔK。方向由s分量和p分量的反射系数R和R确当线偏振光入射到带有薄膜的样品上,在空SP*收稿日期:2004-12-07基金项目:国家“863”资助项目(2001AA513040).作者简介
9、:马逊(1980-),女(回族),云南省昆明市人,硕士研究生,主要从事太阳能利用方面研究.第4期马逊,等:椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率·25·气与薄膜的交界面处,I分量和K分量的反射系数系可表示为:为:RPiΔ(11)=tanφ·:ncosθ1-n0cosθ2RRr1I=(3)ncosθ1+n0cosθ2在波长、入射角、衬底等参数一定的条件下,φ和Δn0cosθ1-ncosθ2是膜厚B和折射率n的函数,即:r1K=(4)n0cosθ1+ncosθ2Ф=Ф(B,n),Δ=Δ(B,n)在薄膜与衬底的交界面处I分量和K分量的因此反射光与入射光的偏振状态不同,这种变化反射系
10、数为:与膜厚和折射率有关。r2nKcosθ2-ncosθ3(5)由于I波和K波的位相差是由1/4波片产生I=nKcosθ2+ncosθ3的,当1/4波片与光轴成+45T时,通过1/4波片后ncosθ2-nKcosθ3r2K=(6)P波与R波的位相差Δ'=-90T+2P。当椭圆偏振ncosθ2+nKcosθ3光通过薄膜反射后变成了线偏振光,因此Δ+Δ'式中n、n和n分别为空气、薄膜和衬底的折射0R率;θ、θ、θ分别为空气到薄膜的入射角,光线在=mπ(m为0、1、2、3)可得到:123薄膜中的折射角,薄膜入射到衬底的折射角。它们Δ=mπ+90T-2P(12)当1/4波片与
11、光轴成-45T时,通过1/4波片之间的存在:后P波与R波的位相差Δ'=90T-2P,相应可得n0sinθ1=nsinθ2=nKsinθ3(7)到:当光束入射到薄膜,将在薄膜内产生多次反射,并且从薄膜的两表面有一系列的相互平行的Δ=mπ-90T+2P(13)在测量中为了更好的消除误差我们采用四区光束射出,如图2所示,计算这些光束的干涉便可平均消光法,即当1/4波片与光轴成角α为+45T以了解薄膜的一些性质。通过有一定厚度的薄膜时,测量两组A值与P值(A、P)、(A、P);当时,相邻两相干光的位相差11221/4波片与光轴成角α为-45T时,再测量两组A
