用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射.doc

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1、用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度一实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三实验原理：椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的波片后成为特殊的椭圆偏振光，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。设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚

2、度为、折射率为的透明各向同性的膜层。光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p分量及垂直于入射面的s分量。入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。利用多光束干涉的理论，得p分量和s分量的总反射系数（1）其中（2）是相邻两反射光束之间的相位差，而为光在真空中的波长。光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比来表征。在椭圆偏振法中，用椭偏参量和；来描述反射系数比，其定义为：（3）在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，和只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出和，原则上应能解出和。然而，从上述各式中却无法解析出

3、和的具体形式。因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下的关系图表，待测出某一薄膜的和后再从图表上查出相应的和的值。测量样品的和的方法主要有光度法和消光法。我们主要介绍用椭偏消光法确定和的基本原理。设入射光束和反射光束电矢量的p分量和s分量分别为，则有（4）于是（5）为了使和成为比较容易测量的物理量，应该设法满足下面的两个条件：（1）使入射光束满足（6）（2）使反射光束成为线偏振光，也就是令反射光两分量的位相差为或。满足上述两个条件时，有（7）其中分别使入射光束和反射光束的p分量和s分量的位相。探测器检偏器样品1/4波

4、片起偏器单色光束图1实验装置示意图图1是本实验装置的示意图。在图中的坐标系中，轴和轴均在入射面内且分别与入射光束或反射光束的传播方向垂直，而和轴则垂直于入射面。起偏器和检偏器的透光轴和与轴或轴的夹角分别为P和A。下面将会看到，只需让波片的快轴与轴的夹角为，便可以在波片后面得到所需的满足条件的特殊椭圆偏振入射光束。图3检偏器透光轴的取向图21/4波片快轴的取向图2中的代表经方位角为P的起偏器出射的线偏振光。当它投射到快轴与轴的夹角为的波片时，将在波片的快轴和慢轴上分解为，（8）通过波片后，将比超前，于是在波片后应该有，（9）把这两个分量分别在轴及轴上投影并再合成为和，便得到

5、（10）可见，和也就是即将投射到待测样品表面的入射光束的p分量和s分量，即（11）显然，入射光束已经成为满足条件的特殊椭圆偏振光，其分量的位相差为（12）由图3可以看出，当检偏器的透光轴与合成的反射线偏振光束的电矢量垂直时，即反射光在检偏器后消光时，应该有（13）这样，由式（7）可得（14）可以约定，在坐标系中只在第一及第四象限内取值。下面分别讨论的情况。（1）.此时的记为，合成的反射线偏振光的在第二及第四象限里，于是在第一象限并计为。由式（14）可得到（15）（2）.此时的记为，合成的反射线偏振光的在第一及第三象限里，于是在第四象限并计为。由式（14）可得到（16）从式

6、（15）和（16）可得到和的关系为（17）因此，在图1的装置中只要使波片的快轴与轴的夹角为，然后测出检偏器后消光时起、检偏器方位角或，便可按式（15）或(16)求出，从而完成总反射系数比的测量。在借助已经算好的的关系图表，即可查出待测薄膜的厚度和折射率。四实验装置本实验所采用的TPY-1型椭圆偏振测厚仪集光、机、电于一体。主要由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构和装卡机构共六部分组成。1、光源机构：光源机构主要由150mm，功率0.8mw，波长为632.8nm的氦氖激光器等组成。2、起偏机构：起偏机构主要由偏振片机构、1/4波片机构及读数机构等组成。1）、偏

7、振片置于偏振套筒中，通过回转机构可以实现0°-180°范围内的转动，从而使入射到其上的自然光（非偏振激光）变成线偏振光出射。2）、1/4波片的调节是通过旋转波片镜筒组中的回转手轮实现，使射入其上的线偏振光变成椭圆偏振光（波片位置出厂时已调节好，用户无须调节）。3）读数机构由大圆刻度盘及游标盘组成。大圆刻度盘外圆周被均分为360份，游标盘最小刻度为0.05度，通过起偏机构可测得精度为0.05的起偏角P。3、检偏机构：检偏机构主要由偏振片、回转机构和读数机构等组成，其结构形式作用等同于起偏机构，通过检偏机构可测出精度为0.05°的