椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率近代科学技术中对各种薄膜的研究和应用日益广泛。因此，能够更加迅速和精确地测 量薄膜的光学参数例如厚度和折射率已变得非常迫切。在实际工作中可以利用各种传统的方法来测定薄膜的光学参数，如布儒斯特角法测介 质膜的折射率，干涉法测膜。列外，还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法等等。其中， 椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中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而或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。因为椭偏法具有测 量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，已广泛用于各种薄膜的光学参数测量，如半导体、 光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃（或镀膜）

2、、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄 膜等，也可用于介电、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疑。实验目的了解椭圆偏振测量的基本原理，并掌握一些偏振光学实验技术。实验原理光是一种电磁波，是横波。电场强度£、磁场强度H和光的传播方向构成一个右旋的 正交三矢族。光矢量存在着各种方位值。与光的强度、频率、位相等参量一样，偏振态也是 光的基本量之一。在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射任一般情况下会同时存 在的。通常，设介质层为血、小、仍，©为入射角，那么在1、2介质交界而和2、3介质交 界而会产生反射光和折射光的多光朿干涉。这里我们用25表示相

3、邻两分波的相位差，其中= 2壮加2COS0/2,用门八 九表示光线的分量.$分量在界而1、2间的反射系数，用门卩.宀表示光线的分疑、s分量在界而2、3间的反射系数。由多光朿涉的复振幅计算可知:（10）（1）T2©其中爲和比 分別代表入射光波电矢量的"分量和£分量，£甲和耳分别代表反射光波电 矢量的“分量和$分量。现将上述E” Ez Erp. &四个量写成一个量G,即:G = tg宀宀“； "*：我们立义G为反射系数比，它应为一个复数，可用坦0和表示它的模和幅角。上述 公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出:(7)rip = （;?

4、2 cos % nA cos輕）/ （z?2 cos % + n cos（p2） r2fl = Os cos（p2 一 从 cos %） / （/i3 cos（p2 + n2 cos %）=（77, cos （p、一n2 cos（p2）/ （n cos % + n2 cos 輕） r2s = （n2 cos（p2 一 n3 cos %） / （n2 cos（p2 + 佝 cos %） 2J = 4兀dn? cos （pj 入n cos （p、= n2 cos（p2 = n3 cos ®G是变量小、办3、d、八01的函数(02、03可用®表示)，称肖和为椭偏参数,上述复数方程

5、(3)可表示两个等式方程:-il<p的实如如氓心r + /呂""。二訪的实数部分/+ 厂tgelS的虚数部分=丄 土1 +心勺£-i2JGW ：的虚数部分1 + W"若能从实验测出岁和的话，原则上可以解出打2和d("l、仍、2、01已知),根据公式(4)-(9)推导岀©和与门°、门$、m、r2.v和6的关系:聊_ 成誓+2心勺cos 2d 1乎：弓+2/,心23严'1 +兀总+ 2仃勺cos 25卅+好+ 2斤心cos 2J-勺(1-斤；)血23=肝” "八Q 7（1-斥）血2_心（1 +心）+ 勺（

6、1 +成）cos 2d '£（1 + V）+ B（l + X）cos2a（H）由上式经汁算机运算，可制作数表或计算程序。这就是椭偏仪测虽薄膜的基本原理。若 d是已知，“2为复数的话，也可求出“2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测泄肖和 的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：爲=Eip严耳=|瓦|庐屛=Eq）的£ =|殆严（12）由式（3）和（12）,得:Erp /禺-兀川(13)其中E /E.(14)rp nrE IE tp IX这时需要测量四个量，即入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相(15)位差，如设法使入射光为等幅椭圆偏振光，励/民=1

7、，则館歼1%/不上 对于相位角，有: =(0少 _0“)-(几 _0丹)亠 + 0“ _仇=Prp-Pn调节起偏器的角度，可使入射光两个分虽:的相位差駕变化，当起偏器调到某一角度 P时，经样品反射的椭圆偏振光就成为了线偏振光，即亦心"或2,则旳）或 A=-（Ap-Av）可见只与入射光的"波和$波的相位差有关，可由起偏角P算岀（起偏角 与位相差的关系详见实验装置2）。这时，旋转检偏器到某一角度A,使检偏器的透光方向 与线偏振光的振动方向垂宜（歼兀/2-A）,达到消光状态，探测器接收的光强最小。以上方 法被称为消光测量法，A和P就是我们要测的一对消光角。实验装置天津拓普TPY-

8、1型椭圆偏振测厚仪1、主要性能指标测量范囤:薄膜厚度范羽：14000讪折射率范I韦I： 110测量膜厚重复性精度:±1沏折射率重复性精度：±0.01入射角连续调节范用20-90%精度0.05"起偏角和检偏角精度0.05。入射光波长：632&”(氮就激光器)2、等幅椭圆偏振光的获得自然光经过偏振片，能疑损失一半，成为线偏振光。其后放置一块四分之一波片，使光 的振动平而和；J4波片的主截而成45%即；J4波片置于英快轴方向与a-方向的夹角为力4的 方位(波片位置出厂时已调疔好)，£o为通过起偏器后的电矢量，P为与人方向间的夹角。 通过四分之一波片后，

9、沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前加2。快轴 =EX7,2cos(P-)4慢轴 E, =E() sin(P-)4此时沿X方向和y方向的分量为：Ex = E, cos-E sin兰=匹E°d机严-杠f 4542Ey = Ef sin7 + Ex 心冷=¥E（）e"e民为等幅椭圆偏振光，相位差为2P52、可连续调节。3、装卡机构装卡机构主要由燕尾导轨、调整架、光阑片及底座等组成。燕尾导轨可以固定直径在10140小厚度15/n的被测样品。装样时先将旋钮旋至松 开状态，将样品吸贴在吸盘上，然后反方向旋转旋钮，宜至样品被吸紧“调整架可使固立在燕尾导轨上的被测样品做俯

10、仰、左右偏摆。调整架及燕尾导轨固左在一维底座上，通过转动千分尺，可拖动被测样品做前后移动, 以适合不同厚度的被测样品。实验内容1、准备过程首先开启主机电源，点亮氮氛激光器（预热30分钟后再测量为宜）。然后将电控箱调节 旋钮逆时针旋到头，联接好主机与电控箱间的各种数据线，开启电控箱电源。双击桌面上“TPY_1型椭圆偏振测厚仪"的快捷方式，运行程序。装卡被测样品。将起偏器与检偏器的刻度值分别旋至零点。调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂至选泄角度（如70。），通过调卩底座和调整架，使 经样品表而反射后的激光朿刚好通过检偏器入光口。顺时针旋转电控箱调节旋钮，将读数调到150伏左右（实验中可适当调

11、高电控箱的电压）。2、实验过程逆时针缓慢转动检偏器手轮，同时观察电压表表头。当指针指示下降到一个相对最小值 时，停止转动手轮，记下此时检偏刻度盘的数值（读数方法类似于游标卡尺）。此角度即为 第一个检偏消光角，简称检偏角加。顺时针缓慢转动起偏器手轮，同时观察电压表表头。当指针再次下降到一个相对最小值 时，停止转动手轮，记下此时起偏刻度盘的数值。此角度即为第一个起偏消光角，简称起偏 角P”重复上述步骤多次后，将多组测量值（化A）分别求平均，代入公式得出相应的肖、A 值,根据（£,）（也,d）的关系求“2和d。改变入射角度（与前组相差1°）,重复上述步骤，得到另一组"&

12、#39;2和运用软件对两 组数据进行拟合，汁算薄膜的真实厚度。3、软件使用双击桌面上“TPY_1型椭圆偏振测厚仪"的快捷方式，运行程序。型楠圆偏振测原仪入津市拓泮仪器有限公司TPY-1型椭圆偏振测厚仪http：/VA*W. 1 jtp CODE_mai 1:tpftt jtp. conTel882S9917Fax标左键单击工具栏中的“文件退出"，可直接退出本程序。要开始实验，点击快捷栏中的"实验二选择“薄膜的折射率和厚度的讣算"，点击“确;1T,进入操作界而:点击对话框右下角的“进入",本

13、软件是椭圆偏振测厚汁算软件，使用时点击左上角“实验"，弹出如下对话框:在对话框里填入实验前已确左的一些基本参数，填好后点击“确立二匸回区IW«l| WS：防如3 T?«< p专刃,示遅议左擾说的*睦虽匡旳駆E C翩塩滸琵民言；到入射为连绒且J可43的妬处走E鼠磋込0副吕紀井MJ9隹土炭大的毎R控権浚® 焙如图所示，点击输入"，将弹岀如下对话框，将测量的数据填入空白处后，点击"确宦二将出现如下界而，点击“计算二勺跨彌处干利?屋的计口匸回区ISi 別6suf flt-rr ff£»na 邀回p 细 :KKX 83

14、28 Im|l IHD «S-n 624T| 冯号 |1入TO I * STiS I A toTsI fe A | 戸7 再刃莎於总示翻烷戋亍的0便年復的忍测<tc> »¥，死芸小伕射尹连绒Eg彥的题琏疚眾術霸人朱砂目霍井 且I匿!6泾大的闯组总杷没&熬合计算结果如下:显示的折射率、厚度即为实验所求结果。如果想保留数据点击"确泄"，否则点"取消二 确定后，计算结果自动填入如下界面的表格中。样品的一组(p. )只能求得一个膜厚周期内的厚度值d,而薄膜的真实厚度T= "Q+d, 其中加为非负整数，D为膜厚的周

15、期。若测量的膜厚超过一个周期，常采用改变入射角或 波长的方法得到多组(必心)，由下式解得真实膜厚门T = miDj+di = 7«22+<)2 = /MfPj+dr改变入射角，重复以上步骤，可以得到另外一组数据。为了求解薄膜厚度的貞实值，点 选两组入射角相差1。的实验数据，点击“折射率拟合二根据对实验结果的判左，选择相应的拟合方法，拟合''后点击''确宦即可得到真实的 薄膜厚度与折射率。中的HP(3回図注意事项丈悴CD务溢Q)1&实站<%工具打并 目保有 打Q 価©WS?如阴3奇存4如冒5创課032.8 |ni|i1n3 |38