椭偏仪讲义汇总

1、用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率实验目的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14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度为d、折

2、射率为n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rip r2pexp（-2i、）跟 r2sexp（-2i、）（ 1）Rp,（ i 丿1 ripDp exp（-2i、）1 risr2sexp（-2i、）其中r 4応2dncos 2（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Rp： Rs来表征。在椭圆偏振法中，用椭偏参量？和厶；来描述反射系数比，其定义为

3、：tan? exp（i ：）二 Rp. R（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，宇和二只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出 V和厶，原则上应能解出d和n。然而，从上述各式中却无法解析 出d =（弓，和n =（?"）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(?, . J(d, n)的关系图表，待测出某一薄膜的？和厶后再从图表上查出相应的d和n的值。测量样品的？和厶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？于是Rp = Erp ： Eiptan ? exp(i = )二Erp

4、ErsEipEis(5)和厶的基本原理。设入射光束和反射光束电矢量的p分量和S分量分别为Eip, Eis, Erp, Ers，则为了使？和厶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EipEis ；(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0或二。满足上述两个条件时，有tan V 二ErpErs(7)上-(-rp ->s ) - ( - ip - ' is),(:rp - ：rs)二 0或图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， x轴和x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y和

5、y 轴则垂直于入射面。起偏器和检偏器的透光轴 t和匸与x轴或x轴的夹角分别为P和A。F面将会看到，只需让 14波片的快轴f与x轴的夹角为二；4，便可以在1. 4波片后面得到所需的满足条件 Ejp = Eis ；的特殊椭圆偏振入射光束。图2中的Eo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 x轴的夹角为二；4的1. 4波片时,将在波片的快轴f和慢轴s上分解为JI，Es1Ef1 二 Eo cos(P - )，Es1 二 sin(P -匚)(8)通过14波片后，Ef将比Es超前'2,于是在14波片后应该有卄环聞-存xp忖，"sij)(9)把这两个分量分别在 x轴及y轴

6、上投影并再合成为 Ex和Ey，便得到ExEyi 2 Eoexp i(P -),2IL 4乎 Eoexp i(3-P).2- 4(10)可见，Ex和Ey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Eip 二 ExEis 二 Ey乎 Eoexp i(P -),2IL 4Eoexp i-P)I 2丿 1 4(11)显然，入射光束已经成为满足条件Eip=Eis ；的特殊椭圆偏振光，其分量的位相差为（ErpErs=tan A(13)(:ip - is) = 2F - 亍由图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Er垂直时，即反射光在检偏器后消光时，应该有(16)这样，

7、由式（7）可得tan ? = tan A,(14)=C-p-'-rs)-(2P-),（爲 - >s）=0或二2IJ可以约定，A在坐标系x,y中只在第一及第四象限内取值。下面分别讨论-卞）=0或二的情况。(1)（-rp -丁 rs）二 i 此时的P记为R，合成的反射线偏振光的 Er在第二及第四象限里,A在第一象限并计为 A）。由式（14）可得到(:rp 一 ：rs) =° 此时的(15)P记为F2，合成的反射线偏振光的 Er在第一及第三象限里,A在第四象限并计为 A2。由式（14）可得到. Ji= -2F2从式（15）和（16）可得到（R, AJ和（F2, A?）的关系为

8、氏二 _A2_ （ 17 R = B因此，在图1的装置中只要使1. 4波片的快轴f与x轴的夹角为二,4，然后测出检偏器 后消光时起、检偏器方位角 （R,AJ或（F2,A2），便可按式（15）或（16）求出（普，也），从而完 成总反射系数比的测量。在借助已经算好的（7, （d,n）的关系图表，即可查出待测薄膜的厚度d和折射率n。四实验装置本实验所采用的TRY-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

9、由偏振片机构、1/4波片机构及读数机构等组成。1） 、偏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

10、精度为0.05 °的检偏角A。4、接收机构：接收机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘游标尺等组成。光电倍增管采用侧 窗式，型号为 CR114。5、主体机构：主体机构主要由大刻度盘、上回转托盘、下回转托盘及箱体等组成。1）下回转托盘通过立轴下挡圈固定在大刻度盘上的下悬的立轴上。其上固定光源机构和起偏机构，故下回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。2） 上回转托盘通过立轴上挡圈固定在大刻度盘上的下悬立轴上，其上固定检偏机构和接 收机构，故上回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。3） 大刻度盘通过三个支柱固定在箱体上，其上固定装卡机构以装、 卡被测样品。大刻度 盘上表面的外边缘， 刻

11、有两段30° -90 °的刻线，每刻度值为1°，起偏、检偏悬臂游标尺上， 均匀刻有20格刻线，故入射角读数精度为 0.05 °。4）箱体由箱体上面板、底板及底脚等组成。6、装卡机构：装卡机构主要由样品架、调整架、光阑机构等组成。1） 样品架可以夹持直径 0 10" 14,厚度w 13m的被测样品。2） 调整架可对被夹持的样品作上下俯仰；左右偏摆；前后移动的三维调节（均以正对着 被测样品表面方向观察）。3）光阑机构置于被测样品表面处，起限制其它杂散光的进入。光阑机构可前后移动以 方便被测样品的装卡。7、光学系统：仪器的光学系统包括光源、接收器、偏

12、振片、14波片。仪器使用及注意事项1）、激光光源点亮后会发出较强的激光，对人眼能造成一定的伤害，故在使用中，绝对 禁止直视光源。2）、仪器在使用过程中各部件会产生热量，为了能够更有效地使用本仪器。工作时应尽 选择在阴凉、通风好的地方，以免影响仪器的使用寿命。3） 、长时间不使用时，应将仪器置于防尘、隔热、相对湿度<70%环境。五实验内容和步骤1、准备过程：1） 首先开启主机电源， 点亮氦氖激光器（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。2）装卡被测样品。注意：旋紧吸盘拉杆时要视被测样品直径和质地而适当调节，切记不可

13、用力过大，使样 品损坏。3）选定入射角$ （如70 ° ）,调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反射后 的激光束刚好通过检偏器入光口。4） 将起偏器与检片器的刻度值调至0 '点。5） 顺时针旋转电控箱调节旋钮，将读数调到150伏左右（视仪器情况而定）即可。2、实验过程：1） 缓慢转动检偏器手轮，使电压表表头指针下降，当表头指针下降到 0附近时，适当调 高电压，再次转动检偏器手轮， 使表头指针下降，反复上述过程，找到表头指针偏转最小值。 记下此时检偏器刻度盘的数值即检偏角A。2） 适当调高电压使表头指针偏转到满量程的23，缓慢转动起偏器手轮，使电压表表头指针下降，当表头

14、指针下降到0附近时，适当调高电压，再次转动起偏器手轮，使表头指针下降，反复上述过程，找到表头指针偏转最小值。记下此时起偏器刻度盘的数值即起偏角P。3） 重复上述步骤 5次，将5次测量值（P，A）分别取平均后，代入公式计算。4） 为了计算薄膜的真实厚度：由理论分析可知，样品的一组（）只能求得一个膜 厚周期内的厚度值，要测量膜厚超过一个周期的真实厚度，常采用改变入射角或波长的方法得到多组（宙i，人i），真实膜厚d可由下式解得：mQ di = m2D2 d2 二=miDi di d=式中：0、m2、m3 .为正整数Dl D2、d3为膜厚周期dd2、d3分别为不同测量条件时，所对应一个周期内的厚度值。

15、此时，将测得的（P,Al ）和（B,A2 ）加上测量时对应的角度 $ ,分别代入公式，就能求 出真实的薄膜厚度。入射角屯测量次数12345平均*1 =PA*2 =P2A2月日椭圆偏振仪测量薄膜厚度及折射率数据表格直流溅射制备银膜实验数据表格月 日1 .制备银膜样品氩气压强（Pa）:溅射电流（mA ）:样品编号1*23*456*溅射时间（min）24681015条纹位置A i移动位置Bi2 .制备台阶样品测量薄膜厚（注意台阶位置！）n1 .a( A n - A )；n n y1 2nb=丄送Bj ；2n i壬溅射速率：v =dt =d = b ；其中2n为测量次数；=589.3nm。 a 23 .四探针法测量样品电阻率（表格见下