椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

1、椭偏法测薄膜厚度和折射率摘要本实验通过椭圆偏振光法测量了氟化镁(MgF2)、氧化锆(ZrO2)及二氧化钛(TiO2)等介质 薄膜的厚度和折射率，以及Cu和Al金属薄膜的厚度和消光系数。关键词椭圆偏振光法介质薄膜金属薄膜椭偏参数复折射率消光系数、引言椭圆偏振测量(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面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。椭圆偏振测 量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃或镀膜)、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量。结合计

2、算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据 获取等优点。、实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存 在的。通常，设介质层为n1、n2、n3，cp 1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质 交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图(1-1)这里我们用26表示相邻两分波的相位差，其中6 =2n dn2cos 2/入，用rip、rls表示光 线的p分量、s分量在界面1、2间的反射系数，用r2p、r2s表示光线的p分、s分量在界 面2、3间的反射系数。由多光束干涉的复振幅计算可知：其中Eip和Eis分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，E

3、rp和Ers分别代表反射光波 电矢量的p分量和s分量。现将上述Eip、Eis、Erp、Ers四个量写成一个量G，即：E EG = t甲昭E. /E. 甲 M我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用tgw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： TOC o 1-5 h z rlp = (?3 2 COS 贵珂COS ) /( 2 COS 贵1 + 珂1 C0S 呼a )(4)r2p =(依 3 COS - COS 呼3 ) /(依 3 cos 呼W + 依 9 cos 呼3)(5)rls = cos 甲、_ 株隹 cos tp2) cos 呼+ 2 cos t

4、p2) (6) r2s = (2 COS 2 -依 3 COS 诉 3) ,(勺 COS 甲 X + COS 呼 3) (7) 28 - Ajidn 2 cos / 2(8)如 COS 2 COS i2 =珂 3 COS 呼 3(9)G是变量nl、n2、n3、d、入、中1的函数2、中3可用中1表示)，即 =tg-1f， =argl f I，称W和为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程： tgw e iA 的实数部分=匕+客厂成匕+怎/如1 +、家厂 1 + 京成的实数部分tgw e iA 的虚数部分=%+S厂瑚匕+怎厂珈1 +1 + E广演的虚数部分若能从实验测出W和A的话，原则上可以解出n

5、2和d (n1、n3、入迎1已知)，根据公式(4)(9)， 推导出W和与r1p、r1s、r2p、r2s、和6的关系：(10)(11)疽却+疽如+ 2孔齐cos23 1 +七r气+2上上in(10)(11)tg = 555皿1+ r ipr 2P + 2、 cos2 J r k + r 室 + 2rbr2j cos2(5A fi - %j(1- i#)血 2(5在_-厂* Q - r % J sin2(5% (1 + r&p) + r2P (1 + 疽瑚)cos2(5rb(l + r 气)+ r2j (1 +r2k) cos2(5由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。这就是椭偏仪测量薄膜的基

6、本原理。若d 是已知，n2为复数的话，也可求出n2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定p和乙的 呢？现用复数形式表示入射光和反射光：房=|*峰4 = K K = 1%严 M = E 严 (由式(3)和(12)，得：E / EG2g必土 0” m(13)乌/良其中：E /E倒二糖,(14)Ejp / Eh这时需测四个量，即分别测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 相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，Eip/Eis = 1，则tgp =IErp/Ersl；对于相位角，有：A =(尸伊-凡)-(为-久)n A + 园-凡=月伊-凡 (15)因为入射光8 ip-8 is连续可调

7、，调整仪器，使反射光成为线偏光，即3 rp书rs=0或(n )，则 =-(8 ip-8 is)或乙=n -(8 ip-8 is)，可见只与反射光的p波和s波的相位差有关，可从起 偏器的方位角算出。对于特定的膜，是定值，只要改变入射光两分量的相位差(8 ip-8 is)， 肯定会找到特定值使反射光成线偏光，8 rp-8 rs=0或(n )。三、测量方法1)等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2)平面偏振光通过四分之一波片，使得具有土n /4相位差。使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成45。图1-22）反射光的检测将四分之一波片置于其快轴方向f与x方向的夹角a为n /4的方位，E0为通过起

8、偏器后的 电矢量，P为E0与x方向间的夹角。，通过四分之一波片后，E0沿快轴的分量与沿慢轴的 分量比较，相位上超前n /2。J4在x轴、y轴上的分量为：玲=Ef cos/4- 池在/4 =季占Ey =占了 sin足/4 + E, cos /4 = 里2由于x轴在入射面内，而y轴与入射面垂直，故Ex就是Eip，Ey就是Eis。J孕2I 2由此可见，当a =n /4时，入射光的两分量的振幅均为E0 / J2,它们之间的相位差为2P-n /2,改变P的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。这一结果写成：% % =1四、实验内容和操作步骤测量氟化镁(MgF2)、二氧化硅(SiO2)、硫化锌(ZnS

9、)、氧化锆(ZrO2)及二氧化钛(TiO2)薄膜样品的折射率和厚度测量Cu和Al金属厚膜的折射率和消光系数五、实验结果及数据处理表1实验数据处理材料P1/A1/P2/A2/W /nd/mm氟化镁(MgF)1401450167.513.25-101.381806.8071421552166.514.25-1414413.55416812.75-1814614.55616713.75-22148155816714-26平均值13.6-18二氧化钛(叫)7011.75160176.57.625-502.42889.897611.5166174.98.3-627212.25162174.58.875-

10、547413.51641749.75-5878121681749-66平均值8.71-58氧化锆(ZrOJ50111401767.5-102.1961570.5714811.5138175.58-646111361758-24412134174.58.7524212.51321749.256平均值8.3-2nkAl584814813646-260.83623-0.020175648.5146136.546-225449144133.547.75-18525214213449-14505114013249.5-10平均值47.65-18Cu544914413149-180.8031-0.04621564914613049.5-22584814812949.5-26605015013348.5-30625015213448-34平均值48.9-26实验误差分析：薄膜表面不干净会给实验带来系统误差，另外光路调节和读数也会给实验带来一定的测量误 差。六、结论及总结通过本实验了解了椭圆偏振光法的原理和实验方法，并且熟悉了椭偏仪的结构和调 试方法。测量了几种介质薄膜的厚度和折射率分别为氟化镁(MgF2)的n=1.38， d=1806.807mm