橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率

1、橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率近代科學(xué)技術(shù)中對(duì)各種薄膜的研究和應(yīng)用日益廣泛。因此，能夠更加迅速和精確地測(cè) 量薄膜的光學(xué)參數(shù)例如厚度和折射率已變得非常迫切。在實(shí)際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法來(lái)測(cè)定薄膜的光學(xué)參數(shù)，如布儒斯特角法測(cè)介 質(zhì)膜的折射率，干涉法測(cè)膜。列外，還有稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等等。其中， 橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅劫|(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)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時(shí)出現(xiàn)的偏振變換。因?yàn)闄E偏法具有測(cè) 量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于各種薄膜的光學(xué)參數(shù)測(cè)量，如半導(dǎo)體、 光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃（或鍍膜）

2、、激光反射鏡、大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄 膜等，也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長(zhǎng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)疑。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾E圓偏振測(cè)量的基本原理，并掌握一些偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)原理光是一種電磁波，是橫波。電場(chǎng)強(qiáng)度£、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和光的傳播方向構(gòu)成一個(gè)右旋的 正交三矢族。光矢量存在著各種方位值。與光的強(qiáng)度、頻率、位相等參量一樣，偏振態(tài)也是 光的基本量之一。在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射任一般情況下會(huì)同時(shí)存 在的。通常，設(shè)介質(zhì)層為血、小、仍，©為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界而和2、3介質(zhì)交 界而會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光朿干涉。這里我們用25表示相

3、鄰兩分波的相位差，其中= 2壯加2COS0/2,用門八 九表示光線的分量.$分量在界而1、2間的反射系數(shù)，用門卩.宀表示光線的分疑、s分量在界而2、3間的反射系數(shù)。由多光朿涉的復(fù)振幅計(jì)算可知:（10）（1）T2©其中爲(wèi)和比 分別代表入射光波電矢量的"分量和£分量，£甲和耳分別代表反射光波電 矢量的“分量和$分量?，F(xiàn)將上述E” Ez Erp. &四個(gè)量寫成一個(gè)量G,即:G = tg宀宀“； "*：我們立義G為反射系數(shù)比，它應(yīng)為一個(gè)復(fù)數(shù)，可用坦0和表示它的模和幅角。上述 公式的過程量轉(zhuǎn)換可由菲涅耳公式和折射公式給出:(7)rip = （;?

4、2 cos % nA cos輕）/ （z?2 cos % + n cos（p2） r2fl = Os cos（p2 一 從 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是變量小、辦3、d、八01的函數(shù)(02、03可用®表示)，稱肖和為橢偏參數(shù),上述復(fù)數(shù)方程

5、(3)可表示兩個(gè)等式方程:-il<p的實(shí)如如氓心r + /呂""。二訪的實(shí)數(shù)部分/+ 廠tgelS的虛數(shù)部分=丄 土1 +心勺£-i2JGW ：的虛數(shù)部分1 + W"若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出歲和的話，原則上可以解出打2和d("l、仍、2、01已知),根據(jù)公式(4)-(9)推導(dǎo)岀©和與門°、門$、m、r2.v和6的關(guān)系:聊_ 成誓+2心勺cos 2d 1乎：弓+2/,心23嚴(yán)'1 +?？? 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）由上式經(jīng)汁算機(jī)運(yùn)算，可制作數(shù)表或計(jì)算程序。這就是橢偏儀測(cè)雖薄膜的基本原理。若 d是已知，“2為復(fù)數(shù)的話，也可求出“2的實(shí)部和虛部。那么，在實(shí)驗(yàn)中是如何測(cè)泄肖和 的呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：爲(wèi)=Eip嚴(yán)耳=|瓦|廬屛=Eq）的£ =|殆嚴(yán)（12）由式（3）和（12）,得:Erp /禺-兀川(13)其中E /E.(14)rp nrE IE tp IX這時(shí)需要測(cè)量四個(gè)量，即入射光中的兩分量振幅比和相位差及反射光中的兩分量振幅比和相(15)位差，如設(shè)法使入射光為等幅橢圓偏振光，勵(lì)/民=1

7、，則館殲1%/不上 對(duì)于相位角，有: =(0少 _0“)-(幾 _0丹)亠 + 0“ _仇=Prp-Pn調(diào)節(jié)起偏器的角度，可使入射光兩個(gè)分雖:的相位差駕變化，當(dāng)起偏器調(diào)到某一角度 P時(shí)，經(jīng)樣品反射的橢圓偏振光就成為了線偏振光，即亦心"或2,則旳）或 A=-（Ap-Av）可見只與入射光的"波和$波的相位差有關(guān)，可由起偏角P算岀（起偏角 與位相差的關(guān)系詳見實(shí)驗(yàn)裝置2）。這時(shí)，旋轉(zhuǎn)檢偏器到某一角度A,使檢偏器的透光方向 與線偏振光的振動(dòng)方向垂宜（殲兀/2-A）,達(dá)到消光狀態(tài)，探測(cè)器接收的光強(qiáng)最小。以上方 法被稱為消光測(cè)量法，A和P就是我們要測(cè)的一對(duì)消光角。實(shí)驗(yàn)裝置天津拓普TPY-

8、1型橢圓偏振測(cè)厚儀1、主要性能指標(biāo)測(cè)量范囤:薄膜厚度范羽：14000訕折射率范I韋I： 110測(cè)量膜厚重復(fù)性精度:±1沏折射率重復(fù)性精度：±0.01入射角連續(xù)調(diào)節(jié)范用20-90%精度0.05"起偏角和檢偏角精度0.05。入射光波長(zhǎng)：632&”(氮就激光器)2、等幅橢圓偏振光的獲得自然光經(jīng)過偏振片，能疑損失一半，成為線偏振光。其后放置一塊四分之一波片，使光 的振動(dòng)平而和；J4波片的主截而成45%即；J4波片置于英快軸方向與a-方向的夾角為力4的 方位(波片位置出廠時(shí)已調(diào)疔好)，£o為通過起偏器后的電矢量，P為與人方向間的夾角。 通過四分之一波片后，

9、沿快軸的分量與沿慢軸的分量比較，相位上超前加2。快軸 =EX7,2cos(P-)4慢軸 E, =E() sin(P-)4此時(shí)沿X方向和y方向的分量為：Ex = E, cos-E sin蘭=匹E°d機(jī)嚴(yán)-杠f 4542Ey = Ef sin7 + Ex 心冷=¥E（）e"e民為等幅橢圓偏振光，相位差為2P52、可連續(xù)調(diào)節(jié)。3、裝卡機(jī)構(gòu)裝卡機(jī)構(gòu)主要由燕尾導(dǎo)軌、調(diào)整架、光闌片及底座等組成。燕尾導(dǎo)軌可以固定直徑在10140小厚度15/n的被測(cè)樣品。裝樣時(shí)先將旋鈕旋至松 開狀態(tài)，將樣品吸貼在吸盤上，然后反方向旋轉(zhuǎn)旋鈕，宜至樣品被吸緊“調(diào)整架可使固立在燕尾導(dǎo)軌上的被測(cè)樣品做俯

10、仰、左右偏擺。調(diào)整架及燕尾導(dǎo)軌固左在一維底座上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺，可拖動(dòng)被測(cè)樣品做前后移動(dòng), 以適合不同厚度的被測(cè)樣品。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、準(zhǔn)備過程首先開啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氮氛激光器（預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜）。然后將電控箱調(diào)節(jié) 旋鈕逆時(shí)針旋到頭，聯(lián)接好主機(jī)與電控箱間的各種數(shù)據(jù)線，開啟電控箱電源。雙擊桌面上“TPY_1型橢圓偏振測(cè)厚儀"的快捷方式，運(yùn)行程序。裝卡被測(cè)樣品。將起偏器與檢偏器的刻度值分別旋至零點(diǎn)。調(diào)節(jié)起偏機(jī)構(gòu)懸臂和檢偏機(jī)構(gòu)懸臂至選泄角度（如70。），通過調(diào)卩底座和調(diào)整架，使 經(jīng)樣品表而反射后的激光朿剛好通過檢偏器入光口。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電控箱調(diào)節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調(diào)到150伏左右（實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)調(diào)

11、高電控箱的電壓）。2、實(shí)驗(yàn)過程逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器手輪，同時(shí)觀察電壓表表頭。當(dāng)指針指示下降到一個(gè)相對(duì)最小值 時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，記下此時(shí)檢偏刻度盤的數(shù)值（讀數(shù)方法類似于游標(biāo)卡尺）。此角度即為 第一個(gè)檢偏消光角，簡(jiǎn)稱檢偏角加。順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器手輪，同時(shí)觀察電壓表表頭。當(dāng)指針再次下降到一個(gè)相對(duì)最小值 時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，記下此時(shí)起偏刻度盤的數(shù)值。此角度即為第一個(gè)起偏消光角，簡(jiǎn)稱起偏 角P”重復(fù)上述步驟多次后，將多組測(cè)量值（化A）分別求平均，代入公式得出相應(yīng)的肖、A 值,根據(jù)（£,）（也,d）的關(guān)系求“2和d。改變?nèi)肷浣嵌龋ㄅc前組相差1°）,重復(fù)上述步驟，得到另一組"&

12、#39;2和運(yùn)用軟件對(duì)兩 組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，汁算薄膜的真實(shí)厚度。3、軟件使用雙擊桌面上“TPY_1型橢圓偏振測(cè)厚儀"的快捷方式，運(yùn)行程序。型楠圓偏振測(cè)原儀入津市拓泮儀器有限公司TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀http：/VA*W. 1 jtp CODE_mai 1:tpftt jtp. conTel882S9917Fax標(biāo)左鍵單擊工具欄中的“文件退出"，可直接退出本程序。要開始實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊快捷欄中的"實(shí)驗(yàn)二選擇“薄膜的折射率和厚度的訃算"，點(diǎn)擊“確;1T,進(jìn)入操作界而:點(diǎn)擊對(duì)話框右下角的“進(jìn)入",本

13、軟件是橢圓偏振測(cè)厚汁算軟件，使用時(shí)點(diǎn)擊左上角“實(shí)驗(yàn)"，彈出如下對(duì)話框:在對(duì)話框里填入實(shí)驗(yàn)前已確左的一些基本參數(shù)，填好后點(diǎn)擊“確立二匸回區(qū)IW«l| WS：防如3 T?«< p專刃,示遅議左擾說的*睦雖匡旳駆E C翩塩滸琵民言；到入射為連絨且J可43的妬處走E鼠磋込0副呂紀(jì)井MJ9隹土炭大的毎R控権浚® 焙如圖所示，點(diǎn)擊輸入"，將彈岀如下對(duì)話框，將測(cè)量的數(shù)據(jù)填入空白處后，點(diǎn)擊"確宦二將出現(xiàn)如下界而，點(diǎn)擊“計(jì)算二勺跨彌處干利?屋的計(jì)口匸回區(qū)ISi 別6suf flt-rr ff£»na 邀回p 細(xì) :KKX 83

14、28 Im|l IHD «S-n 624T| 馮號(hào) |1入TO I * STiS I A toTsI fe A | 戸7 再刃莎於總示翻烷戔亍的0便年復(fù)的忍測(cè)<tc> »¥，死蕓小伕射尹連絨Eg彥的題璉疚眾術(shù)霸人朱砂目霍井 且I匿!6涇大的闖組總杷沒&熬合計(jì)算結(jié)果如下:顯示的折射率、厚度即為實(shí)驗(yàn)所求結(jié)果。如果想保留數(shù)據(jù)點(diǎn)擊"確泄"，否則點(diǎn)"取消二 確定后，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)填入如下界面的表格中。樣品的一組(p. )只能求得一個(gè)膜厚周期內(nèi)的厚度值d,而薄膜的真實(shí)厚度T= "Q+d, 其中加為非負(fù)整數(shù)，D為膜厚的周

15、期。若測(cè)量的膜厚超過一個(gè)周期，常采用改變?nèi)肷浣腔?波長(zhǎng)的方法得到多組(必心)，由下式解得真實(shí)膜厚門T = miDj+di = 7«22+<)2 = /MfPj+dr改變?nèi)肷浣?，重?fù)以上步驟，可以得到另外一組數(shù)據(jù)。為了求解薄膜厚度的貞實(shí)值，點(diǎn) 選兩組入射角相差1。的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“折射率擬合二根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判左，選擇相應(yīng)的擬合方法，擬合''后點(diǎn)擊''確宦即可得到真實(shí)的 薄膜厚度與折射率。中的HP(3回図注意事項(xiàng)丈悴CD務(wù)溢Q)1&實(shí)站<%工具打并 目保有 打Q 価©WS?如陰3奇存4如冒5創(chuàng)課032.8 |ni|i1n3 |38