橢偏法測(cè)量薄膜的厚度和折射率-閆

橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院

閆愛(ài)民近代物理實(shí)驗(yàn)一、背景介紹二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)原理五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、思考題與討論題內(nèi)容提要一、背景介紹1、薄膜的分類：透明介質(zhì)膜和金屬膜。2、薄膜的光學(xué)與幾何特征參數(shù)為n，d。n為薄膜復(fù)折射率,n＝N-ik透明介質(zhì)膜，無(wú)吸收(k=0)，其折射率為實(shí)數(shù)。d為薄膜的厚度。3、常見測(cè)定薄膜光學(xué)參數(shù)的方法：布儒斯特角法，干涉法、稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等。4、橢偏法測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：精度高，靈敏度高，無(wú)破壞性等。在光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾E偏光法測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)方法。熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。測(cè)量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和折射率。橢圓偏振法是利用被測(cè)樣品表面對(duì)橢偏光的反射特性來(lái)測(cè)量樣品的光學(xué)常數(shù)。是一種先進(jìn)的測(cè)量薄膜納米級(jí)厚度的方法。思考題與討論題寫出橢偏方程及各參數(shù)的物理意義？1/4波片的作用是什么？入射光為什么為等幅偏振光，實(shí)驗(yàn)中如何獲得？反射光為什么為線偏振光，實(shí)驗(yàn)中如何獲得？復(fù)習(xí)思考題：1）簡(jiǎn)述橢偏法的測(cè)量原理，各主要光學(xué)部件的作用是什么？2）簡(jiǎn)述橢偏儀測(cè)量薄膜厚度的實(shí)驗(yàn)步驟。三、實(shí)驗(yàn)儀器

SGC-1型橢圓偏振測(cè)厚儀，如圖

所示。

四、實(shí)驗(yàn)原理使一束自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)1/4波片，使它變成等幅橢圓偏振光，入射到待測(cè)的膜面上。反射時(shí)光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。對(duì)于一定的樣品，總可以找到起偏方位角P，使反射光由橢圓偏振光變成線偏振光。于是轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，在其相應(yīng)的方位角A下得到消光狀態(tài)。自然光起偏器φ1檢偏器光電倍增管1/4波片線偏振光氦氖激光器?消光現(xiàn)以普通玻璃表面鍍以透明單層介質(zhì)膜為例作一說(shuō)明。ssφ1

k0k1k2k3φ2φ3dn1n2n3

界面1界面2橢偏光

光在單層介質(zhì)膜表面的反射與折射。。PP如圖所示，當(dāng)一束光入射到單層介質(zhì)膜面上時(shí)，在界面1和2上形成多次反射和折射，且各反射光和折射光分別產(chǎn)生多光束干涉。其干涉結(jié)果反映了薄膜的光學(xué)特性。根據(jù)電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程和邊界條件及菲涅爾反射系數(shù)公式，課本P128：

（1）式中，分別為光在薄膜上、下表面的入射角。

式中，r1p、r2p為界面1、2處反射光p分量的振幅反射系數(shù)，r1s、r2s為界面1、2處s分量的振幅反射系數(shù)，2δ系指薄膜表面的相繼兩束反射光因光程差而引起的位相差，它滿足：在橢偏測(cè)量中測(cè)量的是Rp與Rs之比，即G：用tgψ和Δ分別表示G的模和幅角，則：橢偏方程ψ和Δ稱為橢偏參數(shù)

式中，ψ和Δ稱為橢偏參數(shù)并具有角度量值，是n1、n2、n3、、λ及d的函數(shù)；由于n1、n3、和λ、為已知量，只要利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出ψ和Δ，并利用計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算，即可得到薄膜折射率n2和厚度d。ψ和Δ的如何測(cè)量？把Rp與Rs復(fù)振幅寫成模和幅角形式：反射前后p,s兩分量的振幅衰減比兩分量的相移差為使測(cè)量更加簡(jiǎn)便，在橢偏測(cè)量中要求入射光和反射光滿足兩個(gè)條件：（1）入射光為p,s分量的振幅相等的橢偏光，此時(shí)：ψ僅與反射光p,s分量的振幅比有關(guān)（2）反射光為線偏振光，此時(shí)：實(shí)驗(yàn)上如何實(shí)現(xiàn)？自然光起偏器φ1檢偏器光電倍增管1/4波片線偏振光氦氖激光器?消光等幅橢偏光的獲得快軸慢軸S方向P方向E0入射光E0代表經(jīng)方位角為p的起偏器出射的線偏振光的振幅將E0在波片的快軸f

和慢軸l上分解為:通過(guò)1/4波片后，Ef將比Es超前π/2把這兩個(gè)分量分別在s軸及p軸上投影并再合成為Es和Ep，便得到自然光起偏器φ1檢偏器光電倍增管1/4波片線偏振光氦氖激光器?消光反射光為線偏振光的檢測(cè)－消光法檢偏器的透光軸t’與合成的反射線偏振光束的電矢量

Er垂直時(shí),反射光在檢偏器后消光：五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟首先開啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氦氖激光器（預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜）。2.放入待測(cè)樣品，選定入射角φ（70°），調(diào)節(jié)起偏機(jī)構(gòu)懸臂和檢偏機(jī)構(gòu)懸臂，使經(jīng)樣品表面反射后的激光束剛好通過(guò)檢偏器入光口顯示窗。3.調(diào)整起偏器和檢偏器的角度，直至出現(xiàn)兩次消光，測(cè)出檢偏器后消光時(shí)起、檢偏器方位角(P1