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陈宇:薄膜的非理想性质的椭偏光谱研究·1·
薄膜的非理想性质的椭偏光谱研究

(师范学院物理系陈宇)
(学号:2001124140)

摘要:椭圆偏振术作为一种薄膜分析手段,具有无损探测、非苛刻、高灵敏度、高精度、
方法灵活等特点,广泛应用于各种薄膜材料性质的分析和研究。本文研究了光束准直性、入射角
度分散测量因素,以及薄膜厚度非均匀这一薄膜的非理想性质对椭偏参数谱的影响,发现入射角
度的分散对测量的影响很小;而薄膜厚度非均匀性对椭偏参数影响较大,必须在模型中进行修正;
在模型中引入表面粗糙层或者膜厚非均匀因子,改善了拟合结果;为椭圆偏振术分析薄膜,得到
更符合真实薄膜的性质提供了方法和依据。
关键词:椭圆偏振术薄膜非理想性质
教师点评:薄膜分析与表征是材料制备分析的重要内容。该论文介绍了椭圆偏振测量术的一
般原理、特点与优点;阐述了薄膜的非理想性质及测量条件对椭偏测量存在影响,并对 Si 衬底
上的 SiO2 薄膜进行了不同入射角、不同厚度的实验测量和数值实验,研究了光阑对测量结果的
影响,发现角度分散对测量的影响很小;而薄膜厚度非均匀性对椭偏参数影响较大;通过在模型
中引入表面粗糙层或者膜厚非均匀因子,改善了拟合结果,为椭圆偏振术分析薄膜提供了方法和
依据。论文物理概念清晰,条理清楚,表达准确,结论合理,有较大的参考价值,是一篇优秀的
本科毕业论文。(点评教师:刘毅讲师)

第一章椭偏测量术基本原理
一、固体光学性质与光学常数
求解麦克斯韦方程,可以得到电磁波动方程:
ϖϖϖϖ
ϖ∂∂ϖ∂∂
2 E E 2 H H
∇ E −σµ −εµ = 0 , ∇ H −σµ −εµ = 0
∂t ∂t 2 ∂t ∂t 2
求得用变换形式的解:
n~ z n~ z
ϖϖ iω( t −) ϖϖ iω( t −)
= c = c
E x E 0 e , H yH 0 e
~
n = n − ik
~
其中 n 是复折射率,n 是折射率,k 是消光系数,n、k 被称为光学常数,用来标志物质的
基本光学特性,实际应用中,它们是波长的函数。描述固体的光学性质,除了可以使用折射率 n
和消光系数 k 外,还可以采用复介电常数ε~ 。
ε~ = ε−ε
1 i 2
ε= 2 − 2 ε=
1 n k , 2 2nk
二、椭偏参数的定义
椭偏术是通过测量反射光偏振态相对于入射光的改变来研究物质的光学性质。定义 P 偏振和
S 偏振的菲涅尔反射系数的比值为椭圆函数
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~
r r δ−δ∆
ρ= p = p i( p s ) = ψ⋅ i
~ e tg e
rs rs
r
ψ= p ∆= δ−δ
tg , p s
rs

图 1
ϕ
如图 1 所示,若一单色平行光以 0 入射到膜层上,由菲涅尔定理可得则复振幅反射系数:
r + r e−2iσ
~r = 1p 2 p = r ⋅ eiσp
p + −2iσ p
1 r1p r2 pe
−2iσ
r + r e σ
~