椭偏实验报告.docx

先进材料表征技术》课程
学生实验报告
实验名称：椭圆偏振光谱表征及光学薄膜分析
名:
实验时间：2012 年 11 月 19 日
哈尔滨工业大学深圳研究生院
、实验目的
了解椭圆偏振法的基本原理；
学会用椭圆偏振法测量
椭圆偏振光谱法测试时，，反射的椭圆偏 振光S平面和P平面分量的振幅(屮)和相差(A)随入射角和入射光波长而变化。


可以用一个模型（Model）来描述测量的样品，这个模型包含了每个材料的多个平面，包括 基底。在测量的光谱范围内，用厚度和光学常数（n和k）来描述每一个层，对未知的参数先做 一个初始假定。最简单的模型是一个均匀的大块固体，表面没有粗糙或氧化。这种情况下，折射 率的复函数直接表示为：
¥ =叫tan % 1 — 切血』札
但实际应用中，大多数的材料都是粗糙的或有氧化的表面，因此上述的函数式通常不能应 用；尤其对多层薄膜材料，情况更为复杂。对于薄膜材料不存在直接的转换方程，需要用回归分 析。

利用模型来生成（）由模型确定的参数的时的Psi与Delta数据，并与测量得到的 数据进行比较（），不断修正模型中的参数使得生成的数据与测量得到的数据尽量一 致。即使在一个大的基底上只有一层薄膜，理论上对这个模型的代数方程描述也是非常复杂的。 因此通常不能对光学常数，厚度等给出类似上面方程一样数学描述，这样的问题，通常被称作是 反演问题最通常的解决椭偏仪反演问题的方法就是在衰减分析中的 Levenberg-Marquardt算法。 利用比较方程，将实验所得到的数据和模型生成的数据比较。通常，定义均方误差为：
在有些情况下，最小的MSE可能产生非物理或非唯一的结果。但是加入符合物理定律的限 制或判断后，还是可以得到很好的结果。衰减分析已经在椭偏仪分析中收到成功的应用，结果是 可信的、符合物理定律的、精确可靠的。

MSE值应小于20。较小的MSE值对应着初设定回归后的薄膜厚度和折射率，就是最终获得 的薄膜厚度和折射率。

单层厚度的测量是椭偏仪最通常的应用，波长范围及仪器带宽决定了最大测量厚度，红外椭 偏仪可测量的最大厚度为50pm，使用的波长越长导致越宽的干涉振荡。薄膜厚度的测量使用多 光束干涉原理，。穿过膜的光与膜层上反射的光束相作用。不同部分的光具有不同 相位，这与它传输的附加光程有关，多光束的干涉结果由波长（产生不同速度）和入射角（产生 不同光程）决定，通过分析得到的干涉图样就可得出薄膜的厚度。在测量薄膜厚度时，透射光谱 范围是一个重要因素，当一部分光能够穿透物体到达薄膜底部并且返回到表面才能收到厚度的信 息。如果光被吸收或散射，厚度信息就遗失了。对于金属层的厚度，通常不可测，除非其厚度一 般小于100 nm。

多层膜的厚度通常是由一个堆叠决定。这种情况下，要测量入射光的多个入射角角度，不同 的入射角导致穿过膜层时光程不同，通过光程可收到每个膜层厚度的信息，利用多个不同入射角 情况下屮和A数据，以及多层堆叠时的光学模型，反演得到不同膜