椭偏仪实验报告.docx

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摘要:本实验利用国产TP-77型椭圆偏振测厚仪(釆用单色光源,),测出了被测样品()的厚度。在入射角和反射角均为70。的条件下,通过观察消光现象,测得消光位置的起偏角戶=173。,检偏角A=65。,通过计算机数据处理软件查得被测样品的厚度为d=,",其误差为£=
关键词:椭圆偏振、消光、薄膜厚度、折射率
—、引言
对于一般的样品,通常采用儿何光学方法和光干涉法就能测量样品的折射率和待测薄膜的厚度。但当样品对光存在强烈吸收(如金属)或者待测薄膜厚度远小于光波长时,以上测量方法均不再适用。用反射型椭偏仪可以测量金属的复折射率,还可以测量很薄的薄膜(可达儿十埃)的折射率和厚度⑴。
反射型椭偏仪乂称表面椭偏仪,它在表面科学研究中有重要应用椭圆偏振是一个很敏感的薄膜性质测量技术,且具有非破坏性和非接触之优点。椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜信息,小至一个单原子层,共至更小。椭圆仪可测得复数折射率或介电函数张量,可以此获得基本的物理参数,并且这与各种样品的性质,包括形态、晶体质量、化学成分或导电性,有所关联。它常被用來鉴定单层或多层堆栈的薄膜厚度,可量测厚度由数埃(Angstrom)或数纳米到儿微米皆有极佳的准确性。它已被应用在许多不同的领域,从基础研究到工业应用,如半导体物理研究、微电子学和生物学⑵。
本实验研究椭偏测量的基本原理及方法,并测量待测薄膜的厚度大小。
二、实验原理
1、椭偏仪的基本原理
一束椭圆偏振光照射到样品上,由于样品对入射光中平行入射面的电场分量(〃分量)和垂直于入射面的电场分量(s分量)有不同的反射、透射系数,所以从样品上的反射的光的偏振状态相对入射光來说发生变化
E。样品对入射光电矢量的P分量和S分量的反射系数之比G能把反射光与入射光的偏振状态联系起來,同时,G乂是一个与材料的光学参量有关的函数。所以,通过观测光在反射前后偏振状态的变化可以测定反射系数比,进而得到与样品的光学参量(如材料的复折射率、薄膜的厚度等)有关的信息(起偏角P、检偏角A),从而得到材料的光学参量。

、各向同性介质分界面上的反射(测量金属复折射率)
如图1所示,单色平面波以入射角0从折射率为卩的介质1射到两种介质的分
界面上,介质2的折射率为心,折射角化,入射光、反射光、透射光中p,s分量的方向与光的传播方向构成右旋直角坐标系,入射、反射、透射光电矢量的复振幅为:風心),(5毘),(血,氐)。它们的分量可表示为:血=|E』exp(i久),^=|E.|exp(i/7j,£p=耳pexp(i/7rp),比=|耳』uxp(Sj, exp^),=|Ftjexp^)。
图1光在界面上的反射
根据麦克斯韦方程和界面上的连续性条 件,得到折射
定律和菲涅耳公式:
siii(pY=n2sill(p2 (2)
rp=(n2cos何一心cos^>2)/(n2cos何cos©)rs=(nicosq—z?2cos忽)/(njcos0i+z?2cos©)tp=2njcos何/(a?2cos列+/?icos©)ts=2nicos列/(ri]cos何+刃2cos©)
把。和々,写成复数形式:
0=b|exp(©)
q=|讣xp(込)
由公式(1)得到:
£rp=rPEiP
E「s=rsEis
由公式(5)定义反射系数比
(4)
(5)
(6)
(7)
由于入射光的偏振状态由坊和耳S的振幅比団和相位差(0巾—0J确定,同样的,反射光的偏振状态由和相位差(0卩-0,J所确定。因此,从公式(7)可以看到,反射系数比G把反射光和入射光的偏振状态关联起來。
于是由公式(4)和(6)可知:
(8)
tan^=rp/rs
(9)
△=巧厂爲
其中一△称为椭偏参数(椭偏角)。阪肖给出了反射前后p,$两分量的振幅衰减比,△给出了两分量的相位之差,屮、△直接反映反射前后光的偏振状态的变化,而且肖、
△可以从实验上直接测得。
结合公式(2)、(3)和(6)有:
n2=sin®1+
丄
2
2
tan
(10)
量和5分量的总反射系数分别为:
界面1
界面2
由(10)式可以看到,如果心已知,那么在一个固定的入射角0下测定反射系数比G,就可以确定介质2的复折射率儿。
,光在介质薄膜上的反射(测量薄膜厚度)
如图2所示,光在介质薄膜上的反射。经理论计算得到薄膜对入射光电矢量的卩分
二E甲二SpSpQ"p~~E~~Uripr2pe~^=比二处+厂2$产》'飞「1+22严
(11)
其中
qp=(n2cos©—卅]cos血)/(卅2cosq+H]cos血)
1 <2p=(刃3cos©—刃2cos沏)/(刃3cos忽十斤2cos沏)
(12)
q5=(/?jcos©—z?2cos血)/(njcos0+/?2cos血)々$=(◎cos忽—z?3cos羽)/(n2cos^2+^3cos羽)
(25为相邻的两束分波的相位差)
23=4/idn2cosy//
“Isiii®=n2siii°=n3sM03
由公式(11)可求出薄膜的反射系数比:
G-tan弊止=—=
»+山严
R、1+如严
(13)
由公式(12)、(13)可以知道,反射系数比G是厲屮2丿3”,入%的函数,故有:
^=tan_1|/|
A=arg/
(14)
|/|,arg/分别为函数/的模和幅角,对于某给定的薄膜-衬底光学体系,如果波长久和入射角0确定,G便确定,即丫△的值确定了。
这时,如果能从实验中测出肖和△,就能求出n^n^n^d中的两个未知量。本实验中已知介质1和介质3对所使用的波长久的折射率卩和心,可以由肖和△的测量值來确定待测透明薄膜的折射率心及其厚度d的数值。
由公式(7)和(13)我们得到:
yA
tan邂=
EiplEjs期4(0卩-0』
(15)
由(15)可以看到要测定肖和△需要测量四个量,如果能让入射光为等幅椭偏光(即
E
上=1),则有:
Ei$
*20=|5/比|
(A+AP~Pis=Prp~Prs (⑹
对于确定的0和4,如果入射光电矢量两分量之间的相位差仏帀-0右)可以连续调节,就能使反射光成为线偏振光0,卩-久=0或龙。这样,只要测定\Ejp/E,\和况-0」就可以得到0和△的数值,测定薄膜的厚度。
%、△的测定

如图3,实验时,由激光器产生的单色光束经起偏器和1/4波片得到入射到待测样品上的椭圆偏振光,反射的线偏振光由检偏器和光电倍增管来检测。通过调节1/4波片的快轴f与x轴的夹角a(a=土%)使入射的椭圆偏振光成为等幅椭圆偏振光;调节起偏器的透光方向t与x轴的夹角P,可使入射等幅椭圆偏振光两分量的相位差(/爲-0”)连续可调。
■6-
图3
可以看到当匕=叫4时,入射光的两分量相等,它们之间的相位差为2戶-刃2。
△的测定
对于相位差连续可调的等幅偏振入射光,由公式(17)得到:
[A+2P—7r/2=^rp~Prs
这样实验时可通过改变起偏角P的数值,使得0〃-0,.$=0或;T,也就是使反射光成为线偏振光。通过检偏器并利用消光现象,读出消光时的检偏角4。对于0〃,-卩严兀和Prp-Prs=0两种情况有:
71 3/T
°<A<y: A=—-2/1
(19)
今〈£3屮=兀一》“△=★2為
对于本实验入射角0和入射光的波长兄确定的情况下,©和△的值由A和P确定,当两者的取值范围限制在0〜180。之间时,式(19)中的(人,片)与(九,人)有以下转换关系:
4=7i—a2
p=[P2^/2 (Q〉Q)
厂I/^-tt/2 (日〈々) (20)
三、实验
1•实验装置如下:
匡一滿塢测厚仪简匡
&NE激光卷2•、5•光隽 6•检偏器
■©増管 10•样品台
测试方法要点
测试前首先要调节样品台的高度并保持水平。先粗调水平,使得从样品上反射的光在观察窗中呈现为圆形亮斑;再细调,使得圆斑较为完整,当转动样品台式,亮斑不会转动或变形;当调节P和A的大小时,对应消光状态和非消光状态,圆斑亮度出现明显变化。
反复多次测量(&/)和仏,4)的值以消除1/4波片不精确造成的A值偏差。
激光器要充分预热,一般He-Ne激光管点亮半个小时后再进行测量。
四、实验结果与分析
1•实验准备
打开电源,点亮He-Ne激光器,预热半个小时再进行测量。

调节样品台水平,使得反射圆斑在转动样品台时不变化,调好后就可以进行P和A的测量。