椭偏实验报告【范本模板】.docx

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《先进资料表征技术》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解析
姓名:孙四五
实验时间:2012年11月19日
哈尔滨工业大学深圳研究生院
资料学院《先进资料表征技术实验》实验报告
一、实验目的
(1)认识椭圆偏振法的基根源理;
学会用椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率。
二、实验原理
2。1偏振光
,偏振是指用一个常矢量来描述空间某一
个固定点所观察到的矢量波(电场、应变、自旋),电磁场
中的电矢量就是光波的振动矢量,其振动方向与流传方向相垂直。电矢量在与光流传方向垂直的
平面内按必然的规律表现非对称的择优振动取向,这种偏于某一方向电场振动较强的现象,被称为光
,电矢量的方向不随时间变化,其大小随着相位有规律地变化的光
为线偏振光也许称为平面偏振光,在与光的流传方向相垂直的平面上,其轨迹为一条直线;若电
矢量的大小向来不变,方向随时间规则变化,其端点轨迹为圆形,则为圆偏振光;若电矢量的大小
和方向都随时间规则变化,其端点轨迹呈椭圆形,
的特色,其实不在某一方向的择优振动,将这种光称为自然光;将自然光与线偏振光混杂时,表现
沿某一方向电场振幅较大,而与其正交的方向电场振幅较弱但不为零的特色,这种光为部分偏振
光。

用于产生线偏振光的元件叫起偏器。用于检验和解析光的偏振状态的元件叫检偏器。诚然两
者的名称不同样,但起偏器和检偏器多数拥有同样的物理结构和光学特色,在使用中可互换,仅依照
其在光学系统中所扮演的角色而被赐予了不同样的名称。

入射光束(线偏振光)的电场能够在两个平面上分解为矢量元,
和出射光,S平面则是与这个平面垂直。近似的,反射光或透射光也能够分解为P平面和S平面
两个矢量。反射光或透射光是典型的椭圆偏振光,因此此仪器被称为椭偏仪。
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图2。1椭偏光经反射后重量的变化
在数学上,。p平面和s
平面上的Fresnel反射系数分别用复函数rp和rs来表示。rp和rs的数学表达式能够用Maxwell方
程在不同样资料界线上的电磁辐射推导获得。
其中φ0是入射角,。。每层介质的折射率能够用下面的复函数表示N=n+jk平时n称为折射率,。,这个值是随波长、温度等参数变化而变化的。当待测样品周围介质是空气或真空的时候,。平时椭偏仪测量作为波长和入射角函数的ρ的值(经常以ψ和或相关的量表示)。一次测量完成今后,所得数据用来解析以获得光学常数,膜层厚度,以及其他感兴趣的参数值。
三、实验仪器
本实验采纳美国J。A。WoolamCo。,Inc公司生产的M—2000UI型变角度多光谱椭偏仪。光源所放射出之电磁波经过偏光镜后,极化为线性偏振光,可选择可否经过补偿镜片,此后
打在薄膜样品上。电磁波被反射后同样可选择可否再经过补偿镜片,尔后穿过第二片平时称为解析镜的偏光镜,进入侦检器。如图3。1所示。
图3。1椭偏仪光路表示图
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该仪器可测量薄膜膜厚及其光学常数,如折射率、消光系数、吸取系数、复介电函数等;测定资料的多层结构和表面粗糙度;研究梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度,光学常数的梯度变化。该椭偏仪如图3。2所示。相关技术参数以下:
(1)光谱范围:245~1700nm连续可调;入射角:20~90°,连续可调;
2)光谱分辨率:(<1000nm),6。4nm(〉1000nm);
3)配置:旋转补偿器.
四、实验步骤
椭偏光谱测量时,不是直接测试我们所关注的薄膜光学常数和厚度;而是经过间接测量由被
测物体反射后光的偏振态来推断相关的物理量,。

4。1椭偏光谱的测试
椭圆偏振光谱法测试时,图4。2为椭圆偏振光谱法测试相关参数的设置界面,反射的椭圆偏
振光S平面和P平面重量的振幅(ψ)和相差()随入射角和入射光波长而变化。
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4。2模型的建立
能够用一个模型(Model)来描述测量的样品,这个模型包括了每个资料的多个平面,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:
但实质应用中,大多数的资料都是粗糙的或有氧化的表面,因此上述的函数式平时不能够应
用;特别对多层薄膜资料,,需要用回归解析。

利用模型来生成(Gen。Data)由模型确定的参数的时的Psi与Delta数据,并与测量获得的
数据进行比较(如图4。9所示),不断修正模型中的参数使得生成的数据与测量获得的数据尽量
一致。即使在一个大的基底上只有一层薄膜,
此平时不能够对光学常数,厚度等给出近似上面方程同样数学描述,这样的问题,平时被称作是反
演问题最平时的解决椭偏仪反演问题的方法就是在衰减解析中的Levenberg—
比较方程,,定义均方误差为:
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在有些情况下,最小的MSE可能产生非物理或非唯一的结果。但是加入吻合物理定律的限
制或判断后,还是能够获得很好的结果。衰减解析已经在椭偏仪解析中收到成功的应用,结果是
可信的、吻合物理定律的、精确可靠的。
4。4薄膜厚度和折射率的获得
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,就是最后获得的薄膜厚度和折射率。
4。4。1单层膜厚测试
单层厚度的测量是椭偏仪最平时的应用,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50μm,使用的波长越长以致越宽的干涉振荡。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。不同样部分的光拥有不同样相
位,这与它传输的附加光程相关,多光束的干涉结果由波长(产生不同样速度)和入射角(产生不同样
光程)决定,,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。若是
光被吸取或散射,厚度信息就丢掉了。对于金属层的厚度,平时不能测,除非其厚度一般小于
100nm。
4。
,要测量入射光的多个入射角角度,不同样的入
射角以致穿过膜层岁月程不同样,经过光程可收到每个膜层厚度的信息,利用多个不同样入射角情况下
ψ和数据,以及多层堆叠时的光学模型,反演获得不同样膜层的厚度。

本次实验测定的是Si衬底上的SiO2薄膜的n值与膜厚,设定扫描角度为55°—65°,扫描步长为10°,即分别在55°与65°下测试,将不同样波长下测得的数据收集起来,建立模型进行计算,最后
得出与实验结果拟合最好的结果。对于SiO2的单层薄膜,且其在可见光范围内无色透明,有正常色散有经验公式,即Cauchy公式:n=A+B/λ2+C/λ2,使用上述公式进行拟合即可获得满足要求的结果.
五、实验结果及解析
收集获得的数据并建立模型,对于单层透明薄膜,采纳柯西拟合公式,初始值为:厚度~
2nm;An~。,由图能够看出,采纳该公式进行拟合收效较好,实验结果与实质结果相一致,其模拟结果为:
MSE=3。008
Thick。1~2。529±
~1。3506±
~±
~0。00075871±-005
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n值,能够看出该资料随入射波长的增大
n值
变小。
GeneratedandExperimental
45
40
ModelFit
ExpE55°
ExpE65°
s
35
e
e
r
30
g
e
d
25
n
i
20
15
10
0300600900120015001800
Wavelength(nm)
图5。1实验数据与模型计算数据的比较
图5。2不同样波长下薄膜资料对应的n值
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