椭圆偏振测厚度实验讲义-上饶师范学院物理与电子信息学院.PDF

椭圆偏振测厚度实验讲义 一 实验目的 1、了解椭圆偏振法的基本原理; 2 、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率. 二 实验仪器 TPY-1 型椭圆偏振测厚仪,计算机 三 实验原理： 椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性 的重要工具。椭圆偏振法测量的基本思路时，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1 4波片后成为特殊的 椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将 是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的 许多光学特性。 d n 设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为 、折射率为 透明同性膜层。光的电矢量分解为两个分量， 即在入射面内的 p 分量及垂直于入射面的 s 分量。入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总 反射光束将是许多反射光束干涉的结果。利用多光束干涉的理论，得 p 分量和 s 分量的总反射系数 r +r exp(−2iδ) r +r exp(−2iδ) R 1p 2p , R 1s 2s , (1.1) p 1+r r exp(−2iδ) s 1+r r exp(−2iδ) 1p 2p 1s 2s 其中 4π 2δ dn cosϕ (1.2) 2 λ 是相邻反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反 射系数比R R 来表征。在椭圆偏振法中，用椭偏参量Ψ和Δ；来描述反射系数比，其定义为： p s tan Ψexp(iΔ) R R (1.3) p s 在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，Ψ和Δ只是薄膜厚度和折射率的函数， Ψ Δ d n d (=ΨΔ, ) n (=ΨΔ, ) 只要测量出 和 ，原则上应能解出 和 。然而，从上述各式却无法解析出 和 的 具体形式。因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射 率一定的条件下(ΨΔ, ) ~ (d , n) 的关系图表，待测出某一薄膜的Ψ和Δ后再从图表上查出相应的d 和n 的 值。 测量样品的Ψ和Δ的方法主要有光度法和消光法。我们主要介绍用椭偏消光法确定Ψ和Δ的基本原 1 理。设入射光束和反射光束电矢量的 p 分量和 s 分量分别为Eip ,Eis ,Erp ,Ers ， 则有 Rp Erp Eip , Rs Ers Eis , (1.4) 于是 E E Ψ iΔ