橢偏光法測(cè)量薄膜的厚度和折射率

1、橢偏光法測(cè)量薄膜的厚度和折射率實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解橢偏光法測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)方法。2. 熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。3. 測(cè)量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和折射率。實(shí)驗(yàn)原理：1.橢圓偏振方程 在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射在一般情況下會(huì)同時(shí)存在的。通常，設(shè)介質(zhì)層為n1、n2、n3，1為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉，如圖(1-1) 圖(1-1)這里我們用2表示相鄰兩分波的相位差，其中（*），用r1p、 r1s表示光線的p分量、s分量在界面1、2間的反射系數(shù)， 用r2p 、r2s表示光線的p分、s分量在界面2、3間的反射系數(shù)。 由多

2、光束干涉的復(fù)振幅計(jì)算可知： 其中和分別代表入射光波電矢量的p分量和s分量，和分別代表反射光波電矢量的p分量和s分量。現(xiàn)將上述、 、四個(gè)量寫成一個(gè)量G，即：我們定義G為反射系數(shù)比，它應(yīng)為一個(gè)復(fù)數(shù)，可用tg和表示它的模和幅角。上述公式的過程量轉(zhuǎn)換可由菲涅耳公式和折射公式給出：上述復(fù)數(shù)方程表示兩個(gè)等式方程： Re（tg)=Re Im (tg) = Im 若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出和的話，原則上可以解出n2和d (n1、n3、1已知)，根據(jù)公式(4)(9)，推導(dǎo)出和與r1p、r1s、r2p、r2s、和的關(guān)系： 由上式經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可制作數(shù)表或計(jì)算程序。 這就是橢偏儀測(cè)量薄膜的基本原理。若d是已知，n2為復(fù)數(shù)的話，

3、也可求出n2的實(shí)部和虛部。那么，在實(shí)驗(yàn)中是如何測(cè)定和的呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：由式(3)和(12)，得：其中：這時(shí)需測(cè)四個(gè)量，即分別測(cè)入射光中的兩分量振幅比和相位差及反射光中的兩分量振幅比和相位差，如設(shè)法使入射光為等幅橢偏光，/ = 1，則tg=|/|；對(duì)于相位角，有： 因?yàn)槿肷涔?連續(xù)可調(diào)，調(diào)整儀器，使反射光成為線偏光，即-=0或，則=-(-)或=-(-)，可見只與反射光的p波和s波的相位差有關(guān)，可從起偏器的方位角算出。對(duì)于特定的膜，是定值，只要改變?nèi)肷涔鈨煞至康南辔徊?-)，肯定會(huì)找到特定值使反射光成線偏光，-=0或。2.橢偏法測(cè)量和的實(shí)驗(yàn)光路 1）等幅橢圓偏振光的獲得，如圖1

4、-2。 2）平面偏振光通過四分之一波片，使得具有±/4相位差。 3）使入射光的振動(dòng)平面和四分之一波片的主截面成45°。 圖 1-2反射光的檢測(cè) 將四分之一波片置于其快軸方向f與x方向的夾角為/4的方位，E0為通過起偏器后的電矢量，P為E0與x方向間的夾角。，通過四分之一波片后，E0沿快軸的分量與沿慢軸的分量比較，相位上超前/2。在x軸、y軸上的分量為：由于x軸在入射面內(nèi)，而y軸與入射面垂直，故就是，就是。圖 1-3由此可見，當(dāng)=/4時(shí)，入射光的兩分量的振幅均為E0 / 2，它們之間的相位差為2P-/2，改變P的數(shù)值可得到相位差連續(xù)可變的等幅橢圓偏振光。這一結(jié)果寫成：實(shí)驗(yàn)儀器

5、： 本實(shí)驗(yàn)使用多功能激光橢圓偏振儀，由JJY型1¢分光計(jì)和激光橢圓偏振裝置兩部分組成，儀器安裝調(diào)試后如圖19.6所示，其各部件功能如下：光源：包括激光管和激光電源。激光管裝在激光器座上，可以作水平、高低方位角調(diào)節(jié)和上下升降調(diào)節(jié)，發(fā)射632.8nm的單色光1.He-Ne激光管 2.小孔光閘 3.平行光管 4.起偏器 5.1/4 波片6.被測(cè)樣品 7.載物臺(tái) 8.光孔盤 9.檢偏器 10.塑遠(yuǎn)鏡筒 11.白屏鏡 小孔光閘：保證激光器發(fā)出的激光束垂直照射在起偏器中心。起偏器：產(chǎn)生線偏振光，讀數(shù)頭度盤刻有360個(gè)等分線，格值為1°，游標(biāo)度數(shù)為0.1°，隨度盤同步

6、轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角可在度盤上讀出。1/4波片：將線偏振光補(bǔ)償為等幅橢圓偏振光，裝在起偏器前端，與起偏器共用游標(biāo)。其讀數(shù)為讀數(shù)頭度盤內(nèi)圈刻度值。載物臺(tái)：支承被測(cè)樣品，其使用調(diào)節(jié)方法見分光計(jì)說明書。光孔盤：為防止雜散光進(jìn)入檢偏器而附設(shè)，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并具有讀數(shù)標(biāo)尺，但它的方向?qū)?shí)驗(yàn)并無影響。檢偏器：與起偏器結(jié)構(gòu)相同。望遠(yuǎn)鏡筒與白屏目鏡：觀察反射光狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 按調(diào)分光計(jì)的方法調(diào)整好主機(jī). 2. 水平度盤的調(diào)整. 3. 光路調(diào)整.4. 檢偏器讀數(shù)頭位置的調(diào)整和固定.5. 起偏器讀數(shù)頭位置的調(diào)整與固定.6. 波片零位的調(diào)整.7. 將樣品放在載物臺(tái)中央,旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)使達(dá)到預(yù)定的入射角70°即望遠(yuǎn)

7、鏡轉(zhuǎn)過40°,使反射光在白屏上形成一亮點(diǎn).8. 分別用快速法，建表法，作圖法測(cè)量硅襯底的薄膜折射率, 薄膜基厚度和厚度周期.9. 改變?nèi)肷浣牵谌肷浣菫?0°，50°時(shí)再測(cè)兩次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：1. 入射角為50度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4521.4521.452厚度/nm174.00173.89174.002. 入射角為60度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4661.4661.466厚度/nm169.40169.42169.403. 入射角為70度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4741.4711.471厚度/nm167.80167.78167.80求平均

8、值：結(jié)果為 折射率n=1.463 薄膜厚度d=170.39 nm注意事項(xiàng)：1. 光路調(diào)節(jié)要輕緩細(xì)心。要注意避免激光損傷眼睛。2. 樣品表面要避免玷污。思考題1.橢偏參數(shù)的物理含義是什么？消光時(shí)，它們與起，檢偏器方位角P，A之間有什么樣的表達(dá)式？答：tan為p波和s波經(jīng)薄膜系統(tǒng)反射前后的相對(duì)振幅之比，表示p波和s波經(jīng)薄膜系統(tǒng)反射前后的相位差之差。它們直接反映出反射前后光的偏振狀態(tài)的變化。入射光為等幅偏振光，且用負(fù)晶體作為1/4波片。若1/4波片快軸旋轉(zhuǎn)45度，消光時(shí)，。 若1/4波片快軸旋轉(zhuǎn)負(fù)45度，消光時(shí)，2.橢偏測(cè)量中，若被測(cè)薄膜厚度超過一個(gè)周期，試提出確定周期數(shù)的其他方法。若測(cè)出的周期數(shù)為

9、N，寫出薄膜總厚度的表達(dá)式。計(jì)算薄膜厚度剛好為一個(gè)周期時(shí)的厚度。答： 可利用不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，確定周期數(shù)N。由（*）式，得總厚度Nd=。由上式，薄膜厚度剛好為一個(gè)周期時(shí)，2=360°，于是可得此時(shí)的d為 其中為氦氖激光器波長(zhǎng)632.8 nm；為空氣折射率，可取為1；為樣品薄膜的折射率，由實(shí)驗(yàn)中測(cè)出，取為最后的平均值1.465；為激光入射角，實(shí)驗(yàn)中分別為70°，65°和60°。于是，當(dāng)=70°時(shí)，可求得d=281.49 nm；當(dāng)=65°時(shí)，可求得d=274.89 nm；當(dāng)=60°時(shí)，可求得d=267.68 nm，平均值為274.69nm。3. 用自動(dòng)橢偏儀測(cè)量薄膜時(shí)，總結(jié)出作圖查表法的實(shí)驗(yàn)步驟。答：作圖法： 1) 模式選為作圖法開始測(cè)量，軟件界面得到一個(gè)紅點(diǎn)； 2) 逐步提高精度和放大倍數(shù)，畫線，直到曲線經(jīng)過紅點(diǎn)，得到薄膜