橢偏儀講義匯總

1、用橢圓偏振儀測(cè)量薄膜的厚度和折射率一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解橢圓偏振法的基本原理；2、學(xué)會(huì)用橢圓偏振法測(cè)量納米級(jí)薄膜的厚度和折射率二實(shí)驗(yàn)儀器TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀,計(jì)算機(jī)三實(shí)驗(yàn)原理：橢圓偏振測(cè)厚技術(shù)是一種測(cè)量納米級(jí)薄膜厚度和薄膜折射率的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振法測(cè)量的基本思路是，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的1/4波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品表面時(shí)，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较颍淮郎y(cè)樣品表面反射出來(lái)的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化(包括振幅和相位的變化)，便可以確定樣品表面的許多光學(xué)特性。設(shè)待測(cè)樣品是均勻涂鍍?cè)谝r底上的厚度為d、折

2、射率為n的透明各向同性的膜層。光的電矢量分解為兩個(gè)分量，即在入射面內(nèi)的p分量及垂直于入射面的s分量。入射光在薄膜兩個(gè)界面上會(huì)有多次的反射和折射，總反射光束將是許多反射光束干涉的結(jié)果。利用多光束干涉的理論，得p分量和s分量的總反射系數(shù)ripr2PexP(-2i)prisr-2sexp(-2i/.)Rp,Rs,I1ripr2pexp(-2i)1risr2sexp(-2i)其中一4二.26=dncos中2(2)兒是相鄰兩反射光束之間的相位差，而九為光在真空中的波長(zhǎng)。光束在反射前后的偏振狀態(tài)的變化可以用總反射系數(shù)比Rp/Rs來(lái)表征。在橢圓偏振法中，用橢偏參量中和;來(lái)描述反射系數(shù)比，其定義為：tan中e

3、xp(g)=Rp/R(3)在入射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率確定的條件下，翼和只是薄膜厚度和折射率的函數(shù)，只要測(cè)量出手和,原則上應(yīng)能解出d和n。然而，從上述各式中卻無(wú)法解析出d=(中，)和n=(¥,)的具體形式。因此，只能先按以上各式用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算出在入(里，A)(d,n)的關(guān)系圖表，待測(cè)出某一薄膜的中和后再?gòu)膱D表上查出相應(yīng)的d和n的值。測(cè)量樣品的中和的方法主要有光度法和消光法。我們主要介紹用橢偏消光法確定和A的基本原理。設(shè)入射光束和反射光束電矢量的p分量和s分量分別為Eip,Eis,Erp,ErsRp=Erp.Eip,Rs=Ers：Eis,(4)tan,Pexp(仁)二

4、ErpErsEipEis(5)射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率一定的條件下為了使皆和A成為比較容易測(cè)量的物理量，應(yīng)該設(shè)法滿足下面的兩個(gè)條件:(1)使入射光束滿足EipEis；(6)(2)使反射光束成為線偏振光，也就是令反射光兩分量的位相差為0或兀。滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，有tan'P二ErpErs,'-('rp-rs)-(ip-is),(Prp-4s)=0或冗圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖1是本實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。在圖中的坐標(biāo)系中，x軸和X'軸均在入射面內(nèi)且分別與入射光束或反射光束的傳播方向垂直，而y和y'軸則垂直于入射面。起偏器和檢偏器的透光軸t和t與x軸或X

5、,軸的夾角分別為P和A。下面將會(huì)看到，只需讓1/4波片的快軸f與x軸的夾角為冗/4,便可以在1/4波片后面得到所需的滿足條件Eip=Eis；的特殊橢圓偏振入射光束。當(dāng)它投射到快軸與x軸的夾角圖2中的Eo代表經(jīng)方位角為P的起偏器出射的線偏振光。為冗/4的1/4波片時(shí)，將在波片的快軸f和慢軸s上分解為_一n、_.,一n、Ef1=Eocos(P),Es1=Sin(P-)(8)通過(guò)1/4波片后，Ef將比Es超前2/2,于是在1/4波片后應(yīng)該有JTJEf2=EoCos(P-)exp(i-),Es2=E°sin(P二)(9)424把這兩個(gè)分量分別在x軸及y軸上投影并再合成為Ex和Ey,便得到(1

6、0)7E°exp_i(PR,Ey=三g哈-P).可見，Ex和Ey也就是即將投射到待測(cè)樣品表面的入射光束的p分量和s分量，即LL2_Eip=Ex=萬(wàn)Eoexpi(P(11)一P).ErpErs=tanA(13)EiS=Ey顯然，入射光束已經(jīng)成為滿足條件Eip=Eis；的特殊橢圓偏振光，其分量的位相差為(12)('ip-is)=2P-.由圖3可以看出，當(dāng)檢偏器的透光軸t'與合成的反射線偏振光束的電矢量Er垂直時(shí)，即反射光在檢偏器后消光時(shí)，應(yīng)該有這樣，由式（7）可得(14)tan彳=tanA,-(-rp->s)-(2P-A,2Lrprs)=0或二可以約定，A在坐標(biāo)系（

7、x',y'）中只在第一及第四象限內(nèi)取值。下面分別討論Lrp聯(lián)）=0或冗的情況。(Prp-Prs)=兀.此時(shí)的P記為Pi,合成的反射線偏振光的Er在第二及第四象限里,A在第一象限并計(jì)為A,。由式（14）可得到(15)二二A3二_:二-2"2（4p-%=。.此時(shí)的P記為P2,合成的反射線偏振光的Er在第一及第三象限里,(16)A在第四象限并計(jì)為A2。由式（14）可得到K兀!?=丁2巳從式（15）和（16）可得到（P,A）和（P2,A?）的關(guān)系為A=_A2nnO（17）R=F2+萬(wàn)因此，在圖1的裝置中只要使1/4波片的快軸f與x軸的夾角為n/4,然后測(cè)出檢偏器后消光時(shí)起、檢

8、偏器方位角（R,Ai）或（P2,A2）,便可按式（15）或（16）求出寞，）,從而完成總反射系數(shù)比的測(cè)量。在借助已經(jīng)算好的（¥,）（d,n）的關(guān)系圖表，即可查出待測(cè)薄膜的厚度d和折射率n。四實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)所采用的TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀集光、機(jī)、電于一體。主要由光源機(jī)構(gòu)、起偏機(jī)構(gòu)、檢偏機(jī)構(gòu)、接收機(jī)構(gòu)、主機(jī)機(jī)構(gòu)和裝卡機(jī)構(gòu)共六部分組成。1、光源機(jī)構(gòu)：光源機(jī)構(gòu)主要由150mm,功率0.8mw,波長(zhǎng)為632.8nm的氨速激光器等組成。2、起偏機(jī)構(gòu)：起偏機(jī)構(gòu)主要由偏振片機(jī)構(gòu)、1/4波片機(jī)構(gòu)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)等組成。1）、偏振片置于偏振套筒中，通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)0。-180。范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使入射

9、到其上的自然光（非偏振激光）變成線偏振光出射。2）、1/4波片的調(diào)節(jié)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)波片鏡筒組中的回轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)，使射入其上的線偏振光變成橢圓偏振光（波片位置出廠時(shí)已調(diào)節(jié)好，用戶無(wú)須調(diào)節(jié)）。3）讀數(shù)機(jī)構(gòu)由大圓刻度盤及游標(biāo)盤組成。大圓刻度盤外圓周被均分為360份，游標(biāo)盤最小刻度為0.05度，通過(guò)起偏機(jī)構(gòu)可測(cè)得精度為0.05°的起偏角P。3、檢偏機(jī)構(gòu)：檢偏機(jī)構(gòu)主要由偏振片、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和讀數(shù)機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)形式作用等同于起偏機(jī)構(gòu)，通過(guò)檢偏機(jī)構(gòu)可測(cè)出精度為0.05°的檢偏角Ao4、接收機(jī)構(gòu)：接收機(jī)構(gòu)主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤游標(biāo)尺等組成。光電倍增管采用側(cè)窗式，型號(hào)為CR114。

10、5、主體機(jī)構(gòu)：主體機(jī)構(gòu)主要由大刻度盤、上回轉(zhuǎn)托盤、下回轉(zhuǎn)托盤及箱體等組成。1）下回轉(zhuǎn)托盤通過(guò)立軸下?lián)跞潭ㄔ诖罂潭缺P上的下懸的立軸上。其上固定光源機(jī)構(gòu)和起偏機(jī)構(gòu)，故下回轉(zhuǎn)托盤可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。2）上回轉(zhuǎn)托盤通過(guò)立軸上擋圈固定在大刻度盤上的下懸立軸上，其上固定檢偏機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)，故上回轉(zhuǎn)托盤可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。3）大刻度盤通過(guò)三個(gè)支柱固定在箱體上，其上固定裝卡機(jī)構(gòu)以裝、卡被測(cè)樣品。大刻度盤上表面的外邊緣，刻有兩段30。-90。的刻線，每刻度值為1；起偏、檢偏懸臂游標(biāo)尺上，均勻刻有20格刻線，故入射角讀數(shù)精度為0.05°。4）箱體由箱體上面板、底板及底腳等組成。6、

11、裝卡機(jī)構(gòu)：裝卡機(jī)構(gòu)主要由樣品架、調(diào)整架、光闌機(jī)構(gòu)等組成。1）樣品架可以?shī)A持直徑410-414,厚度w13m的被測(cè)樣品。2）調(diào)整架可對(duì)被夾持的樣品作上下俯仰；左右偏擺；前后移動(dòng)的三維調(diào)節(jié)（均以正對(duì)著被測(cè)樣品表面方向觀察）。3）光闌機(jī)構(gòu)置于被測(cè)樣品表面處，起限制其它雜散光的進(jìn)入。光闌機(jī)構(gòu)可前后移動(dòng)以方便被測(cè)樣品的裝卡。7、光學(xué)系統(tǒng)：儀器的光學(xué)系統(tǒng)包括光源、接收器、偏振片、力波片。儀器使用及注意事項(xiàng)1）、激光光源點(diǎn)亮后會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的激光，對(duì)人眼能造成一定的傷害，故在使用中，絕對(duì)禁止直視光源。2）、儀器在使用過(guò)程中各部件會(huì)產(chǎn)生熱量，為了能夠更有效地使用本儀器。工作時(shí)應(yīng)盡選擇在陰涼、通風(fēng)好的地方，以免影響

12、儀器的使用壽命。3）、長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)將儀器置于防塵、隔熱、相對(duì)濕度<70%環(huán)境。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、準(zhǔn)備過(guò)程：1）首先開啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氨就激光器（預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜）。然后將電控箱調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋到頭，聯(lián)接好主機(jī)與電控箱間的各種數(shù)據(jù)線，開啟電控箱電源。2）裝卡被測(cè)樣品。注意：旋緊吸盤拉桿時(shí)要視被測(cè)樣品直徑和質(zhì)地而適當(dāng)調(diào)節(jié)，切記不可用力過(guò)大，使樣品損壞。3）選定入射角。（如70。），調(diào)節(jié)起偏機(jī)構(gòu)懸臂和檢偏機(jī)構(gòu)懸臂，使經(jīng)樣品表面反射后的激光束剛好通過(guò)檢偏器入光口。4）將起偏器與檢片器的刻度值調(diào)至0'點(diǎn)。5）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電控箱調(diào)節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調(diào)到150伏左右（視儀器情況而定）

13、即可。2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1）緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器手輪，使電壓表表頭指針下降，當(dāng)表頭指針下降到0附近時(shí)，適當(dāng)調(diào)高電壓，再次轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器手輪，使表頭指針下降，反復(fù)上述過(guò)程，找到表頭指針偏轉(zhuǎn)最小值。記下此時(shí)檢偏器刻度盤的數(shù)值即檢偏角A。2）適當(dāng)調(diào)高電壓使表頭指針偏轉(zhuǎn)到滿量程的23,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器手輪，使電壓表表頭指針下降，當(dāng)表頭指針下降到0附近時(shí)，適當(dāng)調(diào)高電壓，再次轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器手輪，使表頭指針下降，反復(fù)上述過(guò)程，找到表頭指針偏轉(zhuǎn)最小值。記下此時(shí)起偏器刻度盤的數(shù)值即起偏角P。3）重復(fù)上述步驟5次，將5次測(cè)量值（P,A）分別取平均后，代入公式計(jì)算。4）為了計(jì)算薄膜的真實(shí)厚度：由理論分析可知，樣品的一組（W,A）只能求

14、得一個(gè)膜厚周期內(nèi)的厚度值，要測(cè)量膜厚超過(guò)一個(gè)周期的真實(shí)厚度，常采用改變?nèi)肷浣腔虿ㄩL(zhǎng)的方法得到多組（密、4），真實(shí)膜厚d可由下式解得：m1D1d1=m2D2d2=mDdid=式中：m1、m2、m3為正整數(shù)DD2、D3為膜厚周期dd2、d3分別為不同測(cè)量條件時(shí)，所對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的厚度值。此時(shí)，將測(cè)得的（P,Al）和（B,A2）加上測(cè)量時(shí)對(duì)應(yīng)的角度。，分別代入公式，就能求出真實(shí)的薄膜厚度。入射角。測(cè)量次數(shù)12345平均電=nA*2=P2A2月日橢圓偏振儀測(cè)量薄膜厚度及折射率數(shù)據(jù)表格直流濺射制備銀膜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格月日1 .制備銀膜樣品僦氣壓強(qiáng)（Pa）:濺射電流（mA）：樣品編號(hào)1*23*456*濺射時(shí)間（min）24681015條紋位置Ai移動(dòng)位置Bi2.制備臺(tái)階樣品測(cè)量薄膜厚（注意臺(tái)階位置?。?n12nb=ZAi-Bi2ndb-;其中2n為測(cè)量次數(shù)；九=589.3nm。a2濺射速率：v=%=（nmin）&