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1、橢偏光法測(cè)量薄膜的厚度和折射率引言橢圓偏振測(cè)量(橢偏術(shù))是研究?jī)擅劫|(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)方法, 其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射時(shí)出現(xiàn)的偏振變換。橢圓偏振測(cè)量的 應(yīng)用范圍很廣,如半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃或鍍膜)、激光反射鏡、 大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等,也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長(zhǎng)過程 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。結(jié)合計(jì)算機(jī)后,具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測(cè)量、快速數(shù)據(jù)獲取等 優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾E偏光法測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)方法。熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。測(cè)量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和折射率。實(shí)驗(yàn)原理在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后,
2、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26表示相鄰兩分波的相位差,其中6 =2n dn2cosq 2/入,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)。由多光束干涉的復(fù)振幅計(jì)算可知:r +怎/卯 77_1J M77乙代,_-i 2S %1 +匕仁淑(3)其中Eip和Eis分別代表入射光波電矢量的p分量和s分量,Erp和Ers分別代表反射光波 電
3、矢量的p分量和s分量?,F(xiàn)將上述Eip、Eis、Erp、Ers四個(gè)量寫成一個(gè)量G,即:G =位姆E. IE. ip M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tgw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: TOC o 1-5 h z rlp =2 COS (px COS ) /( 2 COS 朝1+ 冉cw (p2)(4)r2p =(理3 cos - coscos w 2 cos ) (5)=(打 i cos 呼i 一 cos wj) /(w1 cos 何+ 卸 q cos 球 Q 6) r2s = (2 cos -理cos 貴/(2 coscos tpQ (
4、7)28 = 4筮血 z cos / 2(8)如 cos 2 cos (p2 = h cos 呼3(9)G是變量n1、n2、n3、d、入、中1的函數(shù)2、中3可用? 1表示),即甲=tg-1f, =argl f I,稱甲和為橢偏參數(shù),上述復(fù)數(shù)方程表示兩個(gè)等式方程: tg e iA 的實(shí)數(shù)部分=% + %廠珈匕+件1 + %次潴1 +上件9的實(shí)數(shù)部分tg e iA 的虛數(shù)部分=匕七+ W而 1+%弓/游1+匕京淄的虛數(shù)部分若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出甲和的話,原則上可以解出n2和d (n1、n3、入迎1已知),根據(jù)公式(4)(9),推導(dǎo)出甲和與r1p、r1s、r2p、r2s、和0的關(guān)系:十水疽卻+疽切+叫/芬河
5、密1 +己己+2匕&河28艷電=,二二%J (10)1+ r pr 2P + 2#弓p cos2(5 r h + r 2; + 2/2j cos2(5(11)A + -1火 -NS+ -1-r2j(l-r2h)sin2(5A = lP : LP :% (1 + r22P) + r2p (1 + r2i)cos2(5 rb(l + 廠氣)+ 么 Q + +七)cos2(5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,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p和乙的 呢?現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光:YS由式(3)和(12),得:
6、G=tg閱也=,( Ap -月*) - 3整-屬5)t-(13) IEE IE其中:(14)ja _ M3罕-房J-3乎-愿)E- E IE 知7 %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,Eip/Eis = 1,則tgp =IErp/Ersl;對(duì)于相位角,有:A =(凡?-久)-(園-久)n A + 月爭(zhēng)-凡=月中-久)因?yàn)槿肷涔? ip-8 is連續(xù)可調(diào),調(diào)整儀器,使反射光成為線偏光,即3 rp書rs=0或(n ),則 =-(8 ip-8 is)或乙=n -(8 ip-8 is),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?8 ip-8 is), 肯定會(huì)找到特定值使反射光成線偏光,8 rp-8 rs=0或(n )。2.1實(shí)際檢測(cè)方法等幅橢圓偏振光的獲得(實(shí)驗(yàn)光路如圖1-2),平面偏振光誦過四分之一波片,使得具有 土n /4相位差,使入射光的振動(dòng)平面和四分之一波片的主截面成45。圖1-22.2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a為n /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,相位上超前口 /2。研=甘*門8沱-當(dāng)J u40
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