实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率

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1、三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 实验实验:椭圆偏振法椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率测量薄膜厚度和折射率 随着现代科技的快速发展，薄膜材料的研究和应用受到越来越多的关注。如 何快速准确的测量薄膜材料的厚度和折射率等光学参数成为急需解决的问题之 一。 椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，这种方法测量灵敏度 高(可探测小于 0.1nm 的厚度变化)、精度较好(比干涉法高一到两个数量级)、对 待测样品无损伤并且能同时测量薄膜的厚度和折射率。因而，目前椭圆偏振法已 经在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。 实验目的：实验目的： 1. 了解椭圆偏振测量的

2、基本原理， 掌握利用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率的 基本方法。 2. 学会组装椭圆偏振仪，熟悉椭圆偏振仪使用。 实验原理实验原理： 椭圆偏振法测量的基本思路是，经由起偏器产生的线偏振光经取向一定的 1/4 波片后获得等幅椭圆偏振光，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。 图 1 光在薄膜和衬底系统上的反射和折射 图 1 所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜它有两个平行的界面，通 常，上部是折射率为 n1的空气(或真空)中间是一层厚度为d折射率为

3、n2的介 质薄膜，下层是折射率为 n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射 到膜面上时，在界面 1 和界面 2 上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光 1 介质n1 薄膜n2 衬底n3 界面1 界面2 2 3 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 分别产生多光束干涉其干涉结果反映了膜的光学特性。 设 1表示光的入射角，2和 3分别为在界面 1 和 2 上的折射角根据折射 定律有： n1sin1=n2sin2n3sin3 (1) 光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的s 分量。用 r1p、r1s表示光线的 p 分量、s 分量在界面 1 的反

4、射系数，用 r2p、r2s表 示光线的 p 分量、s 分量在界面 2 的反射系数。用 Eip、Eis表示入射光波电矢量 的 p 分量和 s 分量，用 Erp、Ers分别表示各束反射光电矢量的 p 分量和 s 分量的 和。由多光束干涉的复振幅计算可知： ip i pp i pp rp E err err E 2 21 2 21 1 (2) is i ss i ss rs E err err E 2 21 2 21 1 (3) 其中 2表示相邻两分波的相位差,其中=/cos2 22 dn。 在椭圆偏振法测量中，为了简便，通常引入另外两个物理量 和 来描述 反射光偏振态的变化它们与总反射系数的关系定

5、义为： i isip rsrp etg EE EE G / / = 2 21 2 21 1 i pp i pp err err 2 21 2 21 1 i ss i ss err err (4) 定义 G 为反射系数比，(4)式一般被称为椭偏方程，其中 和 被称为椭偏 参数也叫椭偏角。 根据(1)式和菲涅尔公式，可得方程组： 332211 22 332233222 221122111 322332232 211221121 sinsin /cos42 )coscos/()coscos( )coscos/()coscos( )coscos/()coscos( )coscos/()coscos(

6、nnsinn dn nnnnr nnnnr nnnnr nnnnr s s p p (5) 即 tg i e=f(n2,1,n3,d,) 若能从实验测出和,原则上可以由(4)和(5)式解出 n2和 d(n1、n3、 1 已知) 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 如果我们用复数形式表示入射光和反射光的 p 分量和 s 分量，即： ip i ipip eEE ， is i isis eEE ， rp i rprp eEE ， rs i rsrs eEE (6) 其中各绝对值为相应电矢量的振幅， 值为界面处的位相。 则由(4)和(5)式可 以得到： G= i etg= )()(

7、 / / isiprsrp i isip rsrp e EE EE (7) 比较两端即可得到： tg isip rsrp EE EE / / , i e= )()( isiprsrp i e (8) 由(7)式看以看出，参量 与反射前后 p 和 s 分量的振幅比有关，参量 与 反射前后 p 和 s 分量的位相差有关，可见， 和 直接反映了光在反射前后偏振 态的变化。这就是椭圆偏振法测量薄膜厚度的基本原理。 实验方案：实验方案： 当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指椭圆的形状和方位）发 生了变化的椭圆偏振光。为了能直接测得 和 ，须将实验条件作某些限制以使 问题简化也就是要求入射光和反

8、射光满足以下两个条件： 1.要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光 （即 P 和 S 二分量的振幅相等） , 1/ isip EE，则tg rsrp EE/。 2.要求反射光为线偏振光， rsrp =0 或（） ，则)( isip 或 )( isip 。 实现椭圆偏振法测量的仪器称为椭圆偏振仪（简称椭偏仪） 它的光路原理 如图 2 所示。实验中使用 1/4 波片辅助获得等幅椭圆偏振光，使用检偏器检测反 射光的偏振状态是否满足第二个条件。 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 图 2 椭偏仪光路简图 氦氖激光器发出 632nm 的部分偏振光， 先后经起偏器和 1/4 波片入射到待

9、测 薄膜样品上， 反射光经过检偏器射入白屏目镜进行观察。 无论起偏器的方位如何， 经过它获得的线偏振光再经过 1/4 波片后一般成为椭圆偏振光为了在膜面上获 得 p 和 s 二分量等幅的椭圆偏振光，只须转动 1/4 波片，使其快轴方向 f 与 s 方 向的夹角取土/4 即可 为了进一步使反射光变成为一线偏振光， 可转动起偏器， 使它的偏振方向与 s 方向间的夹角为某些特定值这时，如果转动检偏器使它的 偏振方向与反射光的振动方向垂直，则仪器处于消光状态，这时可以直接读出起 偏器的方位角 p 和检偏器的方位角 (或用 A 表示)。 实验中， 为了提高测量的准确性， 一般要求在 1/4 波片方向取4

10、5 度下测量 多组消光位置的 p 和 A 角度，并输入软件进行计算处理获得待测薄膜的厚度和 折射率。 实验仪器实验仪器： 氦氖激光器氦氖激光器 起偏器起偏器 波片波片 待测样待测样品 检偏器检偏器 白屏白屏目镜目镜 70 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 图 3.椭偏仪实验分光计平台仪器示意图 图 4 氦氖激光器及调整架示意图 实验实验步骤步骤： 一. 光路调整 1. 调节载物台水平（目视，使三个底脚螺钉顶起高度一致） 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 2. 激光器、平行光管和望远镜筒共轴（利用调共轴辅助件，使得激光从中央小 孔进入再从中央小孔射出，

11、入射光管与出射光管共轴，记下此时刻度） 二偏振片和 1/4 波片的调整 1.检偏器的定位（图 5） ： 图 5.检偏器定位示意图 （1）将检偏器套在望远镜筒上，偏振片读数窗口朝上，起始读书为 90； （2）将接收光管转 66，在载物台上放置黑色反光镜，此时光线以布儒斯特角 入射反光镜； （3）整体转动检偏器（保持起始读数 90位置不变） ，使半反目镜中观察到的 反射光线最暗。锁紧检偏器的固定螺丝； （4）将望远镜筒转回原位，取下黑色反光镜。 2.起偏器的定位： （1）将起偏器套在平行光管上，起偏器读数窗口朝上，使上下刻度起始均为零； （2）整体转动起偏器（保持起始刻度不变） ，使检偏器出射的光

12、最暗，锁紧起偏 器的固定螺丝。 3.1/4 波片的调整 将 1/4 波片套在起偏器上，快轴对准起偏器的 0，微调波片使检偏器出射 57 检偏器 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 光最暗。 三测量薄膜样品： 1.将薄膜样品放置在载物台中央； 2.望远镜筒转过 40（此时激光束以 70角入射薄膜表面） ； 3.1/4 波片置于+45 ，仔细调整起、检偏器角度同时90 (和同时90 ),使检偏器 出射光强最弱，分别读出检、起偏器偏转角度 A1,P1(A2,P2)。 4.1/4 波片置于-45，重复上述步骤测出 A3,P3,A4,P4。 四 将所测的四组数据输入计算机进行数据处理

13、，计算出薄膜样品的厚度和折射 率。 实验过程中严禁触摸薄膜表面。 实验内容：实验内容： 使用椭圆偏振法测量标准厚度在 180nm、 120nm 和 90nm 等几种氧化物薄膜的 厚度和折射率。 对不同专业背景的同学，我们考虑为同学们设置不同的实验内容。对物理类 专业同学，实验要求测量衬底为透明玻璃的氧化物薄膜。其难点在于实验中需要 考虑透明衬底及透明氧化物薄膜的不同界面对入射光的反射， 在通过白屏目镜选 择反射光点判断明暗变化时需要结合光路选择合适的反射光点。 对非物理类的同学只要求测量衬底背面为毛玻璃的氧化物薄膜的样品， 不需 要考虑多个反射光点的问题。 计算软件使用说明：计算软件使用说明：

14、 实验室电脑上有软件操作说明电子版和演示视频。 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 图 6.计算程序界面 1.本实验所用薄膜厚度和折射率计算程序界面如图 6 所示，实验中所用 薄膜可以认为是无吸收，可以选择氦氖激光器或者半导体激光器作为光源，本实 验选择氦氖激光器，衬底为 K9 玻璃或者普通玻璃，入射角为 70 。 图 7.输入数据 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 2.然后点击输入数据，如图 7 所示，把测量结果进行输入，输入过程中注意 数据输入的顺序。我们使用厚度为 370nm 薄膜样品的实验数据作为示范。图 8 所示是先绘出薄膜厚度下限 0、上限

15、 300nm、精度 10nm 和折射率下限 1.1、上限 2.5、精度 0.1，且作图区域放大倍数为 1 的一组结果曲线。 图 8 绘图过程 3.在设置完上述参数和输入数据后单击命令按钮“开始作图”，这些参数会被 输入到程序中，同时在作图区域标出坐标，其中 X 轴为椭偏参数 ，Y 轴为椭偏 参数 ，如图 9 所示。测试结果 A、 P 换算为 和 后也被标记在作图区域中。 在单入射角情况下，其位置始终位于作图区域的中心。 （在无放大的情况下，测 试结果点在图中不是很明显，但放大后就 很清楚了） 。可以点击下一条线，逐步 观察结果的分布，并且几下最开始通过中心点的曲线对应的当前厚度（蓝线）和 折射率（红线） ，图 8 中当前厚度为 20nm，图 9 中当前折射率为 2。 三级实验讲义 赵伟 郑虹 椭圆偏振法测量薄膜厚度折射率 图 9 绘图过程 图 10 更改放大率的绘图过程 3.更改软件设置中的膜厚上下限，折射率上下限及画图放大倍数如图 10 所 示， 进一步确定通过中心点的曲线，确定后在软件界面最下面一行输入