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1、引言椭偏法测量薄膜厚度和折射率的研究在近代科学技术和日常生活中，各种薄膜的应用日益广泛。因此，能够迅速和准确 地测量薄膜参数是非常重要的。在实际工作中可以利用各种传统的方法测定薄膜光学参数，如：布儒斯特角法测介质 膜的折射率，干预法测膜厚。另外，还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法等等。其中,因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，并可用于研究固体外表与 其膜层的光学特性，已在光学、半导体学、凝聚态物理、生物学、医学等诸多领域得到广 泛的应用。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 也是研究固体外表特性的重要工具。一、实验目的1、了解椭偏仪的构造和
2、椭圆偏振法测定薄膜参数的根本原理。2、通过对薄膜样品厚度和折射率的测量，初步掌握椭圆偏振仪的使用和数据处理的方法、实验原理1、椭偏法测量薄膜参数的根本原理波片7-1/椭圆偏振光的P 起偏器，D 图检偏器fj、薄膜样品，、/.曰光是E和磁场强度H与光的传播方向构成一个右旋种电磁波，且是横波。电场强度的正交三矢族。与光的强度、频率、位相等参量一样，偏振态也是光的根本量之一。如果 入射光束的偏振态，当测得通过某薄膜后的出射光偏振态，就能确定该薄膜影响系统 光学性能的某些物理量，如折射率、薄膜厚度等。如图7-1所示，一束自然光非偏振激光经过起偏器后变成线偏振光，改变起偏器的方位角可以改变线偏光的振动方
3、向。此线偏光穿过1/4波片后，由于双折射效应分成两束光，即o光和e光。对正晶体的1/4波片，o光沿快轴方向偏振，e光沿慢轴方向偏振， o光的振动位相超前 e光 /2 ;对负晶体的1/4波片情况反之。因此，o光e光合成后的光 矢量端点形成椭圆偏振光。当椭圆偏振光入射到待测的膜面上时，如图7-2所示，反射光的偏振态将发生变化，对于一定的样品，总可以找到一个起偏方位角，使反射光由椭圆偏 振光变成线偏振光。这时，转动检偏器，在某个方位角下得到消光状态。这种方法被称为E2iiC图7-3 光的反射和折射图.7-3光的反射和折射E rp7-,RsEiprsEis考虑光从空气中入射到薄膜七如此ni=1 o在下
4、界面，考虑两束相邻的反射光，其光程差是否有/2的相位差取决于n2和n3的关系- AD因为n2（AC cb）dAC CBf“ adi 2d sin i?7-3tABisin消光测量法。下面来分析如何通过椭偏方法测量薄膜折射率和 厚度。图7-3所示为光在一均匀和各向同性的单层介质 膜上的反射和折射。单层介质膜有两个平行的界面，通 常，上部是空气或真空，即折射率ni = 1。中间是层厚度为d、折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为 m的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上。当一束光射到 薄膜面上时，在上界面和下界面形成屡次反射和折射， 并且各反射光和折射光分别产生多光束干预，其干预结 果反映了膜的光学特性
5、。设ii为光的入射角，i 2和i 3分别为在上界面和下 界面上的折射角。根据折射定律有17-ngnhn2sini2 n3sini3光波的电矢量可以分解成在入射面振动的 p分量和垂直于入射面振动的s分量假如用Eip和Es分别代表入射光电矢量的p和S分量，用Erp与Ers分别代表反射光电矢量的 p分量之和与s分量之和，如此膜对两个分量的总反射系数Rp和斥定义为2nd ?2-2-13 7-42 ndi间的位相差如此任意相邻两束反2 / 13si 7-5co ndi dn - nsin -402 2 2式中，为真空中的波长，d和n2为介质膜的厚度和折射率.由菲涅尔公式tan( i1 21s2ii1 2
6、-i )/ta n(r1p )12-13 iir-sin( i-i)/sin()2pii-si)7-63可得- i23E rreRrp - i2p p 7-p7E rreip-pp1- i2322sP11 2srs11 2-i211 21-13 PPss1rre7-83- i2E rreisss式中，严、严和d、淬分别为p和8分量在上界面和下界面上一次反射的反射系数。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A来描述反射光偏振态的变化，它们与总反射系数的关系定义为- 2R-27 rre1-136 i81ta pn-13 Rs2-13 ssi27-上式简称为椭偏方程，其中的rrerr
7、e-13 ss和A称为椭偏参数由于具有角度量纲也称椭偏角由式7-1、 7-6、 7-9可以看出，参数和A是m , n2, n3, 和d的函数。其中n1, na,和i1可以是量，如果能从实验中测出和A的值，原如此上就可以算出薄膜的折射率 n2和厚度d，这就是椭圆偏振法测量的根本原理。2、和A的物理意义用复数形式表示入射光和反射光的p和s分量，即ipexp(iip),EsEsexp( iis)Ep(rprprsErs7-13)()-13 7-14ipis式7-13、7-14 :1明确，4日 参量与反射前后p和s分量的振幅比有关,参量 A-27 E-13 7-10rpErsEiPErP-40 Eii
8、 7-11：s式中各绝对值为相应电矢量的振幅，各B 可以得到()值为相应界面处的位相。eitan比拟等式两端即可得Eisi(13exprp13)ipis-40 7-12与反射前后p和S分量的位相差有关。可见，和A直接反映了光在反射前后偏振态的变化。这样假如测得入射光中的两分量振幅比和相位差与反射光中的两分量振幅比和相位 差，如此可求得椭偏参数和A。人s3、和A的测量原理Erp椭偏参数和A是可以通过实验测量的量。为了使问题Er / _简化，可以在实验中使入射光为等幅椭偏光，即EipEis 1 ,iErs如此式7-13丨变为PtanEp Ers 7-15图7-4反射光的p和s分量-1口整仪f|器，
9、使 为线偏光，土光成F可见，这时tan厂一是反射光的 波和s波的相位差有关。椭圆偏振仪简称椭偏仪的光路原理如图8 nm 的自然光，先后通过起偏器、电接收器T。如前所述，p和s分别代表平行和垂直于入射面的二个方向。 偏振方向，f代表1/4波片的快轴方向，见图 方向，对于负晶体如此平行于光轴的方向。p和S分量的幅值比图 74图7-5光路原理p如此式-14丨变为ip-所示，7-16而 A只与反射前光的 p7-5所示。氦氖激光器发出的波长为632.1/4波片入射在待测薄膜上，反射光通过检偏器射入光 t代表起偏器的7-6。对于正晶体，快轴方向f垂直于光轴的(a)图7-6 迎光线观察：(a)起偏器；(b)
10、1/4波片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？ =/4即可。设E。沿快轴方向f的分量为Ef,沿慢轴方向的分量为E,通过波片后Ef的位相超前e /2，如图7-7所示。因此有EfE。cos (4Pesin(-81cosE7 - 1 7sEEo4 p)7t8将透射后的Ef和日沿p、s方向投影，可得- 2EipE-81cos -22 i(34 P )Ee 1 -13 7-19P EofEff4 42图7-7等幅偏振光的获得厂2EsE-13 iP4 Ee-81si
11、n-81sin1 2(Ef42)l 4-13 7-20由以上两式可知，当波片快轴方向f取/4时，无论起偏角 P为多少，出射的 Eip和 Es2E。而位相差两分量大小始终相等均为203P)(P)22p-13 7-204同样的分析有，当快轴方向为f取（一/4）时，可得振幅2的等幅椭偏光，两分量E的位相差为（2p/2）。可见A可从起偏器的方位角P算为了使经过膜反射的光成为线偏振光E，可转动起偏器，使它的偏振方向t与s方向间的夹角P为某些特定值。这时，如果转动检偏器使它的偏振方向tr与E垂直，如此仪器处于消光状态，光电接收器 T接收到的光强最小，检流计的示值也最小。本实验中所使用的 椭偏仪，可以得到消
12、光状态下的起偏角 p和检偏方位角2。三、实验装置和操作方法1、仪器的组成和结构椭偏仪是集光、机、电于一体的仪器。椭偏仪主要由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构和装卡机构共六局部组成偏振片组偏振片组1/4波片回转机构图7-8构起偏机步进电机图7-9检偏机构步进电机的氦氖激光器等组成。 光源机构：主要由 150mm，功率 0.8mW，波长为 632.8nm(2) 起偏机构：主要由步进电机、偏振片机构、1/4波片机构等组成，如图 7-8所示。通过起偏机构，首 先使入射到其上的自然光非偏振激光变成线偏振光出射，通过1/4波片又使线偏振光变成椭圆偏 振光波片位置出厂时已调节好，无须调节。起
13、 偏机构可测得起偏角。(3) 检偏机构：主要由步进电机、偏振片等组成，如图7-9所示，其结构形式与起偏机构相似，通过检偏 机构可测出检偏角。支架底板光电倍增管检偏度盘副尺图7-10接收机构(5)2、3、(1)(5)67-10所示。接收机构：主要由光电倍增管、支架、底板与检偏度盘副尺等组成，如图主体机构：主要由大刻度盘、上回转托 盘、下回转托盘与箱体等组成，如图7-11所示。下回转托盘上固定有光源机构和 起偏机构，可绕大刻度盘上的下悬立轴 回转。上回转托盘上固定有检偏机构和 接收机构，可绕大刻度盘上的下悬立轴 回转。大刻度盘通过三个大刻度盘支柱 固定在箱体上，其上固定装卡机构以装 卡被测样品。箱体由箱体上面板、底板 与底脚等组成。装卡机
