ellipsometer

1、许迪迪S201502007电控椭圆偏光仪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，同时也是研究固体表面特性的重要工具。椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的波片后成为特殊的椭圆偏振光，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。设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为、折射率为的透明各向同性的膜层。光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p分量及垂直于入射面的s分量。入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，总反

2、射光束将是许多反射光束干涉的结果。利用多光束干涉的理论，得p分量和s分量的总反射系数原理原理 12121212exp( 2)exp( 2), ,1exp( 2)1exp( 2)ppsspsppssrrirriRRr rir ri其中242cosdn是相邻两反射光束之间的相位差，而为光在真空中的波长。光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比来表征。在椭圆偏振法中，用椭偏参量和；来描述反射系数比，其定义为：tanexp()psiRR 在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，和只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出和，原则上应能解出和。然而，从上述各式中却无法解析出和的具体

3、形式。因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下的关系图表，待测出某一薄膜的和后再从图表上查出相应的和的值。测量样品的和的方法主要有光度法和消光法。我们主要介绍用椭偏消光法确定和的基本原理。设入射光束和反射光束电矢量的p分量和s分量分别为， 则有, ,prpipsrsisREEREEtanexp().rprsipisEEiEE 为了使和成为比较容易测量的物理量，应该设法满足下面的两个条件：（1）使入射光束满足;ipisEE（2）使反射光束成为线偏振光，也就是令反射光两分量的位相差为0或满足上述两个条件时，有tan,()(),()0rprsr

4、prsipisrprsEE 或其 中分别使入射光束和反射光束的p分量和s分量的位相。, , , rprsipis原理探测器检偏器样品xfy1/4波片yt起偏器 x单色光束图1实验装置示意图21,x1y1t图1是本实验装置的示意图。在图中的坐标系中，轴和轴均在入射面内且分别与入射光束或反射光束的传播方向垂直，而和轴则垂直于入射面。起偏器和检偏器的透光轴和与轴或轴的夹角分别为P和A。下面将会看到，只需让波片的快轴与轴的夹角为 便可以在波片后面得到所需的满足条件 的特殊椭圆偏振入射光束。4;ipisEE图2 1/4波片快轴的取向 S f P X Y 图3 检偏器透光轴的取向 Affff1fE0E41

5、X1Y,trErpErsE图2中的代表经方位角为P的起偏器出射的线偏振光。当它投射到快轴与轴的夹角为 的 波片时，将在波片的快轴和慢轴上分解为通过 波片后， 将比 超前 ，于是在 波片后应该有41 4)4cos(01PEEf)4sin(1PEs1 4fEsE21 4)2exp()4cos(02iPEEf)4sin(02PEEs把这两个分量分别在x轴及y轴上投影并再合成为 和 ，便得到可见， 和 也就是即将投射到待测样品表面的入射光束的p分量和s分量，即xEyE002exp() ,2423exp() .24xyEEi PEEiPxEyE显然，入射光束已经成为满足条件 的特殊椭圆偏振光，其分量的位

6、相差为由图3可以看出，当检偏器的透光轴 与合成的反射线偏振光束的电矢量 垂直时，即反射光在检偏器后消光时，应该有002exp() ,2423exp() .24ipxisyEEEi PEEEiP;ipisEE()2.2ipisP1trEtanrprsEAE这样，由式（7）可得tantan,()(2),2()0rprsrprsAP 或可以约定，在坐标系 中只在第一及第四象限内取值。下面分别讨论 的情况。,x y()0rprs 或()rprs（1）. 此时的 记为 ，合成的反射线偏振光的在第二及第四象限里，于是A在第一象限并计为 。由式（14）可得到P1PrE1A11322AP ()0rprs（2）

7、 . 此时的P记为 ，合成的反射线偏振光的 在第一及第三象限里，于是A在第四象限并计为 。由式（14）可得到2PrE2A2222AP 从式（15）和（16）可得到 和 的关系为11( ,)P A22(,)P A12122AAPP 因此，在图1的装置中只要使 波片的快轴f与x轴的夹角为 ，然后测出检偏器后消光时起、检偏器方位角 或 ，便可按式（15）或(16)求出 ，从而完成总反射系数比的测量。在借助已经算好的 的关系图表，即可查出待测薄膜的厚度d和折射率n。1 4411( ,)P A22(,)P A(, ) (, ) ( , )d n 四 实验装置本实验所采用的TPY-1型椭圆偏振测厚仪集光、

8、机、电于一体。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部分组成。1、光源机构：光源机构主要由150mm，功率0.8mw，波长为632.8nm的氦氖激光器等组成。2、起偏机构：起偏机构主要由偏振片机构、1/4波片机构及读数机构等组成。1）、偏振片置于偏振套筒中，通过回转机构可以实现0-180范围内的转动，从而使入射到其上的自然光（非偏振激光）变成线偏振光出射。2）、1/4波片的调节是通过旋转波片镜筒组中的回转手轮实现，使射入其上的线偏振光变成椭圆偏振光（波片位置出厂时已调节好，用户无须调节）。3）读数机构由大圆刻度盘及游标盘组成。大圆刻度盘外圆周被均分为360份，游标

9、盘最小刻度为0.05度，通过起偏机构可测得精度为0.05的起偏角P。3、 检偏机构：检偏机构主要由偏振片、回转机构和读数机构等组成，其结构形式作用等同于起偏机构，通过检偏机构可测出精度为0.05的检偏角A。4、 接收机构：接收机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘游标尺等组成。光电倍增管采用侧窗式，型号为CR114。3、 检偏机构：检偏机构主要由偏振片、回转机构和读数机构等组成，其结构形式作用等同于起偏机构，通过检偏机构可测出精度为0.05的检偏角A。4、 接收机构：接收机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘游标尺等组成。光电倍增管采用侧窗式，型号为CR114。5、 主体机构：主体机构

10、主要由大刻度盘、上回转托盘、下回转托盘及箱体等组成。1）下回转托盘通过立轴下挡圈固定在大刻度盘上的下悬的立轴上。其上固定光源机构和起偏机构，故下回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。2）上回转托盘通过立轴上挡圈固定在大刻度盘上的下悬立轴上，其上固定检偏机构和接收机构，故上回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。3）大刻度盘通过三个支柱固定在箱体上，其上固定装卡机构以装、卡被测样品。大刻度盘上表面的外边缘，刻有两段30-90的刻线，每刻度值为1，起偏、检偏悬臂游标尺上，均匀刻有20格刻线，故入射角读数精度为0.05。4）箱体由箱体上面板、底板及底脚等组成。6、 装卡机构：装卡机构主要由样品架、调整架、光阑机构等组成。