椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率近代科学技术中对各种薄膜的研究和应用日益广泛.因此,能够更加迅速和精确地测量薄膜的光学参数例如厚度和折射率已变得非常迫切.在实际工作中可以利用各种传统的方法来测定薄膜的光学参数,如布儒斯特角法测介质膜的折射率,干预法测膜.另外,还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法等等.其中,椭圆偏振测量椭偏术是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法,其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换.由于椭偏法具有测量精度高,灵敏度高,非破坏性等优点,已广泛用于各种薄膜的光学参数测量,如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃或镀膜、激光反射镜、大面积

2、光学膜、有机薄膜等,也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量.实验目的了解椭圆偏振测量的根本原理,并掌握一些偏振光学实验技术.实验原理光是一种电磁波,是横波.电场强度E、磁场强度H和光的传播方向构成一个右旋的正交三矢族.光矢量存在着各种方位值.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.在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后,光线的反射和折射在一般情况下会同时存这里我们用2 8表示相邻两分波的相位差,其中在的.通常,设介质层为 n1、n2、na,也为入射角,那么在 1、2介质交界面和2、3介质交 界面会产生反射光和折射光的多光束干预.2 dn?

3、cos 2 / ,用门p、 门s表不'光线的p分量、s分量在界面i、2间的反射系数,用r2p、r2s表不'光线的p分量、s分量在界面2、3间的反射系数.由多光束干预的复振幅计算可知:Erpi2ripr2pe"2 EipiripeErsi2risr2sei2irisr2seEis(2)其中Eip和Eis分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量,Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量.现将上述Eip、Eis、Erp、Ers四个量写成一个量G ,即:Erp / ErsiGtg eEip / Eisi2 ripr2perisi ripei2 ii2r2sei2ri

4、s2se我们定义G为反射系数比,它应为一个复数,可用tg少和A表示它的模和幅角.上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出:ri pris2s2(n2 cos (n3 cos (r cos i (n2 cos4 dn2 cosni cos 2)/(n2 cos in2 cos 3)/(n3 cos 2n2 cos 2) /(n cos i% cos 3) / (n2 cos 22 /ni cos2)(4)r cos i n2 cos 2 n3 cos 3n2 cos 3)n2cos 2)n3 cos 3)(6)(8)G是变量ni、n2、n3、d、卜 加的函数(加、可用 电表示),称少和A

5、为椭偏参数,上述复数方程(3)可表示两个等式方程:tgi2ei 的实数局部=r1P r2pe .2 i ripr2pe 1i2r1s r2se i2 的实数局部i AsZe 1tgi2ei 的虚数局部=J1Pr2pe i2iripr2pei2r1sr2se i2 的虚数局部i假设能从实验测出少和A的话,原那么上可以解出 n2和d (ni、n3、人也),根据公式(4)(9),推导出 (和A与rip、r2p、r2s、和8的关系:222 2(i0)tgrip r2 P 2 ripQpCOS21 risr2s 2risr2s cos2 i/212ripr2pcos2 口2 £ 2%公8$22

6、ir2P(1 小n2itg tgrip(1 琮)r2P(i ri?cos2y2、r2s(i ris)sin2ris(i 昌 r2s(i ri2)cos2(ii)由上式经计算机运算, 可制作数表或计算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的根本原理.假设d是,n2为复数的话,也可求出 n2的实部和虚部.那么,在实验中是如何测定力和A的呢现用复数形式表示入射光和反射光:其中rEipEiprip, Eisi . r Eis ei is, ErpErprrp ,ErsErse1rs(12)由式3和12,得:tg eiErp / ErsEip / Eisi( rpers)(ip is)(13)tgErp/Ers-

7、i(rp rs)(eeEip / Eis(14)这时需要测量四个量,即入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差,如设法使入射光为等幅椭圆偏振光,Eip/Eis = 1 ,那么tg归Erp/Ers|；对于相位角,有:(rprs )( ipis )ip is rp rs(15)调节起偏器的角度,可使入射光两个分量的相位差而-的变化,当起偏器调到某一角度P时,经样品反射的椭圆偏振光就成为了线偏振光,即 即-加=0 或Tt,那么A =-心-伊或A = 7-即-阴.可见A只与入射光的p波和s波的相位差有关,可由起偏角P算出起偏角与位相差的关系详见实验装置2.这时,旋转检偏器到某一角

8、度A,使检偏器的透光方向与线偏振光的振动方向垂直产t/2- A,到达消光状态,探测器接收的光强最小.以上方法被称为消光测量法,A和P就是我们要测的一对消光角.实验装置天津拓普TPY-1型椭圆偏振测厚仪1、主要性能指标测量范围：薄膜厚度范围：14000nm折射率范围：110测量膜厚重复性精度：虫nm折射率重复性精度：M.01入射角连续调节范围 2090°,精度0.05.起偏角和检偏角精度 0.050入射光波长：632.8nm (氨速激光器)2、等幅椭圆偏振光的获得自然光经过偏振片, 能量损失一半,成为线偏振光.其后放置一块四分之一波片,使光的振动平面和 M4波片的主截面成45°

9、;,即"4波片置于其快轴方向与 x方向的夹角为 N4的 方位(波片位置出厂时已调节好),Eo为通过起偏器后的电矢量,P为E 0与x方向间的夹角. 通过四分之一波片后,E.沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较,相位上超前N2.快轴EfE0ei /2 cos(P )4慢轴 Es E° sin(P -)此时沿x方向和y方向的分量为：2 i /2 i(P /4)Ex Ef cos Es sin E0e e4422 i /2 i(P /4)Ey Ef sin- Es cos E0e e442即,2i(4 P)EipE0eE 11 E J(4 P)Eis - E0e2E0为等幅椭圆偏振光,相

10、位差为2P- N2,可连续调节.3、装卡机构装卡机构主要由燕尾导轨、调整架、光阑片及底座等组成.燕尾导轨可以固定直径在 10140mm,厚度imm的被测样品.装样时先将旋钮旋至松 开状态,将样品吸贴在吸盘上,然后反方向旋转旋钮,直至样品被吸紧.调整架可使固定在燕尾导轨上的被测样品做俯仰、左右偏摆.调整架及燕尾导轨固定在一维底座上,通过转动千分尺,可拖动被测样品做前后移动, 以适合不同厚度的被测样品.实验内容1、准备过程首先开启主机电源, 点亮氨就激光器预热30分钟后再测量为宜.然后将电控箱调节 旋钮逆时针旋到头,联接好主机与电控箱间的各种数据线,开启电控箱电源.双击桌面上“TPY_1型椭圆偏振

11、测厚仪的快捷方式,运行程序.装卡被测样品.将起偏器与检偏器的刻度值分别旋至零点.调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂至选定角度如70°,通过调节底座和调整架,使经样品外表反射后的激光束刚好通过检偏器入光口.顺时针旋转电控箱调节旋钮, 将读数调到150伏左右实验中可适当调高电控箱的电压 . 2、实验过程逆时针缓慢转动检偏器手轮,同时观察电压表表头. 当指针指示下降到一个相对最小值时,停止转动手轮,记下此时检偏刻度盘的数值读数方法类似于游标卡尺.此角度即为第一个检偏消光角,简称检偏角Ai.顺时针缓慢转动起偏器手轮,同时观察电压表表头. 当指针再次下降到一个相对最小值时,停止转动手轮,记下此时起

12、偏刻度盘的数值.此角度即为第一个起偏消光角,简称起偏角Pi.重复上述步骤屡次后,将多组测量值 P, A分别求平均,代入公式得出相应的5A值,根据8A n2, d的关系求n2和d.改变入射角度与前组相差1°,重复上述步骤,得到另一组n'2和d'.运用软件对两组数据进行拟合,计算薄膜的真实厚度.3、软件使用双击桌面上“TPY_1型椭圆偏振测厚仪的快捷方式,运行程序.TFY 1主嘀圆偏需那么摩收乖 人洋心拓部仪器仃限公司TPY-1型椭圆偏振测厚仪 ；"e ijtp.cDiTilSS2SS917itr&t jtp. cmFaKrO

13、22-281l3917点击对话框右下角的进入,fcl /;3£ 一,±1F . m J-i了 ,士上 第唱TPYT型楠圆偏振测厚仪天津山把曾仪圈疗限欠二鼠标左键单击工具栏中的 文件“ 一退出,可直接退出本程序.要开始实验,点击快捷栏中的实验,选择 薄膜的折射率和厚度的计算,点击 确定,进入操作界面:砧狂 ,工4 屋施IT口iS,产wIe百：ESI 中杆用qE#j停,-E>r+i»；就K*I nil I 9 二«AKrt >1|< | & -专片片鼠三代图跟千ft1标乖科力kt*自言净列入朝碉tirfViltti充引阳|加13贮枭

14、 瑞大将；*0布新十 口多段工井"丁普冶分 "通弟m,本软件是椭圆偏振测厚计算软件,使用时点击左上角实验,弹出如下对话框:在对话框里填入实验前已确定的一些根本参数,填好后点击确定.F青胪ih干川昆的J,图区确定.如下列图,点击 输入,将弹出如下对话框,将测量的数据填入空白处后,点击将出现如下界面,点击计算.计算结果如下:显示的折射率、厚度即为实验所求结果.如果想保存数据点击确定,否那么点 取消".确定后,计算结果自动填入如下界面的表格中.样品的一组5A只能求得一个膜厚周期内的厚度值d,而薄膜的真实厚度 T= mD+d,其中m为非负整数,D为膜厚的周期.假设测量的膜厚超过一个周期,常采用改变入射角或 波长的方法得到多组5, A,由下式解得真实膜厚 T:T = miDi+di = m2D2+d2 =miDi+di改变入射角,重复以上步骤,可以得到另外一组数据.为了求解薄膜厚度的真实