椭圆偏振测厚度-上饶师范学院物理与电子信息学院

1、14波片后成为特殊的其中Rp齐2pexp(-2i ' )1 ApDpexpN )跟 Dsexpg )1 rjsexpi、)(1.1)2、dn cos 2(1.2)椭圆偏振测厚度实验讲义毛杰健，杨建荣一实验目的1、了解椭圆偏振法的根本原理 ；2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率二实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪，计算机三实验原理：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。椭圆偏振法测量的根本思路时，起偏器产生的线偏振光经取向一定的 椭圆偏振光，把它投射到待测样品外表时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品外表反射

2、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，便可以确定样品外表的许多光学特性。设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为d、折射率为n透明同性膜层。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屡次的反射和折射， ，总p分量和s分量的总反射系数反射光束将是许多反射光束干预的结果。利用多光束干预的理论，得是相邻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RpjR来表征。在椭圆偏振法中，用椭偏参量？和厶；来描述反射系数比，其定义为:(1.3)宇和厶只是薄膜厚度和折射率的函数

3、,tan ? exp(i J =Rp Rs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,只要测量出？和厶，原那么上应能解出d和n。然而，从上述各式却无法解析出d=7,®和n = 丁，厶的 具体形式。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？，cd,n的关系图表，待测出某一薄膜的？和厶后再从图表上查出相应的 d和n的值。测量样品的？和厶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7和厶的根本原于是(1.4)tan 丫 exp(i.：)=(1.5)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Ep，Es

4、，Erp, Ers，那么有为了使？和.i成为比拟容易测量的物理量，应该设法满足下面的两个条件:(1)使入射光束满足EipEis(1.6)(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?=八=(Ip- 一 rs) - ( 一 ip - 一 is),(1.7)(:rp - ：rs) =0或二图1实验装置示意图图1时本实验装置的示意图。 在图中的坐标系中，X轴和X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 y和y轴那么垂直于入射面。起偏器和检偏器的透光轴t和与x轴或x轴的夹角分别为p和a。下面将会看到，只需让 14波片的快轴f与x轴的夹

5、角为: . 4，便可以在14波片后面得到所需的满足条件Eip = Eis ；的特殊椭圆偏振入射光束。图2中的Eo代表有方位角位 P的起偏器出射的线偏振光。当它投射到快轴与 x轴的夹角为 4的14波片时，将在波片的快轴f和慢轴s上分解为Efi = Eo cos(P - ),nEsi =E°cos(P).4(1.8)通过14波片后，Ef将比Es超前门2 ,于是在14波片后应该有TEJITEEf2 二 Eo cos(P )exp( i ), E$2 二 E° cos(P ).424把这两个分量分别在x轴及y轴上投影并再合成为Ex和Ey，便得到(1.9)Ex =Ey- n 1Eo

6、exp i(P ；),- 4亍 E°exp 吟-P).辽丿(1.10)可见，Ex和Ey也就是即将投射到待测样品外表的入射光束的p分量和s分量，即Eip 二 ExE°exp i(P 寸),显然，入射光束已经成为满足条件(1.11)Eip = Eis ;的特殊圆偏振光，其分量的位相差为(»2匕.(1.12)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Er垂直时，即反射光在检偏器后消光时，应该有ErpErs二 tan A(1.13)这样，由式1.7可得tan? - ta nA,(1.14) Ip - 飞-2卩二Crp - 卞或二可以约定，A在坐标系

7、x , y中只在第一及第四象限内取值。下面分别讨论 Crp 一飞二0或二的情况。1片p -Brs=Ji 此时的P记为P，合成的反射线偏振光的 Er在第二及第四象限里，于是A在第-2象限并计为A。由式1.14可得到(1.15)1Crp -飞=0此时的P记为F2，合成的反射线偏振光的Er在第一及第三象限里，于是 A在第四象限并计为A。由式1.14可得到(1.16)从式1.15和1.16可得到P,A和F>, A,的关系为(1.17)因此，在图1的装置中只要使14波片的快轴f与x轴的夹角为 . 4，然后测出检偏器后消光时起、 检偏器方位角R,A或B,A2，便可按式1.15或1.16求出甲，也，从

8、而完成总反射系数比的测量。 在借助已经算好的？Jd, n的关系图表，即可查出待测薄膜的厚度d和折射率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、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局部组成。1、光源机构:光源机构主要由150m m,功率0.8mw，波长为632.8nm的氦氖激光器等组成。图5-1光源机构2、起偏机构:偏振片机构、1/4波片机构等组成。起偏机构主要由步进电机、1 、步进电机采用步距角为1.8° ,12v的直流步进电机，它由1/64细分电路控制，故步进角最小可达0.014°，从而拖动齿轮副回转。通过起

9、偏机构可测得起偏角P。2、齿轮副由一对直齿圆柱齿轮组成。与步进电机输出轴联接的主动齿轮，传动比为i=0.5。3、偏振片置于偏振套筒中，通过从动齿轮的回转可以实现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。4、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、检偏机构:检偏机构主要由步进电机、齿轮副及偏振片等组成，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0.014°的检偏角A。齿轮副图5-3检偏机构偏振片组步进电机4、接收机构:接收

10、机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘副尺等组成。光电倍增管采用侧窗式，型号为CR114。图5-4接收机构5、主体机构：主体机构主要由大刻度盘、上回转托盘、下回转托盘及箱体等组成。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。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。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。大刻度盘上外表的外边缘，刻有两段 30° -90°的刻线，每刻度值为

11、1°，两个起偏、检偏度盘副尺上，均匀刻有20格刻线，故入射角读数精度为0.05°。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。样品架可以夹持直径 0 10- 0 14,厚度w 13m的被测样品。调整架可对被夹持的样品作上下俯仰；左右偏摆；前后移动的三维调节均以正对着被测样品外表方向观察。in图5-6装卡机构光阑机构置于被测样品外表处，起限制其它杂散光的进入。光阑机构可前后移动，以方便被测样品的装卡。7、光学系统：仪器的光学系统包括光源、接收器、偏振片、1/4波片，其光路图：见图5-7 8、仪器使用及考前须知1 、激光光源点亮后会发出较强的激光，对人眼能造成一

12、定的伤害， 故在使用中，绝对禁止直视光源。2、仪器在使用过程中各部件会产生热量，为了能够更有效地使用本仪器。工作时应尽量选择在阴凉、 通风好的地方，以免影响仪器的使用寿命。3、长时间不使用时，应将仪器置于防尘、隔热、相对湿度<70%环境。五实验内容和步骤1、准备过程:1 、首先开启主机电源，点亮氦氖激光器预热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。联接主机与PC机间的USb线此 时PC机可能会提示发现新硬件。2 、双击PC机桌面上的TPY 2型自动椭圆偏振测厚仪图标，运行程序。装卡被测样品。注意：旋紧吸盘拉杆时要视被测样品

13、直径和质地而适当调节，切记不可用力过大，使样品损坏。3、选定入射角$ 如70°,调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品外表反射后的激光束刚好通过检偏器入光口。4顺时针旋转电控箱调节旋钮，将读数调到150伏左右视仪器情况而定即可。2、实验过程：说明：通过旋转起偏器的角度，可使入射到样品外表的椭圆偏振光的两个分量的位相差变化，当起偏器调到某一角度 P时，经样品反射的椭圆偏振光就变成了线偏振光。此时，旋转检偏器到某一角度A，使检偏器的透光方向与线偏振光的振动方向垂直，到达消光状态，探测器接收的光强最小，这时，A、P就是我们要测的一对消光角。为了减小因系统的不完善造成的系统误差，通常仪器采

14、取在多个不同的消光位 置进行测量。重复上述步骤，即可得到多对消光角。1 、双击桌面图标，运行程序。点击进入按钮，再点击实验，选择实验类型通常选择第一类，再点击实验填入相应参数，确定后。点击测量，填入相应参数点击确定。此时，如果一切准备就绪，就可以点击测量，开始实验。测量时实验框的左侧会显示出仪器测量过程的步骤提示，同时还能在右侧的坐标栏中看到扫描曲线。等待测量结束后，选择数据平均次数，点击确定。现在窗体会回到进入时的对话框，同时测量数据已自动填入参数栏内，点击测量旁的计算按钮。程 序将自动计算出测量结果。点击确定，第一组数据测量完毕。提示：在实验过程中，如果扫描曲线的谷点过低，接近 0'点，此时可适当把电控箱电压上调一些。2、为了计算薄膜的真实厚度：由理论分析可知，样品的一组, A 只能求得一个膜厚周期内的厚度值，要测量膜厚超过一个周期的真实厚度，常采用改变入射角或波长的方法得到多组，?i , '：i ,真实膜厚d可由下式解得：m1D1 d m2D2 d =mi Di did=式中：g、m2> m3为正整数DD2、D3为膜厚周期数dl、d2、d3分别为不同测量条件时，所对应一个周期内的厚度值。此时，将测得的R,A和BA2加上