橢偏儀測量薄膜厚度和折射率

1、橢偏儀測量薄膜厚度和折射率近代科學技術中對各種薄膜的研究和應用日益廣泛。因此，能夠更加迅速和精確地測 量薄膜的光學參數(shù)例如厚度和折射率已變得非常迫切。在實際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法來測定薄膜的光學參數(shù)，如布儒斯特角法測介 質膜的折射率，干涉法測膜。列外，還有稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等等。其中， 橢圓偏振測量（橢偏術）是研究兩媒質界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學方法, 其原理是利用偏振光束在界而或薄膜上的反射或透射時出現(xiàn)的偏振變換。因為橢偏法具有測 量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點，已廣泛用于各種薄膜的光學參數(shù)測量，如半導體、 光學掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃（或鍍膜）

2、、激光反射鏡、大面積光學膜、有機薄 膜等，也可用于介電、非晶半導體、聚合物薄膜、用于薄膜生長過程的實時監(jiān)測等測疑。實驗目的了解橢圓偏振測量的基本原理，并掌握一些偏振光學實驗技術。實驗原理光是一種電磁波，是橫波。電場強度£、磁場強度H和光的傳播方向構成一個右旋的 正交三矢族。光矢量存在著各種方位值。與光的強度、頻率、位相等參量一樣，偏振態(tài)也是 光的基本量之一。在一光學材料上鍍各向同性的單層介質膜后，光線的反射和折射任一般情況下會同時存 在的。通常，設介質層為血、小、仍，©為入射角，那么在1、2介質交界而和2、3介質交 界而會產生反射光和折射光的多光朿干涉。這里我們用25表示相

3、鄰兩分波的相位差，其中= 2壯加2COS0/2,用門八 九表示光線的分量.$分量在界而1、2間的反射系數(shù)，用門卩.宀表示光線的分疑、s分量在界而2、3間的反射系數(shù)。由多光朿涉的復振幅計算可知:（10）（1）T2©其中爲和比 分別代表入射光波電矢量的"分量和£分量，£甲和耳分別代表反射光波電 矢量的“分量和$分量?，F(xiàn)將上述E” Ez Erp. &四個量寫成一個量G,即:G = tg宀宀“； "*：我們立義G為反射系數(shù)比，它應為一個復數(shù)，可用坦0和表示它的模和幅角。上述 公式的過程量轉換可由菲涅耳公式和折射公式給出:(7)rip = （;?

4、2 cos % nA cos輕）/ （z?2 cos % + n cos（p2） r2fl = Os cos（p2 一 從 cos %） / （/i3 cos（p2 + n2 cos %）=（77, cos （p、一n2 cos（p2）/ （n cos % + n2 cos 輕） r2s = （n2 cos（p2 一 n3 cos %） / （n2 cos（p2 + 佝 cos %） 2J = 4兀dn? cos （pj 入n cos （p、= n2 cos（p2 = n3 cos ®G是變量小、辦3、d、八01的函數(shù)(02、03可用®表示)，稱肖和為橢偏參數(shù),上述復數(shù)方程

5、(3)可表示兩個等式方程:-il<p的實如如氓心r + /呂""。二訪的實數(shù)部分/+ 廠tgelS的虛數(shù)部分=丄 土1 +心勺£-i2JGW ：的虛數(shù)部分1 + W"若能從實驗測出歲和的話，原則上可以解出打2和d("l、仍、2、01已知),根據(jù)公式(4)-(9)推導岀©和與門°、門$、m、r2.v和6的關系:聊_ 成誓+2心勺cos 2d 1乎：弓+2/,心23嚴'1 +?？? 2仃勺cos 25卅+好+ 2斤心cos 2J-勺(1-斤；)血23=肝” "八Q 7（1-斥）血2_心（1 +心）+ 勺（

6、1 +成）cos 2d '£（1 + V）+ B（l + X）cos2a（H）由上式經(jīng)汁算機運算，可制作數(shù)表或計算程序。這就是橢偏儀測雖薄膜的基本原理。若 d是已知，“2為復數(shù)的話，也可求出“2的實部和虛部。那么，在實驗中是如何測泄肖和 的呢？現(xiàn)用復數(shù)形式表示入射光和反射光：爲=Eip嚴耳=|瓦|廬屛=Eq）的£ =|殆嚴（12）由式（3）和（12）,得:Erp /禺-兀川(13)其中E /E.(14)rp nrE IE tp IX這時需要測量四個量，即入射光中的兩分量振幅比和相位差及反射光中的兩分量振幅比和相(15)位差，如設法使入射光為等幅橢圓偏振光，勵/民=1

7、，則館殲1%/不上 對于相位角，有: =(0少 _0“)-(幾 _0丹)亠 + 0“ _仇=Prp-Pn調節(jié)起偏器的角度，可使入射光兩個分雖:的相位差駕變化，當起偏器調到某一角度 P時，經(jīng)樣品反射的橢圓偏振光就成為了線偏振光，即亦心"或2,則旳）或 A=-（Ap-Av）可見只與入射光的"波和$波的相位差有關，可由起偏角P算岀（起偏角 與位相差的關系詳見實驗裝置2）。這時，旋轉檢偏器到某一角度A,使檢偏器的透光方向 與線偏振光的振動方向垂宜（殲兀/2-A）,達到消光狀態(tài)，探測器接收的光強最小。以上方 法被稱為消光測量法，A和P就是我們要測的一對消光角。實驗裝置天津拓普TPY-

8、1型橢圓偏振測厚儀1、主要性能指標測量范囤:薄膜厚度范羽：14000訕折射率范I韋I： 110測量膜厚重復性精度:±1沏折射率重復性精度：±0.01入射角連續(xù)調節(jié)范用20-90%精度0.05"起偏角和檢偏角精度0.05。入射光波長：632&”(氮就激光器)2、等幅橢圓偏振光的獲得自然光經(jīng)過偏振片，能疑損失一半，成為線偏振光。其后放置一塊四分之一波片，使光 的振動平而和；J4波片的主截而成45%即；J4波片置于英快軸方向與a-方向的夾角為力4的 方位(波片位置出廠時已調疔好)，£o為通過起偏器后的電矢量，P為與人方向間的夾角。 通過四分之一波片后，

9、沿快軸的分量與沿慢軸的分量比較，相位上超前加2?？燧S =EX7,2cos(P-)4慢軸 E, =E() sin(P-)4此時沿X方向和y方向的分量為：Ex = E, cos-E sin蘭=匹E°d機嚴-杠f 4542Ey = Ef sin7 + Ex 心冷=¥E（）e"e民為等幅橢圓偏振光，相位差為2P52、可連續(xù)調節(jié)。3、裝卡機構裝卡機構主要由燕尾導軌、調整架、光闌片及底座等組成。燕尾導軌可以固定直徑在10140小厚度15/n的被測樣品。裝樣時先將旋鈕旋至松 開狀態(tài)，將樣品吸貼在吸盤上，然后反方向旋轉旋鈕，宜至樣品被吸緊“調整架可使固立在燕尾導軌上的被測樣品做俯

10、仰、左右偏擺。調整架及燕尾導軌固左在一維底座上，通過轉動千分尺，可拖動被測樣品做前后移動, 以適合不同厚度的被測樣品。實驗內容1、準備過程首先開啟主機電源，點亮氮氛激光器（預熱30分鐘后再測量為宜）。然后將電控箱調節(jié) 旋鈕逆時針旋到頭，聯(lián)接好主機與電控箱間的各種數(shù)據(jù)線，開啟電控箱電源。雙擊桌面上“TPY_1型橢圓偏振測厚儀"的快捷方式，運行程序。裝卡被測樣品。將起偏器與檢偏器的刻度值分別旋至零點。調節(jié)起偏機構懸臂和檢偏機構懸臂至選泄角度（如70。），通過調卩底座和調整架，使 經(jīng)樣品表而反射后的激光朿剛好通過檢偏器入光口。順時針旋轉電控箱調節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調到150伏左右（實驗中可適當調

11、高電控箱的電壓）。2、實驗過程逆時針緩慢轉動檢偏器手輪，同時觀察電壓表表頭。當指針指示下降到一個相對最小值 時，停止轉動手輪，記下此時檢偏刻度盤的數(shù)值（讀數(shù)方法類似于游標卡尺）。此角度即為 第一個檢偏消光角，簡稱檢偏角加。順時針緩慢轉動起偏器手輪，同時觀察電壓表表頭。當指針再次下降到一個相對最小值 時，停止轉動手輪，記下此時起偏刻度盤的數(shù)值。此角度即為第一個起偏消光角，簡稱起偏 角P”重復上述步驟多次后，將多組測量值（化A）分別求平均，代入公式得出相應的肖、A 值,根據(jù)（£,）（也,d）的關系求“2和d。改變入射角度（與前組相差1°）,重復上述步驟，得到另一組"&

12、#39;2和運用軟件對兩 組數(shù)據(jù)進行擬合，汁算薄膜的真實厚度。3、軟件使用雙擊桌面上“TPY_1型橢圓偏振測厚儀"的快捷方式，運行程序。型楠圓偏振測原儀入津市拓泮儀器有限公司TPY-1型橢圓偏振測厚儀http：/VA*W. 1 jtp CODE_mai 1:tpftt jtp. conTel882S9917Fax標左鍵單擊工具欄中的“文件退出"，可直接退出本程序。要開始實驗，點擊快捷欄中的"實驗二選擇“薄膜的折射率和厚度的訃算"，點擊“確;1T,進入操作界而:點擊對話框右下角的“進入",本

13、軟件是橢圓偏振測厚汁算軟件，使用時點擊左上角“實驗"，彈出如下對話框:在對話框里填入實驗前已確左的一些基本參數(shù)，填好后點擊“確立二匸回區(qū)IW«l| WS：防如3 T?«< p專刃,示遅議左擾說的*睦雖匡旳駆E C翩塩滸琵民言；到入射為連絨且J可43的妬處走E鼠磋込0副呂紀井MJ9隹土炭大的毎R控権浚® 焙如圖所示，點擊輸入"，將彈岀如下對話框，將測量的數(shù)據(jù)填入空白處后，點擊"確宦二將出現(xiàn)如下界而，點擊“計算二勺跨彌處干利?屋的計口匸回區(qū)ISi 別6suf flt-rr ff£»na 邀回p 細 :KKX 83

14、28 Im|l IHD «S-n 624T| 馮號 |1入TO I * STiS I A toTsI fe A | 戸7 再刃莎於總示翻烷戔亍的0便年復的忍測<tc> »¥，死蕓小伕射尹連絨Eg彥的題璉疚眾術霸人朱砂目霍井 且I匿!6涇大的闖組總杷沒&熬合計算結果如下:顯示的折射率、厚度即為實驗所求結果。如果想保留數(shù)據(jù)點擊"確泄"，否則點"取消二 確定后，計算結果自動填入如下界面的表格中。樣品的一組(p. )只能求得一個膜厚周期內的厚度值d,而薄膜的真實厚度T= "Q+d, 其中加為非負整數(shù)，D為膜厚的周

15、期。若測量的膜厚超過一個周期，常采用改變入射角或 波長的方法得到多組(必心)，由下式解得真實膜厚門T = miDj+di = 7«22+<)2 = /MfPj+dr改變入射角，重復以上步驟，可以得到另外一組數(shù)據(jù)。為了求解薄膜厚度的貞實值，點 選兩組入射角相差1。的實驗數(shù)據(jù)，點擊“折射率擬合二根據(jù)對實驗結果的判左，選擇相應的擬合方法，擬合''后點擊''確宦即可得到真實的 薄膜厚度與折射率。中的HP(3回図注意事項丈悴CD務溢Q)1&實站<%工具打并 目保有 打Q 価©WS?如陰3奇存4如冒5創(chuàng)課032.8 |ni|i1n3 |38