用薄膜測(cè)厚儀測(cè)量薄膜厚度及折射率

1、姓名： 范麗晶 班級(jí)：應(yīng)用物理071 學(xué)號(hào)： 07411200126 成績(jī)： 材料物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)時(shí)間年月日實(shí)驗(yàn)名稱用薄膜測(cè)厚儀測(cè)量薄膜厚度及折射率實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解測(cè)量薄膜厚度及折射率的方法，熟悉測(cè)厚儀工作的基本原理。2、通過(guò)本實(shí)驗(yàn)了解薄膜表面反射光和薄膜與基底界面的反射光相干形成反射譜原理。3、借助光學(xué)常數(shù)，對(duì)薄膜材料的光學(xué)性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)厚儀、已制備好薄膜數(shù)片、參考反射板（硅片）實(shí)驗(yàn)原理SGC-10薄膜測(cè)厚儀，適用于介質(zhì)，半導(dǎo)體，薄金屬，薄膜濾波器和液晶等薄膜和涂層的厚度測(cè)量。該薄膜測(cè)厚儀采用new-span公司先進(jìn)的薄膜測(cè)厚技術(shù)，基于白光干涉的原理來(lái)測(cè)定薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)（折射

2、率n，消光系數(shù)k）。它通過(guò)分析薄膜表面的反射光和薄膜與基底界面的反射光相干形成的反射譜，用相應(yīng)的軟件來(lái)擬合運(yùn)算，得到單層或多層膜系各層的厚度d，折射率n，消光系數(shù)k。在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射在一般情況下會(huì)同時(shí)存在的。通常，設(shè)介質(zhì)層為n1、n2、n3，1為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉，如圖(1-1) 圖(1-1)這里我們用2表示相鄰兩分波的相位差，其中 =2dn2cos2/ ，用r1p、 r1s表示光線的p分量、s分量在界面1、2間的反射系數(shù)， 用r2p 、r2s表示光線的p分、s分量在界面2、3間的反射系數(shù)。

3、由多光束干涉的復(fù)振幅計(jì)算可知： 其中Eip和Eis 分別代表入射光波電矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分別代表反射光波電矢量的p分量和s分量?，F(xiàn)將上述Eip、Eis 、Erp、Ers四個(gè)量寫成一個(gè)量G，即：我們定義G為反射系數(shù)比，它應(yīng)為一個(gè)復(fù)數(shù)，可用tg和表示它的模和幅角。上述公式的過(guò)程量轉(zhuǎn)換可由菲涅耳公式和折射公式給出：G是變量n1、n2、n3、d、1的函數(shù)(2 、3可用1表示) ，即=tg-1f，=arg| f |， 稱和為橢偏參數(shù)，上述復(fù)數(shù)方程表示兩個(gè)等式方程：tge i的實(shí)數(shù)部分 =的實(shí)數(shù)部分tge i的虛數(shù)部分 =的虛數(shù)部分若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出和的話，原則上可以解出n2和d (n1、n

4、3、1已知)，根據(jù)公式(4)(9)，推導(dǎo)出和與r1p、r1s、r2p、r2s、和的關(guān)系：由上式經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可制作數(shù)表或計(jì)算程序。 這就是橢偏儀測(cè)量薄膜的基本原理。若d是已知，n2為復(fù)數(shù)的話，也可求出n2的實(shí)部和虛部。那么，在實(shí)驗(yàn)中是如何測(cè)定和的呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：由式(3)和(12)，得：其中：這時(shí)需測(cè)四個(gè)量，即分別測(cè)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位差，如設(shè)法使入射光為等幅橢偏光，Eip/Eis = 1，則tg=|Erp/Ers|；對(duì)于相位角，有：因?yàn)槿肷涔鈏p-is連續(xù)可調(diào)，調(diào)整儀器，使反射光成為線偏光，即rp-rs=0或()，則=-(ip-is

5、)或=-(ip-is)，可見只與反射光的p波和s波的相位差有關(guān)，可從起偏器的方位角算出。對(duì)于特定的膜，是定值，只要改變?nèi)肷涔鈨煞至康南辔徊?ip-is)，肯定會(huì)找到特定值使反射光成線偏光，rp-rs=0或()。實(shí)驗(yàn)步驟運(yùn)行程序，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤提示窗口，請(qǐng)確認(rèn)USB線已連接好儀器與計(jì)算機(jī)。關(guān)閉程序，連接好USB線，并重新啟動(dòng)程序。第一次按“Measure”鍵時(shí)，如果出現(xiàn)下面的錯(cuò)誤窗口，則是因?yàn)闆](méi)有把軟件安裝在默認(rèn)目錄下。這時(shí)，請(qǐng)按下“Continue”按鈕（也許需要連按5次），再切換到“Measurement Setting”面板，選擇薄膜層數(shù)4，再?gòu)牟牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)中選擇基底和四層薄膜的材料（隨便選取

6、），然后按“Save Setting”，以后就不會(huì)再出現(xiàn)錯(cuò)誤窗口了。1 打開儀器電源，進(jìn)行光源預(yù)熱。2 運(yùn)行軟件，設(shè)置光譜儀參數(shù)為“3311”，即“Int. Time”值為3，“Sample”值為3，“Boxcar”值為1，“Data Ave.”值為1。3 測(cè)厚儀出廠時(shí)，焦距已調(diào)好，近似認(rèn)為出射為平行光，省略調(diào)焦步驟。在平臺(tái)上放上參考 硅片，調(diào)節(jié)水平旋鈕1，2，使軟件界面“Power”值最大。即可認(rèn)為樣品表面和光束垂直。4 調(diào)節(jié)光闌大小，試軟件界面上左側(cè)的坐標(biāo)達(dá)到“4000”。5 按下“Store Reference”來(lái)保存參考板曲線。6 拿開硅片，按下“Store Dark”來(lái)保存暗噪聲。7

7、 放上待測(cè)樣品，調(diào)節(jié)水平旋鈕1，2使“Power”最大。8 點(diǎn)擊“Scope Mode”切換為“Reflectance Mode”。9 在“Measurement Setting”界面，從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇基底和薄膜的材料。10 切換到“Measurement”界面，點(diǎn)擊measure來(lái)測(cè)量。計(jì)算結(jié)束后，就會(huì)在結(jié)果欄 中顯示測(cè)量結(jié)果了。數(shù)據(jù)記錄與結(jié)論分析1. 入射角為60度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4791.4701.479厚度/nm178.10180.00178.102. 入射角為65度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4811.4801.481厚度/nm175.20175.00175.203. 入射角為70度時(shí)：快速法繪圖法建表法折射率1.4821.4801.482厚度/nm173.30174.00173.30求平均值：結(jié)果為 折射率=1.479 薄膜厚度=175.80 nm指導(dǎo)老師 思考與收獲通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以知道SGC-10薄膜測(cè)厚儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：1  非接觸式測(cè)量，用光纖探頭來(lái)接收反射光，不會(huì)破壞和污染薄膜；2  測(cè)量速度快，測(cè)量時(shí)間為秒的量級(jí)；3  可用來(lái)測(cè)薄膜厚度，也可用來(lái)測(cè)量薄膜的折射率n和消光吸收k；4  可測(cè)單