用橢圓偏振儀測量薄膜厚度

1、用橢圓偏振儀測量薄膜厚度電科091劉濤教學(xué)目的與要求 （1）了解薄膜的厚度測量的基本原理。 （2）利用橢圓偏振光消光法，測定透明薄膜的厚度。教學(xué)重點、難點： 本節(jié)課教學(xué)重點：測量薄膜厚度。 本節(jié)課教學(xué)難點：實現(xiàn)橢圓偏振光消光。實驗原理實驗原理 有一束自然光通過起偏器后，變成了線偏振光，再經(jīng)過一個四分之一波片，變成了橢圓偏振光。這樣的橢圓偏振光入射到待測的薄膜表面上時，反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。我們測量這種變化，就可以計算出待測薄膜的厚度。橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測量 圖1所示為一光學(xué)均勻和各向同性的單層介質(zhì)膜，它有兩個平行的界面。通常，上部是折射率為n1的空氣(或真空)中間是一層厚度為d

2、折射率為n2的介質(zhì)薄膜，下層是折射率為n3的襯底，介質(zhì)薄膜均勻地附在襯底上，當一束光射到膜面上時，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分別產(chǎn)生多光束干涉其干涉結(jié)果反映了膜的光學(xué)特性。設(shè)1表示光的入射角，2和3分別為在界面1和2上的折射角根據(jù)折射定律有 n1sin1=n2sin2n3sin3光波的電矢量可以分解成在入射面內(nèi)振動的P分量和垂直于入射面振動的s分量若用Eip和Eis分別代表入射光的p和s分量，用Erp及Ers分別代表各束反射光K0，K1，K2，中電矢量的p分量之和及s分量之和，則膜對兩個量的總反射系數(shù)Rp和Rs定義為 RPErp/Eip,Rs=Ers/Eis r

3、1p或r1s和r2p或r2s分別為p或s分量在界面1和界面2上一次反射的反射系數(shù)2為任意相鄰兩束反射光之間的位相差根據(jù)電磁場的麥克斯韋方程和邊界條件，可以證明 r1p=tan(1-2)/tan(1+2),r1s=-sin(1-2)/sin(1+2)； r2p=tan(2-3)/tan(2+3),r2s=-sin(2-3)/sin(2+3)即著名的菲涅爾（Fresnel）反射系數(shù)公式如果能從實驗中測出和的值，原則上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d這就是橢圓偏振法測量的基本原理實驗儀器實驗儀器橢圓偏振儀實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容（1）接通激光電源和硅光電池電源，在樣品臺上放好被測樣品，將手輪轉(zhuǎn)至“目視”位

4、置，從觀察窗看光束，調(diào)節(jié)平臺高度調(diào)節(jié)鈕，使觀察窗中的光點最亮最圓。（2）調(diào)節(jié)好樣品態(tài)后，轉(zhuǎn)動起偏器刻度盤手輪，目測光強變化，當光強最小時，起偏器位置保持不動。（3）轉(zhuǎn)動檢偏器刻度盤手輪，目測光強變化，當光強最小時，檢偏器位置保持不動。（4）此時將觀察窗蓋嚴，然后將轉(zhuǎn)鏡手輪轉(zhuǎn)到光電接收位置，觀察放大器指示表（10-11），反復(fù)交替微調(diào)起偏器、檢偏器手輪，使表的示值最?。▽?yīng)消光）。（5）從起偏器刻度盤及游標盤上讀出起偏器方位角P，從檢偏器刻度盤及游標盤上讀出檢偏方位角A。（6）重復(fù)以上3,4,5步驟，測出另一組消光位置的方位角讀數(shù)。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理將兩組（P,A）換算，求平均值，方法如下：（1）

5、區(qū)分（P1,A1）和（P2,A2），當其中一組的A符合0A90條件，這一組被認定為（P1,A1），另一組則為（P2,A2）。（2）把（P2,A2）換算成（P2,A2）（3）把（P1,A1）與（P2,A2）求平均值（4）利用配套軟件，填入（P,A）值，得到待測薄膜的厚度注意事項注意事項（1）不允許用強激光或其他光照射硅光電池，必須先用目視法充分消光后，才能進行測量；（2）由于樣品表面的反射，在光屏上有時可能出現(xiàn)兩個光點，調(diào)節(jié)消光時，有明暗變化的應(yīng)為主光點，副光點可以不管。（3）波片一般情況下不允許轉(zhuǎn)動，以免造成測量誤差。橢圓偏振儀橢圓偏振儀橢偏儀，是一種用于探測薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)光

6、學(xué)測量設(shè)備。由于并不與樣品接觸，對樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一種極具吸引力的測量設(shè)備。橢偏儀可測的材料包括：半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物、有機物、金屬、多層膜物質(zhì)橢偏儀涉及領(lǐng)域有：半導(dǎo)體、通訊、數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)鍍膜、平板顯示器、科研、生物、醫(yī)藥等。早期的研究主要集中于偏振光及偏振光與材料相互作用的物理學(xué)研究以及儀器的光學(xué)研究。計算機的發(fā)展使橢偏儀在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。硬件的自動化和軟件的成熟大大提高了運算的速度，成熟的軟件提供了解決問題的新方法，因此，橢偏儀現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于研究、開發(fā)和制造過程中。能測量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2個數(shù)量級。是一種無損測量，不必特別制備樣品，也不