南京大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)2014版

1、橢偏光法測量薄膜的厚度和折射率引言橢圓偏振測量(橢偏術(shù))是研究兩媒質(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)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時(shí)出現(xiàn)的偏振變換。橢圓偏振測量的 應(yīng)用范圍很廣，如半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃或鍍膜)、激光反射鏡、 大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等，也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長過程 的實(shí)時(shí)監(jiān)測等測量。結(jié)合計(jì)算機(jī)后，具有可手動改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測量、快速數(shù)據(jù)獲取等 優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾E偏光法測量原理和實(shí)驗(yàn)方法。熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。測量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和折射率。實(shí)驗(yàn)原理在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，

2、光線的反射和折射在一般情況下會同時(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26表示相鄰兩分波的相位差，其中6 =2n dn2cosq 2/入，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)。由多光束干涉的復(fù)振幅計(jì)算可知：r +怎/卯 77_1J M77乙代，_-i 2S %1 +匕仁淑(3)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

3、矢量的p分量和s分量。現(xiàn)將上述Eip、Eis、Erp、Ers四個(gè)量寫成一個(gè)量G，即：G =位姆E. IE. ip M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tgw和表示它的模和幅角。上述公式 的過程量轉(zhuǎn)換可由菲涅耳公式和折射公式給出： TOC o 1-5 h z rlp =2 COS (px COS ) /( 2 COS 朝1+ 冉cw (p2)(4)r2p =(理3 cos - coscos w 2 cos ) (5)=(打 i cos 呼i 一 cos wj) /(w1 cos 何+ 卸 q cos 球 Q 6) r2s = (2 cos -理cos 貴/(2 coscos tpQ (

4、7)28 = 4筮血 z cos / 2(8)如 cos 2 cos (p2 = h cos 呼3(9)G是變量n1、n2、n3、d、入、中1的函數(shù)2、中3可用？ 1表示)，即甲=tg-1f， =argl f I，稱甲和為橢偏參數(shù)，上述復(fù)數(shù)方程表示兩個(gè)等式方程： tg e iA 的實(shí)數(shù)部分=% + %廠珈匕+件1 + %次潴1 +上件9的實(shí)數(shù)部分tg e iA 的虛數(shù)部分=匕七+ W而 1+%弓/游1+匕京淄的虛數(shù)部分若能從實(shí)驗(yàn)測出甲和的話，原則上可以解出n2和d (n1、n3、入迎1已知)，根據(jù)公式(4)(9)，推導(dǎo)出甲和與r1p、r1s、r2p、r2s、和0的關(guān)系：十水疽卻+疽切+叫/芬河

5、密1 +己己+2匕&河28艷電=,二二%J (10)1+ r pr 2P + 2#弓p cos2(5 r h + r 2； + 2/2j cos2(5(11)A + -1火 -NS+ -1-r2j(l-r2h)sin2(5A = lP : LP :% (1 + r22P) + r2p (1 + r2i)cos2(5 rb(l + 廠氣)+ 么 Q + +七)cos2(5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)中是如何測定p和乙的 呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：YS由式(3)和(12)，得:

6、G=tg閱也=，( Ap -月*) - 3整-屬5)t-(13) IEE IE其中:(14)ja _ M3罕-房J-3乎-愿)E- E IE 知7 %這時(shí)需測四個(gè)量，即分別測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tgp =IErp/Ersl；對于相位角，有：A =(凡?-久)-(園-久)n A + 月爭-凡=月中-久)因?yàn)槿肷涔? ip-8 is連續(xù)可調(diào)，調(diào)整儀器，使反射光成為線偏光，即3 rp書rs=0或(n )，則 =-(8 ip-8 is)或乙=n -(8 ip-8 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。對于特定的膜，是定值，只要改變?nèi)肷涔鈨煞至康南辔徊?8 ip-8 is)， 肯定會找到特定值使反射光成線偏光，8 rp-8 rs=0或(n )。2.1實(shí)際檢測方法等幅橢圓偏振光的獲得(實(shí)驗(yàn)光路如圖1-2)，平面偏振光誦過四分之一波片，使得具有 土n /4相位差，使入射光的振動平面和四分之一波片的主截面成45。圖1-22.2反射光的檢測將四分之一波片置于其快軸方向f與X方向的夾角a為n /4的方位，E0為通過起偏器 后的電矢量，P為E0與x方向間的夾角。，通過四分之一波片后，E0沿快軸的分量與沿慢軸的分量比較，相位上超前口 /2。研=甘*門8沱-當(dāng)J u40