11文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率近代科學(xué)技術(shù)中對(duì)各種薄膜的研究和應(yīng)用日益廣泛。因此，能夠更加迅速和精確地測(cè)量薄膜的光學(xué)參數(shù)例如厚度和折射率已變得非常迫切。在實(shí)際工作中可以利用各種傳統(tǒng)的方法來測(cè)定薄膜的光學(xué)參數(shù)，如布儒斯特角法測(cè)介質(zhì)膜的折射率，干涉法測(cè)膜。另外，還有稱重法、X射線法、電容法、橢偏法等等。其中，橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅劫|(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。因?yàn)闄E偏法具有測(cè)量精度高，靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于各種薄膜的光學(xué)參數(shù)測(cè)量，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(zhǎng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈾E圓偏振測(cè)量的基本原理，并掌握一些偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)原理光是一種電磁波，是橫波。電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和光的傳播方向構(gòu)成一個(gè)右旋的正交三矢族。光矢量存在著各種方位值。與光的強(qiáng)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(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n「n2、n3，（p、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。這里我們用25表示相鄰兩分波的相位差，其中§二2兀dncos?/九，用八、r,表示TOC\o"1-5"\h\z221p1s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分量、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+re-i2申E=—LpE（1）rpre-i2§ip1p2p+re-i2?E二2E（2）rs1+rre-i2§is1s2s其中E.p和E，s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。現(xiàn)將上述E.、E.、E、E四個(gè)量寫成一個(gè)量G,即：ipisrprs文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版.word版本可編輯，有幫助歡迎下載支持.(12)(13)1(12)(13)1文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.E/Er+re-i2E/Er+re-i2申G=—rp亠=tgve込=1pSE/E1+rre-25ipis1p2pr+re-2^1s2s1+rre-251s2s(3)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A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：r=(ncos申一ncos申)/(ncos申+ncos申)ip21122112r=(ncos申一ncos申)/(ncos申+ncos申)2p32233223r=(ncos申一ncos申)/(ncos申+ncos申)v1s11221122r=(ncos申一ncos申)/(ncos申+ncos申)2s2233223325=4兀dncos申/九22ncos申=ncos申=ncos申112233(4)(5)(6)(7)(8)(9)G是變量n「n2、n3、d、2、竹的函數(shù)(申2上述復(fù)數(shù)方程(3)可表示兩個(gè)等式方程：淪可用竹表示)，稱屮和A為橢偏參數(shù),r+re-2^1r+re-2^1s鮎]的實(shí)數(shù)部分1+rre-25

1s2s[tg屮eiA]的實(shí)數(shù)部分=[戶耳1+rre-25r+r+re-2^[tg屮eiA]的虛數(shù)部分二P-Lp引1+rre-251p2pr+re-2^為]的虛數(shù)部分1+rre-25

1s2s若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出屮和A的話，原則上可以解出n2和d(n「n3、2、(p、已知)，根據(jù)公式(4)~(9)，推導(dǎo)出屮和A與r1p、r1s、r2p、r2s、和d的關(guān)系：(10)(11)r2+r2+2rrcos251+r2r2+2rrcos2(10)(11)TOC\o"1-5"\h\ztg屮=[耳1p2p-1r乞？1s乞？]1/21+r2r2+2rrcos25r2+r2+2rrcos251p2p1p2p1s2s1s2s-r(1-r2)sin25-r(1-r2)sin25A=tg-1耳1p—tg-12s1s-r(1+r2)+r(1+r2)cos25r(1+r2)+r(1+r2)cos251p2p2p1p1s2s2s1s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)定屮和A的呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：E=Ee%,E=Ee，Pis,E=Ee%,E=Eipipisisrsrs由式(3)和(12)，得：G=tgvehEG=tgvehT——亠ei[(Prp-Prs)-(Pip-Pis)]E/Eipis其中文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版文檔收集于互聯(lián)網(wǎng)，已重新整理排版.word版本可編輯，有幫助歡迎下載支持.11文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.E/Et列二——,ei△二ei［（卩rp-S）-（卩ip邛is）］（14）E/Eipis這時(shí)需要測(cè)量四個(gè)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位差，如設(shè)法使入射光為等幅橢圓偏振光，EJE.s=1,則tg0ErJE\；對(duì)于相位角，有：A二（卩—卩）一（卩—卩）二人+卩—卩二卩—卩（15）rprsipisipisrprs調(diào)節(jié)起偏器的角度，可使入射光兩個(gè)分量的相位差為昇/變化，當(dāng)起偏器調(diào)到某一角度P時(shí)，經(jīng)樣品反射的橢圓偏振光就成為了線偏振光，即以他=0（或n），則A=-鶴認(rèn)）或A=n-傀-禹丿?？梢夾只與入射光的p波和s波的相位差有關(guān)，可由起偏角P算出（起偏角與位相差的關(guān)系詳見實(shí)驗(yàn)裝置2）。這時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(dòng)方向垂直（0=n/2-A），達(dá)到消光狀態(tài)，探測(cè)器接收的光強(qiáng)最小。以上方法被稱為消光測(cè)量法，A和P就是我們要測(cè)的一對(duì)消光角。實(shí)驗(yàn)裝置天津拓普TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀1、主要性能指標(biāo)測(cè)量范圍：薄膜厚度范圍：1~4000nm折射率范圍：1~10測(cè)量膜厚重復(fù)性精度：±1nm折射率重復(fù)性精度：±0.01入射角連續(xù)調(diào)節(jié)范圍20?90。，精度0.05o起偏角和檢偏角精度0.05。入射光波長(zhǎng)：632.8nm（氦氖激光器）2、等幅橢圓偏振光的獲得自然光經(jīng)過偏振片，能量損失一半，成為線偏振光。其后放置一塊四分之一波片，使光的振動(dòng)平面和久/4波片的主截面成45o,即久/4波片置于其快軸方向與x方向的夾角為n/4的方位（波片位置出廠時(shí)已調(diào)節(jié)好），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n/2。兀快軸E=E丘皿cos（P一一）f04慢軸E=Esin（P）s04此時(shí)沿x方向和y方向的分量為：即E0為等幅橢圓偏振光，相位差為2P-加2,可連續(xù)調(diào)節(jié)。3、裝卡機(jī)構(gòu)裝卡機(jī)構(gòu)主要由燕尾導(dǎo)軌、調(diào)整架、光闌片及底座等組成。燕尾導(dǎo)軌可以固定直徑在10?140mm,厚度三15mm的被測(cè)樣品。裝樣時(shí)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(zhuǎn)旋鈕，直至樣品被吸緊。調(diào)整架可使固定在燕尾導(dǎo)軌上的被測(cè)樣品做俯仰、左右偏擺。調(diào)整架及燕尾導(dǎo)軌固定在一維底座上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺，可拖動(dòng)被測(cè)樣品做前后移動(dòng)以適合不同厚度的被測(cè)樣品。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、準(zhǔn)備過程首先開啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氦氖激光器（預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜）。然后將電控箱調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋到頭，聯(lián)接好主機(jī)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(cè)厚儀”的快捷方式，運(yùn)行程序。裝卡被測(cè)樣品。將起偏器與檢偏器的刻度值分別旋至零點(diǎn)。調(diào)節(jié)起偏機(jī)構(gòu)懸臂和檢偏機(jī)構(gòu)懸臂至選定角度（如70o），通過調(diào)節(jié)底座和調(diào)整架，使經(jīng)樣品表面反射后的激光束剛好通過檢偏器入光口。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電控箱調(diào)節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調(diào)到150伏左右（實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)調(diào)高電控箱的電壓）。2、實(shí)驗(yàn)過程逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器手輪，同時(shí)觀察電壓表表頭。當(dāng)指針指示下降到一個(gè)相對(duì)最小值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，記下此時(shí)檢偏刻度盤的數(shù)值（讀數(shù)方法類似于游標(biāo)卡尺）。此角度即為第一個(gè)檢偏消光角，簡(jiǎn)稱檢偏角A1。順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器手輪，同時(shí)觀察電壓表表頭。當(dāng)指針再次下降到一個(gè)相對(duì)最小值時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，記下此時(shí)起偏刻度盤的數(shù)值。此角度即為第一個(gè)起偏消光角，簡(jiǎn)稱起偏角P1。重復(fù)上述步驟多次后，將多組測(cè)量值（P,A）分別求平均，代入公式得出相應(yīng)的屮、A值，根據(jù)（鴨,A）?（n2,d）的關(guān)系求n2和d。改變?nèi)肷浣嵌龋ㄅc前組相差1。），重復(fù)上述步驟，得到另一組n'2和d'。運(yùn)用軟件對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算薄膜的真實(shí)厚度。3、軟件使用雙擊桌面上“TPY_1型橢圓偏振測(cè)厚儀”的快捷方式，運(yùn)行程序。點(diǎn)擊對(duì)話框右下角的“進(jìn)入”，鼠標(biāo)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(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊快捷欄中的“實(shí)驗(yàn)”，選擇“薄膜的折射率和厚度的計(jì)算”，點(diǎn)擊“確定”，進(jìn)入操作界面：本軟件是橢圓偏振測(cè)厚計(jì)算軟件，使用時(shí)點(diǎn)擊左上角“實(shí)驗(yàn)”，彈出如下對(duì)話框：在對(duì)話框里填入實(shí)驗(yàn)前已確定的一些基本參數(shù)，填好后點(diǎn)擊“確定”。如圖所示，點(diǎn)擊“輸入”，將彈出如下對(duì)話框，將測(cè)量的數(shù)據(jù)填入空白處后，點(diǎn)擊“確定”。將出現(xiàn)如下界面，點(diǎn)擊“計(jì)算”。計(jì)算結(jié)果如下：顯示的折射率、厚度即為實(shí)驗(yàn)所求結(jié)果。如果想保留數(shù)據(jù)點(diǎn)擊“確定”，否則點(diǎn)“取消”。確定后，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)填入如下界面的表格中。樣品的一組帥,A）只能求得一個(gè)膜厚周期內(nèi)的厚度值d,而薄膜的真實(shí)厚度T=mD+d，其中m為非負(fù)整數(shù)，D為膜厚的周期。若測(cè)量的膜厚超過一個(gè)周期，常采用改變?nèi)肷?/p>