用橢圓偏振儀測(cè)量薄膜厚度第1頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六教學(xué)目的與要求（1）了解薄膜的厚度測(cè)量的基本原理。（2）利用橢圓偏振光消光法，測(cè)定透明薄膜的厚度。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：

本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)：測(cè)量薄膜厚度。

本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)橢圓偏振光消光。第2頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)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(gè)波片，變成了橢圓偏振光。這樣的橢圓偏振光入射到待測(cè)的薄膜表面上時(shí)，反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。我們測(cè)量這種變化，就可以計(jì)算出待測(cè)薄膜的厚度。第3頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測(cè)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(gè)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(dāng)一束光射到膜面上時(shí)，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。第4頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第5頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六設(shè)φ1表示光的入射角，φ2和φ3分別為在界面1和2上的折射角．根據(jù)折射定律有n1sinφ1=n2sinφ2＝n3sinφ3光波的電矢量可以分解成在入射面內(nèi)振動(dòng)的P分量和垂直于入射面振動(dòng)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(duì)兩個(gè)量的總反射系數(shù)Rp和Rs定義為RP＝Erp/Eip

,Rs=Ers/Eis第6頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六r1p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)．2δ為任意相鄰兩束反射光之間的位相差．根據(jù)電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程和邊界條件，可以證明r1p=tan(φ1-φ2)/tan(φ1+φ2),r1s

=-sin(φ1-φ2)/sin(φ1+φ2)；r2p=tan(φ2-φ3)/tan(φ2+φ3),r2s=-sin(φ2-φ3)/sin(φ2+φ3)即著名的菲涅爾（Fresnel）反射系數(shù)公式．如果能從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出ψ和Δ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(cè)量的基本原理第7頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)儀器橢圓偏振儀第8頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）接通激光電源和硅光電池電源，在樣品臺(tái)上放好被測(cè)樣品，將手輪轉(zhuǎn)至“目視”位置，從觀察窗看光束，調(diào)節(jié)平臺(tái)高度調(diào)節(jié)鈕，使觀察窗中的光點(diǎn)最亮最圓。（2）調(diào)節(jié)好樣品態(tài)后，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器刻度盤手輪，目測(cè)光強(qiáng)變化，當(dāng)光強(qiáng)最小時(shí)，起偏器位置保持不動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器刻度盤手輪，目測(cè)光強(qiáng)變化，當(dāng)光強(qiáng)最小時(shí)，檢偏器位置保持不動(dòng)。（4）此時(shí)將觀察窗蓋嚴(yán)，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，使表的示值最小（對(duì)應(yīng)消光）。（5）從起偏器刻度盤及游標(biāo)盤上讀出起偏器方位角P，從檢偏器刻度盤及游標(biāo)盤上讀出檢偏方位角A。（6）重復(fù)以上3,4,5步驟，測(cè)出另一組消光位置的方位角讀數(shù)。第9頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)處理將兩組（P,A）換算，求平均值，方法如下：（1）區(qū)分（P1,A1）和（P2,A2），當(dāng)其中一組的A符合0≤A≤90條件，這一組被認(rèn)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(cè)薄膜的厚度第10頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六注意事項(xiàng)（1）不允許用強(qiáng)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(jìn)行測(cè)量；（2）由于樣品表面的反射，在光屏上有時(shí)可能出現(xiàn)兩個(gè)光點(diǎn)，調(diào)節(jié)消光時(shí)，有明暗變化的應(yīng)為主光點(diǎn)，副光點(diǎn)可以不管。（3）波片一般情況下不允許轉(zhuǎn)動(dòng)，以免造成測(cè)量誤差。第11頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

橢圓偏振儀

橢偏儀，是一種用于探測(cè)薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量設(shè)備。由于并不與樣品接觸，對(duì)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(cè)量設(shè)備。橢偏儀可測(cè)的材料包括：半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物、有機(jī)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(chǔ)、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(jì)算機(jī)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(dòng)化和軟件的成熟大大提高了運(yùn)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。第12頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第13頁(yè)，共14頁(yè)，2023年，2月20日，星期六能測(cè)量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。是一種無損測(cè)量，