ellipsometer

1、許迪迪S201502007電控橢圓偏光儀橢圓偏振測(cè)厚技術(shù)是一種測(cè)量納米級(jí)薄膜厚度和薄膜折射率的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也是研究固體表面特性的重要工具。橢圓偏振法測(cè)量的基本思路是，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品表面時(shí)，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较?，被待測(cè)樣品表面反射出來(lái)的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化（包括振幅和相位的變化），便可以確定樣品表面的許多光學(xué)特性。設(shè)待測(cè)樣品是均勻涂鍍?cè)谝r底上的厚度為、折射率為的透明各向同性的膜層。光的電矢量分解為兩個(gè)分量，即在入射面內(nèi)的p分量及垂直于入射面的s分量。入射光在薄膜兩個(gè)界面上會(huì)有多次的反射和折射，總反

2、射光束將是許多反射光束干涉的結(jié)果。利用多光束干涉的理論，得p分量和s分量的總反射系數(shù)原理原理 12121212exp( 2)exp( 2), ,1exp( 2)1exp( 2)ppsspsppssrrirriRRr rir ri其中242cosdn是相鄰兩反射光束之間的相位差，而為光在真空中的波長(zhǎng)。光束在反射前后的偏振狀態(tài)的變化可以用總反射系數(shù)比來(lái)表征。在橢圓偏振法中，用橢偏參量和；來(lái)描述反射系數(shù)比，其定義為：tanexp()psiRR 在入射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率確定的條件下，和只是薄膜厚度和折射率的函數(shù)，只要測(cè)量出和，原則上應(yīng)能解出和。然而，從上述各式中卻無(wú)法解析出和的具體

3、形式。因此，只能先按以上各式用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算出在入射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率一定的條件下的關(guān)系圖表，待測(cè)出某一薄膜的和后再?gòu)膱D表上查出相應(yīng)的和的值。測(cè)量樣品的和的方法主要有光度法和消光法。我們主要介紹用橢偏消光法確定和的基本原理。設(shè)入射光束和反射光束電矢量的p分量和s分量分別為， 則有, ,prpipsrsisREEREEtanexp().rprsipisEEiEE 為了使和成為比較容易測(cè)量的物理量，應(yīng)該設(shè)法滿足下面的兩個(gè)條件：（1）使入射光束滿足;ipisEE（2）使反射光束成為線偏振光，也就是令反射光兩分量的位相差為0或滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，有tan,()(),()0rprsr

4、prsipisrprsEE 或其 中分別使入射光束和反射光束的p分量和s分量的位相。, , , rprsipis原理探測(cè)器檢偏器樣品xfy1/4波片yt起偏器 x單色光束圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖21,x1y1t圖1是本實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。在圖中的坐標(biāo)系中，軸和軸均在入射面內(nèi)且分別與入射光束或反射光束的傳播方向垂直，而和軸則垂直于入射面。起偏器和檢偏器的透光軸和與軸或軸的夾角分別為P和A。下面將會(huì)看到，只需讓波片的快軸與軸的夾角為 便可以在波片后面得到所需的滿足條件 的特殊橢圓偏振入射光束。4;ipisEE圖2 1/4波片快軸的取向 S f P X Y 圖3 檢偏器透光軸的取向 Affff1fE0E41

5、X1Y,trErpErsE圖2中的代表經(jīng)方位角為P的起偏器出射的線偏振光。當(dāng)它投射到快軸與軸的夾角為 的 波片時(shí)，將在波片的快軸和慢軸上分解為通過(guò) 波片后， 將比 超前 ，于是在 波片后應(yīng)該有41 4)4cos(01PEEf)4sin(1PEs1 4fEsE21 4)2exp()4cos(02iPEEf)4sin(02PEEs把這兩個(gè)分量分別在x軸及y軸上投影并再合成為 和 ，便得到可見(jiàn)， 和 也就是即將投射到待測(cè)樣品表面的入射光束的p分量和s分量，即xEyE002exp() ,2423exp() .24xyEEi PEEiPxEyE顯然，入射光束已經(jīng)成為滿足條件 的特殊橢圓偏振光，其分量的位

6、相差為由圖3可以看出，當(dāng)檢偏器的透光軸 與合成的反射線偏振光束的電矢量 垂直時(shí)，即反射光在檢偏器后消光時(shí)，應(yīng)該有002exp() ,2423exp() .24ipxisyEEEi PEEEiP;ipisEE()2.2ipisP1trEtanrprsEAE這樣，由式（7）可得tantan,()(2),2()0rprsrprsAP 或可以約定，在坐標(biāo)系 中只在第一及第四象限內(nèi)取值。下面分別討論 的情況。,x y()0rprs 或()rprs（1）. 此時(shí)的 記為 ，合成的反射線偏振光的在第二及第四象限里，于是A在第一象限并計(jì)為 。由式（14）可得到P1PrE1A11322AP ()0rprs（2）

7、 . 此時(shí)的P記為 ，合成的反射線偏振光的 在第一及第三象限里，于是A在第四象限并計(jì)為 。由式（14）可得到2PrE2A2222AP 從式（15）和（16）可得到 和 的關(guān)系為11( ,)P A22(,)P A12122AAPP 因此，在圖1的裝置中只要使 波片的快軸f與x軸的夾角為 ，然后測(cè)出檢偏器后消光時(shí)起、檢偏器方位角 或 ，便可按式（15）或(16)求出 ，從而完成總反射系數(shù)比的測(cè)量。在借助已經(jīng)算好的 的關(guān)系圖表，即可查出待測(cè)薄膜的厚度d和折射率n。1 4411( ,)P A22(,)P A(, ) (, ) ( , )d n 四 實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)所采用的TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀集光、

8、機(jī)、電于一體。主要由光源機(jī)構(gòu)、起偏機(jī)構(gòu)、檢偏機(jī)構(gòu)、接收機(jī)構(gòu)、主機(jī)機(jī)構(gòu)和裝卡機(jī)構(gòu)共六部分組成。1、光源機(jī)構(gòu)：光源機(jī)構(gòu)主要由150mm，功率0.8mw，波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器等組成。2、起偏機(jī)構(gòu)：起偏機(jī)構(gòu)主要由偏振片機(jī)構(gòu)、1/4波片機(jī)構(gòu)及讀數(shù)機(jī)構(gòu)等組成。1）、偏振片置于偏振套筒中，通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)0-180范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使入射到其上的自然光（非偏振激光）變成線偏振光出射。2）、1/4波片的調(diào)節(jié)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)波片鏡筒組中的回轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)，使射入其上的線偏振光變成橢圓偏振光（波片位置出廠時(shí)已調(diào)節(jié)好，用戶無(wú)須調(diào)節(jié)）。3）讀數(shù)機(jī)構(gòu)由大圓刻度盤(pán)及游標(biāo)盤(pán)組成。大圓刻度盤(pán)外圓周被均分為360份，游標(biāo)

9、盤(pán)最小刻度為0.05度，通過(guò)起偏機(jī)構(gòu)可測(cè)得精度為0.05的起偏角P。3、 檢偏機(jī)構(gòu)：檢偏機(jī)構(gòu)主要由偏振片、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和讀數(shù)機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)形式作用等同于起偏機(jī)構(gòu)，通過(guò)檢偏機(jī)構(gòu)可測(cè)出精度為0.05的檢偏角A。4、 接收機(jī)構(gòu)：接收機(jī)構(gòu)主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤(pán)游標(biāo)尺等組成。光電倍增管采用側(cè)窗式，型號(hào)為CR114。3、 檢偏機(jī)構(gòu)：檢偏機(jī)構(gòu)主要由偏振片、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和讀數(shù)機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)形式作用等同于起偏機(jī)構(gòu)，通過(guò)檢偏機(jī)構(gòu)可測(cè)出精度為0.05的檢偏角A。4、 接收機(jī)構(gòu)：接收機(jī)構(gòu)主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤(pán)游標(biāo)尺等組成。光電倍增管采用側(cè)窗式，型號(hào)為CR114。5、 主體機(jī)構(gòu)：主體機(jī)構(gòu)

10、主要由大刻度盤(pán)、上回轉(zhuǎn)托盤(pán)、下回轉(zhuǎn)托盤(pán)及箱體等組成。1）下回轉(zhuǎn)托盤(pán)通過(guò)立軸下?lián)跞潭ㄔ诖罂潭缺P(pán)上的下懸的立軸上。其上固定光源機(jī)構(gòu)和起偏機(jī)構(gòu)，故下回轉(zhuǎn)托盤(pán)可繞大刻度盤(pán)上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。2）上回轉(zhuǎn)托盤(pán)通過(guò)立軸上擋圈固定在大刻度盤(pán)上的下懸立軸上，其上固定檢偏機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)，故上回轉(zhuǎn)托盤(pán)可繞大刻度盤(pán)上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。3）大刻度盤(pán)通過(guò)三個(gè)支柱固定在箱體上，其上固定裝卡機(jī)構(gòu)以裝、卡被測(cè)樣品。大刻度盤(pán)上表面的外邊緣，刻有兩段30-90的刻線，每刻度值為1，起偏、檢偏懸臂游標(biāo)尺上，均勻刻有20格刻線，故入射角讀數(shù)精度為0.05。4）箱體由箱體上面板、底板及底腳等組成。6、 裝卡機(jī)構(gòu)：裝卡機(jī)構(gòu)主要由樣品架、調(diào)整架、光闌機(jī)構(gòu)等組成。