橢偏儀測(cè)量薄膜厚度與折射率

1、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.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(lái)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(chēng)重法、X射線(xiàn)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而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)，己廣泛用于各種薄膜

2、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(guò)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(xiàn)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)層為小、如、3,仰為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交 界而

3、會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉。這里我們用2d表示相鄰兩分波的相位差，其中3 = 2;rd2Cosa/2,用力、表示光線(xiàn)的分量、s分量在界面1、2間的反射系數(shù)，用力0、2表示光線(xiàn)的分量、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:其中£p和分別代表入射光波電矢量的分量和s分量，七小和分別代表反射光波電矢量的P分量和s分量?，F(xiàn)將上述與八&、Erp.四個(gè)量寫(xiě)成一個(gè)量G,即：我們定義G為反射系數(shù)比，它應(yīng)為一個(gè)復(fù)數(shù)，可用名歹和A表示它的模和幅角。上述公式的過(guò)程量轉(zhuǎn)換可由菲涅耳公式和折射公式給出：lp = (% COS (p 一 a COS(p2 )/(2 COS

4、 (p + nx cos(p2)(4)r2p = (% cos(p2 - n2 cos %) / (n3 cos(p2 + n2 cos 外)rls = (% cos(p 一n2 cos(p2)/ (】cos(px + n2 cos(p2)r2s = (% cos(p2 _n3 cos(p3)/(n2 cos(p2 + % cos (pj(7)2J = cos(p2/ An cos(px = n2 cos(p2 = % cos(p3G是變量“I、”2、“3、d、Xx 91的函數(shù)(02、03可用<pi表示)，稱(chēng).和為橢偏參數(shù), 上述復(fù)數(shù)方程(3)可表示兩個(gè)等式方程：+ r e2<p

5、r +r 不”tgelS的實(shí)數(shù)部分=上一也fJd的實(shí)數(shù)部分1 + 大勺九"Lr + / 6-'2* r 1 »*吆%力的虛數(shù)部分 '"一匚F】的虛數(shù)部分1+ 詬勺/- l +，i-若能從實(shí)驗(yàn)測(cè)出照和A的話(huà),原則上可以解出2和d(m、3、九m已知),根據(jù)公式 (4)-(9)t推導(dǎo)出.和A與“、門(mén)八所2、和d的關(guān)系:=%：J+2，MpCos26 1+ .片+24 Y& cos 23 嚴(yán)('1 + 渦 + 2G的 cos 26 4 +f+ 2大5 cos 269 。(1-%智“ -?(l；)siny(H)%。+ £)+ 弓 p(

6、l + G)cos 26工(1 + 質(zhì))+ &(1 + 不)cos 26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是己知，2為復(fù)數(shù)的話(huà)，也可求出小的實(shí)部和虛部。那么，在實(shí)驗(yàn)中是如何測(cè)定和A 的呢？現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光和反射光：% =聞*瓦=|紇=|/忖爾，瓦=聞產(chǎn)(12)由式(3)和(12),得：Q = tgy/心=JI與-凡 >1(13)練/ E“其中F / Ftgy/ =，一-, = 7'%-隹 H "（14）1 昌/治這時(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

7、為等幅橢圓偏振光，石/&=1，則tg%lb/耳上對(duì)于相位角，有： =（ Ap - 星）一（凡一"）= + % 瓦 Prp - Pn（15 ）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£，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(xiàn)偏振光，即£p/,s = 0（或n），則=-佃£,）或 =無(wú)”甲£3可見(jiàn)只與入射光的波和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(jiàn)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(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向垂直（取力2-A）,達(dá)到消光狀態(tài)，探測(cè)器接收的光強(qiáng)最

8、小。以上方 法被稱(chēng)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：14000小折射率范圍：率10測(cè)量膜厚重復(fù)性精度:±1？折射率重復(fù)性精度：±0.01入射角連續(xù)調(diào)節(jié)范圍2090。，精度0.05。起偏角和檢偏角精度0.05°入射光波長(zhǎng)：632.8？（須笈激光器）2、等幅橢圓偏振光的獲得自然光經(jīng)過(guò)偏振片，能量損失一半，成為線(xiàn)偏振光。其后放置一塊四分之一波片，使光 的振動(dòng)平而和力4波片的主截面成45%即力4波片置于其快軸方向與X方向的夾角為R4的 方位（波片位置出廠(chǎng)時(shí)已調(diào)行好），瓦為通過(guò)起偏

9、器后的電矢量，P為七。與x方向間的夾角。 通過(guò)四分之一波片后，及沿快軸的分量與沿慢軸的分量比較，相位上超前42?？燧S Ef=E0*2cos（P ：）慢軸 E, =E°sin（尸 一?）此時(shí)沿x方向和y方向的分量為：即瓦為等幅橢圓偏振光，相位差為2P-#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10140訥，厚度口5,加的被測(cè)樣品。裝樣時(shí)先將旋鈕旋至松 開(kāi)狀態(tài)，將樣品吸貼在吸盤(pán)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺，可拖動(dòng)被

10、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(guò)程首先開(kāi)啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氮笈激光器（預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜）。然后將電控箱調(diào)行 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(xiàn)，開(kāi)啟電控箱電源。雙擊桌面上“TPY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70。），通過(guò)調(diào)行底座和調(diào)整架，使 經(jīng)樣品表而反射后的激光束剛好通過(guò)檢偏器入光口。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電控箱調(diào)行旋鈕，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(guò)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

11、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(pán)的數(shù)值（讀數(shù)方法類(lèi)似于游標(biāo)卡尺）。此角度即為 第一個(gè)檢偏消光角，簡(jiǎn)稱(chēng)檢偏角4。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(pán)的數(shù)值。此角度即為第一個(gè)起偏消光角，簡(jiǎn)稱(chēng)起偏 角Pi。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)的歹、A 值，根據(jù)（弘A） d）的關(guān)系求？12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，2和5。運(yùn)用軟件對(duì)兩 組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，沖算薄膜的真實(shí)厚度。3、軟件使用雙擊桌面上“TPY型橢圓偏振測(cè)厚儀”的快捷方

12、式，運(yùn)行程序。點(diǎn)擊對(duì)話(huà)框右下角的“進(jìn)入”，鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄中的“文件”一“退出”，可直接退出本程序。要開(kāi)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)入操作界而：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(huà)框：在對(duì)話(huà)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(huà)框，將測(cè)量的數(shù)據(jù)填入空白處后，點(diǎn)擊“確定工將出現(xiàn)如下界而，點(diǎn)擊”計(jì)算工計(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)“取消工 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（必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="近+d, 其中為非負(fù)整數(shù)，D為膜厚的周期。若測(cè)量的膜厚超過(guò)一個(gè)周期，常采用改變?nèi)肷浣腔?波長(zhǎng)的方法得到多組（%.A）,由下式解得真實(shí)膜厚T：T = miDi+di = miD