橢偏法測量薄膜的厚和折射率閆學習教案

1、會計學1橢偏法測量橢偏法測量(cling)薄膜的厚和折射率薄膜的厚和折射率閆閆第一頁，共16頁。2、薄膜的光學、薄膜的光學(gungxu)與幾何特征參數(shù)為與幾何特征參數(shù)為n，d 。n為薄膜復折射率為薄膜復折射率, nN-ik透明介質(zhì)透明介質(zhì)(jizh)膜，無吸收膜，無吸收(k=0)，其折射率為實數(shù)。，其折射率為實數(shù)。d為薄膜的厚度。為薄膜的厚度。3、常見測定薄膜光學參數(shù)的方法：、常見測定薄膜光學參數(shù)的方法：布儒斯特角法布儒斯特角法，干干涉法、稱重法涉法、稱重法、X射線法射線法、電容法電容法、橢偏法橢偏法等。等。第2頁/共16頁第二頁，共16頁。4、橢偏法測量的優(yōu)點、橢偏法測量的優(yōu)點(yudin

2、)：精度高，靈敏度高：精度高，靈敏度高，無，無 破壞性等。在光學、半導體學、生物學、醫(yī)學破壞性等。在光學、半導體學、生物學、醫(yī)學等諸多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。等諸多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。二、實驗?zāi)康亩?、實驗?zāi)康牧私鈾E偏光法測量原理了解橢偏光法測量原理(yunl)和實驗方法。和實驗方法。熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試熟悉橢偏儀器的結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。方法。測量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和測量介質(zhì)薄膜樣品的厚度和折射率。折射率。橢圓偏振法是利用被測樣品表面對橢偏光的反射橢圓偏振法是利用被測樣品表面對橢偏光的反射特性來測量樣品的光學特性來測量樣品的光學(gungxu)常數(shù)。常數(shù)。是一種先進的測量薄膜納米級厚度的方法。是一種

3、先進的測量薄膜納米級厚度的方法。第3頁/共16頁第三頁，共16頁。1）簡述橢偏法的測量原理，各）簡述橢偏法的測量原理，各主要光學部件的作用是什么？主要光學部件的作用是什么？2）簡述橢偏儀測量薄膜厚度）簡述橢偏儀測量薄膜厚度的實驗步驟。的實驗步驟。第4頁/共16頁第四頁，共16頁。第5頁/共16頁第五頁，共16頁。四、實驗原理四、實驗原理使一束自然光經(jīng)起偏器變成線使一束自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)偏振光，再經(jīng)1/4波片，使它變波片，使它變成等幅橢圓偏振光，入射到待成等幅橢圓偏振光，入射到待測的膜面上。反射時光的偏振測的膜面上。反射時光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。對于態(tài)將發(fā)生變化。對于(duy)一一定

4、的樣品，總可以找到起偏方定的樣品，總可以找到起偏方位角位角P，使反射光由橢圓偏振光，使反射光由橢圓偏振光變成線偏振光。于是轉(zhuǎn)動檢偏變成線偏振光。于是轉(zhuǎn)動檢偏器，在其相應(yīng)的方位角器，在其相應(yīng)的方位角A下得到下得到消光狀態(tài)。消光狀態(tài)。自然光自然光起偏器起偏器1檢偏器檢偏器光電倍增管光電倍增管1/4波片波片線偏線偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光第6頁/共16頁第六頁，共16頁。ss1 k0 k1 k2 k323dn1n2n3 界面界面1界面界面2橢偏光橢偏光 光在單層介質(zhì)膜表面的反射光在單層介質(zhì)膜表面的反射(fnsh)與折射與折射 。PP第7頁/共16頁第七頁，共16頁。2221211Ripp

5、ippperrerr2221211Rississserrerr第8頁/共16頁第八頁，共16頁。12212222sin2cos2nnddn21、22222121212111issippissippspierrerrerrerrRRetgGspRRG 式中，式中，r1p、r2p為界面為界面(jimin)1、2處反射光處反射光p分量的振幅反射系數(shù)，分量的振幅反射系數(shù)，r1s、r2s為界面為界面(jimin)1、2處處s分量的振幅反射系數(shù)分量的振幅反射系數(shù) ，2系系指薄膜表面的相繼兩束反射光因光程差而引起指薄膜表面的相繼兩束反射光因光程差而引起的位相差，它滿足：的位相差，它滿足：在橢偏測量在橢偏測量

6、(cling)中測量中測量(cling)的是的是Rp與與Rs之比，即之比，即G：用用tg和和分別表示分別表示G的模和幅角，則：的模和幅角，則：橢偏方程橢偏方程和和稱為橢偏參數(shù)稱為橢偏參數(shù)第9頁/共16頁第九頁，共16頁。 式中，式中，和和稱為橢偏參數(shù)并具有角度稱為橢偏參數(shù)并具有角度(jiod)量值，是量值，是n1、n2、n3、 、及及d的函數(shù)的函數(shù)；由于；由于n1、n3、 和和、 為為 已知量，只要利用已知量，只要利用實驗測出實驗測出和和，并利用計算機作數(shù)值計算，即，并利用計算機作數(shù)值計算，即可得到薄膜折射率可得到薄膜折射率n2和厚度和厚度d。、1、1和和的如何的如何(rh)測量？測量？把把R

7、p與與Rs復振幅復振幅(zhnf)寫成模和幅角形式：寫成模和幅角形式：iprpiipirppeEeER|isrsiisirsseEeER|)()(|isiprsrpiipisrsrpspieEEEERRetgG|ipisrsrpEEEEtg)()(isiprsrp反射前后反射前后p,sp,s兩分量的兩分量的振幅衰減比振幅衰減比兩分量的相移差兩分量的相移差第10頁/共16頁第十頁，共16頁。為使測量更加簡便為使測量更加簡便(jinbin)(jinbin)，在橢偏測，在橢偏測量中要求入射光和反射光滿足兩個條件量中要求入射光和反射光滿足兩個條件：（1 1）入射光為）入射光為p,sp,s分量的振幅相等

8、分量的振幅相等(xingdng)(xingdng)的橢偏光，的橢偏光，此時：此時：|isipEE|rsrpEEtg僅與反射光僅與反射光p,s分量的振幅分量的振幅(zhnf)比有比有關(guān)關(guān)（2 2）反射光為線偏振光，此時：）反射光為線偏振光，此時：, 0rsrp), 0()(isip實驗上如何實現(xiàn)？實驗上如何實現(xiàn)？第11頁/共16頁第十一頁，共16頁。自然光自然光起偏器起偏器1檢偏器檢偏器光電倍增管光電倍增管1/4波片波片線偏線偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u等幅橢偏光等幅橢偏光(pin (pin un)un)的獲得的獲得快軸快軸慢軸慢軸S方向方向(fngxing)P方向方向(fngxin

9、g)E0入射光入射光E0代表經(jīng)方位角為代表經(jīng)方位角為p的起偏器的起偏器出射的出射的線偏振光線偏振光的振幅的振幅將將E0在波片的快軸在波片的快軸f 和慢軸和慢軸 l上分解為上分解為:)4cos(01PEEf)4sin(1PEs通過通過1/4波片后，波片后，Ef將比將比Es超前超前/2)2exp()4cos(02iPEEf)4sin(02PEEs把這兩個分量分別在把這兩個分量分別在s 軸及軸及p軸上投影并再合成為軸上投影并再合成為Es和和Ep ，便得，便得到到002exp() ,2423exp() .24ipxisyEEEi PEEEiP()2.2ipisP1|isipEE第12頁/共16頁第十二

10、頁，共16頁。自然光自然光起偏器起偏器1檢偏器檢偏器光電倍增管光電倍增管1/4波片波片線偏線偏振光振光氦氖激光器氦氖激光器消光消光u反射光為線偏振光的檢測反射光為線偏振光的檢測(jin c)(jin c)消光法消光法檢偏器的透光軸檢偏器的透光軸t與合成的反射線偏振與合成的反射線偏振光束的電矢量光束的電矢量(shling) Er垂直時垂直時,反射反射光在檢偏器后消光：光在檢偏器后消光：tanrprsEAEtantan,()(2),2()0rprsrprsAP 或第13頁/共16頁第十三頁，共16頁。五、實驗內(nèi)容與步驟五、實驗內(nèi)容與步驟首先開啟主機電源，點亮氦氖激首先開啟主機電源，點亮氦氖激光器（

11、預(yù)熱光器（預(yù)熱30分鐘后再測量為分鐘后再測量為宜）。宜）。2.放入待測樣品，選定入射角放入待測樣品，選定入射角（70），調(diào)節(jié)起偏機構(gòu)懸臂和），調(diào)節(jié)起偏機構(gòu)懸臂和檢偏機構(gòu)懸臂，使經(jīng)樣品表面反檢偏機構(gòu)懸臂，使經(jīng)樣品表面反射后的激光束剛好通過射后的激光束剛好通過(tnggu)檢偏器入光口顯示窗。檢偏器入光口顯示窗。3.調(diào)整起偏器和檢偏器的角度，直調(diào)整起偏器和檢偏器的角度，直至出現(xiàn)兩次消光，測出檢偏器后至出現(xiàn)兩次消光，測出檢偏器后消光時起、檢偏器方位角消光時起、檢偏器方位角(P1,A1)和和(P2,A2)；第14頁/共16頁第十四頁，共16頁。4. 將兩組（將兩組（P，A）換算，求平均值；）換算，求平均值；5.