試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)薄膜厚度與折射率

1、實(shí)驗(yàn)五單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)試分析薄膜的厚度與折射率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諜E偏法的基本原理，學(xué)會(huì)使用單波長(zhǎng)橢偏儀測(cè)硅襯底上透明膜厚度和折 射率。二、實(shí)驗(yàn)原理1、偏振光的分類(lèi)偏振是各種矢量波共有的一種性質(zhì)。對(duì)各種矢量波來(lái)說(shuō)，偏振是指用一個(gè)常 矢量來(lái)描述空間某一個(gè)固定點(diǎn)所觀測(cè)到的矢量波（電場(chǎng)、應(yīng)變、自旋）隨時(shí)間變 化的特性。光波是一種電磁波，電磁場(chǎng)中的電矢量就是光波的振動(dòng)矢量， 其振動(dòng) 方向與傳播方向相垂直。電矢量在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)按一定的規(guī)律呈現(xiàn) 非對(duì)稱的擇優(yōu)振動(dòng)取向，這種偏于某一方向電場(chǎng)振動(dòng)較強(qiáng)的現(xiàn)象，被稱為光偏振。正對(duì)著光的傳播方向觀察，電矢量的方向不隨時(shí)間變化，具大小隨著相位有 規(guī)律地變化的光為

2、線偏振光或者稱為平面偏振光， 在與光的傳播方向相垂直的平 面上，其軌跡為一條直線；若電矢量的大小始終不變，方向隨時(shí)間規(guī)則變化，其 端點(diǎn)軌跡為圓形，則為圓偏振光；若電矢量的大小和方向都隨時(shí)間規(guī)則變化，其 端點(diǎn)軌跡呈橢圓形，則為橢圓偏振光。如果光呈現(xiàn)出各方向振福相等的特征，并 不在某一方向的擇優(yōu)振動(dòng)，將這種光稱為自然光；將自然光與線偏振光混合時(shí)， 呈現(xiàn)沿某一方向電場(chǎng)振幅較大，而與其正交的方向電場(chǎng)振幅較弱但不為零的特 性，這種光為部分偏振光。2、偏振光的產(chǎn)生用于產(chǎn)生線偏振光的元件叫起偏器。 用于檢驗(yàn)和分析光的偏振狀態(tài)的元件叫 檢偏器。雖然兩者的名稱不同，但起偏器和檢偏器大都具有相同的物理結(jié)構(gòu)和光 學(xué)

3、特性，在使用中可互換，僅根據(jù)其在光學(xué)系統(tǒng)中所扮演的角色而被賦予了不同 的名稱。3、反射式橢圓偏振光譜測(cè)量的基本原理（1）偏振光學(xué)系統(tǒng)在橢偏儀中，偏振光束是通過(guò)一系列能產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行 傳播的。在這方面，橢偏儀是屬于這樣一類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)， 其中光的偏振表示了經(jīng)過(guò) 此系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件處理過(guò)的光波的基本性質(zhì)。 我們把這類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)稱為偏振系 統(tǒng)，以區(qū)別于其他類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)，即在其它許多系統(tǒng)中，受影響的是光波的某 種性質(zhì)但不是它的偏振狀態(tài)。例如，在成象光學(xué)系統(tǒng)中，置放在光路中的光學(xué)元 件對(duì)光波播前的振幅（強(qiáng)度）進(jìn)行變換。不同類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的裝置有很大的 不同，成象光學(xué)系統(tǒng)主要由透鏡和空間濾

4、光片構(gòu)成。而偏振光學(xué)系統(tǒng)則由起偏器、延遲器和旋光器組成。雖然按照光學(xué)系統(tǒng)所能處理的光波的基本性質(zhì)來(lái)劃分 光學(xué)系統(tǒng)的方法是十分吸引人的，但是，對(duì)于同時(shí)能使光波的一種以上性質(zhì)發(fā)生 顯著變化的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般的描述辦法就有些困難了。（2）橢偏儀裝置的測(cè)量理論和分析橢偏學(xué)一般可定義為對(duì)偏振矢量波的偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量和分析的方法和系統(tǒng)。雖然光波偏振態(tài)的測(cè)量本身就具有重要意義，但利用橢偏測(cè)量的原理和方法，通 ?？色@得偏振態(tài)發(fā)生變化的“某光學(xué)系統(tǒng)”的有關(guān)信息。我們?cè)跈E偏學(xué)研究中所 采取的一般方法是，作為探針的偏振光波能夠有控制地與待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生相互 作用。這種相互作用將改變光波的偏振態(tài)（也十分可能引起其他性

5、質(zhì)變化）。測(cè) 量偏振的初態(tài)和終態(tài)，或反復(fù)測(cè)量適當(dāng)數(shù)目的不同初態(tài)， 例如利用系統(tǒng)的瓊斯或 米勒矩陣，便可確定所研究的系統(tǒng)對(duì)偏振光的變換規(guī)律。光學(xué)系統(tǒng)的瓊斯或米勒矩陣傳遞了該光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)信息， 為了取得更基本的信息，就必須利用光的 電磁學(xué)理論來(lái)研究該系統(tǒng)內(nèi)光與物質(zhì)的相互作用。 換句話說(shuō)，要求研究偏振態(tài)變 化的內(nèi)部過(guò)程，以弄清由瓊斯或米勒矩陣所描述的光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)變化究竟來(lái)源 于哪些內(nèi)部機(jī)理。通用橢偏儀的工作布局圖如圖1所示。來(lái)自合適的光源L的準(zhǔn) 直性能優(yōu)良的單色光或準(zhǔn)單色光，經(jīng)可調(diào)起偏器P產(chǎn)生已知的偏振態(tài)可控的光束。 這束光與待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)（S）相互作用，從而使光束偏振態(tài)發(fā)生變化。利用其后 連有探

6、測(cè)器D的可調(diào)力偏器A,來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)輸出端的偏振態(tài)的變化。圖4普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、A口。分別代表光源、可調(diào)起偏器、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、可 調(diào)檢偏器和光電探測(cè)器。 現(xiàn)在假定光波與光學(xué)系統(tǒng)間的相互作用是線性的，并 且無(wú)頻率變化，光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)下面的一種或幾種過(guò)程而是作為探針的光波偏振實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)-單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)試分析薄膜的厚度與折射率態(tài)發(fā)生變化：（1）.反射或折射：當(dāng)光波在兩個(gè)不同的光學(xué)媒質(zhì)界面上發(fā)生反射 或折射時(shí)，偏振態(tài)會(huì)發(fā)生突變。這種變化的原因是，對(duì)于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏振光分別有不同的菲涅耳反射或透射系數(shù)。（2）.透射:當(dāng)一束光通過(guò)一各向異性媒質(zhì)（折射率、吸收率或兩者

7、，均存在各向異性）時(shí)， 其偏振態(tài)將連續(xù)變化。（3）.散射：當(dāng)光波穿過(guò)因存在散射中心而其折射率具有 空間不均勻性的媒質(zhì)時(shí)，便發(fā)生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透 射并不明顯影響原光束的準(zhǔn)直性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一 大的立體角范圍內(nèi)重作分布現(xiàn)象。根據(jù)改變光波的偏振態(tài)的作用方式，可將橢偏測(cè)量方法分為：（i） 反射或表面橢偏測(cè)量法（ii）透射橢偏測(cè)量法（偏振測(cè)量法）。圖1普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、所口匚）分別代表光源、可調(diào)起偏器、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、可調(diào)檢偏器和光電探測(cè)器?，F(xiàn)在假定光波與光學(xué)系統(tǒng)間的相互作用是線性的，并且無(wú)頻率變化，光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)下面的一種或幾種過(guò)程而是

8、作為探針的光波偏振態(tài)發(fā)生變化：（1）.反射或折射：當(dāng)光波在兩個(gè)不同的光學(xué)媒質(zhì)界面上發(fā)生反射或折射時(shí)，偏振態(tài)會(huì)發(fā)生突變。這種變化的原因是，對(duì)于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏 振光分別有不同的菲涅耳反射或透射系數(shù)。（2）.透射：當(dāng)一束光通過(guò)一各向異性媒質(zhì)（折射率、吸收率或兩者，均存在各向異性）時(shí)，其偏振態(tài)將連續(xù)變化。 （3）.散射：當(dāng)光波穿過(guò)因存在散射中心而其折射率具有空間不均勻性的媒質(zhì)時(shí)， 便發(fā)生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透射并不明顯影響原光束的 準(zhǔn)直性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一大的立體角范圍內(nèi)重作分 布現(xiàn)象。根據(jù)改變光波的偏振態(tài)的作用方式，可將橢偏測(cè)量

9、方法分為： （i）反 射或表面橢偏測(cè)量法（ii） 透射橢偏測(cè)量法（偏振測(cè)量法）（iii） 散射橢偏測(cè)量 法。值得指出是，雖然許多測(cè)量方法的基本原理都相同，但上述分類(lèi)卻對(duì)應(yīng)于 三種性質(zhì)各異的研究領(lǐng)域，它們彼此之間存在著很大的差別。利用探測(cè)光隨偏振態(tài)（方位角、相位延遲或入射角）變化的規(guī)律建立了光度橢偏測(cè)量法。由光度 橢偏儀得到的原始數(shù)據(jù)包括在預(yù)定條件下取得的光強(qiáng)度（光流）信號(hào)。光度橢偏儀分成靜態(tài)光度橢偏儀和動(dòng)態(tài)光度橢偏儀。對(duì)于靜態(tài)光度橢偏儀，待測(cè)信號(hào)（通 常是直流信號(hào)，除非用斬光器切斷光源光束）是在橢偏儀各元件的預(yù)定位置處被 記錄下來(lái)，即在P、C、A與的特定值下記錄。使用動(dòng)態(tài)光度橢偏儀，則讓參量

10、P、 C、A與中的一個(gè)或幾個(gè)隨時(shí)間作周期變化，而后對(duì)待測(cè)信號(hào)作傅里葉分析。（3）反射式光度型橢圓偏振光譜測(cè)量的基本原理菲涅爾公式表明，對(duì)于兩種光學(xué)各向異性的均勻媒質(zhì)構(gòu)成的理想光學(xué)界面 （如圖2所示），當(dāng)入射光在該界面發(fā)生反射或折射時(shí)，其反射波或透射波的偏振 態(tài)會(huì)發(fā)生改變。這種變化的根本原因在于：與入射面平行和垂直的兩個(gè)線偏振光 分別有不同的菲涅爾反射或透射系數(shù)。這就是橢圓偏振光學(xué)測(cè)量的物理依據(jù)。圖2.光束在兩介質(zhì)界面的反射和折射圖設(shè)兩個(gè)復(fù)反射系數(shù)Rs和Rp分別代表s和p方向上的反射和入射光束的電場(chǎng)矢量復(fù)振幅之比，即:Ers(DisRpErpEip(2)式中r為反射波的電矢量（Erp ）振幅和入

11、射波電矢量（Ei）振幅之比，6則實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)-單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)試分析薄膜的厚度與折射率為經(jīng)過(guò)反射后電矢量產(chǎn)生的相移，其中下s和p分別表示垂直（S）和平行（P）入 射面的兩個(gè)分量。如果入射波的偏振態(tài)是任意的 （即偏振態(tài)包含S、P兩個(gè)偏振成 分），則反射波的合成偏振態(tài)將不同于入射波的偏振態(tài)，這是 S?口P兩個(gè)偏振分量 具有不同菲涅爾反射系數(shù)的緣故?；谶@一原理，反射法測(cè)量橢圓偏振光是通過(guò)測(cè)量入射波和反射波的偏振態(tài) 改變而求出P偏振和琳振的菲涅爾反射系數(shù)的比值p ,由（1）和（2）兩式可得：_ Rp _ rp 占 CP7(3)-eRsrs我們也可以將P改寫(xiě)為:(4)即:(5)rptan ,P = ： =

12、、p _、s p s式（5）中空（0 M中E2冗門(mén)A（0 A 2n ）即為通常所說(shuō)的橢偏參數(shù)，此式可看作是 對(duì)橢偏參數(shù)的定義。甲和A分別反映了光與物質(zhì)相互作用后，和震動(dòng)分量的振幅 和相位發(fā)生的變化，它們是實(shí)驗(yàn)上可被測(cè)量的物理量，其數(shù)值可通過(guò)測(cè)量和分析 橢圓偏振光強(qiáng)的變化得到。需要說(shuō)明的是，實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)反射率p不僅取決于被研究材料自身的 光學(xué)性質(zhì)，而且還依賴于實(shí)驗(yàn)條件，如入射光的波長(zhǎng)和入射角、樣品表面的粗糙 度等條件，式（5）將系數(shù)與實(shí)驗(yàn)上可直接測(cè)量的量甲和A聯(lián)系起來(lái)，從原理上講,在已知被研究系統(tǒng)本身的物理參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件后，該系統(tǒng)的甲和A可以被確定。 然而，橢偏參數(shù)與所需確定的光學(xué)常數(shù)之間

13、的聯(lián)系還依賴于材料的結(jié)構(gòu)和所采用 的反射式光學(xué)系統(tǒng)的模型。通常，當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果吻合得較 好時(shí)，便認(rèn)為所選擇的模型是較合適的。在橢圓偏振實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，先精確測(cè)量出橢偏參數(shù)甲和A ,然后按照由理想的 光學(xué)各向異性樣品與透明環(huán)境媒質(zhì)組成的兩相模型，按下式來(lái)確定樣品的復(fù)介電常數(shù) ：:一 a a.2、.2 -2al. .(6)sin 6+sin 中 tan 1(1 + P L上式中p由式（6）決定，名a和小分別為環(huán)境媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和探測(cè)光束的入射 角。由此可見(jiàn)，在橢圓偏振測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量橢偏參數(shù)甲和A ,由式 （5） 計(jì)算出系統(tǒng)的相對(duì)反射率P ,然后由式（6）式求出復(fù)介電常數(shù)，最后

14、再通過(guò)其與 固體宏觀光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系求出其他光學(xué)常數(shù)，這樣就可以在實(shí)驗(yàn)上對(duì)固體樣 品的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。這就是采用橢圓偏振光學(xué)方法研究固體材料的光學(xué)性質(zhì) 的基本原理。oLight SourceSampleDelertoiRuWiQii Ratio A=2P圖3為本實(shí)驗(yàn)所采用的反射式橢圓偏振光譜儀的原理圖。其中：R、可口A是偏 振器件。R為固定起偏器，其作用是使入射光的初始偏振態(tài)被固定在 s方向振動(dòng)， 可有效克服來(lái)自光源偏振性的影響。 可口 A分別為可旋轉(zhuǎn)的起偏器和檢偏器，它們 的初始偏振方位角均沿s方向。A的轉(zhuǎn)速是的兩彳to從起偏器P出射的光經(jīng)過(guò)樣品 表面反射后透過(guò)檢偏器A進(jìn)入探測(cè)器，小是入

15、射角。光的入射面與 s方向垂直。圖3.反射式橢圓偏振光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工作原理示意圖三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備單波長(zhǎng)橢圓偏振光譜儀器四、重要注意事項(xiàng)：如果中間某步驟未完成，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)臂與儀器其它部件相碰，使損壞儀器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)-單波長(zhǎng)橢偏法測(cè)試分析薄膜的厚度與折射率請(qǐng)嚴(yán)格按照“實(shí)驗(yàn)方法、步驟”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不得擅自改變實(shí)驗(yàn)步驟。請(qǐng)認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)情況，如操作失誤，務(wù)必在轉(zhuǎn)臂與儀器其它 部件相碰之前關(guān)閉橢偏儀器電源，以免損壞儀器。五、實(shí)驗(yàn)方法、步驟一、打開(kāi)半導(dǎo)體激光器電源開(kāi)關(guān)。二、打開(kāi)計(jì)算機(jī)進(jìn)入Windows 98操作系統(tǒng)。三、放上樣品。注意不要觸碰待測(cè)樣品表面，以免影響測(cè)量結(jié)果。四、檢查橢圓偏振光譜儀各

16、部件的連接。連接妥當(dāng)后打開(kāi)光譜儀電源。五、啟動(dòng)軟件 日l(shuí)ip ,進(jìn)入操作界面。六、調(diào)整樣品平面：.點(diǎn)擊“Rotate”按紐，彈出對(duì)話框，選擇“ S and D”，置“Rotate to ” 為一定角度（例如“ 60 ”，輸入角度應(yīng)在3090之間），選擇“ OK;.儀器轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后（在轉(zhuǎn)動(dòng)期間軟件自動(dòng)鎖定），調(diào)節(jié)樣品架后的旋紐“a”， 可使激光光斑上下移動(dòng)，使得反射光進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)臂光孔；.點(diǎn)擊“Rotate”按紐，彈出對(duì)話框，選擇“ Stage”，置“Rotate to”為 “0”，選擇 “OK；.儀器轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束后（在轉(zhuǎn)動(dòng)期間軟件自動(dòng)鎖定），調(diào)節(jié)樣品架后的旋紐“b” 和“c”，可使激光光斑左右、上下移動(dòng)

17、，使得反射光回到固定臂后方激 光的出射孔處（白色面板小孔）；.點(diǎn)擊“Rotate”按紐，彈出對(duì)話框，選擇“ Stage”，置“Rotate to”為 步驟“1”所輸入的角度（即“ Detector ”的“Current Angle ”中顯示 的角度），選擇“ OK ；.重復(fù)步驟“ 2” ；.重復(fù)步驟“ 3” ；.重復(fù)步驟“ 4” ；.重復(fù)步驟“ 5” ；.如光斑未進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)臂光孔，則調(diào)節(jié)樣品架后的旋紐a”，否則不動(dòng)。樣品平面調(diào)整結(jié)束 七、點(diǎn)擊“ Start ”開(kāi)始測(cè)量。八、獲得結(jié)果，點(diǎn)擊“ Save”保存（文件名可為Si02-60.dat ）。九、如要多次測(cè)量，點(diǎn)擊“ restart ，彈出對(duì)話框詢問(wèn)是否保存上次測(cè)得結(jié)果。十、保存完畢或不保存后，可開(kāi)始繼