橢圓偏振側(cè)厚儀實(shí)驗(yàn)

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1、橢圓偏振測(cè)量薄膜厚度和折射率實(shí)驗(yàn)在近代科學(xué)技術(shù)的許多部門中對(duì)各種薄膜的研究和應(yīng)用日益廣泛。因此，更加精確和迅速地測(cè)定一給定薄膜的光學(xué)參數(shù)已變得更加迫切和重要．在實(shí)際工作中雖然可以利用各種傳統(tǒng)的方法測(cè)定光學(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)膜厚等），但橢圓偏振法（簡(jiǎn)稱橢偏法）具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種較靈敏（可探測(cè)生長(zhǎng)中的薄膜小于0.1nm的厚度變化）、精度較高（比一般的干涉法高一至二個(gè)數(shù)量級(jí)）、并且是非破壞性測(cè)量。是一種先進(jìn)的測(cè)量薄膜納米級(jí)厚度的方法。它能同時(shí)測(cè)定膜的厚度和折射率（以及吸收系數(shù)）。因而，目前橢圓偏振法測(cè)量已在光學(xué)、半

2、導(dǎo)體、生物、醫(yī)學(xué)等諸方面得到較為廣泛的應(yīng)用。這個(gè)方法的原理幾十年前就已被提出，但由于計(jì)算過(guò)程太復(fù)雜，一般很難直接從測(cè)量值求得方程的解析解。直到廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)以后，才使該方法具有了新的活力。目前，該方法的應(yīng)用仍處在不斷的發(fā)展中。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解橢圓偏振法測(cè)量薄膜參數(shù)的基本原理；2初步掌握橢圓偏振儀的使用方法，并對(duì)薄膜厚度和折射率進(jìn)行測(cè)量。二實(shí)驗(yàn)原理橢偏法測(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１/４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)耐腹夥较颍淮郎y(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

3、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．一、橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測(cè)量使一束自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光。再經(jīng)1/4波片，使它變成橢圓偏振光入射在待測(cè)的膜面上。反射時(shí)，光的偏振狀態(tài)將發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這種變化，便可以推算出待測(cè)膜面的某些光學(xué)參數(shù)。1.橢偏方程與薄膜折射率和厚度的測(cè)量如右圖所示為一光學(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，上部是折射率為的空氣（或真空）。中間是一層厚度為折射率為的介質(zhì)薄膜，均勻地附在折射率為的襯底上。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

4、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。設(shè)表示光的入射角，和分別為在界面1和2上的折射角。根據(jù)折射定有（1）光波的電矢量可以分解成在入射面內(nèi)振動(dòng)的分量和垂直于入射面振動(dòng)的s分量。若用和分別代表入射光的和分量，用及分別代表各束反射光,,,…中電矢量的分量之和及8s分量之和，則膜對(duì)兩個(gè)分量的總反射系數(shù)和定義為和（2）經(jīng)計(jì)算可得和(3)式中或和或分別為或分量在界面1和界面2上一次反射的反射系數(shù)。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(4)式（4）即有名的菲涅爾反射系數(shù)公式。

5、由相鄰兩反射光束間的程差，不難算出(5)式中λ為真空中的波長(zhǎng)，和為介質(zhì)膜的厚度和折射率，各角的意義同前。在橢圓偏振法測(cè)量中，為了簡(jiǎn)便，通常引入另外兩個(gè)物理量ψ和Δ來(lái)描述反射光偏振態(tài)的變化。它們與總反射系數(shù)的關(guān)系定義如下：　　(6a)　　?(6b)式（6）簡(jiǎn)稱為橢偏方程，其中的、稱為橢偏參數(shù)（由于具有角度量綱也稱橢偏角）。由（1），（4），（5）和（6）式已經(jīng)可以看出，參數(shù)和是的函數(shù)。其中可以是已知量，如果能從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出和的值，原則上就可以算出薄膜的折射率和厚度。這就是橢圓偏振法測(cè)量的基本原理。實(shí)際上，究竟和的具體物理意義是什么，如何測(cè)出

6、它們，以及測(cè)出后又如何得到和，均須作進(jìn)一步的討論。2.和的物理意義現(xiàn)用復(fù)數(shù)形式表示入射光的和分量(7)8式（7）中各絕對(duì)值為相應(yīng)電矢量的振幅，各值為相應(yīng)界面處的位相。由（6a），(2)和（7）式可以得到(8)　比較等式兩端即可得(9)　(10)（9）式表明，參量與反射前后和分量的振幅比有關(guān)。而（10）式表明，參量與反射前后和分量的位相差有關(guān)?？梢姡椭苯臃从沉斯庠诜瓷淝昂笃駪B(tài)的變化。一般規(guī)定，和的變化范圍分別為。當(dāng)入射光為橢圓偏振光時(shí)，反射后一般為偏振態(tài)（指橢圓的形狀和方位）發(fā)生了變化的橢圓偏振光（除開的情況）。為了能直接測(cè)得和，須將實(shí)

7、驗(yàn)條件作某些限制以使問(wèn)題簡(jiǎn)化。也就是要求入射光和反射光滿足以下兩個(gè)條件：（1）要求入射在膜面上的光為等幅橢圓偏振光（即?和二分量的振幅相等）。這時(shí)，，公式（9）則簡(jiǎn)化為　　　　　　　　　（11）（2）要求反射光為一線偏振光。也就是要求公式（10）則簡(jiǎn)化為　　　　　　（12）滿足后一條件并不困難。因?yàn)閷?duì)某一特定的膜，總反射系數(shù)比是一定值。公式（6a）決定了也是某一定值。根據(jù)（10）式可知，只要改變?nèi)肷涠至康奈幌嗖睿钡酱笮橐贿m當(dāng)值（具體方法見后面的敘述），就可以使，從而使反射光變成一線偏掁光。利用一檢偏器可以檢驗(yàn)此條件是否已滿足。以上兩條

8、件都得到滿足時(shí)，公式（11）表明，恰好是反射光的和分量的幅值比，是反射光線偏振方向與方向間的夾角，如右圖所示。公式（12）則表明，恰好是在膜面上的入射光中和分量之間的位相差。二、