1、椭偏仪测量薄膜厚度和折射率椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换. 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。实验目的 1.了解椭偏仪测量薄膜参数的原理. 2.初步掌握反射型椭偏仪的使用方法.使用仪器 椭偏仪平台及配件 、He-Ne激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、四分之
2、一波片等.实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后,光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的.通常,设介质层为n1、n2、n3,1为入射角,那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉,如图(1-1) 介质n1 界面1 薄膜n2 界面2 衬底n3 图 1-1 这里我们用2表示相邻两分波的相位差,其中=,用r1p、 r1s表示光线的p分量、s分量在界面1、2间的反射系数, 用r2p 、r2s表示光线的p分、s分量在界面2、3间的反射系数. 由多光束干涉的复振幅计算可知: (1) (2) 其中Eip和Eis 分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers
3、分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量.现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers 四个量写成一个量G,即: = (3) 我们定义G为反射系数比，它应为一个复数，可用和表示它的模和幅角.上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出: G是变量n1、n2、n3、d、的函数( 、可用表示 ) ,即, , 称和为椭偏参数,上述复数方程表示两个等式方程: 的实数部分=的实数部分 的虚数部分=的虚数部分若能从实验测出和的话,原则上可以解出n2和d (n1、n3、已知),根据公式(4)(9),推导出和与r1p、r1s、r2p、r2s、和的关系:1/2 (10) (11)由上式经计算机运算,可制作数表或计
4、算程序. 这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理.若d是已知,n2为复数的话,也可求出n2的实部和虚部.那么，在实验中是如何测定和的呢？现用复数形式表示入射光和反射光 (12)由式(3)和(12)，得：G= (13)其中: , = (14) 这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，则；对于相位角，有： (14)因为入射光连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即=0或（），则或，可见只与反射光的p波和s波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, 是定值,只要改变入射光两分量的相位差,肯定会找到特定值使反射光成线偏光
5、, =0或（）.四、实际检测方法等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2) a.平面偏振光通过四分之一波片,使得具有/4相位差. b.使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成450.反射光的检测 图1-2 将四分之一波片置于其快轴方向f与x方向的夹角为的方位,E0为通过起偏器后的电矢量,P为E0与x方向间的夹角.,通过四分之一波片后, E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较,相位上超前. 在x轴、y轴上的分量为: 由于x轴在入射面内,而y轴与入射面垂直,故Ex就是Eip,Ey就是Eis. 图1-3 由此可见,当时,入射光的两分量的振幅均为,它们之间的相位差为 ,改变P的数值可得到相位差连续可变的
6、等幅椭圆偏振光.这一结果写成: , 同理, 当时,入射光的两分量的振幅也为,相位差为.实验内容： 1. 按调分光计的方法调整好主机. 2. 水平度盘的调整. 3. 光路调整. 4. 检偏器读数头位置的调整和固定. 5. 起偏器读数头位置的调整与固定. 6. 波片零位的调整. 7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角70即望远镜转过40,并使反射光在白屏上形成一亮点. 8. 为了尽量减小系统误差,采用四点测量. 9. 将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”，经过范围确定后，可以利用逐次逼近法，求出与之对应的d和n ;由于仪器本身的精度的限制，可将d的误差控制在1埃左右，n的误差控制
7、在0.01左右. 实验重点：偏振光束在界面或薄膜上的反射时出现的偏振变换的过程和数字化的处理思想.实验难点：椭偏仪测量薄膜参数的原理的理解.六、思考题 1. 波片的作用是什么？ 2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理是什么？ 3. 用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时，对样品的制备有什么要求？ 4. 为了使实验更加便于操作及测量的准确性，你认为该实验中哪些地方需要改进？参考书目：1.椭圆偏振测量术和偏振光美R.M.A.阿查姆 N.M.巴夏拉 著 2.中国大百科全书I,II 中国大百科全书出版社3.光学教程姚启钧 高等教育出版社4.光学赵凯华，北京大学出版社椭偏仪测量薄膜厚度和折射率仪器调节说明一、 光路
8、调节：1、调节载物台水平；2、游标盘0o 对齐度盘0o ；3、调节二光管共轴 。二、 偏振片和波片的调整1、检偏器定位：（1）将检偏器套在望远镜筒上，偏振片读数头朝上，起始读数为90o ；（2）将望远镜筒转66o ，在载物台上放置黑色反光镜，此时光线以布儒斯特角入射黑色反光镜；（3）转动检偏器（保持读数头90o位置不变），使反射光线最暗。锁紧检偏器的固定螺丝；（4）望远镜筒转回原位，移走黑色反光镜。2、起偏器定位：（1） 将起偏器套在平行光管上，起偏器读数头朝上，上下起始读数均为0o ；（2） 转动起偏器，使检偏器出射光最暗，锁紧起偏器的固定螺丝；3、波片的调整（1） 将波片套在起偏器上，快轴
9、对准起偏器的0o ，微调波片，使检偏器出射光最暗。三、测量薄膜样品：1、将薄膜样品放置在载物台中央；2、望远镜筒转过40o （此时光线以70o 角入射薄膜表面）；3、波片置+45o 仔细调整起、检偏器角度同时90o（同时90o），使检偏器出射光强最弱，分别读出检、起偏器偏转角度A1、P1（A2、P2）；4、波片置-45o ，重复上述操作测出A3、P3、A4、P4四、将所测得的4组数据输入计算机进行数据处理，计算出薄膜样品的厚度和折射率。1、注意按计算机提示的顺序分别将4组数据输入；2、薄膜厚度计算精度：1nm；折射率计算精度：0.01。五、实验要求1、实验完毕交回样品及本实验说明；2、习报告及原始数据送交教师签字；3、下周交回预习报告和原始数据；4、本实验从教学平台提交电子版实验报告；5、损坏仪器照价赔偿。6
