椭圆偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验报告.PDF

椭圆偏光法测量薄膜的厚度和折射率 实验报告 张楚珩（121120173） 2015年6月11日 1 引言 椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重 要光学方法。它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的 偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。这种测量 方法的优点是测量精度非常高，而且对于样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约为 0.1nm的变化。因此可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长的实 时自动监控。 椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄 膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学 以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。在材料科学中椭偏测量常用来 测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程 的实时监控等。 自1945年罗申（A.Rothen）描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科 学技术的迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算 机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。 2 实验目的 1. 了解椭偏光法的测量原理和实验方法。 2. 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。 3. 测量介质薄膜样品的厚度和折射率，以及硅的消光系数和复折射率。 3 实验原理 本实验介绍反射型椭偏光法。其原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜 的交界面发生多次的反射和折射，反射光的偏振和 位相将发生变化，这些变化与薄膜的 厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，皆 可以推算出膜厚和折射率等。 1 张楚珩 南京大学物理学院 sealzhang.tk 3.1 椭圆偏振方程 如图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。介质I通常是折射率 为 的空气，介质2是一层厚度为d的复折射率为 的薄膜，均匀地附在复折射率为 的衬 底材料上，φ 为光的入射角，φ 和φ 分别为薄膜中衬底中的折射角。 光波的电场矢量可以分解为平行于入射面的电场分量（一下简称p分量或者p波）和垂 直于入射面的电场分量（以下简称s分量或者s波）。若用 和 分别表示入射光波的 p分量和s分量，用 和 分别代表各束反射光 中电矢量的p分量之和以 及各束反射光s分量之和。定义反射率r（又称反射系数）为反射光电矢量的振幅与入射光 电矢量的振幅之比。 图 1: 薄膜系统的光路示意图 由菲涅尔反射公式，可以分别给出p波、s波的振幅反射率 ， : 对于空气-薄膜界面I： φ φ (1) φ φ φ φ (2)