橢圓偏振測(cè)厚度-上饒師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

1、14波片后成為特殊的其中Rp齊2pexp(-2i ' )1 ApDpexpN )跟 Dsexpg )1 rjsexpi、)(1.1)2、dn cos 2(1.2)橢圓偏振測(cè)厚度實(shí)驗(yàn)講義毛杰健，楊建榮一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解橢圓偏振法的根本原理 ；2、學(xué)會(huì)用橢圓偏振法測(cè)量納米級(jí)薄膜的厚度和折射率二實(shí)驗(yàn)儀器TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀，計(jì)算機(jī)三實(shí)驗(yàn)原理：橢圓偏振測(cè)厚技術(shù)是一種測(cè)量納米級(jí)薄膜厚度和薄膜折射率的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也是研究固體外表特性 的重要工具。橢圓偏振法測(cè)量的根本思路時(shí)，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的 橢圓偏振光，把它投射到待測(cè)樣品外表時(shí)，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较?，被待測(cè)樣品外表反射

2、出來(lái)的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化包括振幅和相位的變化，便可以確定樣品外表的許多光學(xué)特性。設(shè)待測(cè)樣品是均勻涂鍍?cè)谝r底上的厚度為d、折射率為n透明同性膜層。光的電矢量分解為兩個(gè)分量,即在入射面內(nèi)的p分量及垂直于入射面的 s分量。入射光在薄膜兩個(gè)界面上會(huì)有屢次的反射和折射， ，總p分量和s分量的總反射系數(shù)反射光束將是許多反射光束干預(yù)的結(jié)果。利用多光束干預(yù)的理論，得是相鄰反射光束之間的相位差，而為光在真空中的波長(zhǎng)。光束在反射前后的偏振狀態(tài)的變化可以用總反射系數(shù)比RpjR來(lái)表征。在橢圓偏振法中，用橢偏參量？和厶；來(lái)描述反射系數(shù)比，其定義為:(1.3)宇和厶只是薄膜厚度和折射率的函數(shù)

3、,tan ? exp(i J =Rp Rs在入射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率確定的條件下,只要測(cè)量出？和厶，原那么上應(yīng)能解出d和n。然而，從上述各式卻無(wú)法解析出d=7,®和n = 丁，厶的 具體形式。因此，只能先按以上各式用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算出在入射波波長(zhǎng)，入射角，環(huán)境介質(zhì)和襯底的折射率一定的條件下？，cd,n的關(guān)系圖表，待測(cè)出某一薄膜的？和厶后再?gòu)膱D表上查出相應(yīng)的 d和n的值。測(cè)量樣品的？和厶的方法主要有光度法和消光法。我們主要介紹用橢偏消光法確定7和厶的根本原于是(1.4)tan 丫 exp(i.：)=(1.5)理。設(shè)入射光束和反射光束電矢量的p分量和s分量分別為Ep，Es

4、，Erp, Ers，那么有為了使？和.i成為比擬容易測(cè)量的物理量，應(yīng)該設(shè)法滿足下面的兩個(gè)條件:(1)使入射光束滿足EipEis(1.6)(2)使反射光束成為線偏振光，也就是令反射光兩分量的位相差為0或。滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，有tan?=八=(Ip- 一 rs) - ( 一 ip - 一 is),(1.7)(:rp - ：rs) =0或二圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖1時(shí)本實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。 在圖中的坐標(biāo)系中，X軸和X軸均在入射面內(nèi)且分別與入射光束或反射光束的傳播方向垂直，而 y和y軸那么垂直于入射面。起偏器和檢偏器的透光軸t和與x軸或x軸的夾角分別為p和a。下面將會(huì)看到，只需讓 14波片的快軸f與x軸的夾

5、角為: . 4，便可以在14波片后面得到所需的滿足條件Eip = Eis ；的特殊橢圓偏振入射光束。圖2中的Eo代表有方位角位 P的起偏器出射的線偏振光。當(dāng)它投射到快軸與 x軸的夾角為 4的14波片時(shí)，將在波片的快軸f和慢軸s上分解為Efi = Eo cos(P - ),nEsi =E°cos(P).4(1.8)通過(guò)14波片后，Ef將比Es超前門2 ,于是在14波片后應(yīng)該有TEJITEEf2 二 Eo cos(P )exp( i ), E$2 二 E° cos(P ).424把這兩個(gè)分量分別在x軸及y軸上投影并再合成為Ex和Ey，便得到(1.9)Ex =Ey- n 1Eo

6、exp i(P ；),- 4亍 E°exp 吟-P).遼丿(1.10)可見(jiàn)，Ex和Ey也就是即將投射到待測(cè)樣品外表的入射光束的p分量和s分量，即Eip 二 ExE°exp i(P 寸),顯然，入射光束已經(jīng)成為滿足條件(1.11)Eip = Eis ;的特殊圓偏振光，其分量的位相差為(»2匕.(1.12)由圖3可以看出，當(dāng)檢偏器的透光軸 與合成的反射線偏振光束的電矢量Er垂直時(shí)，即反射光在檢偏器后消光時(shí)，應(yīng)該有ErpErs二 tan A(1.13)這樣，由式1.7可得tan? - ta nA,(1.14) Ip - 飛-2卩二Crp - 卞或二可以約定，A在坐標(biāo)系

7、x , y中只在第一及第四象限內(nèi)取值。下面分別討論 Crp 一飛二0或二的情況。1片p -Brs=Ji 此時(shí)的P記為P，合成的反射線偏振光的 Er在第二及第四象限里，于是A在第-2象限并計(jì)為A。由式1.14可得到(1.15)1Crp -飛=0此時(shí)的P記為F2，合成的反射線偏振光的Er在第一及第三象限里，于是 A在第四象限并計(jì)為A。由式1.14可得到(1.16)從式1.15和1.16可得到P,A和F>, A,的關(guān)系為(1.17)因此，在圖1的裝置中只要使14波片的快軸f與x軸的夾角為 . 4，然后測(cè)出檢偏器后消光時(shí)起、 檢偏器方位角R,A或B,A2，便可按式1.15或1.16求出甲，也，從

8、而完成總反射系數(shù)比的測(cè)量。 在借助已經(jīng)算好的？Jd, n的關(guān)系圖表，即可查出待測(cè)薄膜的厚度d和折射率n。四實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)所采用的TPY-1型橢圓偏振測(cè)厚儀集光、機(jī)、電于一體。主要由光源機(jī)構(gòu)、起偏機(jī)構(gòu)、檢偏機(jī)構(gòu)、接收機(jī)構(gòu)、主機(jī)機(jī)構(gòu)和裝卡機(jī)構(gòu)共六局部組成。1、光源機(jī)構(gòu):光源機(jī)構(gòu)主要由150m m,功率0.8mw，波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器等組成。圖5-1光源機(jī)構(gòu)2、起偏機(jī)構(gòu):偏振片機(jī)構(gòu)、1/4波片機(jī)構(gòu)等組成。起偏機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、1 、步進(jìn)電機(jī)采用步距角為1.8° ,12v的直流步進(jìn)電機(jī)，它由1/64細(xì)分電路控制，故步進(jìn)角最小可達(dá)0.014°，從而拖動(dòng)齒輪副回轉(zhuǎn)。通過(guò)起

9、偏機(jī)構(gòu)可測(cè)得起偏角P。2、齒輪副由一對(duì)直齒圓柱齒輪組成。與步進(jìn)電機(jī)輸出軸聯(lián)接的主動(dòng)齒輪，傳動(dòng)比為i=0.5。3、偏振片置于偏振套筒中，通過(guò)從動(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)0 ° -180 °范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使入射到其上的自然光非偏振激光變成線偏振光出射。4、1/4波片的調(diào)節(jié)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)波片鏡筒組中的回轉(zhuǎn)手輪實(shí)現(xiàn)，使射入其上的線偏振光變成橢圓偏振光波片位置出廠時(shí)已調(diào)節(jié)好，用戶無(wú)須調(diào)節(jié)3、檢偏機(jī)構(gòu):檢偏機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副及偏振片等組成，其結(jié)構(gòu)形式作用等同于起偏機(jī)構(gòu)，通過(guò)檢偏機(jī)構(gòu) 可測(cè)出精度為0.014°的檢偏角A。齒輪副圖5-3檢偏機(jī)構(gòu)偏振片組步進(jìn)電機(jī)4、接收機(jī)構(gòu):接收

10、機(jī)構(gòu)主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤副尺等組成。光電倍增管采用側(cè)窗式，型號(hào)為CR114。圖5-4接收機(jī)構(gòu)5、主體機(jī)構(gòu)：主體機(jī)構(gòu)主要由大刻度盤、上回轉(zhuǎn)托盤、下回轉(zhuǎn)托盤及箱體等組成。下回轉(zhuǎn)托盤通過(guò)立軸下?lián)跞潭ㄔ诖罂潭缺P上的下懸的立軸上。其上固定光源機(jī)構(gòu)和起偏機(jī)構(gòu)，故下 回轉(zhuǎn)托盤可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。上回轉(zhuǎn)托盤通過(guò)立軸上擋圈固定在大刻度盤上的下懸立軸上，其上固定檢偏機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)，故上回 轉(zhuǎn)托盤可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。大刻度盤通過(guò)三個(gè)大刻度盤支柱固定在箱體上，其上固定裝卡機(jī)構(gòu)以裝卡被測(cè)樣品。大刻度盤上外表的外邊緣，刻有兩段 30° -90°的刻線，每刻度值為

11、1°，兩個(gè)起偏、檢偏度盤副尺上，均勻刻有20格刻線，故入射角讀數(shù)精度為0.05°。6、裝卡機(jī)構(gòu)：裝卡機(jī)構(gòu)主要由樣品架、調(diào)整架、光闌機(jī)構(gòu)等組成。樣品架可以?shī)A持直徑 0 10- 0 14,厚度w 13m的被測(cè)樣品。調(diào)整架可對(duì)被夾持的樣品作上下俯仰；左右偏擺；前后移動(dòng)的三維調(diào)節(jié)均以正對(duì)著被測(cè)樣品外表方向觀察。in圖5-6裝卡機(jī)構(gòu)光闌機(jī)構(gòu)置于被測(cè)樣品外表處，起限制其它雜散光的進(jìn)入。光闌機(jī)構(gòu)可前后移動(dòng)，以方便被測(cè)樣品的裝卡。7、光學(xué)系統(tǒng)：儀器的光學(xué)系統(tǒng)包括光源、接收器、偏振片、1/4波片，其光路圖：見(jiàn)圖5-7 8、儀器使用及考前須知1 、激光光源點(diǎn)亮后會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的激光，對(duì)人眼能造成一

12、定的傷害， 故在使用中，絕對(duì)禁止直視光源。2、儀器在使用過(guò)程中各部件會(huì)產(chǎn)生熱量，為了能夠更有效地使用本儀器。工作時(shí)應(yīng)盡量選擇在陰涼、 通風(fēng)好的地方，以免影響儀器的使用壽命。3、長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)將儀器置于防塵、隔熱、相對(duì)濕度<70%環(huán)境。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、準(zhǔn)備過(guò)程:1 、首先開(kāi)啟主機(jī)電源，點(diǎn)亮氦氖激光器預(yù)熱30分鐘后再測(cè)量為宜。然后將電控箱調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋到頭，聯(lián)接好主機(jī)與電控箱間的各種數(shù)據(jù)線，開(kāi)啟電控箱電源。聯(lián)接主機(jī)與PC機(jī)間的USb線此 時(shí)PC機(jī)可能會(huì)提示發(fā)現(xiàn)新硬件。2 、雙擊PC機(jī)桌面上的TPY 2型自動(dòng)橢圓偏振測(cè)厚儀圖標(biāo)，運(yùn)行程序。裝卡被測(cè)樣品。注意：旋緊吸盤拉桿時(shí)要視被測(cè)樣品

13、直徑和質(zhì)地而適當(dāng)調(diào)節(jié)，切記不可用力過(guò)大，使樣品損壞。3、選定入射角$ 如70°,調(diào)節(jié)起偏機(jī)構(gòu)懸臂和檢偏機(jī)構(gòu)懸臂，使經(jīng)樣品外表反射后的激光束剛好通過(guò)檢偏器入光口。4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電控箱調(diào)節(jié)旋鈕，將讀數(shù)調(diào)到150伏左右視儀器情況而定即可。2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：說(shuō)明：通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏器的角度，可使入射到樣品外表的橢圓偏振光的兩個(gè)分量的位相差變化，當(dāng)起偏器調(diào)到某一角度 P時(shí)，經(jīng)樣品反射的橢圓偏振光就變成了線偏振光。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)檢偏器到某一角度A，使檢偏器的透光方向與線偏振光的振動(dòng)方向垂直，到達(dá)消光狀態(tài)，探測(cè)器接收的光強(qiáng)最小，這時(shí)，A、P就是我們要測(cè)的一對(duì)消光角。為了減小因系統(tǒng)的不完善造成的系統(tǒng)誤差，通常儀器采

14、取在多個(gè)不同的消光位 置進(jìn)行測(cè)量。重復(fù)上述步驟，即可得到多對(duì)消光角。1 、雙擊桌面圖標(biāo)，運(yùn)行程序。點(diǎn)擊進(jìn)入按鈕，再點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)類型通常選擇第一類，再點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)填入相應(yīng)參數(shù)，確定后。點(diǎn)擊測(cè)量，填入相應(yīng)參數(shù)點(diǎn)擊確定。此時(shí)，如果一切準(zhǔn)備就緒，就可以點(diǎn)擊測(cè)量，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)框的左側(cè)會(huì)顯示出儀器測(cè)量過(guò)程的步驟提示，同時(shí)還能在右側(cè)的坐標(biāo)欄中看到掃描曲線。等待測(cè)量結(jié)束后，選擇數(shù)據(jù)平均次數(shù)，點(diǎn)擊確定。現(xiàn)在窗體會(huì)回到進(jìn)入時(shí)的對(duì)話框，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)已自動(dòng)填入?yún)?shù)欄內(nèi)，點(diǎn)擊測(cè)量旁的計(jì)算按鈕。程 序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)擊確定，第一組數(shù)據(jù)測(cè)量完畢。提示：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果掃描曲線的谷點(diǎn)過(guò)低，接近 0'點(diǎn)，此時(shí)可適當(dāng)把電控箱電壓上調(diào)一些。2、為了計(jì)算薄膜的真實(shí)厚度：由理論分析可知，樣品的一組, A 只能求得一個(gè)膜厚周期內(nèi)的厚度值，要測(cè)量膜厚超過(guò)一個(gè)周期的真實(shí)厚度，常采用改變?nèi)肷浣腔虿ㄩL(zhǎng)的方法得到多組，?i , '：i ,真實(shí)膜厚d可由下式解得：m1D1 d m2D2 d =mi Di did=式中：g、m2> m3為正整數(shù)DD2、D3為膜厚周期數(shù)dl、d2、d3分別為不同測(cè)量條件時(shí)，所對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)的厚度值。此時(shí)，將測(cè)得的R,A和BA2加上