椭偏仪讲义汇总.docx
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椭偏仪讲义汇总
用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率
一实验目的
1、了解椭圆偏振法的基本原理;
2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.
二实验仪器
TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机
三实验原理：
椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，同时也是研究固体表面特性的重要工具。
椭圆偏振法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。
根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。
设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为、折射率为的透明各向同性的膜层。
光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的p分量及垂直于入射面的s分量。
入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射，，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。
利用多光束干涉的理论，得p分量和s分量的总反射系数
（1）
其中
（2）
是相邻两反射光束之间的相位差，而为光在真空中的波长。
光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比来表征。
在椭圆偏振法中，用椭偏参量和；来描述反射系数比，其定义为：
（3）
在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率确定的条件下，和只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出和，原则上应能解出和。
然而，从上述各式中却无法解析出和的具体形式。
因此，只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长，入射角，环境介质和衬底的折射率一定的条件下的关系图表，待测出某一薄膜的和后再从图表上查出相应的和的值。
测量样品的和的方法主要有光度法和消光法。
我们主要介绍用椭偏消光法确定和的基本原理。
设入射光束和反射光束电矢量的p分量和s分量分别为，则有
（4）
于是
（5）
为了使和成为比较容易测量的物理量，应该设法满足下面的两个条件：
（1）使入射光束满足
（6）
（2）使反射光束成为线偏振光，也就是令反射光两分量的位相差为或。
满足上述两个条件时，有
（7）
其中分别使入射光束和反射光束的p分量和s分量的位相。
图1实验装置示意图
图1是本实验装置的示意图。
在图中的坐标系中，轴和轴均在入射面内且分别与入射光束或反射光束的传播方向垂直，而和轴则垂直于入射面。
起偏器和检偏器的透光轴和与轴或轴的夹角分别为P和A。
下面将会看到，只需让波片的快轴与轴的夹角为，便可以在波片后面得到所需的满足条件的特殊椭圆偏振入射光束。
图2中的代表经方位角为P的起偏器出射的线偏振光。
当它投射到快轴与轴的夹角为的波片时，将在波片的快轴和慢轴上分解为
，（8）
通过波片后，将比超前，于是在波片后应该有
，（9）
把这两个分量分别在轴及轴上投影并再合成为和，便得到
（10）
可见，和也就是即将投射到待测样品表面的入射光束的p分量和s分量，即
（11）
显然，入射光束已经成为满足条件的特殊椭圆偏振光，其分量的位相差为
（12）
由图3可以看出，当检偏器的透光轴与合成的反射线偏振光束的电矢量垂直时，即反射光在检偏器后消光时，应该有
（13）
这样，由式（7）可得
（14）
可以约定，在坐标系中只在第一及第四象限内取值。
下面分别讨论的情况。
（1）.此时的记为，合成的反射线偏振光的在第二及第四象限里，于是在第一象限并计为。
由式（14）可得到
（15）
（2）.此时的记为，合成的反射线偏振光的在第一及第三象限里，于是在第四象限并计为。
由式（14）可得到
（16）
从式（15）和（16）可得到和的关系为
（17）
因此，在图1的装置中只要使波片的快轴与轴的夹角为，然后测出检偏器后消光时起、检偏器方位角或，便可按式（15）或（16）求出，从而完成总反射系数比的测量。
在借助已经算好的的关系图表，即可查出待测薄膜的厚度和折射率。
四实验装置
本实验所采用的TPY-1型椭圆偏振测厚仪集光、机、电于一体。
主要由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构和装卡机构共六部分组成。
1、光源机构：
光源机构主要由150mm，功率0.8mw，波长为632.8nm的氦氖激光器等组成。
2、起偏机构：
起偏机构主要由偏振片机构、1/4波片机构及读数机构等组成。
1）、偏振片置于偏振套筒中，通过回转机构可以实现0°-180°范围内的转动，从而使入射到其上的自然光（非偏振激光）变成线偏振光出射。
2）、1/4波片的调节是通过旋转波片镜筒组中的回转手轮实现，使射入其上的线偏振光变成椭圆偏振光（波片位置出厂时已调节好，用户无须调节）。
3）读数机构由大圆刻度盘及游标盘组成。
大圆刻度盘外圆周被均分为360份，游标盘最小刻度为0.05度，通过起偏机构可测得精度为0.05的起偏角P。
3、检偏机构：
检偏机构主要由偏振片、回转机构和读数机构等组成，其结构形式作用等同于起偏机构，通过检偏机构可测出精度为0.05°的检偏角A。
4、接收机构：
接收机构主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘游标尺等组成。
光电倍增管采用侧窗式，型号为CR114。
5、主体机构：
主体机构主要由大刻度盘、上回转托盘、下回转托盘及箱体等组成。
1）下回转托盘通过立轴下挡圈固定在大刻度盘上的下悬的立轴上。
其上固定光源机构和起偏机构，故下回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。
2）上回转托盘通过立轴上挡圈固定在大刻度盘上的下悬立轴上，其上固定检偏机构和接收机构，故上回转托盘可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。
3）大刻度盘通过三个支柱固定在箱体上，其上固定装卡机构以装、卡被测样品。
大刻度盘上表面的外边缘，刻有两段30°-90°的刻线，每刻度值为1°，起偏、检偏悬臂游标尺上，均匀刻有20格刻线，故入射角读数精度为0.05°。
4）箱体由箱体上面板、底板及底脚等组成。
6、装卡机构：
装卡机构主要由样品架、调整架、光阑机构等组成。
1）样品架可以夹持直径φ10-φ14，厚度≤13m的被测样品。
2）调整架可对被夹持的样品作上下俯仰；左右偏摆；前后移动的三维调节（均以正对着被测样品表面方向观察）。
3）光阑机构置于被测样品表面处，起限制其它杂散光的进入。
光阑机构可前后移动以
方便被测样品的装卡。
7、光学系统：
仪器的光学系统包括光源、接收器、偏振片、波片。
仪器使用及注意事项
1）、激光光源点亮后会发出较强的激光，对人眼能造成一定的伤害，故在使用中，绝对禁止直视光源。
2）、仪器在使用过程中各部件会产生热量，为了能够更有效地使用本仪器。
工作时应尽选择在阴凉、通风好的地方，以免影响仪器的使用寿命。
3）、长时间不使用时，应将仪器置于防尘、隔热、相对湿度<70%环境。
五实验内容和步骤
1、准备过程：
1）首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热30分钟后再测量为宜）。
然后将电控箱调节旋钮逆时针旋到头，联接好主机与电控箱间的各种数据线，开启电控箱电源。
2）装卡被测样品。
注意：
旋紧吸盘拉杆时要视被测样品直径和质地而适当调节，切记不可用力过大，使样品损坏。
3）选定入射角φ（如70°），调节起偏机构悬臂和检偏机构悬臂，使经样品表面反射后的激光束刚好通过检偏器入光口。
4）将起偏器与检片器的刻度值调至‘0’点。
5）顺时针旋转电控箱调节旋钮，将读数调到150伏左右（视仪器情况而定）即可。
2、实验过程：
1）缓慢转动检偏器手轮，使电压表表头指针下降，当表头指针下降到0附近时，适当调高电压，再次转动检偏器手轮，使表头指针下降，反复上述过程，找到表头指针偏转最小值。
记下此时检偏器刻度盘的数值即检偏角A。
2）适当调高电压使表头指针偏转到满量程的，缓慢转动起偏器手轮，使电压表表头指针下降，当表头指针下降到0附近时，适当调高电压，再次转动起偏器手轮，使表头指针下降，反复上述过程，找到表头指针偏转最小值。
记下此时起偏器刻度盘的数值即起偏角P。
3）重复上述步骤5次，将5次测量值（P，A）分别取平均后，代入公式计算。
4）为了计算薄膜的真实厚度：
由理论分析可知，样品的一组（Ψ，Δ）只能求得一个膜厚周期内的厚度值，要测量膜厚超过一个周期的真实厚度，常采用改变入射角或波长的方法得到多组（，），真实膜厚d可由下式解得：
d=
式中：
……为正整数
……为膜厚周期
……分别为不同测量条件时，所对应一个周期内的厚度值。
此时，将测得的（,）和（,）加上测量时对应的角度φ，分别代入公式，就能求出真实的薄膜厚度。
椭圆偏振仪测量薄膜厚度及折射率数据表格月日
入射角
测量次数
1
2
3
4
5
平均
直流溅射制备银膜实验数据表格月日
1．制备银膜样品
氩气压强（Pa）：
溅射电流（mA）：
样品编号
1*
2
3*
4
5
6*
溅射时间（min）
2
4
6
8
10
15
2．制备台阶样品测量薄膜厚（注意台阶位置!
）
条纹位置A
移动位置B
；
；；其中为测量次数；。
溅射速率：
（）。
3．四探针法测量样品电阻率（表格见下页）
4．样品厚度及电阻率
样品编号
膜厚（）
电阻率
1
2
3
4
5
6
3．四探针法测量样品电阻率
样品
编号
测量
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
升级会员 