测量薄膜厚度及其折射率的方法PPT

镀个较厚一点的单层膜，根据极值点（膜比基底折射率高的看极小值，膜比基底折射率低的看极大值，并且选取长波段的极值点，因为在长波段折射率色散小）估算出膜层的折射率，该点的反射率，根据薄膜光学原理，相当于单个四分之一光学厚度的膜厚（单层四分之一光学厚度的薄膜等效折射率为n^2/ng,n为膜的折射率，ng为基底折射率)的反射率。

算出折射率后，再判断极值级次，根据这个级次就可算出膜厚。

现在举一例子加深理解。

图中基底折射率为1.52，该曲线的透过率极大值是空白玻璃的透过率，说明镀的膜没有起增透作用，判断膜的折射率应该大于基底的折射率，所以我们要选极小值点的反射率来分析薄膜的折射率（选极大值等于在分析空白玻璃，因为是偶数个四分之一膜厚，等同虚设层），为选色散小的区域，可以找到最长波段的极小值为1184nm，透过率为80.08%。

设空白基底的单面透过率为T1，镀有膜层侧的单面透过率为T2，总和透过率，也就是所测透过率为T，则有关系式1/T=1/T1 + 1/T2 - 1(大家可以自己推算，就是简单的等比数列叠加，可先算出R1，R2和R的关系式R＝(R1＋R2－2R1R2)/(1-R1R2),然后用1-Rx代替Tx），在这儿T1=95.742%, T=80.08%, T2为未知数，代入后得出T2＝83.037%，于是R2＝1－T2＝16.963%，R2＝(n ^2/ng-1)^2 / (n^2/ng +1)^2 ，n=sqrt(ng*(1+sqrt(R2))/(1-sqrt(R2) )=1.910，这就是膜层的折射率然后来算膜厚。

首先判断透过率曲线的级次，在脑中要明确的是，当膜的折射率大于基底时，所有的极小值都是奇数个四分之一膜厚，当膜的折射率小于基底时，所有的极大值都是奇数个四分之一膜厚，根据前面分析，这儿当然是极小值啦。

如果没有折射率色散，相邻两个极值之间的波长位置的比值应为k/(k+1), k=1,3,5,7....(设第一个极值位置波长为λ1,相邻的另一个极值位置波长为λ2，这里假设λ2的级次高于λ1,所以λ1＞λ2，则kλ1/4=nd, (k+1)λ2/4=nd,两者比较后，就得出λ1/λ2=(k+1)/k )。

❖ 通过测量膜厚可以确定各种薄膜得沉积速率,即 以所测膜厚除以溅射时间得到平均沉积速率,因 此精确测量膜厚变显得尤为重要。
❖ 粗糙度仪法测膜厚得优点就是:
①直观―可以直接显示薄膜得几何厚度与表面(或 厚度)得不均匀;
②精确度高―在精确测量中,精度可达到0、5nm,通 常也能达到2nm,因此常用来校验其它膜厚测试方 法得测试结果;
来观测表面形貌。特别就
是二次电子因它来自样品
本身而且动能小,最能反映
样品表面层形貌信息。一
般都用它观测样品形貌。
图3－2 电子束与表面原子相互 特征X射线可供分析样品
作用图
得化学组分。
❖ 在扫描电子显微镜中,将样品发射得特征X射线送 入X射线色谱仪或X射线能谱仪可进行化学成份 分析。
❖ 当样品得厚度小于入射电子穿透得深度时,一部 分入射电子穿透样品从下表面射出。将这一系列 信号分别接受处理后,即可得到样品表层得各种 信息。SEM技术就是在试样表面得微小区域形成 影像得。下表列出了扫描电子显微镜可提供得样 品表层信息。
❖30keV左右得能量得电子束在入射到样品表面之后,将
与表面层得原子发生各种相互作用,产生二次电子、背散
射电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子等各种信号(如
图3-2)。
从图3－2中瞧到,入射电子
束与样品表面相互作用可
产生7种信息。其中最常
用于薄膜分析得就是背散
射电子、二次电子与特征
X射线。前两种信息可用
❖ 扫描电子显微镜就是目前薄膜材料结构研究最直 接得手段之一,主要因为这种方法既像光学金相显 微镜那样可以提供清洗直观得形貌图象,同时又具 有分辨率高、观察景深长、可以采用不同得图象 信息形式、可以给出定量或半定量得表面成分分 析结果等一系列优点。扫描电子显微镜就是目前 材料结构研究得最直接得手段之一。

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实验操作
将1/4波片快轴转到+450位置 仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗，
即检流计值最小。计下A、P的刻度值，测得两组消 光位置数值 将1/4波片快轴转到-450位置 重复2的工作。
其中：A分别取大于900和小于900 两种情况。
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测试结果点
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和 称为椭圆偏参量(椭圆偏角)
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和的物理意义
光的复数形式 EEexpi() 反射前后p和s分量的振幅比 ta nErpEis/ErsEip
反射前后p和s分量的位相差 (rp r)s(ipis )
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问题的简化
入射光为等幅椭圆偏振光 Eis / Eip 1
反射光为线性偏振光 rprs0()
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简化目的
ta n Erp/Ers 恰好是反射光p和s的幅值比,通过 检偏器角度A可求;
(ipis)0() 为光经过膜位相的改变,可通 过起偏器的角度P求得
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简化条件的节起偏器的角度就可以使入射光的位相差连
续可调.
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仪器校准
•自准法调光路水平和共轴 •利用布儒斯特角调节检偏器 •利用检偏器和起偏器的关系调节起偏器 •确定1/4波片
一束自然光经偏振器变成偏振光,再经过1/4波 片使它变成椭圆偏振光入射在待测膜上;
反射时,光的偏振状态发生变化;
通过检测这种变化,便可推算出待测膜面的膜 厚度和折射率.
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多光反射示意图
p s
d
n1 n2 n3

椭圆偏振法测量薄膜厚度及折射率实验目的：1、利用椭偏仪测量硅衬底薄膜的折射率和厚度；提高物理推理与判别处理能力。

2、用自动椭偏仪再测量进行对比；分析不同实验仪器两种方式的测量。

提高误差分析与分配能力。

教学安排手动测量记录P、A 2学时自动测量并计算n、d 1学时对比研究1学时原理综述：椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到上世纪40年代计算机出现以后才发展起来，椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展，椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）。

利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。

因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。

通过实验，读者应了解椭偏法的基本原理，学会用椭偏法测量纳米级薄膜的厚度和折射率，以及金属的复折射率。

一、实验原理椭偏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1/4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透明同性膜层。

如图3.5.1所示，n1，n2和n3分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，d是薄膜的厚度，入射光束在膜层上的入射角为φ1，在薄膜及衬底中的折射角分别为φ2和φ3。

按照折射定律有错误！未找到引用源。

(3.5.1)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。

根据折射定律及菲涅尔反射公式，可求得P分量和S分量在第一界面上的复振幅反射率分别为而在第二个界面处则有从图3.5.1可以看出，入射光在两个界面上会有很多次的反射和折射，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 分量的总反射系数其中是相邻反射光束之间的相位差，而λ为光在真空中的波长。