椭圆偏振仪讲稿.ppt

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14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d 、折射率为n 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12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-（1） 其中242cos dn πδϕλ=（2）是相邻两反射光束之间的相位差，而λ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p s R R 来表征。

在椭圆偏振法中，用椭偏参量ψ和∆；来描述反射系数比，其定义为：tan exp()p s i R R ψ∆= （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，ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数，只要测量出ψ和∆，原则上应能解出d 和n 。

然而，从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆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(,)~(,)d n ψ∆的关系图表，待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。

薄膜测量：椭圆偏振光谱仪成为制作工业用薄膜的关键工具作者：Eric Teboul过去十年，人们对纳米薄膜属性的研究兴趣与日俱增。

将薄膜的厚度减小到100纳米以内导致了材料的光学属性和物理尺寸之间强烈的相互作用。

结合这种趋势，当前大部分研发活动将重点放在使用具有复杂光学属性的柔性聚合物材料。

一种薄膜测量技术——椭圆偏振光谱法（SE）图1.利用椭圆偏振法测量在电磁场的入射面(p或TM)和垂直面(s或TE)两个方向的反射系数的比率。

——成为度量一些透明薄膜最精确可靠的技术之一。

使用柔性衬底的原因最近，研究的重点已经转向制造柔性衬底产品，从而利用半导体、导体，以及新型合成和自组织技术生成的有机物（聚合物，低聚物）和混合物（有机—无机合成物）的发光属性。

柔性衬底具有很多优点，例如重量轻、厚度薄、耐用性好且可卷曲。

另外，采用新型精确沉淀工艺的塑料衬底使低成本、高产量的卷到卷加工成为可能，这种技术对于包装、光学镀膜、太阳能电池组件行业来说很有吸引力，在这些行业中，低成本产品和高质量透明镀膜是行业发展的驱动力。

对于在食品、饮料或制药业中广泛应用的包装来说，要求使用柔性衬底增加阻挡层来保护或控制包装物品。

这些包装材料必须尽可能薄（考虑到成本因素）而透明。

用作阻挡层的材料通常有氧化硅、铝和陶瓷。

图2.卷到卷镀膜机在聚合物网状衬底上沉积一层氧化物阻挡层。

在生产过程中，必须精确控制薄膜厚度，从而在保证薄膜属性可重复的前提下，保持产品的低成本。

由于原始数据由SE提供，其特点是测量速度很快，因而椭偏仪是在快速测量多层膜厚度和折射率过程中首选的非破坏性薄膜测量工具。

椭圆偏振光谱学椭偏数据是从一种非常常见的散射测量法中导出的。

这一光学方法目前用于测量临界尺寸，来补充使用临界尺寸扫描电子显微镜或原子力显微镜方法所缺失的信息。

由于具有分光能力，椭圆偏振法被应用于大量材料中，这些材料可用于半导体、光学镀膜、电讯、封装和纳米及生物技术中。

椭圆偏振光谱仪原理
椭圆偏振光谱仪的原理基于波动光学的理论。

光是一种电磁波，可以沿着不同的方向振动。

当光的振动方向固定时，称其为线偏振光。

而当光的振动方向随时间变化时，称其为圆偏振光。

椭圆偏振光是介于线偏振光和圆偏振光之间的一种特殊光。

椭圆偏振光谱仪通过将待测光与已知偏振状态的光进
行干涉，然后测量干涉光的强度和相位来确定待测光的偏振状态。

具体而言，椭圆偏振光谱仪由一个偏振器、一个样品、一个波片和一个偏振分束器组成。

待测光通过偏振器，该偏振器可以将光的振动方向限制在一个特定的方向上。

然后，通过调整波片的角度，可以改变干涉光的相对相位。

在这个过程中，椭圆偏振光谱仪会同时测量入射光和反射光的干涉光强度和相位。

接下来，椭圆偏振光谱仪将测量到的干涉光强度和相位与已知偏振状态下的理论值进行比较。

通过最小二乘法等数学方法，可以确定待测光的椭圆偏振参数，如椭圆偏振振幅、椭圆偏振相位和偏振椭圆的长短轴。

通过测量椭圆偏振参数，可以确定光的偏振状态。

例如，当椭圆偏振振幅为0时，表示光为线偏振光；当椭圆偏振振幅为1时，表示光为圆偏振光；而当椭圆偏振振幅介于0和1之间时，表示光为椭圆
偏振光。

橢圓偏振技術橢圓偏振技術是一種多功能和強大的光學技術，可用以取得薄膜的介電性質（複數折射率或介電常數）。

它已被應用在許多不同的領域，從基礎研究到工業應用，如半導體物理研究、微電子學和生物學。

橢圓偏振是一個很敏感的薄膜性質測量技術，且具有非破壞性和非接觸之優點。

分析自樣品反射之極化光的改變，橢圓偏振技術可得到膜厚比探測光本身波長更短的薄膜資訊，小至一個單原子層，甚至更小。

橢圓儀可測得複數折射率或介電函數張量，可以此獲得基本的物理參數，並且這與各種樣品的性質，包括形態、晶體質量、化學成分或導電性，有所關聯。

它常被用來鑑定單層或多層堆疊的薄膜厚度，可量測厚度由數埃（Angstrom）或數奈米到幾微米皆有極佳的準確性。

之所以命名為橢圓偏振，是因為一般大部分的極化多是橢圓的。

此技術已發展近百年，現在已有許多標準化的應用。

然而，橢圓偏振技術對於在其他學科如生物學和醫學領域引起研究人員的興趣，並帶來新的挑戰。

例如以此測量不穩定的液體表面和顯微成像。

目錄[?藏]1 基本原理2 實驗細節2.1 實驗裝置2.2 數據蒐集2.3 數據分析3 定義3.1 單波長與光譜橢圓偏振技術3.2 標準與廣義橢圓偏振理論(非等向性)3.3 瓊斯矩陣與穆勒矩陣型式（去偏極化）4 進階實驗方法4.1 橢圓偏振成像4.2 原位橢圓偏振4.3 橢圓偏振孔隙測定4.4 磁光廣義橢圓偏振5 優勢6 參考資料[編輯] 基本原理此技術係在測量光在反射或穿透樣品時，其偏振性質的改變。

通常，橢圓偏振多在反射模式下進行。

偏振性質的改變主要是由樣品的性質，如厚度、複折射率或介電性質（參見英文版Dielectric function），來決定。

雖然光學技術受制於先天繞射極限的限制，橢圓偏振卻可藉由相位資訊及光偏振之狀態的改變，來取得埃等級的解析度。

在最簡單的形式，此技術可適用於厚度小於一奈米到數微米之薄膜。

樣品必須是由少數幾個不連續而有明確介面、光學均勻且具等向性且非吸收光的膜層構成。