椭偏法测量薄膜的厚度和折射率闫

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：椭圆偏振测量是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换，来研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法。

结合计算机后，椭圆偏振测量具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

关键词：椭圆偏振偏振光偏振变换一、引言二、实验原理三、实验仪器本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由JJY型1分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图3.1-7所示。

其各部件功能如下：图3.1-7 实验仪器光源：包括激光管和激光电源。

激光管装在激光器座上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射632.8nm的单色光小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。

起偏器：产生线偏振光，读数头度盘刻有360个等分线，格值为1，游标度数为0.1，随度盘同步转动，其转角可在度盘上读出。

1/4波片：将线偏振光补偿为等幅椭圆偏振光，装在起偏器前端，与起偏器共用游标。

其读数为读数头度盘内圈刻度值。

载物台：支承被测样品，其使用调节方法见分光计说明书。

光孔盘：为防止杂散光进入检偏器而附设，可自由转动，并具有读数标尺，但它的方向对实验并无影响。

检偏器：与起偏器结构相同。

望远镜筒与白屏目镜：观察反射光状态。

四、实验内容1. 按调分光计的方法调整好主机。

2. 水平度盘的调整。

3. 光路调整。

4. 检偏器读数头位置的调整和固定。

5. 起偏器读数头位置的调整与固定。

6. 波片零位的调整。

7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角70°，即望远镜转过40°，使反射光在白屏上形成一亮点。

8. 分别用快速法，建表法，作图法测量硅衬底的薄膜折射率，薄膜基厚度和厚度周期。

9. 改变入射角，在入射角为65°，60°时再测两次。

五、数据处理实验采用氦氖激光器波长632.8nm，硅衬底n=3.85+0.02i。

实验记录数据如表1所示。

椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验报告实验名称：椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率实验目的：利用椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，掌握椭圆偏振法的基本原理和实验操作方法。

实验原理：椭圆偏振法是一种常用的测量薄膜光学性质的方法。

当偏振光通过具有一定折射率的薄膜时，会发生透射和反射，经过反射和透射之后的光束会发生干涉现象。

当入射光是偏振光时，通过表层膜的透射光经过增偏器后变为线偏振光，其振动方向决定于表层膜的光学性质以及入射角。

通过调节增偏器的方向和旋转其角度，使得通过增偏器的振动方向与振动椭圆的长轴平行，此时称之为白光不通过表层膜，反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0. 形成一个相干叠加的椭圆偏振光。

根据椭圆偏振光的特性，可以通过测量椭圆偏振光的特性参数（主轴角度、椭圆离心率等）来确定薄膜的厚度和折射率。

实验装置：椭圆偏振仪、光源、待测试薄膜样品。

实验步骤：1. 启动椭圆偏振仪，调整光源使其达到合适的亮度和稳定性。

2. 将待测薄膜样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，并通过对焦镜调整样品的焦距。

3. 调整增偏器的方向，使通过增偏器的线偏振光振动方向与椭圆的长轴平行。

4. 调整旋转台上的角度，使反射线偏振光与透射线偏振光的相位差为0，此时形成相干的椭圆偏振光。

5. 在椭圆偏振仪上的读数器上记录椭圆偏振光的主轴角度、椭圆离心率等参数。

6. 重复上述操作，测量多组数据，以提高测量准确度。

7. 根据测量得到的参数计算薄膜的厚度和折射率。

实验结果：通过测量多组数据，记录椭圆偏振光的主轴角度和椭圆离心率等参数，得到一组薄膜的厚度和折射率。

注意保留合适的有效数字。

实验讨论：1. 实验中应确保光源的稳定性和一致性，以获得准确的测量结果。

2. 实验中可以通过调整增偏器和旋转台的角度，使椭圆偏振光的参数达到最佳值，以提高测量精度。

3. 实验中应注意测量时的环境条件，避免与外部环境光的干扰。

实验结论：通过椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜的光学性质参数。

( AP ) r / ( AP ) i tgψ = ( AS ) r / ( AS ) i源自iβ Pii β Si
( A P ) i = ( AS ) i
( AP ) r tg ψ = ( AS ) r
i[(β − β ) − (β − β ) i( β r − β i ) i Δ Pr Sr Pi Si e =e =e
−1
= tg ψ e iΔ
tanψ exp(iΔ ) = f (n2 , φ1 , n3 , d , λ )
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椭圆参量 ψ、Δ
(E P r ) = (A ) e P r i β Pr
(E ) = ( A ) e S r S r
(E ) = ( A ) e S i S i
iβ Sr
(E ) = ( A ) e P i P i
• 对于一定的薄膜系统 Δ一定，只要改变ϕ （即改变起偏器的透光方向就改变了 β i ） 使出射光为线偏振光。（在薄膜反射光路 上放上一个检偏器，如果产生消光现象就 可以知道出射线偏振光，此线偏振光的方 位与 ψ 有关）
Δ = βr − βi
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β
r
⎧ 0 = ⎨ ⎩π
实验仪器
• • • • • 激光器（氦氖或半导体） 分光计 黑色反光玻璃镜和薄膜样品 起偏器 检偏器
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入射光为等幅椭圆偏振光
四分之一波片的快轴（FA）倾斜+45°时，所有角度的相对 位置下有
β i = β Pi − β Si = 2ϕ - 90
四分之一波片的快轴（FA）倾斜-45°时，所有角度的相对 位置下有 i Pi Si
β = β − β = 90 - 2ϕ
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椭偏法测薄膜厚度和折射率摘要本实验通过椭圆偏振光法测量了氟化镁（MgF2）、氧化锆（ZrO2）及二氧化钛（TiO2）等介质薄膜的厚度和折射率，以及Cu和Al金属薄膜的厚度和消光系数。

关键词椭圆偏振光法介质薄膜金属薄膜椭偏参数复折射率消光系数一、引言椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。

椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃（或镀膜）、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。

结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

实验原理在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。

通常，设介质层为n1、n2、n3, $ 1为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉，如图（1-1）图(1-1)这里我们用2 3表示相邻两分波的相位差， 其中S =2 n dn2cos © 2/入，用rip 、r1s 表示光 线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数， 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界 面2、3间的反射系数。

由多光束干涉的复振幅计算可知：的实数部分［tg 2 e i A ］的虚数部分 =的虚数部分 若能从实验测出2和△的话，原则上可以解出n2和d （n1、n3、入、$ 1已知），根据公式（4）~（9）, 推导出2和△与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和3的关系：其中Eip 和Eis 分别代表入射光波电矢量的 p 分量和s 分量，Erp 和Ers 分别代表反射光波Eip 、Eis 、Erp 、Ers 四个量写成一个量G ,即:我们定义G 为反射系数比，它应为一个复数，可用 的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：tg 2和△表示它的模和幅角。