纳米级薄膜厚度自动椭偏测量系统设计

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椭偏仪的测折射率和薄膜厚度

椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验简介椭圆偏振光在样品表面反射后，偏振状态会发生变化，利用这一特性可以测量固体上介质薄膜的厚度和折射率。

它具有测量范围宽（厚度可从10^-10~10^-6m量级）、精度高（可达百分之几单原子层）、非破坏性、应用范围广（金属、半导体、绝缘体、超导体等固体薄膜）等特点。

目前商品化的全自动椭圆偏振光谱仪，利用动态光度法跟踪入射光波长和入射角改变时反射角和偏振状态的变化，实现全自动控制以及椭偏参数的自动测定、光学常数的自动计算等，但实验装置复杂，价格昂贵。

本实验采用简易的椭圆偏振仪，利用传统的消光法测量椭偏参数，使学生掌握椭偏光法的基本原理，仪器的使用，并且实际测量玻璃衬底上的薄膜的厚度和折射率。

在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用。

因此测量薄膜的技术也有了很大的发展，椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。

椭偏法测量具有如下特点：1.能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。

2.是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。

3.可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。

因此可以作为分析工具使用。

4.对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。

是研究表面物理的一种方法。

实验仪器椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验装置包括：激光器（氦氖或半导体）、分光计、光栏、望远镜、黑色反光镜、薄膜样品、起偏器、检偏器、1/4波片。

实验内容1.熟悉并掌握椭偏仪的调整椭偏仪实物图椭偏仪结构示意图椭偏仪的实物如上图所示。

了解图中各部件的作用，并学会正确调整。

2.调整光路，并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光(1)安装半导体激光器并调整分光计，使半导体激光器光束、平行光轴的中心轴、望远镜筒的中心轴同轴。

(2)标定检偏器透光轴的零刻度，并使检偏器的透光轴零刻度垂直于分光计主轴。

将检偏器(检偏器的透光为0°方向)套在望远镜筒上，90°读数朝上，将黑色反光镜至于载物台中央，使激光束按布儒斯特角(约57°)入射到黑色反光镜表面。

纳米厚度薄膜外差椭偏测量技术的研究_邓元龙

第31卷第3期2005年5月光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U EV ol.31No.3M ay2005文章编号:1002-1582(2005)03-0391-03纳米厚度薄膜外差椭偏测量技术的研究*邓元龙1,2,姚建铨1,阮双琛2,孙秀泉2,王鹏1(1.天津大学精密仪器学院激光及光电子研究所,天津300072; 2.深圳大学工程技术学院,深圳518060)摘要:结合激光外差干涉法和透射式椭偏测量原理,研究了一种快速、高精度测量纳米厚度薄膜光学参数的方法。

计算并分析了复灵敏度因子随薄膜参数和入射角度的变化规律、椭偏参数的选择及容许测量误差。

两个声光调制器产生20kHz的拍频,采用简单的直接比相方法即可获得优于0.1b的相位分辨率,而且测量系统中没有使用任何波片和运动部件,抗干扰能力强且测量过程完全自动化,适用于工业现场在线连续测量。

实验数据和理论分析表明,此方法可以达到亚纳米级测量精度。

关键词:光学测量;薄膜;外差干涉法;椭偏测量术;声光调制器;纳米精度中图分类号:TH744.3文献标识码:AStudy of heterodyne ellipsometry for nanometer film measurementDEN G Yuan-lon g1,2,YAO Jian-quan1,RU AN Shu an-chen2,SU N Xiu_quan2,WAN G Peng1(1.Institute of Laser&Opto-electronics Engineering,College of Precision Instrument,T ianjin U niv.,T ianjin300072,China)(2.School of Engineering&T echnology,Shenzhen U niversity,Shenzhen518060,China)Abstract:Combining optical heterodyne interfero metry w ith transmitted ellipsometry,a new precision method with hig h speed was applied to the measurement of nanometer film.T he r elationships betw een accur acy of ellipsometric parameters and measurement results were di scussed in terms of numer ic analysis of coefficient of complex sensitivit y.T wo acoustooptic modula-tors were used to generate20kHz beat frequency,so the r esolution of phase measur ement r eached0.1b by simply direct-phase-co mparison method,and no wave plates and mov ing mechanism appeared in the system.W ith automation process and high ant-i inter ference performance,this method is applicable to cont inuous measurements on t he industrial spo t.T he possibility up to sub-nanometer accuracy was demonstrated by the ex perimental results.Key words:optical measurement;film;heterodyne interferometry;ellipsometry;acoustooptic modulator;nanometer accuracy1引言在微电子、光学、材料和液晶等工业领域中各种纳米级的介质、半导体和金属薄膜有着广泛的应用,薄膜的参数(膜厚、折射率)对产品的性能有直接的影响,因此纳米厚度薄膜的测量是一个热门研究课题。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率【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。

【实验目的】掌握椭偏仪的原理与操作方法；学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。

【实验仪器】椭偏仪、待测样品、电脑WJZ－II椭偏仪结构如图1所示：1、半导体激光器2、平行光管3、起偏器读数头（与6可换用）4、1/4波片读数头5、氧化锆标准样板6、检偏器读数头7、望远镜筒8、半反目镜9、光电探头10、信号线11、分光计12、数字式检流计图 1半导体激光器出厂时已调好，应满足以下二点：（1）激光光斑在距激光器约45cm处最小，如发现偏离较远，可将激光器从其座中取出，调节其前端的会聚透镜即可。

（2）激光与平行光管共轴，如发现已破坏，请按第8页“光路调整”中所述方法进行调整，一旦调好，轻易不要将其破坏。

主要技术性能及规格 1. 测量透明薄膜厚度范围0－300nm ，折射率1.30－2.49。

2. 起偏器、检偏器、1/4波片刻度范围0°-360°，游标读数0.1°。

3. 测量精度：±2nm 。

4. 入射角ψ1＝70°，K9玻璃折射率n ＝1.515。

5. 消光系数：0，空气折射率1。

6. *JGQ －250氦氖激光器波长λ＝632.8nm （用软件处理数据时，该波长值已内嵌，无须输入）。

*半导体激光器波长λ＝635nm （用软件处理数据时，该波长值未内嵌，须输入，并需重新设置消光系数“0”） 7. 椭圆偏振仪的简介：随着科学和技术的快速发展，椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完善快捷。

用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率

用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度一实验目的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。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告组别：69组院系：0611 姓名：林盛学号：PB06210445 实验题目：椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验目的：了解椭偏仪测量薄膜参数的原理，初步掌握反射型椭偏仪的使用方法。

实验原理：椭圆偏振光经薄膜系统反射后，偏振状态的变化量与薄膜的厚度和折射率有关，因此只要测量出偏振状态的变化量，就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚和折射率。

参数∆描述椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统关系后发生的变化，ψ描述椭圆偏振光相对振幅的衰减。

有超越方程：tan pr pi sr si E E E E ψ⎛⎫⎛⎫= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭()()pr sr pi si ββββ∆=---为简化方程，将线偏光通过方位角±45︒的14波片后，就以等幅椭圆偏振光出射，pi si E E =；改变起偏器方位角ϕ就能使反射光以线偏振光出射，()0pr sr ββπ︒∆=-=或，公式化简为：tan pr sr E E ψ= ()pi si ββ∆=--这时需测四个量，即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差，如设法使入射光为等幅椭偏光，1/=is ip E E ，则=ψtg rs rp E E /；对于相位角，有：)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ-因为入射光is ip ββ-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即rs rp ββ-=0或（π），则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆，可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或（π）。

实验仪器：椭偏仪平台及配件、He-Ne 激光器及电源、起偏器、检偏器、四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。

薄膜厚度检测原理及系统

资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载薄膜厚度检测原理及系统地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容薄膜厚度检测原理及系统摘要：本文对目前常用的薄膜厚度光学测量方法进行了深入的研究和讨论，总结并归纳了每一种测量方法的优缺点、以及使用条件。

基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统，该系统得到薄膜厚度，能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。

关键词：薄膜厚度；测量；原子力显微镜Abstract: In this paper, the advantage and disadvantage, usable condition of many usually used optical measurement methods of thin film thickness which are analyzed and discussed in detail ,are been summarized. A measuring system of film thickness based on atomic force microscope has been developed, based on this system could measure the thickness of various films.Key words：film thickness ; measurement; AFM1引言随着科技的发展以及精密仪器等技术的迅速发展，薄膜技术的应用变得更为广泛，不仅在光学领域，也被广泛地应用于微电子技术、通讯、宇航工程等各种不同的领域。

薄膜的厚度很大程度上决定了薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能和光学性能，薄膜厚度又是薄膜设计和工艺制造的关键参数之一，为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测，因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验目的：1.了解椭偏光法测量原理和实验方法。

2.熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。

3.测量介质薄膜样品的厚度和折射率。

实验原理：1.椭圆偏振方程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，φ1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2δ表示相邻两分波的相位差，其中2/1122122)sin (360ϕλδn n d -=（*），用r1p 、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：其中rp E 和rs E 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量，rp E 和rs E 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量。

现将上述ip E 、is E 、rp E 、rs E 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tg ψ和Δ表示它的模和幅角。

上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出：上述复数方程表示两个等式方程： Re （tg ∆i e ψ)=Re )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p e r r er r e r r er r ----++++Im (tg ∆i e ψ) = Im )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p er r er r e r r er r ----++++若能从实验测出ψ和Δ的话，原则上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已知)，根据公式(4)~(9)，推导出ψ和Δ与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和δ的关系：由上式经计算机运算，可制作数表或计算程序。

3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

实验3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率一、引言椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重要光学方法。

它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。

这种测量方法的优点是测量精度非常高，而且对样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约0.1 nm的变化。

因此。

可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长过程的实时自动监测。

椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。

在材料科学中椭偏测量常用来测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程的实时监控等。

自1945年罗中(A. Rothen)描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科学技术的迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。

二、实验目的1. 了解椭偏光测量原理和实验方法。

2. 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。

3. 测量介质薄膜样品的厚度和折射率，以及硅的消光系数和复折射率。

三、实验原理本实验介绍反射型椭偏光测量方法。

其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚和折射率等。

1. 椭圆偏振方程图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。

介质1通常是折射率为n 1的空气，介质2是一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，均匀地附在复折射率为n 3的衬底材料上。

φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验报告信息科学与技术学院电子科学与技术2010117142寇璐椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验目的:1.了解椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理。

2.学会使用椭偏仪并用以测量出介质薄膜的厚度及折射率。

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。

如上图所示，由激光器发出一定波长(λ=6328Å)的激光束，经过起偏器后变为线偏振光，并确定其偏振方向。

再经过1/4波长片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P波和S波，成为椭圆偏振光，椭圆的形状由起偏器的方位角决定。

椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，样品表面和多层介质（包括衬底－介质膜－空气）的来回反射与折射，总的反射光束一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的形状和方位改变了。

一般用Φ和Δ来描述反射时偏振状态的变化。

本实验就是通过观察各种不同的消光状态，测得相应的检偏角A和起偏角P最后在P·A~n·d数表中查得透明薄膜厚度d和折射率n。

实验步骤：1、打开激光电源，待激光管发光稳定后，把待测样品置于载物台中央。

旋转载物台使之达到预定的入射角700。

仔细调节样品位置，使得反光镜能在白屏目镜中形成亮斑。

2、将1/4波片快轴置于+45O，进行下面的步骤：（1）在0~900 范围内调节检偏器的方位角，使得目镜中光斑最暗，此时在0~1800 范围内小心调节起偏器的方位，并且可以继续调起偏器直至白屏目镜中光斑完全消失，记下此时起偏器和检偏器方位角。

P1 （1）:＿250＿ A1 (1) ＿580＿（2）保持检偏器读数A1 (1) 基本不变，调节起偏器使得其读数约为P1 （1）+1800 ，微调二者直至光斑再次消失，读数记为：P1 （2）:＿1950＿ A1 (2) ＿590＿（3）调节检偏器使其方向读数约为1800 + A1 (1) ，将起偏器调至约为P1 处，微调二者直至光斑再次消失，读数记为：P1 （3）:＿140＿ A1 (3) ＿2390＿（4）保持检偏器读数A1 (3) 基本不变，将起偏器调至约为P1 （2）处，微调二者，记下光斑完全消失时的读数：P1 （4）:＿1900＿ A1 (4) ＿2330＿（5）在900 范围内调节检偏器，使目镜光斑最暗，此时调节起偏器方位角，并通过微调二者，记下光斑完全消失时的读数：P2 （1）:＿950＿ A2(1) ＿1250＿（6）按照步骤（2）、（3）、（4）的方法记下下列读数：P2 （2）:＿2750＿ A12(2) ＿1270＿P2 （3）:＿960＿ A12(3) ＿3060＿P2 （4）:＿2780＿ A12(4) ＿2990＿3、将1/4波片快轴置于-45O，重复步骤2，记录消光状态下的读数。

椭偏法测薄膜厚度实验报告

椭偏法测薄膜厚度实验报告椭偏法测薄膜厚度实验报告引言：薄膜厚度的测量在材料科学和工程领域具有重要的意义。

传统的测量方法往往需要破坏性测试或者复杂的设备，而椭偏法则提供了一种非接触、快速、准确的测量手段。

本实验旨在利用椭偏法测量薄膜的厚度，并探究其原理和应用。

实验方法：1. 实验材料准备：本实验使用了一块透明的玻璃基板和一层薄膜样品。

玻璃基板的折射率已知，而薄膜的厚度需要测量。

为了减少误差，实验前需确保样品表面无杂质和污染。

2. 椭偏仪器设置：将椭偏仪器与计算机连接，并进行校准。

校准过程中需要调整仪器的角度、光源强度和偏振片的角度，以确保测量的准确性。

3. 测量过程：将样品放置在椭偏仪器的样品台上，并调整样品位置，使其与光线垂直。

然后，通过椭偏仪器发送的光线照射到样品上，并通过光电探测器接收反射光。

仪器会自动记录光电探测器接收到的信号，并根据信号的变化计算出薄膜的厚度。

实验结果：根据实验数据的分析，我们得到了薄膜的厚度。

通过椭偏法的测量结果，我们可以得出以下结论：1. 椭偏法的优势：椭偏法作为一种非接触、快速、准确的测量手段，具有以下优势：- 非接触性：椭偏法不需要直接接触样品，避免了对样品的破坏。

- 快速性：椭偏法可以在短时间内完成测量，提高了工作效率。

- 准确性：椭偏法基于光学原理，具有较高的测量精度和可靠性。

2. 实验误差分析：在实验过程中，可能会存在一些误差，包括但不限于以下因素：- 光源的稳定性：光源的稳定性会影响到测量结果的准确性，因此需要选择稳定的光源。

- 样品表面的污染：样品表面的污染会影响到光的入射和反射，从而导致测量误差。

- 仪器的校准：仪器的校准对于测量结果的准确性至关重要，需要进行仔细的校准。

实验应用：椭偏法广泛应用于薄膜领域的研究和生产中。

其应用包括但不限于以下方面：1. 薄膜厚度测量：椭偏法可以用于测量各种材料的薄膜厚度，例如金属薄膜、氧化物薄膜等。

通过测量薄膜的厚度，可以评估材料的性能和质量。

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率讲义

实验:椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率随着现代科技的快速发展，薄膜材料的研究和应用受到越来越多的关注。

如何快速准确的测量薄膜材料的厚度和折射率等光学参数成为急需解决的问题之一。

椭圆偏振法是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法，这种方法测量灵敏度高(可探测小于0.1nm的厚度变化)、精度较好(比干涉法高一到两个数量级)、对待测样品无损伤并且能同时测量薄膜的厚度和折射率。

因而，目前椭圆偏振法已经在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用。

实验目的：1.了解椭圆偏振测量的基本原理，掌握利用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率的基本方法。

2.学会组装椭圆偏振仪，熟悉椭圆偏振仪使用。

实验原理：椭圆偏振法测量的基本思路是，经由起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后获得等幅椭圆偏振光，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。

图1光在薄膜和衬底系统上的反射和折射图1所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为n1的空气(或真空)．中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉．其干涉结果反映了膜的光学特性。

设φ1表示光的入射角，φ2和φ3分别为在界面1和2上的折射角．根据折射定律有：n 1sin φ1=n 2sin φ2＝n 3sin φ3 (1)光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P 分量和垂直于入射面振动的s 分量。

用r 1p 、r 1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1的反射系数，用r 2p 、r 2s 表示光线的p 分量、s 分量在界面2的反射系数。

用E ip 、E is 表示入射光波电矢量的p 分量和s 分量，用E rp 、E rs 分别表示各束反射光电矢量的p 分量和s 分量的和。

椭偏光法测量薄膜的折射率和厚度

椭偏光法测量薄膜的折射率和厚度
• 引言 • 椭偏光法的基本原理 • 椭偏光法测量薄膜的折射率 • 椭偏光法测量薄膜的厚度 • 实验结果与分析 • 结论与展望
01
引言
椭偏光法的简介
椭偏光法是一种光学测量技术，通过测量光在薄膜表面反射后的偏振状态变化，可以推导出薄膜的折射率、消光系数和厚度等物理参数。
06
结论与展望
椭偏光法测量薄膜ห้องสมุดไป่ตู้优缺点
精度高
椭偏光法能够以高精度测量薄膜的折射率和厚度，误差范围通常在纳米级别。
VS
非侵入性
椭偏光法不需要直接接触样品，不会对薄膜造成损伤或污染。
椭偏光法测量薄膜的优缺点
• 适用范围广：椭偏光法适用于各种类型的薄膜材料，包括光学薄膜、金属薄膜、半导体薄膜等。
电场矢量在垂直于传播方向的平面上振动，其振幅和方向随时间变化，形成椭圆轨迹。
椭偏光在传播过程中，其偏振状态会受到周围介质的影响，如折射、反射和散射等。
椭偏光的形成
当自然光通过特定波片时，波片内的晶体对光波产生双折射效应，导致光波的偏振状态发生变化，形成椭偏光。
薄膜对椭偏光的影响
01
反射和透射
如入射角、波长等实验参数的选择也会影响测量结果。
厚度测量的精度与误差分析
01
02
03
04
1. 选择稳定的光源和性能良好的光学元件。
2. 对薄膜表面进行抛光或清洁，减小表面粗糙度。
3. 优化实验参数，如选择合适的入射角和波长。
4. 进行多次测量并取平均值，以减小随机误差的影响。
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实验结果与分析
当椭偏光照射到薄膜表面时，部分光波被反射，部分光波穿透薄膜并继

准确测量纳米级薄膜厚度的一种方法

一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法随着纳米技术的发展，纳米级薄膜在各个领域的应用越来越广泛。

但是，如何准确测量纳米级薄膜的厚度一直是一个难题。

本文将介绍一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法——椭偏仪法。

一、椭偏仪法的基本原理椭偏仪法是一种基于椭偏现象的测量方法。

当线偏振光照射到薄膜表面时，由于折射率的不同，光在薄膜内部和外部的传播速度不同，导致光的偏振状态发生变化。

通过测量反射光的偏振状态，可以计算出薄膜的厚度。

二、椭偏仪法的测量步骤1. 样品制备首先，需要制备一块平整的样品。

样品可以是单层或多层薄膜，但需要保证样品表面平整、干净、无氧化物等杂质。

2. 测量条件设置将样品放置在椭偏仪的样品台上，调整椭偏仪的测量条件。

需要设置光源的波长、入射角度、偏振方向等参数，以及控制样品台的旋转角度。

3. 测量数据采集启动椭偏仪，开始测量。

椭偏仪会自动采集反射光的偏振状态，并计算出薄膜的厚度。

可以通过软件将测量数据导出，进行后续处理和分析。

三、椭偏仪法的优缺点椭偏仪法作为一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法，具有以下优点：1. 非接触式测量，不会对样品造成损伤。

2. 可以测量极薄的薄膜，甚至可以测量单层原子薄膜。

3. 测量结果准确可靠，误差很小。

但是，椭偏仪法也存在一些缺点：1. 测量过程需要较长的时间，不能实时测量。

2. 对样品表面的平整度要求较高，对样品的制备和处理要求较严格。

3. 椭偏仪设备价格较高，不适合小型实验室使用。

四、椭偏仪法的应用举例椭偏仪法在纳米材料领域有着广泛的应用。

例如，在半导体器件制造中，椭偏仪法可以用于测量薄膜的厚度和折射率，以优化器件性能。

在生物医学领域，椭偏仪法可以用于测量纳米级生物材料的厚度和形态，以研究其生物学特性。

总之，椭偏仪法作为一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法，具有一定的优点和缺点，但在纳米材料领域有着广泛的应用前景。

纳米尺寸膜厚标准样片的椭偏分析

ZHANG Xiaodong, HAN Zhiguo, LI Suoyin, LIANG Faguo (The 13th Institute of CETC, Shijiazhuang 050051, China)
Abstract: Aiming at the high-precision measurement of film thickness standard samples, a layer-by-layer analysis method for film thickness standard samples was proposed,based on the spectral ellipsometer measurement system.By using the corresponding matching algorithm, the four-phase structure model and equivalent structure model of the standard sample of SiO2 film thickness were compared to realize the thickness characterization and ellipsometry of the film samples.Secondly,through the 12-week measurement and evaluation of the samples, the analysis of the molecular adsorption mechanism of the film samples was completed.The experimental results show that for the developed SiO2/Si standard sample of 2 nm-1 000 nm, the thickness of the middle layer tends to decrease first and then increase.Among them, the absolute error between the equivalent structural model and the four-phase structural model is within ±0.2 nm for the standard sample from 50 nm to 500 nm.Therefore, the calibration of the instrument can be carried out using the equivalent structural model.In addition, a solution for desorbing standard samples by heating has been proposed, which effectively solves the problem of storage of ultra-thin film samples. Keywords: spectral ellipsometer; equivalent structure model; four-phase structure model; surface molecular adsorption

膜厚度测量的椭偏仪法原理分析

第12卷第3期大　学　物　理　实　验　Vol.12　No.3 1999年9月出版PHYSICAL EXPERIMEN T OF COLL EGE Sep.1999膜厚度测量的椭偏仪法原理分析陈　篮　周　岩(解放军广州通信学院,广州,510502)摘　要　薄膜厚度的测量通常有多种方法,但对超薄的膜厚,要达到较高精确度,且测量手段又较为简洁的,则椭偏仪法是理想的选择。

本文对这种测量材料膜厚的光学方法从基本原理、仪器特点、测量过程、样品状态等方面,均作了全面的分析。

关键词　光学;椭偏仪;薄膜;厚度1　引言薄膜材料的厚度测量有许多方法,大致可分为两大类:光学方法和非光学方法。

其中,非光学方法一般只适于较厚的薄膜的测量。

在大学物理实验中,测量膜厚通常采用光学干涉法,但此法对薄膜厚度有限制,当厚度(几百至几十埃)远远小于单色光波长时此法失效。

采用另一类光学方法———椭偏仪法,则可精确测定超薄薄膜的厚度。

椭偏仪一般分为三种类型:反射型、透射型和散射型。

近代物理实验中,通常采用反射椭偏仪测量薄膜材料的厚度。

2　基本原理实际薄膜的结构是很复杂的。

实验中,作为有效近似,通常采用理想的单层模模型计算。

211　单层膜膜型所谓理想的单层模模型,是指满足下列条件的薄膜:(1)薄膜二侧的介质均为半无限大,折射率分别为n1和n3;(2)薄膜的上下表面均为理想的光滑表面;(3)三种介质(n1、n2和n3)都是均匀和各向同性的。

实际薄膜中,介质1指周围的环境,如真空或空气;介质3为衬底材料。

212　光波的反射系数单层膜表面光波的反射和折射情形如图1。

收稿日期:1998-12-21图1　光波在单层膜上的反射与透射通常定义电矢量E 在入射面上的分量为P 波,E 在垂直入射面方向的分量为S波。

根据菲涅耳公式,在第一界面(空气-膜)处,反射系数为r 1p =n 2cos θ1-n 1cos θ2n 2cos θ1+n 1cos θ2(1)r 1s =n 1cos θ1-n 2cos θ2n 1cos θ1+n 2cos θ2(2)在第二界面(膜-衬底)处,反射系数为r 2p =n 3cos θ2-n 2cos θ3n 3cos θ2+n 2cos θ3(3)r 2s =n 2cos θ2-n 3cos θ3n 2cos θ2+n 3cos θ3(4)上述式中,n 1为空气折射率(n 1=1100),n 2为薄膜折射率,n 3为衬底的折射率;θ1为光波在第一界面的入射角,θ2和θ3见图1示。

椭圆偏振光测量薄膜的厚度

椭圆偏振光测量薄膜的厚度朱鹏飞 20101111938摘要：椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率实验，在我校是首次开设的近代物理实验。

本文介绍了用椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率的原理和方法,设计了自制纳米铜薄膜和测定样品的厚度与折射率的实验方案，综合了纳米铜薄膜制备技术和薄膜厚度测量技术，分析和校对了椭圆偏振仪入射角对测量结果的准确度的影响，提出了减小系统误差的建议。

关键词：椭圆偏振仪; 薄膜; 厚度; 折射率1引言薄膜技术在各个高科技领域，发挥着越来越重要的作用。

在近代科学技术的许多部门中对各种薄膜的研究和应用日益广泛．对于薄膜，膜厚和折射率是重要的参数，在一定的程度上决定着薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能以及光学性能。

因而准确地测量薄膜的厚度和折射率已变得非常迫切和重要。

在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定（如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等）[1]，但椭圆偏振法具有独特的优点，它是一种较灵敏（可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化）、精度较高（比一般的干涉法高一至二个数量级）、并且是非破坏性的测量方法,是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法,它具有单原子层分辨率的快速非破坏性技术，能够在高真空，空气水气等各种环境下使用。

因而，目前椭圆偏振法测量已在光学、半导体、生物、医学等诸方面得到较为广泛的应用[2]。

虽然这个方法的原理几十年前就已被提出[3]，但由于计算过程太复杂，一般很难直接从测量值求得方程的解析解．直到广泛应用计算机以后，才使该方法具有了新的活力。

在太阳电池的制作工艺中,常需在发射区表面制作钝化膜和减反膜。

且太阳电池制作中其薄膜的厚度需严格控制。

因而薄膜厚度的测量在太阳电池工艺中也显得尤为重要。

由于采用椭圆偏振法测量高吸收衬底上的介电薄膜厚度,其测量精度比干涉法高一个数量级以上,是目前已有的厚度测量方法中最精确的方法之一。

[4]应用空心阴极离子镀膜技术, 制备纯铬薄膜样品。