椭偏法测薄膜厚度

椭偏法测薄膜厚度

姓名:孙国防班级:12理工实验班(2)班学号:2012326690042

实验目的

1. 测量透明介质薄膜厚度和折射率。

2. 测量布儒斯特角，验证马吕斯定律及偏光分析等偏振实验。

实验原理

1. 介质膜的测量

使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜表面上。反射时，光的偏正态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数（如膜厚和折射率）。

2.椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量

光学均匀和各向性的单层介质膜有两个平行的界面。通常，上部都是折射率为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，均匀地附在折射率为n1的衬底上。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束干涉。其干涉结果反映了薄膜的光学特性。

3.金属负折射率的测量

介质膜对光的吸收可能忽略不计，其折射率为实数，当测量表面为金属时，由于其为电媒介，存在不同程度的吸收，根据相关理论，金属的介电常数是复数，其反射率亦为复数。

实验仪器

WJZ-II椭圆仪结构如下图所示：

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

实验内容

1. WJZ-II椭圆仪的调整（详细操作见JJYI分光计说明书）

（1）用自准直法调整好分光计，时望远镜和平行光管共轴并与载物台平行（2）分光计度盘的调整：使游标与刻度盘零刻度线适当位置，当望远镜转过一定角度时不致无法读数

（3）光路调整

（4）检偏器读数头位置的调整与固定

（5）起偏器读数头位置的调整与固定

（6）1/4波片零位的调整

2.薄膜厚度d和折射率n的测量

（1）将待测样品，放置在载物台的中央，旋转载物台使达到预定的入射角70°，即望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。

（2）为了减小误差，采用4点测量法。先置1/4波片快轴于+45°（即旋转波片盘），仔细调节检偏器A和起偏器P，使目镜内的亮点最暗（或检流计示数最小）记下A值和P值，这样就可以测得两组消光位置数值。

（3）同（2）再置1/4波片快轴与-45°（315°），做相同操作，记下两组消光位置数值。

数据处理与结果讨论

1. 原始数据

A1 A2 A3 A4 P1 P2 P3 P4

100 80 100 80 106.5 22 156 78.5

经过归一化处理和求平均值可得到

A=10，P=108.5

2.数据处理使用专门的数据处理软件（详见软件说明书）

使用软件对所测数据进行处理后，可以得到该薄膜物质的厚度是121.5nm，折射率是2.085。考虑到厚度的周期以及同样品参数比对，最终的结果为：厚度d=697.5nm, 折射率n=2.085

3.当然，这个实验结果还是有误差的，在调节起偏器P，使目镜内的亮点最暗(或检流计值最小)，但目镜内的亮度很小，不易观察到亮光，而检流计的示数也一直在变化，我也只能在检流计显示的最小值附近读取P的值，这个P值与真实的值之间有一定的误差，这样就使得测得的薄膜厚度与折射率与真实值有误差。

仪器本身也有一定的系统误差，而且外界的光也有一部分时不时照在仪器光接收的部位，这也可能是造成检流计读书一直变化，不稳定的原因。

相关文献

椭偏透射法测量氢化非晶硅薄膜厚度和光学参数

廖乃镘,李伟,蒋亚东,匡跃军,祁康成,李世彬,吴志明. 椭偏透射法测量氢化非晶硅薄膜厚度和光学参数[J]. 物理学报,2008,03:1542-1547.

简述:

椭圆偏振测量是一种通过分析偏振光在待测薄膜样品表面反射前后的偏振态的改变来获得薄膜材料的光学常数和薄膜厚度的高精度、非接触测量方法。但是通过椭圆偏振测量只能得到椭偏参数Δ和Ψ,由椭偏参数求解薄膜结构参数的椭偏方程是一个超越方程,很难得到精确的解析解,因此一般采用数值反演迭代不断逼近测量数据,将最优解作为测量结果。本文对椭圆偏振光谱测量的数据处理进行了研究。研究了光学薄膜系统模型(结构模型和色散模型)的建立问题,通过模型计算,分析了椭偏参数的灵敏度区域与薄膜参数(折射率n、消光系数k和膜厚d)以及入射角的关系;将广泛用于求解复杂系统优化问题的模拟退火算法引入到椭偏测量数据的处理中来;本文中还对椭偏仪自带的标准薄膜样品、没有镀膜的玻璃基底样品和在玻璃基底上镀单层TiO2膜的样品的椭偏参数通过模拟退火算法进行数据处理,验证了算法的可行性。