椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

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。

二、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，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δ=2πdn2cosφ2/λ，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分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。现将上述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tgψ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：

G是变量n1、n2、n3、d、λ、φ1的函数(φ2 、φ3可用φ1表示) ，即ψ=tg-1f，Δ=arg| f |，称ψ和Δ为椭偏参数，上述复数方程表示两个等式方程：

[tgψe iΔ]的实数部分=

的实数部分

[tgψe iΔ]的虚数部分=

的虚数部分

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。这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。若d 是已知，n2为复数的话，也可求出n2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定ψ和Δ的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：

由式(3)和(12)，得：

其中：

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，Eip/Eis = 1，则tgψ=|Erp/Ers|；对于相位角，有：

因为入射光βip-βis连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即βrp-βrs=0或(π)，则Δ=-(βip-βis)或Δ=π-(βip-βis)，可见Δ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，Δ是定值，只要改变入射光两分量的相位差(βip-βis)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光，βrp-βrs=0或(π)。

三、测量方法

1)等幅椭圆偏振光的获得(实验光路如图1-2)

平面偏振光通过四分之一波片，使得具有±π/4相位差。

使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成45°。

图1-2

2)反射光的检测

将四分之一波片置于其快轴方向f与x方向的夹角α为π/4的方位，E0为通过起偏器后的电矢量，P为E0与x方向间的夹角。，通过四分之一波片后，E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前π/2。

在x轴、y轴上的分量为：

由于x轴在入射面内，而y轴与入射面垂直，故Ex就是Eip，Ey就是Eis。

图1-3

由此可见，当α=π/4时，入射光的两分量的振幅均为E0 / √2，它们之间的相位差为2P-π/2，改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。这一结果写成：

四、 实验内容和操作步骤

1) 测量氟化镁(MgF 2)、二氧化硅(SiO 2)、硫化锌(ZnS)、氧化锆(ZrO 2)及二氧化钛(TiO 2)薄膜

样品的折射率和厚度

2) 测量Cu 和Al 金属厚膜的折射率和消光系数

五、 实验结果及数据处理

表1 实验数据处理

材料

P1/° A1/° P2/° A2/° ψ/° △/°

n d/mm

氟化镁(MgF 2) 140 14 50 167.5 13.25 -10 1.38 1806.807

142 15 52 166.5 14.25 -14

144 13.5 54 168 12.75 -18 146 14.5 56 167 13.75 -22 148 15 58 167 14 -26

平均值 13.6 -18 二氧化钛(TiO 2) 70 11.75 160 176.5 7.625 -50

2.4 2889.89

76 11.5 166 174.9 8.3 -62 72 12.25 162 174.5 8.875 -54

74 13.5 164 174 9.75 -58 78 12 168 174 9 -66

平均值 8.71 -58 氧化锆(ZrO 2) 50 11 140 176 7.5 -10 2.196 1570.571

48 11.5 138 175.5 8 -6

46 11 136 175 8 -2 44 12 134 174.5 8.75 2 42 12.5 132 174 9.25 6

平均值 8.3 -2

n k

Al 58 48 148 136 46 -26

0.8362

3 -0.02017 56 48.5 146 136.5 46 -22 5

4 49 144 133.

5 47.75 -18 52 52 142 134 49 -14 50 51 140 132 49.5 -10

平均值 47.65 -18

Cu 54 49 144 131 49 -18

0.8031

-0.04621