椭偏法测量膜厚

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用椭偏仪测量薄膜厚度

实验用椭偏仪测量薄膜厚度在半导体平面工艺中，SiO 2薄膜是不可缺少的重要材料。

它既可以被作为杂质掩蔽、表面钝化和器件的电隔离材料，也可以用作电容器的介质和MOS 管的绝缘栅介质等。

无论SiO 2膜用作哪一种用途的材料，都必须准确的测定和控制它的厚度。

另外，折射率也是表征SiO 2膜性质的重要参数之一，因此我们必须掌握SiO 2膜厚及其折射率的测量方法。

通常测定薄模厚度的方法有比色法、干涉法、椭偏法等。

比色法可以方便的估计出氧化硅膜的厚度，但误差较大。

干涉法具有设备简单、测量方便的特点，结果也比较准确。

椭偏法测量膜厚是非破坏性测量，测量精度高，应用范围广。

我们这个实验是用椭偏法来测量SiO 2膜厚度。

本实验目的是了解用椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理和方法；掌握椭圆偏振仪的使用方法，并用椭偏仪测量Si 衬底上的SiO 2薄膜的折射率和厚度。

一、实验原理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，经过波片偏光振光器光样品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，其定义为：图 27.1 椭偏仪的结构图 spR R i e tg =Δ φ式中tg Φ的物理意义是P 波和S 波的振幅之比在反射前后的变化，称为椭偏法的振幅参量。

Δ的物理意义是P 波和S 波的相位差在反射前后的变化，称为椭偏法的相位参量。

R P 和R S 分别为P 波初量和S 波分量的总反射系数。

椭偏仪的结构图如图27.1所示。

在波长、入射角、衬底等参数一定时，Φ和Δ是膜厚d 和折射率n 的函数。

对一定厚度的某种膜，旋转起偏器总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光。

椭偏法测量膜厚

东南大学材料科学与工程实验报告学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/5 批改教师课程名称电子信息材料大型实验批改日期实验名称椭圆法测量SiO2薄膜折射率与厚度报告成绩一、实验目的1、了解椭圆偏振法测试的基本原理；2、掌握椭圆偏振法测试的基本操作技能。

二、实验原理椭圆偏振法（简称椭偏法）是一种光学测量技术。

它通过测量一束椭圆偏振光波非垂直的投射到样品上发射后偏振状态的变化，来测量薄膜表面或薄膜的光学参数（折射率及消光系数）及薄膜厚度。

由于偏振状态的变化对样品光学参数的微小差异非常灵敏，因此该方法对薄膜的测量有很高的灵敏度，能测出膜厚1埃左后的变化，测量范围从10埃到几微米。

此外，椭偏法为非接触测量，对样品来说为无损检测。

椭偏法测量技术的基本原理如下图所示，用一束光作为探针入射到均匀介质薄膜样品上，由于样品对入射光中平行于入射面的电场分量（简称p分量）和垂直于入射面的电场分量（简称s分量）有不同的反射系数和透射系数，因此从样品上发射的光，其偏振状态相对于入射光发生了变化。

因此通过观察光在反射前后的偏振状态的改变，从而得到与样品的某些光学参数如折射率和厚度。

三、实验设备及材料SGC-2自动椭圆偏振测厚仪，SiO2薄膜，镊子等。

四、实验内容及步骤实验中切记不能用眼睛直接观察激光束，需要观察光强时，请用白纸挡住光束，观察白纸上的光斑亮度。

1.将样品放置样品台上，待测表面朝向固定板。

开启控制电脑，开启主机电源。

2．打开测试软件，设置光源类型（氦氖激光），衬底类型（Si衬底），入射角度（默认70°），注意入射角度设定值与主机上光源座和接收器座的位置角度一致。

3．点击工具栏“开始”按钮，椭偏仪开始测量，约几分钟后测试结束，此时弹出一对话框，点击对话框上的“快速”按钮，显示测量结果。

4．生长结束后，关闭管式炉加热电源，待炉温冷却到40℃以下后，取出刚玉舟，观察生长的SiO2薄膜的颜色，与附表对比，粗略估计出所生长SiO2薄膜的厚度。

椭圆偏振仪—薄膜厚度测量讲解

近代物理实验椭圆偏振仪—薄膜厚度测量本实验所用的反射式椭偏仪为通常的PCSA 结构，即偏振光学系统的顺序为起偏器（Polarizer ）→补偿器（Compensator ）→样品（Sample ）→检偏器（Analyzer ），然后对其输出进行光电探测。

一．实验原理1．反射的偏振光学理论图1 光在界面上的反射，假定21n n <，B ϕϕ<1（布儒斯特角），则rs E 有π的相位跃变，光在两种均匀、各向同性介质分界面上的反射如图1所示，单色平面波以入射角1ϕ，自折射率为1n 的介质1射到两种介质的分界面上，介质2的折射率为2n ，折射角2ϕ。

用（is ip E E ,），（rs rp E E ,），（ts tp E E ,）分别表示入射、反射、透射光电矢量的复振幅，p 表示平行入射面即纸面的偏振分量、s 表示垂直入射面即垂直纸面的偏振分量，每个分量均可以表示为模和幅角的形式)exp(||ip ip ip i E E β=，)exp(||is is is i E E β= （1a ） )exp(||rp rp rp i E E β=，)exp(||rs rs rs i E E β= （1b ） )exp(||tp tp tp i E E β=，)exp(||ts ts ts i E E β=（1c ）定义下列各自p ，s 分量的反射和透射系数：ip rp p E E r /=，is rs s E E r /=（2a ） ip tp p E E t /=，is ts s E E t /=（2b ）根据光波在界面上反射和折射的菲涅耳公式：21122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-=（3a ） 22112211cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=（3b ） 211211cos cos cos 2ϕϕϕn n n t p +=（3c ） 221111cos cos cos 2ϕϕϕn n n t s +=（3d ）利用折射定律：2211sin sin ϕϕn n =（4）可以把式（3a ）-（3d ）写成另一种形式)()(2121ϕϕϕϕ+-=tg tg r p(5a) )sin()sin(2121ϕϕϕϕ+--=s r（5b ） )cos()sin(sin cos 2212121ϕϕϕϕϕϕ-+=p t（5c ）)sin(sin cos 22121ϕϕϕϕ+=s t （5d ）由于折射率可能为复数，为了分别考察反射对于光波的振幅和位相的影响，我们把p r ，s r 写成如下的复数形式：)exp(||p p p i r r δ= （6a ） )exp(||s s s i r r δ= （6b ）式中||p r 表示反射光p 分量和入射光p 分量的振幅比，p δ表示反射前后p 分量的位相变化，s 分量也有类似的含义，有ip p rp E r E = （7a ）is s rs E r E = （7b ）定义反射系数比G ：s pr r G = （8）则有: is ip rs rpE E G E E = （9）或者由式（1）式，)](exp[||||)](exp[||||is ip is ip rs rp rs rp i E E G i E E ββββ-=- （10）因为入射光的偏振状态取决于ip E 和is E 的振幅比||/||is ip E E 和位相差（is ip ββ-），同样反射光的偏振状态取决于||/||rs rp E E 和位相差（rs rp ββ-），由式（10），入射光和反射光的偏振状态通过反射系数比G 彼此关联起来。

03.01.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1. 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。

2. 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，就可以推出膜厚度和折射率等。

2.1 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为折射率为n 1的空气，介质2为一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，它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。

光波的电场矢量可分解为平行于入射面的电场分量（p 波）和垂直于入射面的电场分量（s 波）。

用(I p )i 和(I s )i 分别代表入射光的p 分量和s 分量，用(I p )r 和(I s )r 分别代表各反射光O p ，I p ，II p ···中电矢量的p 分量之和及各束反射光s 分量之和。

定义反射率（反射系数）r 为反射光电矢量的振幅与入射光电矢量的振幅之比。

则由菲涅耳公式，有对空气-薄膜界面I ：r 1p =n 2cosφ1−n 1cosφ2n 2cosφ1+n 1cosφ2(1)r 1s =n 1cosφ1−n 2cosφ2n 1cosφ1+n 2cosφ2(2)对薄膜-衬底界面II ：r 2p =n 3cosφ2−n 2cosφ3n 3cosφ2+n 2cosφ3(3)r 2s =n 2cosφ2−n 3cosφ3n 2cosφ2+n 3cosφ3图1 薄膜系统的光路示意图I pO pI pII p根据折射定律，有n1sinφ1=n2sinφ2=n3sinφ3(5) 由图1，可算出任意两相邻反射光之间的光程差为l=2n2dcosφ2相应的相位差为2δ=360°λl于是可得δ=360°λd(n22−n12sin2φ1)12⁄(6)另一方面，由多束光干涉原理来考察空气-薄膜-衬底作为一个整体系统的总反射系数，以R p 和R s分别表示这个系统对p波和s波的总反射系数，则由图1可知，对p波，R p由O p，I p，II p···各级反射光叠加合成。

用椭偏仪测薄膜厚度与折射率解析

103实验十二用椭偏仪测薄膜厚度与折射率随着半导体和大规模集成电路工艺的飞速发展，薄膜技术的应用也越加广泛。

因此，精确地测量薄膜厚度与其光学常数就是一种重要的物理测量技术。

目前测量薄膜厚度的方法很多。

如称重法、比色法、干涉法、椭圆偏振法等。

其中，椭圆偏振法成为主要的测试手段，广泛地应用在光学、材料、生物、医学等各个领域。

而测量薄膜材料的厚度、折射率和消光系数是椭圆偏振法最基本，也是非常重要的应用之一。

实验原理由于薄膜的光学参量强烈地依赖于制备方法的工艺条件，并表现出明显的离散性，因此，如何准确、快速测量给定样品的光学参量一直是薄膜研究中一个重要的问题。

椭圆偏振法由于无须测定光强的绝对值，因而具有较高的精度和灵敏度，而且测试方便，对样品无损伤，所以在光学薄膜和薄膜材料研究中受到极大的关注。

椭圆偏振法是利用椭圆偏振光入射到样品表面，观察反射光的偏振状态（振幅和位相）的变化，进而得出样品表面膜的厚度及折射率。

氦氖激光器发出激光束波长为632.8nm 的单色自然光，经平行光管变成单色平行光束，再经起偏器P 变成线偏振光，其振动方向由起偏器方位角决定，转动起偏器，可以改变线偏振光的振动方向，线偏振光经1/4波片后，由于双折射现象，寻常光和非寻常光产生π/2的位相差，两者的振动方向相互垂直，变为椭圆偏振光，其长、短轴沿着1/4波片的快、慢轴。

椭圆的形状由起偏器的方位角来决定。

椭圆偏振光以一定的角度入射到样品的表面，反射后偏振状态发生改变，一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的方位和形状改变了。

从物理光学原理可以知道，这种改变与样品表面膜层厚度及其光学常数有关。

因而可以根据反射光的特性来确定膜层的厚度和折射率。

图1为基本原理光路。

图2为入射光由环境媒质入射到单层薄膜上，并在环境媒质——薄膜——衬底的两个界面上发生多次折射和反射。

此时，折射角满足菲涅尔折射定律332211sin sin sin ϕϕϕN N N ==(1)104 其中N 1，N 2和N 3分别是环境媒质、= n – i k ）；ϕ1为入射角、 ϕ2 和ϕ3分别为薄膜和衬底的折射角。

椭偏法测薄膜厚度

椭偏法测薄膜厚度实验目的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。

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

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，/ = 1，则tg ψ=|/|；对于相位角ip E is E rp E rs E ，有：∆因为入射光-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即-=0或π，则ip βis βrp βrs βΔ=-(-)或Δ=π-(-)，可见Δ只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从ip βis βip βis β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(-ip β)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光，-=0或π。

is βrp βrs β2.椭偏法测量和的实验光路∆ψ1）等幅椭圆偏振光的获得，如图1-2。

2）平面偏振光通过四分之一波片，使得具有±π/4相位差。

3）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，故就是，就是。

x E ip E y E is E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：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19.6所示，其各部件功能如下：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1.He-Ne激光管2.小孔光闸3.平行光管4.起偏器5.1/4 波片6.被测样品7.载物台8.光孔盘9.检偏器10.塑远镜筒11.白屏镜小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。

2-椭圆偏振法测量薄膜厚度

椭圆偏振法测量薄膜厚度、折射率和金属复折射率椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。

椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到本世纪40年代计算机出现以后才发展起来。

椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展。

椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)。

利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。

因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。

通过实验，读者应了解椭偏法的基本原理，学会用椭偏法测量纳米级薄膜的厚度和折射率，以及金属的复折射率。

一、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。

,其中(3.5.2)设待测样品是均匀涂镀在衬底上的透明同性膜层。

如图3.5.1所示,n1,n2和n3分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，d是薄膜的厚度，入射光束在膜层上的入射角为，在薄膜及衬底中的折射角分别为和。

按照折射定律有(3.5.1 )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．根据折射定律及菲涅尔反射公式，可求得p 分量和s 分量在第一界面上的复振幅反射率分别为而在第二界面处则有 ,从图3.5.1可以看出，入射光在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 分量的总反射系数是相邻反射光束之间的相位差，而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(RP/RS）来表征。

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实验目的：1.学习使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率。

2.了解光线在薄膜中的传播和干涉现象。

实验仪器和材料：1.椭偏仪2.微米螺旋3.干净的玻璃片4.一块薄膜样品5.直尺6.实验台7.光源实验原理：椭偏仪是一种用于测量透明物体表面薄膜的厚度和折射率的仪器。

当光线从真空进入具有一定折射率的介质中时，会发生折射和反射。

当光线垂直入射到薄膜表面时，经过多次反射和折射后会形成干涉现象。

通过观察测量光的振幅和相位差的变化，可以推导出薄膜的厚度和折射率。

实验步骤：1.将实验台安装好，并确保椭偏仪的光源正常工作。

2.用直尺测量玻璃片和薄膜样品的尺寸，并记录下来。

3.将玻璃片放在实验台上，并将椭偏仪对准玻璃片。

4.调节椭偏仪的干涉仪臂使得产生清晰的干涉条纹。

5.使用微米螺旋逐渐调整反射镜的角度，直到条纹的清晰度达到最佳状态。

6.记录下此时的微米螺旋读数，并用直尺测量薄膜样品的厚度，得到薄膜的实际厚度。

7.调节椭偏仪的角度，使得干涉条纹平行于椭偏仪的刻度线。

8.记录下此时的椭偏仪读数，并计算出薄膜的厚度。

9.重复以上步骤2-8三次，并求取平均值。

10.使用已知的材料的折射率标定椭偏仪，并根据标定值计算出薄膜样品的折射率。

实验结果：根据实验步骤中记录的数据，计算出薄膜样品的平均厚度和折射率。

实验讨论：2.在实验中，可以尝试调节椭偏仪的角度和干涉条纹的清晰度，以获得更准确的测量结果。

3.实验中使用的薄膜样品的厚度和折射率可以进一步研究其与其他因素的关系，如温度、湿度等。

实验结论：通过使用椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率，可以得到薄膜样品的相关参数。

实验结果表明，椭偏仪是一种能够精确测量薄膜和折射率的有效工具。

通过该实验，我们可以深入理解光的干涉现象和薄膜的光学性质。

椭偏测薄膜厚度

❖ （1）椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量
❖ 图8.1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。
2
v 当入射光为椭圆偏振光时，反射后一般为偏振态（指
椭圆的形状和方位）发生了变化的椭圆偏振光（除开
0 π
4
且 0 的情况）．为了能直接测得和，须将
实验条件作某些限制以使问题简化．也就是要求入射光
和反射光满足以下两个条件：
v （1）要求入射在膜面上的光为等幅椭圆偏振光（即p和 s二分量的振幅相等）．这时，| Eip | 1
【实验目的】
❖ （1）了解薄膜的厚度测量的基本原理。 ❖ （2）利用椭圆偏振光消光法，测定透明薄膜的厚度。
【实验原理】
❖ 有一束自然光通过起偏器后，变成了线偏振光，再经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测的薄膜表面上时，反射光的偏振状态发生了变化。我们测量这种变化，就可以计算出待测薄膜的厚度。
| Ers || Eip |
v
(rp rs ) (ip is )
（8.9）
v 式（8.8）表明，参量与反射前后p和s分量的振幅比有
关．而（8.9）式表明，参量与反射前后p和s分量的位相
差有关．可见，和直接反映了光在反射前后偏振态的变
化．一般规定，和的变化范围分别为0 π 和0 2π 。
| Eis |
v 式（8.8）则简化为
v

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。

椭偏法测量薄膜的厚度和折射率闫课件

薄膜样品
• 薄膜样品：需要被测量的薄膜，要求薄膜具有平坦、无瑕疵等特性。
探测器和测量系统
探测器
$item1_c用于接收和测量经过薄膜样品后的光信号。
测量系统
用于接收和测量经过薄膜样品后的光信号。
03
椭偏法测量薄膜的实验步骤
样品的准备和安装
选取具有高质量、单层且均匀的薄膜样品，确保表面无污染和缺陷。
在生物医学研究中，椭偏法还可以用于研究生物样本的光学性质和物理性质，如光吸收、光散射、光致发光等。
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THANKS
薄膜表面的污染物质会改变薄膜的光学性质，从而影响椭偏测量的结果。例如，表面污染可能会改变薄膜的折射率，从而影响光的偏振状态。
05
椭偏法测量薄膜的优缺点及改进方向
优点
非侵入性
01
椭偏法是一种非破坏性的测量技术，不需要接触薄膜
表面，不会对样品造成损伤。
高精度
02 椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，精度较高，能
对环境要求高
椭偏法需要在干净、稳定的实验环境中进行，对于一些环境条件较差的实验室，可能难以保证测量的精度和稳定性。
改进方向
发展自动化技术
为了提高椭偏法的测量效率和精度，可以发展自动化技术，如自动调整样品位置、自动控制实验
条件等。
加强数据处理能力
加强数据处理能力，提高数据处理速度和精度，是椭偏法未来的一个重要发展方向。
要点二
偏振状态
入射光的偏振状态也会影响椭偏测量的结果。当光经过薄膜时，光的偏振状态会发生改变，这种改变的程度与薄膜的厚度和折射率有关。
薄膜的粗糙度和表面污染
粗糙度
薄膜的表面粗糙度会影响光的散射和反射，从而影响椭偏测量的结果。表面粗糙度越大，光散射和反射的程度就越大，这会影响光的偏振状态。

椭偏法测薄膜厚度

设—入射光，以 p 波为例，(s 波同理)，其入射光电矢分量为 Epi。反射光是 0，1， 2，3，……各级反射光之和，设为 Epr（下标 r，r，分别表示人射和反射）。由图
2 可知零级反射（Ep）0 为
第 n 级反射（Ep）n 为
因而总反射 Epr 为式中 2δ 为相邻二级反射光之间因光程差所引起的位相差，其值为
ψ1=0~+90o ψ2=0~-90o ψ3=0~+90o ψ4=0~-90o
表 1. Δ值
起偏器
β1
βr
(0~180o)
Δ=βr-β
i
(0~360o)
0
ρa1
-(2ρa1-90o)
Δ1
π
ρa2
-(2ρa2-90o)
Байду номын сангаас
Δ2
0
ρa3
+2ρa3-90o)
Δ3
π
ρa4
+(2ρa4-90o)
Δ4
三、实验方法与步骤
2．仪器调整步骤 (l)打开激光电源开关，调节激光电流为 5mA 左右。 (2)将人射光路与反射光路调成一直线(人射角与反射角都为 90o)。检查光点是否在观察窗中心位置。调整好后，恢复入射角等于反射角(70o)． (3)调节样片台，使激光经样片反射后能进入反射光管到达观察中心位置。 (4)将起偏器 P，λ／4 波片，检偏器 A 都旋到零附近，检查观察窗光点是否完全消光，微调起偏器，λ／4 波片，检偏器角度，直至观察窗中心光点最暗为止．记下真正起点的读数作零读数(如仪器零读数确已调好，此步骤可免)。
( l) ψ的检测从式(15)可以看出，如果实验中使入射椭圆偏振光的(Ap/As)i =l，反射为线偏振光后，(Ap/As)r =tgψr,这样就可使计算简化。使(Ap/As)i =1 的方法，可先用快轴 f 倾斜 45o 的λ／4 波片，使入射的线偏振光变为主轴倾斜 45o 的椭圆偏振光，因而在 p 轴和 s 轴上得到相等大小的投影，即(Ap/As)i =l。其次，经薄膜反射后要成为线偏振光(已如上述可通过旋转起偏器实现此点)。故得

实验：用椭偏仪测量薄膜厚度

实验：用椭偏仪测量薄膜厚度
椭偏仪是一种用来测量材料光学性质的仪器，它广泛应用于薄膜厚度、折射率和振荡波长等方面的测量。

在本实验中，我们将使用椭偏仪来测量一种薄膜的厚度。

实验仪器：
1. 椭偏仪
2. 两盏钠灯
3. 偏振片
4. 已知厚度的标准玻璃片
5. 微米卡尺
实验步骤：
1. 将两盏钠灯分别放在椭偏仪两侧，以产生平行的线偏振光。

2. 将标准玻璃片放在椭偏仪的样品台上，用微米卡尺测量其厚度。

3. 调整椭偏仪的光路，使得标准玻璃片的光通过样品台上的样品通道。

4. 旋转椭偏仪的波片，使得检偏器输出的光经过偏振片后为最小值。

5. 记录此时的“差角”（即波片与检偏器之间的角度差）。

7. 重复步骤4和5，记录当前“差角”。

8. 通过分析两个“差角”的差异，使用一个计算机程序计算出待测薄膜的厚度。

注意事项：
1. 实验需要在比较稳定的环境中进行，以避免外界干扰产生的误差。

2. 在放置标准玻璃片和待测薄膜时，要确保它们垂直于光路。

实验原理：
椭偏仪利用椭偏光的性质来测量物质的光学性质。

当光线入射到样品上时，根据样品的光学性质会发生振幅变化和相位差，使得入射光线变成椭偏光。

假设波片与检偏器之间的角度差为θ，入射光线的振幅比为x/y，那么捕捉到的输出光线的强度比为sin²θ（1+(x/y)²）/2。

由于物质的光学性质与其厚度有关，因此可以通过比较样品和标准玻璃片的结果，通过计算得出待测薄膜的厚度。

椭偏法测量薄膜的厚度和折射率 - 闫

SGC-1型椭圆偏振测厚仪，如图所示。
四、实验原理
使一束自然光经起偏器变成线偏振光，再经1/4波片，
使它变成等幅椭圆偏振光，入射到待测的膜面上。反射时光的偏振态将发生变化。对于一定的样品，总可以找到起偏方位角P，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。于是转动检偏器，在其相应的方位角A下得到消光状态。
i rs
tg
| Erp | | Eis |
反射前后p,s两分量 | Ers | | Eip | 的振幅衰减比
( rp rs ) (ip is ) 两分量的相移差
为使测量更加简便，在椭偏测量中要求入射光和反射光满足两个条件：
（1）入射光为p,s分量的振幅相等的椭偏光，此时： | Eip || Eis |
Erp Ers
tan A
Er
Erp
检偏器透光轴的取向
( rp rs ) (2 P ), 2 ( rp rs ) 0或
tan tan A,
五、实验内容与步骤
1. 首先开启主机电源，点亮氦氖激光器（预热30分钟
后再测量为宜）。
思考题与讨论题
1. 2. 3. 4.
写出椭偏方程及各参数的物理意义？ 1/4波片的作用是什么？入射光为什么为等幅偏振光，实验中如何获得？反射光为什么为线偏振光，实验中如何获得？
复习思考题：
1）简述椭偏法的测量原理，各主要光学部件的作用是什么？ 2）简述椭偏仪测量薄膜厚度的实验步骤。
三、实验仪器

2

n2 d cos 2
2

d n2 n1 sin 2 1
2 2
1、2 分别为光在薄膜上、下表面的入射角。式中，

(整理)椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

实验背景介绍椭圆偏振测量（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，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=2πd n2cosφ2/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E ip和E is分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，E rp和E rs分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。

现将上述E ip、E is、E rp、E rs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。

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。
05
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

实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率

实验椭圆偏振法测量薄膜厚度和折射率椭圆偏振法是一种常用的非破坏性薄膜厚度和折射率测量方法，它可以通过对样品反射和透射光的偏振状态进行测量，来获得样品的光学特性参数。

下面我们将介绍实验椭圆偏振法的测量步骤和注意事项。

1. 实验原理当一束偏振光碰到被测薄膜表面时，反射的光和透射的光都会发生偏振，其偏振状态可以通过椭圆偏振仪来测量。

通过测量样品反射和透射光的偏振椭圆参数，可以计算出薄膜厚度和折射率等光学参数。

2. 实验步骤(1) 样品制备准备一片光学平整的样品，涂上一层薄膜。

需要保证样品表面光洁度良好，无明显缺陷和表面过度粗糙。

(2) 调整椭圆偏振仪首先需要进行仪器校准，保证椭圆偏振仪能够正常工作。

然后，将样品放置在椭圆偏振仪的样品台上，调整偏振仪的角度、波长等参数，使样品的反射和透射光能够被完全接收和测量。

(3) 测量反射光打开椭圆偏振仪的偏振片，使入射光为线偏振光，然后测量样品反射光的偏振椭圆参数。

一般需要测量三个不同角度和波长条件下的参数，以保证数据的准确性。

(5) 数据处理通过测量数据，可以得到样品的反射和透射光的偏振椭圆参数。

根据计算公式，可以计算出样品的折射率和厚度等光学参数。

需要注意的是，测量过程中需保持仪器稳定，以免数据误差。

3. 注意事项(1) 样品表面应该光洁度良好，无缺陷和过度粗糙。

(2) 测量前需要进行椭圆偏振仪的校准，保证仪器能够正常工作。

(4) 测量过程中需要保持仪器稳定，以免数据误差。

(5) 需要注意心理学处理的方法和如何保留数据以及整合数据，以便之后的进一步研究和分析。

总结：实验椭圆偏振法是一种非常实用的分析方法，能够快速准确地测量薄膜的厚度和折射率等光学参数。

在实验过程中需要注意样品表面光洁度、仪器稳定等因素，以保证数据的准确性。

此外，数据分析也是实验的重要部分，需要采用合适的处理方法和工具，以得出正确的结论和结论。