椭圆偏振光谱法测量单晶硅的光学常数概述
CeO_2纳米薄膜的厚度和光学性质_陈军
Abstract： Cerium dioxide had high dielectric constant and refractive index and ultraviolet absorption which might be useful for vari-
ous optical and electronic applications． CeO2 thin films were prepared on 500 ℃ Si substrate using a vacuum evaporation process． Samples as-prepared were characterized by X-ray diffraction （ XＲD） and scanning electron microscopy （ SEM） ． The results showed that the films had nano-structures in morphology with crystal size of 20 nm which were uniform and dense． The thin films thickness of different deposited time （ from 6 to 15 min） was investigated by surface profiler，reflectance spectroscopy and spectroscopic ellipsometry． The thin films thickness was very close by using different ways． The difference of thin films thickness decreased with the increase of the films thickness． Optical constants of the films in the wavelength range of 350 ～ 1000 nm were obtained by ellipsometric spectroscopy based on Drude-Lorentz model． The result showed that the refractive index （ n） and extinction coefficient （ k） decreased with the increase of wavelength． n value of CeO2 thin films measured at 632． 8 nm wavelength fell in the range of 2． 11 ～ 2． 20． The refractive index increased with the increase of film thickness，while extinction coefficient decreased with the increase of film thickness． Key words： CeO2 thin films； thickness； spectroscopic ellisometry； optical constant
椭圆偏振技术
椭圆偏振技术目录[隐藏]1、基本原理5、优势椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，可用以取得薄膜的介电性质（复数折射率或介电常数）。
它已被应用在许多不同的领域，从基础研究到工业应用，如半导体物理研究、微电子学和生物学。
椭圆偏振是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优点。
分析自样品反射之极化光的改变，椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜资讯，小至一个单原子层，甚至更小。
椭圆仪可测得复数折射率或介电函数张量，可以此获得基本的物理参数，并且这与各种样品的性质，包括形态、晶体质量、化学成分或导电性，有所关联。
它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数埃（Angstrom）或数奈米到几微米皆有极佳的准确性。
之所以命名为椭圆偏振，是因为一般大部分的极化多是椭圆的。
此技术已发展近百年，现在已有许多标准化的应用。
然而，椭圆偏振技术对于在其他学科如生物学和医学领域引起研究人员的兴趣，并带来新的挑战。
例如以此测量不稳定的液体表面和显微成像。
1 基本原理2 实验细节 2.1 实验装置 2.2 数据蒐集 2.3 数据分析 3 定义 3.1 单波长与光谱椭圆偏振技术 3.2 标准与广义椭圆偏振理论(非等向性) 3.3 琼斯矩阵与穆勒矩阵型式（去偏极化）4 进阶实验方法 4.1 椭圆偏振成像 4.2 原位椭圆偏振 4.3 椭圆偏振孔隙测定 4.4 磁光广义椭圆偏振5 优势[编辑本段]1、基本原理此技术系在测量光在反射或穿透样品时，其偏振性质的改变。
通常，椭圆偏振多在反射模式下进行。
偏振性质的改变主要是由样品的性质，如厚度、复折射率或介电性质（参见英文版Dielectric function），来决定。
虽然光学技术受制于先天绕射极限的限制，椭圆偏振却可借由相位资讯及光偏振之状态的改变，来取得埃等级的解析度。
在最简单的形式，此技术可适用于厚度小于一奈米到数微米之薄膜。
样品必须是由少数几个不连续而有明确介面、光学均匀且具等向性且非吸收光的膜层构成。
椭圆偏振光法测量薄膜的厚度和折射率
椭圆偏振光法测量薄膜的厚度和折射率摘要：本实验中，我们用椭圆偏振光法测量了MgF 2,ZrO 2,TiO 2三种介质膜的厚度和折射率，取MgF 2作为代表，测量薄膜折射率和厚度沿径向分布的不均匀性，此外还测量了Au 和Cr 两种金属厚膜的折射率和消光系数。
掌握了椭圆偏振光法的基本原理和技术方法。
关键词：椭偏法，折射率，厚度，消光系数 引言：薄膜的厚度和折射率是薄膜光电子器件设计和制备中不可缺少的两个参数。
因此，精确而迅速地测定这两个参数非常重要。
椭圆偏振光法就是一个非常重要的方法。
将一束单色椭圆偏振光投射到薄膜表面，根据电动力学原理，反射光的椭偏状态与薄膜厚度和折射率有关，通过测出椭偏状态的变化，就可以推算出薄膜的厚度和折射率。
椭圆偏振光法是目前测量透明薄膜厚度和折射率时的常用方法，其测量精度高，特别是在测量超薄薄膜的厚度时其灵敏度很高，因此常用于研究薄膜生长的初始阶段，而且由于这种方法时非接触性的，测量过程中不破坏样品表面，因而可用于薄膜生长过程的实时监控。
本实验的目的是掌握椭偏法测量薄膜的厚度和折射率的原理和技术方法。
测量几种常用介质膜的折射率和厚度，以及金属厚膜的复折射率。
原理：1. 单层介质膜的厚度和折射率的测量原理（1）光波在两种介质分界面上的反射和折射，有菲涅耳公式：121122112112211122322323223223322233cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos cos p s p s n n r n n n n r n n n n r n n n n r n n ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ-⎧=⎪+⎪-⎪=⎪+⎪⎨-⎪=⎪+⎪-⎪=⎪+⎩（tp-1）; （2）单层膜的反射系数图1 光波在单层介质膜中传播以上各式中1n 为空气折射率，2n 为膜层的折射率，3n 为衬底折射率。
1ϕ为入射角，2ϕ，3ϕ分别为光波在薄膜和衬底的折射角。
椭圆偏振
椭圆偏振测量实验一、实验背景在近代科学技术的许多门类中对各种薄膜的研究和应用日益广泛。
因此，能够更加迅速和精确地测量薄膜的光学参数已变得非常迫切。
在实际工作中可以利用各种传统的方法，测定薄膜光学参数，如：布儒斯特角法测介质膜的折射率，干涉法测膜厚。
另外，还有称重法、X射线法、电容法、椭偏法等等。
其中，因为椭圆偏振法具有测量精度高，灵敏度高，非破坏性等优点，故已在光学、半导体学、生物学、医学等诸多领域得到广泛的应用。
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。
椭圆偏振测量实验已成为高校近代物理实验中最重要的一项内容。
二、实验目的1、学习椭偏法的测量原理与方法；2、测量透明介质薄膜厚度和折射率。
三、实验仪器TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪四、实验原理光是一种电磁波，且是横波。
电场强度E、磁场强度H和光的传播方向构成一个右旋的正交三矢族。
偏振态可以作为一种光学探针。
如果已知入射光束的偏振态，一旦测得通过光学系统后出射光的偏振态，就可确定薄膜的特性参数（n,d,k），式中：n,d,k分别为薄膜的折射率、厚度及吸收系数。
使一束自然光（非偏振激光）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，入射到待测的膜面上。
反射时光的偏振态将发生变化。
通过检测这种变化，便可计算出待测膜面的光学参数。
对于一定的样品，总可以找到一个起偏方位角P ，使反射光由椭圆偏振光变成线偏振光。
这时，转动检偏器，在某个检偏器的方位角A 下得到消光状态，即没有光到达光电倍增管。
以上方法被称为消光测量法。
现以普通玻璃表面镀以透明单层介质膜为例作一说明。
图一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n 1的空气（或真空）。
中间是一层厚度为d 折射率为n 2的介质薄膜，均匀地附在折射率为n 3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光束干涉。
光刻胶光学性质的光谱椭偏测量方法研究
光刻胶光学性质的光谱椭偏测量方法研究刘文德;陈赤;陈熙;于靖;郑春弟;王煜【摘要】利用相调制型光谱椭偏仪研究了光刻胶光学常数的测量方法,针对测量过程中光刻胶曝光控制优化了测量方案和仪器参数.对常见的S9912正型光刻胶,给出了曝光前后275～650 nm波段的光学常数.并采用动态椭偏法测量了所需波长下曝光前的光学常数.实验结果表明:该测量方法适用于光刻胶在紫外-可见-红外宽波段的光学性质研究,在光刻模拟、新型光刻胶材料研制及其光学性质表征等领域有重要实用价值.%By means of phase-modulated ellipsometer, the method for measuring optical constants of photoresist is described. The test scheme and instrument parameters for testing process of photoresist are optimized. For commonly used positive S9912 photoresist,the optical constants for 275 -650 run before/after the exposure are measured,and the dynamic ellipsometry is used to obtain the values before the exposure at wavelengths of interest The experimental results indicate;the method provided is applicable for the research of photoresist in UV-VIS-NIR spectral range and may find important application in the optical lithography simulation,the development and characterization of new-type photoresist materials.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2011(032)004【总页数】4页(P381-384)【关键词】计量学;光刻胶;曝光;光学常数;光谱椭偏法【作者】刘文德;陈赤;陈熙;于靖;郑春弟;王煜【作者单位】中国计量科学研究院,北京100013;中国计量科学研究院,北京100013;中国科学院半导体研究所纳米光电子实验室,北京100083;中国计量科学研究院,北京100013;中国计量科学研究院,北京100013;中国计量科学研究院,北京100013【正文语种】中文【中图分类】TB961 引言光谱椭偏法作为一种在薄膜材料体系应用广泛的综合参数测量方法，通过测量2正交偏振分量光的反射系数之比，获得光偏振态随波长的变化，从而反演材料结构状态信息[1]，包括膜厚、光学常数(折射率n和消光系数k)。
光学常数的测量方法
数据分析－图谱处理 Constructing an IR Chemical Image
artificial pattern
Specific absorption band selected
数据分析－图谱处理
>C=O -CH stretching -OH
数据分析－图谱处理
>C=O -CH stretching -OH
Ce 薄膜
为获得完整的光学常数谱，需要进行 KK变换。一般说来，KK 变换原则上需要已知全波段上的吸收光谱和反射光谱数据，并 在光谱测量范围两端，尤其是远红外波段和远紫外端对已有光 谱测量数据作合理外推，同时可以用求和规则来检测和论证这 种外推以及KK变换结果的合理性。
椭圆偏振光谱
第二类方法： 椭圆偏振光谱法：通过反射光束或透射光束振幅衰减和相位改 变的同时测量，它可以经由光谱测量，而不必借助KK变换直 接求得被测样品的光学常数。
数据分析－图谱处理
傅里叶退卷积光谱：可以将严重重叠的谱带分开，增强红外光 谱的分辨能力。实测光谱是干涉图函数和切趾函数分别进行傅 里叶变换的卷积， 退卷积光谱就是将卷积得到的实测光谱退卷积，即将实测光 谱重新变成干涉图，然后选择一个合适的切趾函数与干涉图 相乘，再重新进行傅里叶变换就完成退卷积计算。
椭圆偏振光谱
其中： 对于均匀材料：
实际测量时，固定偏振片在0-90o间的 某些角度上，旋转分析器，可得到调 制的强度比。
椭偏光谱
椭圆偏振光谱
同步辐射椭偏光谱：掠角入射，高亮度的光源将 大大提高信号的强度
ANKA infrared beamline
特殊样品环境－变温
研究材料温度下的相变
小结
测量方式选择：根据样品情况选择
椭圆偏振技术
椭圆偏振技术目录[隐藏]1、基本原理5、优势椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，可用以取得薄膜的介电性质（复数折射率或介电常数）。
它已被应用在许多不同的领域，从基础研究到工业应用，如半导体物理研究、微电子学和生物学。
椭圆偏振是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优点。
分析自样品反射之极化光的改变，椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜资讯，小至一个单原子层，甚至更小。
椭圆仪可测得复数折射率或介电函数张量，可以此获得基本的物理参数，并且这与各种样品的性质，包括形态、晶体质量、化学成分或导电性，有所关联。
它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数埃（Angstrom）或数奈米到几微米皆有极佳的准确性。
之所以命名为椭圆偏振，是因为一般大部分的极化多是椭圆的。
此技术已发展近百年，现在已有许多标准化的应用。
然而，椭圆偏振技术对于在其他学科如生物学和医学领域引起研究人员的兴趣，并带来新的挑战。
例如以此测量不稳定的液体表面和显微成像。
1 基本原理2 实验细节 2.1 实验装置 2.2 数据蒐集 2.3 数据分析 3 定义 3.1 单波长与光谱椭圆偏振技术 3.2 标准与广义椭圆偏振理论(非等向性) 3.3 琼斯矩阵与穆勒矩阵型式（去偏极化）4 进阶实验方法 4.1 椭圆偏振成像 4.2 原位椭圆偏振 4.3 椭圆偏振孔隙测定 4.4 磁光广义椭圆偏振5 优势[编辑本段]1、基本原理此技术系在测量光在反射或穿透样品时，其偏振性质的改变。
通常，椭圆偏振多在反射模式下进行。
偏振性质的改变主要是由样品的性质，如厚度、复折射率或介电性质（参见英文版Dielectric function），来决定。
虽然光学技术受制于先天绕射极限的限制，椭圆偏振却可借由相位资讯及光偏振之状态的改变，来取得埃等级的解析度。
在最简单的形式，此技术可适用于厚度小于一奈米到数微米之薄膜。
样品必须是由少数几个不连续而有明确介面、光学均匀且具等向性且非吸收光的膜层构成。
椭圆偏振法简称椭偏法
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。
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(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,其中( 2)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(R P/R S）来表征。
在椭偏法中，用椭偏参量和来描述反射系数比，其定义为 (3)分析上述各式可知，在，，n1和n3确定的条件下,和只是薄膜厚度d和折射率n2的函数，只要测量出和，原则上应能解出d和n2。
椭圆偏振光谱-1
图3.
图4.
• WinEli—II软件模拟中的结构模型均按照相同原则建 立，即基片采用自行建立的K9基片NK模型，第一层 薄膜层则采用数据库中的相应材料的色散模型，大 致厚度从镀膜过程中的参数计算得出，第二层采用 数据库中空气层(层数由下至上)。 • HfO2薄膜拟合结果如图5。实线是测量的原始数据， 虚线是拟合曲线，由图5可知，测量结果和拟合结果 的吻合度达到95％以上，认为拟合结果真实准确， 得到HfO2薄膜的厚度为0.6102μm。
（SE Spectroscopic Ellipsometry）
一.定义
椭圆偏振光谱测量是研究薄膜或块体材料 光学性能的重要手段，具有测量精度高、对 样品无破坏性、可原位测量以及对被测对象 及环境要求低等优点，可同时测量薄膜的厚 度、折射率和消光系数。
二.原理
椭偏技术是一种测定入射光被样品 反射(或透射)后偏振状态变化的光 学方法。它通过测量被测对象(样 品)反射出光线的偏振状态的变化 情况来研究被测物质的性质。
图5.
• Hf02物理膜采用Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型，表 达式如式(5)、(6)： Ɛr=A+Bλ2+Cλ4 (5) Ɛi=Dλ+Eλ3+Fλ5 (6) 且Ɛr=n2—k2 ，Ɛi=2nk。 • 薄膜的折射率拟合测量结果如图6所示。
图6.
四.ห้องสมุดไป่ตู้论
• 我们采用反射式宽光谱椭偏仪测量电子束蒸 发制备HfO2薄膜的椭偏光谱，利用Sellmeier 和Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型对椭偏光谱进行拟 合分析。结果表明，在300～800nm波段范 围内Sellmeier和Cauchy(Ɛr，Ɛi)色散模型均能 较好地描述HfO2薄膜的光学性能，同时证实 了薄膜的光学常数大小与薄膜表面结构有关。
椭圆偏振光谱测量技术及其在薄膜材料研究中的应用
椭偏的概念首先由德国科学家 ＰａｕｌＤｒｕｄｅ在 １９世纪末提出，１８８７年他使用 Ｆｒｅｓｎｅｌ公式解释 了以布儒斯特角射入水中的偏振光，反射得到的 ｐ偏振光反射率不趋于 ０的问题［５］。Ｄｒｕｄｅ不仅 仅给出了椭偏分析的理论基础，１８９０年他还使用
第 ６期
朱绪丹，等：椭圆偏振光谱测量技术及其在薄膜材料研究中的应用
（复旦大学 信息科学与工程学院光科学与工程系，上海 ２００４３３）
摘要：椭圆偏振光谱测量技术通过测量线偏振光经材料表面反射后光的相对振幅与相位改变量计算得到椭偏参数，再通 过椭偏参数的拟合获取样品光学性质。由于其具有非接触、高灵敏度、非破坏性等优势，广泛应用于物理、化学、材料科 学和微电子等方面，是一种不可或缺的光学测量手段。本文首先简要回顾了该技术的发展历程，接着阐述了传统椭偏仪 的基本原理，按照测量原理的不同可将椭偏仪分为消光式和光度式。随后，本文简单介绍了一些常用椭偏仪的基本架 构、测量原理和相关应用，并比较了他们的优缺点，重点展示了复旦大学研制的双重傅立叶变换红外椭偏光谱系统。然 后按照椭偏参数处理的基本步骤：测量、建模与拟合 ３个方面，阐述了其过程，详细剖析了参数拟合所使用的各种光学色 散模型，同时通过应用实例介绍了各色散模型的应用情况。最后，对未来椭偏技术的发展方向进行了展望。 关 键 词：椭偏技术；椭偏仪；椭偏参数拟合；光学色散模型；材料光学特性 中图分类号：Ｏ４８４．５；Ｏ４３３．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１９１２０６．１１９５
光学测量的一项重要内容是薄膜特性———例 如厚度和光学性质。常用的光学测量技术根据其 原理可分为：光吸收法、干涉监控法、偏振光分析 法等［２３］。其中偏振光分析法就是本文介绍的椭 圆偏振光 谱 测 量 技 术 （后 文 中 简 称 为 椭 偏，本 文 介绍的椭偏仪 ／椭偏技术均采用反射式），该方法 是利用偏振光在材料表面反射后，相应偏振态的 改变来测量该材料的光学性质。通过椭偏测试， 可以获得材料的折射率、消光系数和复介电函数 等光学性质，还可以进一步计算得到包括材料反 射率、吸收率、透射率、光学带隙在内的相关光学 特性。同时，椭偏技术还可用于获取材料组分、界 面层性质和粗糙度等综合信息。
采用椭偏法结合分光光度法研究极薄银的光学常数
采用椭偏法结合分光光度法研究极薄银的光学常数牛江伟;潘永强【摘要】极薄银在滤光片、高反射镜等中有广泛的应用,其光学常数严重影响着膜系的特性.在室温条件下,采用电阻热蒸发技术分别在硅和玻璃基底上沉积5.3 nm～26 nm不同厚度的极薄银薄膜,用TalySurfCCI非接触式轮廓仪测量了薄膜的厚度,研究了不同厚度银薄膜的光学常数n和k.镀制厚度5.3 nm、7.9 nm、14.1 nm、26.0 nm的银薄膜,结果显示极薄银的光学常数与块状银光学常数不同,当膜厚小于14.1 nm时,折射率n在380 nm～600 nm随波长增加而增加,在600 nm～1 600 nm随波长增加缓慢减小至趋于稳定值2.6;消光系数k在380 nm～500 nm随着波长增加而增加,在500 nm～1 600 nm随波长增加而缓慢减小至趋于0不变;当膜厚大于14.1nm时,折射率随波长增加而增加,消光系数随波长近似呈线性增加.整体上,膜厚增加时折射率减小且趋于块状银的折射率,k随厚度增加而增加并最终趋于块状膜.用此拟合的光学常数代入TFc膜系设计软件计算其透射率,发现与分光光度计测得的透射率吻合较好.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】6页(P867-872)【关键词】薄膜;极薄银;椭偏法;光学常数【作者】牛江伟;潘永强【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710021【正文语种】中文【中图分类】TN206;O484引言“三明治”结构D/M/D(dielectric/metal/dielectric)多层膜可实现在可见光高透中远红外高反，可应用于红外辐射反射镜、低辐射镀膜玻璃、抗静电涂层、电加温功能玻璃，以及作为屏蔽体在航空航天、军用仪器设备方面阻止高频电磁场在空间中的传播。
银元素具有金属材料中最低的体电阻率(1．6 μΩ·cm)，厚度在20 nm以下的银膜具有良好的透明度与导电性，且反射、透射光的颜色比其他金属，如金、铜都更为中性，因此银元素是D/M/D膜系结构中功能金属膜层的最佳选择[1]。
紫外薄膜光学常数的多层模型椭偏测量
紫外薄膜光学常数的多层模型椭偏测量吴慧利;唐义;白廷柱;蒋玉蓉;蒋静【摘要】研究了基于光谱式椭偏仪精确测量紫外弱吸收薄膜光学常数的可靠方法.以HfO2和SiO2薄膜为研究对象,用光谱式椭偏仪测量了薄膜的多角度椭偏参数,采用逐点优化法,建立了多层模型.利用Cauchy-Urbach模型进行数据拟合,获得了HfO2和SiO2薄膜在200～900 nm波段的光学常数,并比较双层薄膜拟合结果和扫描电镜的测量结果,验证了获得的光学常数的准确性.结果表明,逐点优化法结合Cauchy-Urbach模型能够较好地描述弱吸收薄膜的结构,较为准确地得到薄膜的色散关系,可为紫外滤光片的后期制作奠定基础.%A reliable and accurate method based on multilayer film model by spectroscopic ellipsometry is proposed to measure optical constants of UV weak absorption films. Take examples of HfO2 film and SiO2 film, multi-angle ellipsometry parameters Psi and Delta had been measured by spectroscopic ellipsometry to inverse optical constants of HfO2 and SiO2 film between 200 nm and 900 nm in Wavelength, which were fitted by point-by-point method using the Cauchy with urbach absorption model. Comparing the fitting result of ellipsometry and the test result of scanning electron microscopy (SEM), we verified the accuracy of the optical constants of HfO2 and SiO2 film. The results show that the structure and optical constants of weak absorption coating can be better described by Cauchy with urbach absorption model using point-by-point method, and the results are important for the fabrication of UV filters.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2015(042)009【总页数】6页(P89-94)【关键词】薄膜光学;弱吸收薄膜;光学常数;光谱式椭偏仪【作者】吴慧利;唐义;白廷柱;蒋玉蓉;蒋静【作者单位】北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】O484.5薄膜材料与薄膜技术被广泛应用于航天技术和光电仪器等领域，薄膜的光学参数(折射率n、消光系数k和厚度d)的测量成为薄膜研究的重要内容。
椭圆光谱仪测量原理 -回复
椭圆光谱仪测量原理-回复椭圆光谱仪是一种用于测量材料的光学性质的仪器。
它利用椭圆偏振光的特性来分析并测量样品的反射特性，从而获得材料的光谱信息。
在本文中，我将详细介绍椭圆光谱仪的测量原理，并逐步解释每个步骤。
首先，让我们概述一下椭圆偏振光的基本原理。
光在传播过程中既有横向电场成分（Ey），又有纵向电场成分（Ez）。
当光束通过具有各向异性的材料时，它会引起光的椭圆偏振。
这些椭圆偏振光可以通过振幅比（ratio of amplitudes）和相位差（phase difference）来描述。
椭圆偏振光的参数可以用椭圆度（ellipticity）和倾斜角（tilt angle）来表示。
现在，让我们来看看椭圆光谱仪的测量原理。
椭圆光谱仪通常由以下几个主要部分组成：光源，样品台，旋转载物，检测器和数据处理系统。
首先，椭圆光谱仪使用一个光源来产生偏振光。
该光源可以是白光光源，也可以是单色光源。
偏振光进入样品台后，会与样品相互作用，产生椭圆偏振光。
然后，样品台将样品固定在一个旋转载物上。
旋转载物可以使样品旋转，使得其在不同旋转角度下的椭圆偏振光可以被测量到。
这个过程称为旋转椭圆仪。
接下来，检测器测量样品在不同旋转角度下的椭圆偏振光的振幅和相位信息。
光谱仪通常使用四象限光敏探测器来进行测量。
这些探测器可以测量光的振幅和相位信息，并将其转换成电信号。
然后，测量系统会将检测器测得的数据传输给数据处理系统。
数据处理系统会对测量数据进行处理和解析，并根据测量原理计算出样品的光学性质。
这些光学性质包括折射率、消光系数、薄膜厚度、反射率、透射率等。
最后，通过分析测量得到的数据和计算得到的光学性质，可以获得材料的光谱信息。
这些光谱信息可以用于分析材料的组成、结构、形貌和光学特性等。
在椭圆光谱仪的测量过程中，有几个关键参数需要考虑。
首先是入射角度，它决定了样品中光的传播路径。
其次是旋转角度，它可以改变椭圆偏振光的参数，并进一步影响测量结果。
椭圆偏振技术
橢圓偏振技術橢圓偏振技術是一種多功能和強大的光學技術，可用以取得薄膜的介電性質（複數折射率或介電常數）。
它已被應用在許多不同的領域，從基礎研究到工業應用，如半導體物理研究、微電子學和生物學。
橢圓偏振是一個很敏感的薄膜性質測量技術，且具有非破壞性和非接觸之優點。
分析自樣品反射之極化光的改變，橢圓偏振技術可得到膜厚比探測光本身波長更短的薄膜資訊，小至一個單原子層，甚至更小。
橢圓儀可測得複數折射率或介電函數張量，可以此獲得基本的物理參數，並且這與各種樣品的性質，包括形態、晶體質量、化學成分或導電性，有所關聯。
它常被用來鑑定單層或多層堆疊的薄膜厚度，可量測厚度由數埃（Angstrom）或數奈米到幾微米皆有極佳的準確性。
之所以命名為橢圓偏振，是因為一般大部分的極化多是橢圓的。
此技術已發展近百年，現在已有許多標準化的應用。
然而，橢圓偏振技術對於在其他學科如生物學和醫學領域引起研究人員的興趣，並帶來新的挑戰。
例如以此測量不穩定的液體表面和顯微成像。
目錄[?藏]1 基本原理2 實驗細節2.1 實驗裝置2.2 數據蒐集2.3 數據分析3 定義3.1 單波長與光譜橢圓偏振技術3.2 標準與廣義橢圓偏振理論(非等向性)3.3 瓊斯矩陣與穆勒矩陣型式（去偏極化）4 進階實驗方法4.1 橢圓偏振成像4.2 原位橢圓偏振4.3 橢圓偏振孔隙測定4.4 磁光廣義橢圓偏振5 優勢6 參考資料[編輯] 基本原理此技術係在測量光在反射或穿透樣品時，其偏振性質的改變。
通常，橢圓偏振多在反射模式下進行。
偏振性質的改變主要是由樣品的性質，如厚度、複折射率或介電性質（參見英文版Dielectric function），來決定。
雖然光學技術受制於先天繞射極限的限制，橢圓偏振卻可藉由相位資訊及光偏振之狀態的改變，來取得埃等級的解析度。
在最簡單的形式，此技術可適用於厚度小於一奈米到數微米之薄膜。
樣品必須是由少數幾個不連續而有明確介面、光學均勻且具等向性且非吸收光的膜層構成。
椭圆偏振术在生物分子芯片研究中的应用
率和厚度．图 １ 是一种 Ｐ Ｍ Ｓ Ａ结 构的椭偏仪． 它在 检偏器和样 品之间加一个相位差调制器 ， 激光器 发
出的 光经起 偏 器后 变 为 线 偏 光 ， 过 样 品 反 射后 变 通
光线 的影 响 ， 使 最后 通 过 调 制 器 的 光 成 为线 偏 可
光 的Ｐ分量 和 ｓ 分量 的振 幅反射 系数分 别为 ｒ 和 。 它们 都是 与 物质 的反 射 特性 有 关 的 复 数 ， 因此 可
，
以反 映物 质 的光学 特 性 ， 即通 过 他 们 计 算 出物质 的 光 学 常数 ， 反射 光是 椭 圆偏振 光 ， 圆偏振 光 的特 征 椭 可 以用 函数表 示
维普资讯
第３ ４卷
第 ３期
２０ ０ ８年 ７月
曲 阜 师 范 大 学 Ｊｕ ａ ｏ Ｑ ｆ Ｎ ｒ ａ ｏ ｒ ｌ ｆ ｕｕ ｏｍ ｌ ｎ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｊ ｌ ０ ８ ｕｙ２ ０
椭 圆偏 振术在生物分 子芯 片研究 中的应 用
ｐ （ ）＝ ‘ ｉｐ ， ｅ（－）－ ｔｎ ． ， Ｓ８ ａ ｅ （） １
标记．这些方法 一般灵 敏度 较高 ， 主要缺点是 操作 复 杂 ， 记后 大大 改 变 了蛋 白质 的表 面特 征 ， 其是 标 尤
在 改变 赖氨 酸侧链 正 电荷 时 ， 能 在 很 大 程 度 上 导 可
技 术一样 ， 同位素 标 记 技 术 也 有 很 多 缺 陷 而 不 能 很 好地 用于 蛋 白质 芯 片 检 测 ．并 且 这 些 产 品 体 积 大 ， 成 本高 ， 对工 作环 境 要 求 高 ， 宜 携 带 ， 不 给检 测 带来 不便 ．在蛋 白质 芯 片 的 检 测研 究 中 ， 个 主要 的 发 一
椭圆偏振光分析法测定单轴晶体的折射率
Measuring the Refractive Indices of Uniaxial Crystal Using Ellipticaily Polarized Light
作者： 邢进华[1];石芳[2]
作者机构： [1]常熟理工学院江苏省新型功能材料重点实验室;[2]常熟理工学院物理与电子
工程学院,江苏常熟215500
出版物刊名： 常熟理工学院学报
页码： 32-34页
年卷期： 2012年 第8期
主题词： 单轴晶体;椭圆偏振光;折射率;光轴
摘要：根据菲涅耳公式和光在晶体中的传播特性，分析了入射或反射椭圆偏振光长、短轴分量与8、P分量的关系以及晶体中的折射率与光轴方向的关系．在此基础上得到了测定单轴晶体
折射率的一种行之有效的简单方法．通过测量椭圆偏振光的长、短轴分量并利用布儒斯特角的
特点，就能完全确定单轴晶体的两个主折射率和光轴方向．实验证明这种方法是可行的，且测
量精度比较高．。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
tan 2 cos2 2 sin 2 2 sin 2 2 (12) n2 k 2 sin 2 1 1 sin 2 cos
sin 2 tan 2 sin 4 sin k 2n 1 sin 2 cos
n3 cos 2 n2 cos 3 r2 p (7) n3 cos 2 n2 cos 3
n2 cos 2 n3 cos 3 (8) r2 s n2 cos 2 n3 cos 3
菲涅耳反射公式
在椭偏光法中。一般采用ψ和Δ来描述反射时光偏振状态的变 化，定义如下，
tan e
i
Rp Rs
(9)
Ap Ap tan / A A s r s s
(10)
( p s )r ( p s )i
(11)
其中A和β分别为振幅和位相，下标r和i分别表示反射光和入射 光。tanΨ是相对振幅衰减，Δ则是相位移动之差。
实验仪器
2
仪器结构及工作原理
双折射 光学性质随方向而异的某些晶体（如方解石等），当光线进 入晶体后，一束入射光可以有两束折射光，其中一束折射光 的方向遵从折射定律，叫做寻常光线（或O光），另一束折 射光的方向，不遵从折射定律，其传播速度随入射光的方向 变化，且在一般情况下，这束折射光不在入射面内，叫做非 寻常光线（或e光） ¼ 波片 若晶片的厚度d使o光和e光产生π/2的相位差，即
（1）-（9）式给出了偏振状态变化（Ψ, Δ）与膜的厚度d和折 射率n的关系，这一系列方程可用计算机求解，得到（Ψ, Δ） ~（d，n）数值表或曲线图。因此直接由实验结果求得Ψ、Δ、 后，查表或图便可得到n和d。
消光，不存在多束干涉效应，反射光中的p波和s波的振幅 和位相将发生变化，根据（9）式，若入射角为Φ，膜的折 射率n则为
2 n2 n12 sin 1
(4)
式中的λ是光在真空中的波长，d是膜厚。
n1 cos 1 n2 cos 2 n2 cos 1 n1 cos 2 r1 p (5) r (6) 1s n2 cos 1 n1 cos 2 n1 cos 1 n2 cos 2
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,φ2和φ3是在膜和衬底中的折射角, 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
n1 sin 1 n2 sin 2 n3 sin 3
根据多束光干涉公式，可求出总反射系数Rp和Rs
()
Rp
r1 p r2 p exp(2i ) 1 r1 p r2 p exp(2i )
2
r1s r2 s exp(2i ) (2) Rs 1 r1s r2 s exp(2i )
2 d
(3)
其中，
d n2 cos 2
椭圆偏振光谱法测量单晶硅的光 学常数
绍兴文理学院数理信息学院
实验目的
掌握椭偏光测量薄膜的厚度和折射率的原理
学会使用椭圆偏振光和分析单晶硅的折射率、
消光系数与波长的关系
实验原理
光是一种电磁波，全面描述光波，除了波长、
频率和传播方向外，还需要用振幅、相位和 偏振方向。偏振方向分为x方向和y方向两个 分量。 自然光 光 线偏振光 偏振光 椭圆偏振光
(13)
这样，只要测出某一波长的Ψ和Δ，就可算出相应波长下的n 和k值。值得注意的是，运用公式（12）、（13）计算n和k 时，膜必须足够的厚方比较准确。
4 k
2 2
1 n k
由n和k
2 2nk 1 2
n 1 k 2 R 2 n 1 k 2
2
d
( no ne ) d
4(no ne )
2
基本原理 EX2椭偏仪采用消光法获得椭偏角（ Ψ,Δ ），基本原理为： （1）测量消光角：波片C的方位角固定，不断调整起偏器P 和检偏器A的方位角，使得经样品反射后的偏振光成为线偏 振光，其偏振方向与检偏器A的透光轴垂直，此时检测器D上 得到的光强达到最小，即消光。在一个周期内（0-180o）， 存在两对消光角（P01, A01）和（P02, A02）；设P01 ≤P02， 则P02 -P01=90o, A01+A02=180o. 实际测量中采用在两对消光 角下得到的椭偏角Ψ和Δ值的平均，可以有效地消除系统误差。 （2）利用消光角与椭偏角（ Ψ,Δ ）之间的数学关系，就可 以计算得到椭偏角 进一步，对样品膜系建立物理模型，再利用直接计算法、 查表法、拟合法等分析出样品的信息，如纳米薄膜的厚度d、 折射率n和消光系数k等