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与折射率实验报告 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与折射率

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与折

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与折射率。参数∆描述椭圆偏振光的P 波与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1

4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与相位差及

反射光中的两分量振幅比与相位差,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 波与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, ∆就是定值,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。

实验内容:

1. 按调分光计的方法调整好主机。

2. 水平度盘的调整。

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. 4/1波片零位的调整。

7. 将样品放在载物台中央,旋转载物台使达到预定的入射角700

即望远镜转过

400,并使反射光在白屏上形成一亮点。

8. 为了尽量减小系统误差,采用四点测量。

9. 将相关数据输入“椭偏仪数据处理程序”,经过范围确定后,可以利用逐次逼

近法,求出与之对应的d 与n ;由于仪器本身的精度的限制,可将d 的误差控制在1埃左右,n 的误差控制在0、01左右。 实验数据:

将表格中数据输入“椭偏仪数据处理程序”,利用逐次逼近法,求出与之对应的厚度d 与折射率n 分别为:

2.12 d=564nm n =

误差分析:

实验测得的折射率比理论值偏大,厚度比理论值偏小,其可能原因有:

1. 待测介质薄膜表面有手印等杂质,影响了其折射率。

2. 在开始的光路调整时,没有使二者严格共轴,造成激光与偏振片、1/4波片之

间不就是严格的正入射,导致测量的折射率与理论值存在偏差。

3. 消光点并非完全消光,所以消光位置只能由人眼估测,所以可能引入误差。

4. 由于实验中需多次转动及调节、安装仪器,会破坏仪器的共轴特性。虽经多

次调节,但还就是会产生误差。

思考题:

1. 4/1波片的作用就是什么？

4/1波片使得入射的线偏振光出射后为等幅的椭圆偏振光,从而出射光

的P 分量与S 分量比值为一,进而使超越方程变得简单。

2. 椭偏光法测量薄膜厚度的基本原理就是什么？

让一束椭圆偏振光以一定的入射角入射到薄膜系统的表面,经反射后,

反射光束的偏振状态(振幅与相位)会发生变化,而这种变化与薄膜的

厚度与折射率有关,因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜

后与折射率。具体关系反应在下面两个方程中:

δδψ2cos 212cos 2[212212212212p p p

p p p p p r r r r r r r r tg ++++=δδ2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2 δδ

2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δ

δ2cos )1()1(2sin )1(1222211221s s s s s s r r r r r r tg +++---- 所以若能利用消光法从实验测出椭偏系数ψ与∆,原则上就可以解出

薄膜的厚度与折射率。

3. 用反射型椭偏仪测量薄膜厚度时,对样品的制备有什么要求？

样品应为均匀透明各向同性的薄膜系统,反射率较高一点,以便于增强

反射光的强度,而且薄厚均匀透明,从而利于实验的进行与精度要求。

如本实验就就是采用硅衬底的均匀透明各向同性的薄膜系统。

4. 为了使实验更加便于操作及测量的准确性,您认为该实验中哪些地方

需要改进？

在判断消光时,由于每个人的判断标准不同,所以容易产生误差。而且

长时间的观察时眼睛观察能力下降,不易判断消光现象。这些会引起较大误差,我认为可以用精度较高的光电接收器来进行判断。

实验总结:

本实验就是光学实验。对于光学试验,最为重要得就是光路的调节,光路的调节准确与否,直接影响了试验的精度。因此,要准确调节光路。在安装起偏器与检偏器以后,都要瞧一瞧就是否依旧保持光线同轴。同时,由于光学仪器本身的精密性,严禁用手触摸。还要轻拿轻放。

本实验巧妙的设计,使光通过1/4波片之后,光变成等幅椭圆偏振光,使得,/1ip is E E =,使得//rp rs

ip is E E tg E E ψ=变为/rp rs tg E E ψ=,计算可以大大

的简化。通过调整仪器,使反射光成为线偏光,即0rp rs ββ-=或(π),则()ip is ββ∆=--或()ip is πββ∆=--,可使问题简化。