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

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和折射率

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和折

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

逼近定出膜厚和折射率。参数∆描述椭圆偏振光的P 波和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/=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, ∆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和固定。

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 和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： 实验测得数据如下：

1

4波片放置角度 45︒ —45︒

n 1 2 3 4

A （︒） 96.5 86.0 87.9 98.8

P （︒） 170.7 84.7 190.8 101.5

（注：试验中，对于角度大于180度，计算时减去180度。）

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 和折射率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，但还是会产生误差。

思考题：

1. 4/1波片的作用是什么？

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 分量和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（振幅和相位）会发生变化，而这种变化与薄膜

的厚度和折射率有关，因此只要能测量出偏振状态的变化量就能定出

膜后和折射率。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 ++++=δ

δ

2cos 22cos 21212212212212s s s s s s s s r r r r r r r r ++++⋅]1/2

δδ2cos )1()1(2sin )1(1222211221p p p p p p r r r r r r tg +++--=∆-δ

δ

2cos )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和∆，原则上就可以解出

薄膜的厚度和折射率。

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和精度要

求。如本实验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，你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