椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率xq

椭圆偏振光法测定介质薄膜的厚度和折射率

04级6系 徐诠

PB04210086 7号台

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[实验目的]

采用简易的椭圆偏振仪，利用传统的消光法测量椭圆参数。要求

掌握椭偏光法的基本原理。仪器的使用，并且实际测量硅衬底上薄膜的厚度和折射率。

[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 、

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4

波片，待测样品、黑色反光镜、放大镜等； [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14

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∆=--

实验原理比较简练！

[实验数据]

由计算机运行程序多次逼近后得：

115;

2.1

d nm n ==

实验内容？

[误差分析]

1．

首先，在安装起偏器，检偏器乃至后来的读数，都是通过人眼的观测判断光线达到最弱的点，但在光斑变化并非尖锐的情形下，误差会较大。

2． 光学实验中如果想要得到较为精确的实验数据，对于仪器的

精密程度和操作的娴熟程度要求是较高的，实验过程中由于器件间咬合程度不是非常好，因此在实验过程中常会因为震动和不注意时的碰撞使得出现偏差，故每做完一个步骤都要重新检查，一个步骤的小失误都要重新再重来过。 3． 测量器件的表面要光洁，不允许触碰器件的表面，而发下来

的待测器件上有指纹印，这使得薄膜层加厚，影响了实验的结果。

请注意“误差分析”的概念，所谓误差分析，就是对测量结果的误差进行评估和计算。

[实验总结]

实验中将原本烦难的超越方程作了很大程度上的简化。主要是利用光学器件的奇妙功能。尤其是在精密度要求较高的光学实验中，一道实验程序的简化，能使得实验结果的误差减小很多。另外，一定要重视开始的基本准本，譬如说载物台的水平，光线从管的中间穿过等等，因为这是实验成立的大背景、大基础。俗话说，“欲速则不达”，“工欲善其事，必先利其器”。

[思考题]

1．4/1波片的作用是什么？

答：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？

答：基本原理是：让一束椭圆偏振光以一定的入射角射到薄膜系统的表面，经反射后，反射光的偏振状态（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，只要能测量出偏振状态的变化量就能定出膜厚和折射率。

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？

形成

的是多光束的干涉。当要利用反射光线时，应要求样品是低反射率的。

这样，反射光的振幅有

1234....

A A A A

≈>>>>

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？

答：不要靠人眼来判断光斑最弱，这样精准度不高。最好能够将这种暗的程度量化，譬如利用光敏电阻转化为电流的大小。