用薄膜测厚仪测量薄膜厚度及折射率

材料物理实验报告

实验时间 年 月 日

[实验名称]

用薄膜测厚仪测量薄膜厚度及折射率

[实验目的]

1、了解测量薄膜厚度及折射率的方法，熟悉测厚仪工作的基本原理。

2、通过本实验了解薄膜表面反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成反射谱原理。

3、借助光学常数，对薄膜材料的光学性能进行分析。

[实验仪器]

测厚仪、已制备好薄膜数片、参考反射板（硅片）

[实验原理]

SGC-10薄膜测厚仪，适用于介质，半导体，薄金属，薄膜滤波器和液晶等薄膜和涂层的厚度测量。该薄膜测厚仪采用new-span 公司先进的薄膜测厚技术，基于白光干涉的原理来测定薄膜的厚度和光学常数（折射率n ，消光系数k ）。它通过分析薄膜表面的反射光和薄膜与基底界面的反射光相干形成的反射谱，用相应的软件来拟合运算，得到单层或多层膜系各层的厚度d ，折射率n ，消光系数k 。

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=2πdn2cos φ2/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：

姓名： 范丽晶

班级：应用物理071 学号： 07411200126 成绩：

其中Eip和Eis 分别代表入射光波电矢量的p分量和s分量，Erp和Ers分别代表反射光波电矢量的p分量和s分量。现将上述Eip、Eis 、Erp、Ers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。这就是椭偏仪测量薄膜的基本原理。若d是已知，n2为复数的话，也可求出n2的实部和虚部。那么，在实验中是如何测定ψ和Δ的呢？现用复数形式表示入射光和反射光：

由式(3)和(12)，得：

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，Eip/Eis = 1，则tgψ=|Erp/Ers|；对于相位角，有：

因为入射光βip-βis连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即βrp-βrs=0或(π)，则Δ=-(βip-βis)或Δ=π-(βip-βis)，可见Δ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，Δ是定值，只要改变入射光两分量的相位差(βip-βis)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光，βrp-βrs=0或(π)。

[实验步骤]

运行程序，如果出现错误提示窗口，请确认USB线已连接好仪器与计算机。关闭程序，连接好USB线，并重新启动程序。

第一次按“Measure”键时，如果出现下面的错误窗口，则是因为没有把软件安装在默认目录下。这时，请按下“Continue”按钮（也许需要连按5次），再切换到“Measurement Setting”面板，选择薄膜层数4，再从材料数据库中选择基底和四层薄膜的材料（随便选取），然后按“Save Setting”，以后就不会再出现错误窗口了。

1 打开仪器电源，进行光源预热。

2 运行软件，设置光谱仪参数为“3311”，即“Int. Time”值为3，“Sample”值为3，“Boxcar”值为1，“Data Ave.”值为1。

3 测厚仪出厂时，焦距已调好，近似认为出射为平行光，省略调焦步骤。在平台上放上参考

硅片，调节水平旋钮1，2，使软件界面“Power”值最大。即可认为样品表面和光束垂直。

4 调节光阑大小，试软件界面上左侧的坐标达到“4000”。

5 按下“Store Reference”来保存参考板曲线。

6 拿开硅片，按下“Store Dark”来保存暗噪声。

7 放上待测样品，调节水平旋钮1，2使“Power”最大。

8 点击“Scope Mode”切换为“Reflectance Mode”。

9 在“Measurement Setting”界面，从数据库中选择基底和薄膜的材料。

10 切换到“Measurement”界面，点击measure来测量。计算结束后，就会在结果栏

中显示测量结果了。

[数据记录与结论分析]

1. 入射角为60度时：

快速法绘图法建表法

折射率 1.479 1.470 1.479

厚度/nm 178.10 180.00 178.10

2.入射角为65度时：

快速法绘图法建表法

折射率 1.481 1.480 1.481

厚度/nm 175.20 175.00 175.20

3.入射角为70度时：

快速法绘图法建表法

折射率 1.482 1.480 1.482

厚度/nm 173.30 174.00 173.30

求平均值：

结果为折射率=1.479 薄膜厚度=175.80 nm

指导老师

[思考与收获]

通过实验，我们可以知道SGC-10薄膜测厚仪具有如下优点：

1 非接触式测量，用光纤探头来接收反射光，不会破坏和污染薄膜；

2 测量速度快，测量时间为秒的量级；

3 可用来测薄膜厚度，也可用来测量薄膜的折射率n和消光吸收k；

4 可测单层薄膜，还可测多层膜系；

5 可广泛应用于各种介质，半导体，液晶等透明半透明薄膜材料；

6 软件的材料库中整合了大量材料的折射率和消光系数，可供用户参考；

7 内嵌微型光纤光谱仪，结构紧凑, 光纤光谱仪也可单独使用。