椭偏仪测折射率和薄膜厚度新.pdf

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1、 实验背景与原理 实验仪器与内容 实验总结、探讨与应用 1 2 3 主要 内容 实验背景与原理 椭偏光谱学是一种以椭圆偏振光测 量为基础的光谱技术，测定的是光波与 样品相互作用，发生反射、透射或散射 后偏振状态(振幅、相位) 的变化，用以 研究表面和薄膜的一种光学技术。 1 实验背景 1669年, 丹麦的Barrolinus教授首次 发现方解石晶体能折射出二束光 1 实验背景 1868 年,苏格兰的科 学家Brewster 发现了著 名的Brewster 反射定律; 布儒斯特（布儒斯特（David Brewster） 1781年年1868年年 1 实验背景 在同一时期，法国天文学家Arago发

2、现太阳 光呈部分偏振态。 1 实验背景 Yang 提出了光波是横波的假设; Fresnel推导出光的反射与折射定律; Maxwell建立了光波的电磁学理论。 1 实验背景 1901年, Drude教授在出版的书Theory of Optics.中描述了第一部以人眼作探测器的 椭偏装置。 1969年, Cahan和Spanier首次报道了自动 旋转检偏器式的椭偏仪。 拉曼光谱学的建立 1 我国在二十世纪70 年代初,在著名物理学 家黄昆院士的建议下, 莫党教授等开展椭偏光 谱的研究。上世纪70 年代中期,由莫党教授 等设计制造了我国第一 台椭偏仪TP75型。 黄昆 中国科学院院士 中国半导体技术

3、奠基人 （1919-2005） 实验背景 莫党 中山大学教授 当光波在两种不同的光学媒质界面上发生 反射或折射时,其偏振态将发生改变。这种变 化的原因是由于与入射面平行和垂直的二束线 偏振光分别有不同的菲涅尔反射或透射系数。 反射椭偏光谱是研究表面和薄膜的重要手段。 1 实验背景 线偏振光入射在波长的深度内，偏振矢有360相移 偏振光每透入1埃，相应的相位移动可达0.01至0.1 1 实验背景 (1)测量各种材料(固态和液态、光学各向同性 和各向异性、体材和薄膜)的光学性质和 色散关系; (2)监测各种薄膜的生长; (3)测量材料的电光、磁光、压光、热光等 物理效应。 椭偏光谱的应用范围 1

4、实验背景 动态光路 全自动控制 椭偏参数自动测量 光学常数自动计算 1 实验背景 请在这里输入论文答辩 的标题 2015-05- 20 实验原理 （1）测量厚度（10-1010-6m）、精度高（百分之几 单原子层） （2）无损测量，比称重法、定量化学分析法更简便 （3）可以同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数 （4）对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感 应用范围广（金属、 半导体、绝缘体、超导体等 固体薄膜） 椭偏光谱的测量优势 1 一、实验目的： 1、熟悉椭偏光谱测量原理与解谱方法 2、掌握椭偏仪的调整技巧 3、利用椭偏仪测量样品的折射率和厚度 实验原理 1 t H E 麦克斯韦方程组

5、t E EH 0H 0E 二、实验原理： 电磁波在介质中的波动方程 0 2 2 2 t E t E E 0 2 2 2 t H t H H 为介质电导率（为介质电导率（conductivityconductivity） 为介电常数（为介电常数（dielectric constantdielectric constant） 为为磁导率（磁导率（permeabilitypermeability） 非铁磁性材料，=1 c zn ti eExE 00 c zn ti eHyH 00 简谐平面波 0 x 0 y 分别是x、y方向上的单位矢量 为波的频率，c是光速， n 为复折射率 iknn 实部n叫做折

6、射率（refractive index） 虚部k叫做消光系数（extinction coefficient） n、k均为非负数 吸收系数（absorption coefficient）： 波传播单位距离后能流通量的变化率 k4 反射比（reflectance） ：光入射到两种 介质的交界面时反射通量（或功率）与入射 通量（或功率）之比 光从真空中正入射 至固体介质表面时 22 22 ) 1( ) 1( kn kn R ii i ii i 复介电常数复电导率 实验原理 1 0 0 22 2nk kn k4 22 22 ) 1( ) 1( kn kn R 描述固体的光学参量可以有许多个，但是独立的

7、 光学参量只有两个 )cos( )cos( 22 11 aE aE y x 偏振光和偏振参数 rkwt 随时间改变的相位因子 1 a 2 a为电场的振幅 2 21 2 2 2 1 sincos)()( a E a E a E a E y x y x 两个互相垂直振动的合成轨迹 12 *当=0或时，合成为线偏振光 *当=/2时，合成为正椭圆偏振光 （A1=A2时为圆偏振光） *当在(- ， )合成为椭圆偏振光 2 21 2 2 2 1 sincos)()( a E a E a E a E y x y x 0 电矢量（或磁矢量） 顺时针方向转动 右旋偏振光 电矢量（或磁矢量） 逆时针方向转动 左旋

8、偏振光 2 方位角 12 22 12 2 tg2 =cos - A A AA 如果 /2/4 等幅椭圆偏振光 椭圆偏振光的长短轴比仅与有关 12 =AA 2 21 2 2 2 1 sincos)()( a E a E a E a E y x y x sin2sin2sin cos2tan2tan 2 2 2 1 22 aaba a和b表示椭圆两轴的长度， 表示椭圆长轴与x轴的夹角( ) 0 表示椭圆的形状和转向 b a tan 正号: 右旋圆偏振光 负号：左旋圆偏振光 1 2 tan a a （0 2 ） 4 4 界面的费涅耳 反射系数公式 1001 1001 01 cos cos cos c

9、os nn nn r 2112 2112 12 cos cos cos cos nn nn r 反射波的相继各分平面波复振幅 , 63 121001 42 12101001 2 12100101 iii ertterrtterttr 透射波的相继各分平面波复振幅 , 52 12 2 101201 32 121012011201 iii errtterrttett 为反射波从一个界面进入另一个界面时 发生的相位变化 11 cos 2 nd 为入射光在真空中的波长为入射光在真空中的波长 d为薄膜厚度为薄膜厚度 薄膜的复折射率薄膜的复折射率 薄膜中的复折射角薄膜中的复折射角 1 n 1 根据Snel

10、l定律 221100 sin sin sin nnn 2 1210 2 121001 01 1 i i err ertt rR 级数和为 63 12 2 101001 42 12100101 2 12010101 iii errtterrtterttrR 合成反射振幅R 合成透射振幅T 52 12 2 101201 3 121012011201 iii errtterrttettT 2 1201 1201 1 i i err ett T 级数的和为 反射式椭偏术 2 1201 2 1201 1 i pp i pp p err err R 2 1201 2 1201 1 i ss i ss s

11、err err R 透射式椭偏术 2 1201 1201 1 i pp i pp p err ett T 2 1201 1201 1 i ss i ss s err ett T 实验原理 1 斯托克斯倒逆关系 0110 rr 2 011001 1rtt 2 1201 2 1201 1 i i err err R 反射式椭偏术 定义椭偏参数和 i s p e R R tan 实验原理 1 0 （环境介质） 1 2 0 是相位的差异 tan的意义是反射光中p波和s波的相对振幅衰减 和均以角度量度 椭偏光谱分析 ),(),(),(),()(cos ),(),(),(),()(tan 2121 212

12、1 dgdkng dfdknf 椭偏实验 测量椭偏参数 )(tan )(cos 材料的 光学常数 ),(kn),( 21 或 膜厚度 （即结构信息） 实验原理 1 第j层膜 j-1 第m层膜 第m+1层膜 衬底 dj j+1 m+1 1 +1 j j i p j p jj i p j p jj p j err err r 2 1)1( 2 1)1( 1 j j i s j s jj i s j s jj s j err err r 2 1)1( 2 1)1( 1 jjjj nd cos 2 第j层薄膜 合成反射中的P、S分量 110 ,., mm Snell定律 0011 jj mm m+1m

13、+1 n sin =n sin =. =n sin =. =n sin =nsin 之间的关系遵从 第第(j-1)与与j层界面的菲涅耳反射系数层界面的菲涅耳反射系数 jjjj jjjj p jj nn nn r cos cos cos cos 11 11 )1( jjjj jjjj s jj nn nn r cos cos cos cos 11 11 )1( 对于多层膜，采用矩阵运算解谱 1、Abeles矩阵法 2、Hayfield-White 矩阵法 3、 3、44 矩阵 实验原理 1 反射式椭偏光谱的测量有消光法和光度法两种 实验原理 1 1 氦氖或半导体激光器 2 起偏器 3 四分之一波

14、片 4 待测薄膜 5 检偏器 6 光电探测器 1 2 3 4 5 6 椭偏仪的结构图 计算示意图 =exp()cos( -45 ) 2 =sincos( -45 ) o FA o SA EEi EE 实验原理 1 =cos45 -sin45 2 =exp()cos( -)+ sin( -) 2244 2 =exp(+ ) 24 oo PiFASA EEE Eii Ei =sin45 +cos45 2 =exp()cos( -)- sin( -) 2244 23 =exp(- ) 24 oo SiFASA EEE Eii Ei 薄膜的入射光的P分量和S分量相等为 2 =exp(+ ) 24 Fi

15、 EEi 23 =exp(- ) 24 Si EEi 2 2 E 实验原理 1 P分量和S分量的位相差为 45或 45或 45 0 =-= 90 -2 iPiSi 消光法 对于一定的薄膜系统一定，只要改变入射光的 偏振方向，使出射光为线偏振光。 椭偏参数和 i s p e R R tan =- ri 实验原理 1 出射光为线偏振光 = 0 r 或 产生消光现象即出射光为线偏振光， 此线偏振光的方位与有关 检偏器表观刻度A与椭圆参数的关系 （1） 2 00 0 r 0 0 90 = 0 = 90 - A A 入射光 偏振方向 出射光 偏振方向 检偏器 初始方向 （2） 00 0 r 0 90 1

16、80 =180 =-90 A A 入射光 偏振方向 出射光 偏振方向 检偏器 初始方向 检偏器表观刻度A与椭圆参数的关系 起偏器的表观刻度P与椭圆参数的关系 （3） 00 0 0 180 =-90 P P 起偏器 初始方向 入射光 偏振方向 出射光 偏振方向 起偏器的表观刻度P与椭圆参数的关系 （4） 00 0 270 360 =-270 P P 实验原理 1 入射光 偏振方向 入射光 偏振方向 起偏器 初始方向 根据表观读数求椭圆参数 （1）四分之一波片的快轴（FA）倾斜45时 转动检偏器，使光强最暗时记录下A1，A2 转动起偏器，使光强消失时记录下1， 2 实验原理 1 （2）四分之一波片

17、的快轴（FA）倾斜-45时 转动检偏器，使光强最暗时记录下A3，A4 转动起偏器，使光强消失时记录下3， 4 1234 1 =(-+-) 4 AAAA 0 3412 11 = 90 +(+)-(+) 22 数据处理方法 （3）找出为最小的值的c ,C所对应的n2,d 查表法 （1）按理论公式计算 制成表文件 2 (, , , ) cc n d （2）输入测量得出的 计算偏差( , ) mm 22 = ( - ) +( - ) mcmc 实验原理 1 绘图法： 1、根据理论公式计算 2 (, , , ) cc n d 制成等折射率和等厚度表文件 2、根据输入的制图条件，绘出等厚度 和等折射率曲线

18、。 实验原理 1 3、利用将测量的值与图中 （理论曲线与实验值 相交或很接近）逐步逼近的方法得到 所对应的 ( , ) mm ( , ) cc 2 (, )n d ( , ) cc 迭代法 2132 tanexp( ) =(, , ) =(, )if n n d f n d 入射光波长、入射角、样品衬底折射率n3已知 2 2 (, )-tancos() = 0 (, )-tansin() = 0 R n d I n d 循环迭代法循环迭代法:设置初始值设置初始值 0202 (, ),(, )R n dI n d 不断逼近测量值 22 (, ), (, )R n dI n d 最终得到合适的 实

19、验原理 1 ,得到 薄膜厚度与周期的测量方法 n2测出后 22 4 =cos= 2(=1,2,3) dnm m 22 = 2cos T d n 通过改变入射角，改变 2 cos 1 2 =m d =m d T T d d 测量1 测量2 12 -=md-md TT dd 测量1测量2 实验原理 1 实验仪器与内容 实 验 仪 器 1.分光计 ；2.起偏器；3.四分之一波片； 4、检偏器；5、反射镜；6、半导体激光器 ； 7、样品；8、光阑 实验仪器与内容 2 1、光路调整 实 验 步 骤 1）调整半导体激光器光束、平行管光轴的中 心轴、望远镜筒的中心轴同轴。 实验仪器与内容 2 2）检偏器读数

20、头位置的调整和固定 A. 松开分光计的刻度盘和游标，将刻度 调置为0度，锁紧刻度盘和游标。 实验仪器与内容 2 B. 取下小孔光栏，将检偏器和望远镜目镜 分别拖动放置到望远镜光管上，将检偏器 的上刻度调置为90度，下刻度调置为0度。 实验仪器与内容 2 C.松开望远镜锁定旋钮，旋转望远镜，使 望远镜刻度为66度(布儒斯特角57度)。 实验仪器与内容 2 D.把黑色反光镜放在平台的中央，注意 光面平行于入射光；旋转游标盘，使 反射光进入检偏器的中心。 实验仪器与内容 2 E.慢慢转动检偏器，使光强最弱，当入射角 是布儒斯特角时，反射光将是振动方向 垂直于入射面的完全线偏光。 实验仪器与内容 2

21、（3）起偏器读数头位置的调整与固定 A.将起偏器拖动到平行光管上，调节起偏 器上、下刻度均为0度。 实验仪器与内容 2 B.慢慢转动起偏器整体框架，使目镜中观察 到的光强达到最暗（消光），检偏器与起偏 器的光轴相互垂直。 实验仪器与内容 2 4）1/4波片零位的调整 拖动1/4波骗片放在起偏器上，旋转1/4波片， 使1/4波片的快轴方向与起偏器0位置对齐；此 时用目镜观察到的光强达到最暗（消光）。波 片的快轴平行起偏器的光轴。 实验仪器与内容 2 （3）测量样品的折射率和厚度 A获得等幅椭圆偏振光 置四分之一波片快轴于内刻度圈的示数+45， 此时，无论起偏器转动在何位置，经四分之一 波片出射的

22、光均为等幅椭圆偏振光。 实验仪器与内容 2 +45 等幅 椭圆偏振光 B.测量角度值 先转动检偏器，使光变暗，再转动起偏器，使 望远镜观察窗口的光强最暗，然后读出检偏器盘 和起偏器盘的读数，大于900和小于900分别记录 一组数值。同样的方法，测波片-450时检偏器盘 和起偏器盘的读数，大于900和小于900分别记录 一组数值。 实验仪器与内容 2 -45 （4）数据处理 点击主场景中“数据处理”程序，打 开椭偏仪实验数据处理界面。 实验仪器与内容 2 A.设置测量参数 点击“物理参数”， 在实验物理常量窗体中 可以设置测量参数。 实验仪器与内容 2 B 绘制等厚度线和等折射率线，并记录测量

23、结果。 输入测量的起偏器和检偏器角度值，选择 合适的厚度和折射率的上、下限以及精度值 ，点击“开始画图”按钮，绘图区域中心的 绿色点表示（，）坐标位置，再分别点击 “等d线”按钮和“等n线”按钮，求出薄膜 的折射率以及单周期厚度值。 实验仪器与内容 2 开始画图 等d线 等n线 实验总结、探讨与应用 3 1、熟悉椭偏光谱测量原理与解谱的方法； 2、掌握椭偏仪调整与读数方法； 3、利用消光法测量样品的折射率与厚度。 一、实验总结 实验总结、探讨与应用 二、实验探讨 1、偏振器、起偏器透光方向是如何定位的？ 2、消光法中1/4波片的作用是什么？ 3、椭偏光谱法测量与解谱方法还有很多， 请你查阅相关

24、资料，了解它们的异同 与特点。 3 实验总结、探讨与应用 三、实验拓展 光 栅光 栅 单色仪单色仪 弧光弧光 氙灯氙灯 M3M3 M4M4 透镜透镜 起偏器起偏器 检偏器检偏器 M M1 1 计算机计算机 样 品样 品 光电光电 倍增管倍增管 锁相锁相 放大器放大器 M2M2 斩波器斩波器 A1A1 A2A2 A4A4 A3A3 i i A-光阑A-光阑 M-步进马达M-步进马达 分光仪转台分光仪转台 自动化转动检偏器式椭偏光谱仪的光学、控制 和数据采集系统示意图 光度法 波长 分辨率 达到 0.1nm 扫描宽度 190 1200 nm 泰勒棱镜 190 3500 nm 入射角精确度达到0.05 8度-85度转动 响应 190 900 nm 四、实验应用 3 实验总结、探讨与应用 成像椭圆偏振技术正在引起越来越 多的兴趣。研究人员发现利用成像 椭偏技术可实现超小块薄膜分析、 原位椭偏测量、各种液体环境下的 椭偏分析并且可以实现和多种技术 联用， 布鲁斯特角显微镜 表面等离子共振 原子力显微镜 石英晶体微天平 LB槽 反射光谱仪 太赫兹光谱仪 拉曼光谱仪 非稳定液体 表面薄膜测量 + 显微成像 新挑战 4 请在这里输入论文答辩 的标题 2015-05- 20