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1、用椭圆偏振仪测量薄膜厚度第1页，共14页，编辑于2022年，星期一教学目的与要求（1）了解薄膜的厚度测量的基本原理。（2）利用椭圆偏振光消光法，测定透明薄膜的厚度。教学重点、难点：本节课教学重点：测量薄膜厚度。本节课教学难点：实现椭圆偏振光消光。第2页，共14页，编辑于2022年，星期一实验原理实验原理有一束自然光通过起偏器后，变成了线偏振光，再经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测的薄膜表面上时，反射光的偏振状态发生了变化。我们测量这种变化，就可以计算出待测薄膜的厚度。第3页，共14页，编辑于2022年，星期一椭偏方程与薄膜折射率和厚度的测量图1所示为一光学均匀和各向同性
2、的单层介质膜，它有两个平行的界面。通常，上部是折射率为n1的空气(或真空)中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，下层是折射率为n3的衬底，介质薄膜均匀地附在衬底上，当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多光束干涉其干涉结果反映了膜的光学特性。第4页，共14页，编辑于2022年，星期一第5页，共14页，编辑于2022年，星期一设1表示光的入射角，2和3分别为在界面1和2上的折射角根据折射定律有 n1sin1=n2sin2n3sin3光波的电矢量可以分解成在入射面内振动的P分量和垂直于入射面振动的s分量若用Eip和Eis分别代表入射光的p和s分
3、量，用Erp及Ers分别代表各束反射光K0，K1，K2，中电矢量的p分量之和及s分量之和，则膜对两个量的总反射系数Rp和Rs定义为 RPErp/Eip,Rs=Ers/Eis第6页，共14页，编辑于2022年，星期一 r1p或r1s和r2p或r2s分别为p或s分量在界面1和界面2上一次反射的反射系数2为任意相邻两束反射光之间的位相差根据电磁场的麦克斯韦方程和边界条件，可以证明 r1p=tan(1-2)/tan(1+2),r1s=-sin(1-2)/sin(1+2)；r2p=tan(2-3)/tan(2+3),r2s=-sin(2-3)/sin(2+3)即著名的菲涅尔（Fresnel）反射系数公式
4、如果能从实验中测出和的值，原则上就可以算出薄膜的折射率n2和厚度d这就是椭圆偏振法测量的基本原理第7页，共14页，编辑于2022年，星期一实验仪器实验仪器椭圆偏振仪第8页，共14页，编辑于2022年，星期一实验内容实验内容（1）接通激光电源和硅光电池电源，在样品台上放好被测样品，将手轮转至“目视”位置，从观察窗看光束，调节平台高度调节钮，使观察窗中的光点最亮最圆。（2）调节好样品态后，转动起偏器刻度盘手轮，目测光强变化，当光强最小时，起偏器位置保持不动。（3）转动检偏器刻度盘手轮，目测光强变化，当光强最小时，检偏器位置保持不动。（4）此时将观察窗盖严，然后将转镜手轮转到光电接收位置，观察放大器
5、指示表（10-11），反复交替微调起偏器、检偏器手轮，使表的示值最小（对应消光）。（5）从起偏器刻度盘及游标盘上读出起偏器方位角P，从检偏器刻度盘及游标盘上读出检偏方位角A。（6）重复以上3,4,5步骤，测出另一组消光位置的方位角读数。第9页，共14页，编辑于2022年，星期一数据处理数据处理将两组（P,A）换算，求平均值，方法如下：（1）区分（P1,A1）和（P2,A2），当其中一组的A符合0A90条件，这一组被认定为（P1,A1），另一组则为（P2,A2）。（2）把（P2,A2）换算成（P2,A2）（3）把（P1,A1）与（P2,A2）求平均值（4）利用配套软件，填入（P,A）值，得到待测
6、薄膜的厚度第10页，共14页，编辑于2022年，星期一注意事项注意事项（1）不允许用强激光或其他光照射硅光电池，必须先用目视法充分消光后，才能进行测量；（2）由于样品表面的反射，在光屏上有时可能出现两个光点，调节消光时，有明暗变化的应为主光点，副光点可以不管。（3）波片一般情况下不允许转动，以免造成测量误差。第11页，共14页，编辑于2022年，星期一椭圆偏振仪椭圆偏振仪椭偏仪，是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构光学测量设备。由于并不与样品接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量设备。椭偏仪可测的材料包括：半导体、电介质、聚合物、有机物、金属、多层膜物质
7、椭偏仪涉及领域有：半导体、通讯、数据存储、光学镀膜、平板显示器、科研、生物、医药等。早期的研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。计算机的发展使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，成熟的软件提供了解决问题的新方法，因此，椭偏仪现在已被广泛应用于研究、开发和制造过程中。第12页，共14页，编辑于2022年，星期一第13页，共14页，编辑于2022年，星期一能测量很薄的膜（1nm），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。因此可以作为分析工具使用。对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。是研究表面物理的一种方法第14页，共14页，编辑于2022年，星期一