1、實驗五單波長橢偏法測試分析薄膜的厚度與折射率一、實驗目的掌握橢偏法的基本原理，學會使用單波長橢偏儀測硅襯底上透明膜厚度和折 射率。二、實驗原理1、偏振光的分類偏振是各種矢量波共有的一種性質。對各種矢量波來說，偏振是指用一個常 矢量來描述空間某一個固定點所觀測到的矢量波（電場、應變、自旋）隨時間變 化的特性。光波是一種電磁波，電磁場中的電矢量就是光波的振動矢量， 其振動 方向與傳播方向相垂直。電矢量在與光傳播方向垂直的平面內按一定的規律呈現 非對稱的擇優振動取向，這種偏于某一方向電場振動較強的現象，被稱為光偏振。正對著光的傳播方向觀察，電矢量的方向不隨時間變化，具大小隨著相位有 規律地變化的光為

2、線偏振光或者稱為平面偏振光， 在與光的傳播方向相垂直的平 面上，其軌跡為一條直線；若電矢量的大小始終不變，方向隨時間規則變化，其 端點軌跡為圓形，則為圓偏振光；若電矢量的大小和方向都隨時間規則變化，其 端點軌跡呈橢圓形，則為橢圓偏振光。如果光呈現出各方向振福相等的特征，并 不在某一方向的擇優振動，將這種光稱為自然光；將自然光與線偏振光混合時， 呈現沿某一方向電場振幅較大，而與其正交的方向電場振幅較弱但不為零的特 性，這種光為部分偏振光。2、偏振光的產生用于產生線偏振光的元件叫起偏器。 用于檢驗和分析光的偏振狀態的元件叫 檢偏器。雖然兩者的名稱不同，但起偏器和檢偏器大都具有相同的物理結構和光 學

3、特性，在使用中可互換，僅根據其在光學系統中所扮演的角色而被賦予了不同 的名稱。3、反射式橢圓偏振光譜測量的基本原理（1）偏振光學系統在橢偏儀中，偏振光束是通過一系列能產生特定偏振狀態的光學元件來進行 傳播的。在這方面，橢偏儀是屬于這樣一類光學系統， 其中光的偏振表示了經過 此系統內的光學元件處理過的光波的基本性質。 我們把這類光學系統稱為偏振系 統，以區別于其他類型的光學系統，即在其它許多系統中，受影響的是光波的某 種性質但不是它的偏振狀態。例如，在成象光學系統中，置放在光路中的光學元 件對光波播前的振幅（強度）進行變換。不同類型的光學系統內的裝置有很大的 不同，成象光學系統主要由透鏡和空間濾

4、光片構成。而偏振光學系統則由起偏器、延遲器和旋光器組成。雖然按照光學系統所能處理的光波的基本性質來劃分 光學系統的方法是十分吸引人的，但是，對于同時能使光波的一種以上性質發生 顯著變化的光學系統來說，一般的描述辦法就有些困難了。（2）橢偏儀裝置的測量理論和分析橢偏學一般可定義為對偏振矢量波的偏振態進行測量和分析的方法和系統。雖然光波偏振態的測量本身就具有重要意義，但利用橢偏測量的原理和方法，通 常可獲得偏振態發生變化的“某光學系統”的有關信息。我們在橢偏學研究中所 采取的一般方法是，作為探針的偏振光波能夠有控制地與待測光學系統發生相互 作用。這種相互作用將改變光波的偏振態（也十分可能引起其他性

5、質變化）。測 量偏振的初態和終態，或反復測量適當數目的不同初態， 例如利用系統的瓊斯或 米勒矩陣，便可確定所研究的系統對偏振光的變換規律。光學系統的瓊斯或米勒矩陣傳遞了該光學系統的有關信息， 為了取得更基本的信息，就必須利用光的 電磁學理論來研究該系統內光與物質的相互作用。 換句話說，要求研究偏振態變 化的內部過程，以弄清由瓊斯或米勒矩陣所描述的光學系統的性質變化究竟來源 于哪些內部機理。通用橢偏儀的工作布局圖如圖1所示。來自合適的光源L的準 直性能優良的單色光或準單色光，經可調起偏器P產生已知的偏振態可控的光束。 這束光與待測光學系統（S）相互作用，從而使光束偏振態發生變化。利用其后 連有探

6、測器D的可調力偏器A,來檢測系統輸出端的偏振態的變化。圖4普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、A口。分別代表光源、可調起偏器、待測光學系統、可 調檢偏器和光電探測器。 現在假定光波與光學系統間的相互作用是線性的，并 且無頻率變化，光學系統可通過下面的一種或幾種過程而是作為探針的光波偏振實驗指導書-單波長橢偏法測試分析薄膜的厚度與折射率態發生變化：（1）.反射或折射：當光波在兩個不同的光學媒質界面上發生反射 或折射時，偏振態會發生突變。這種變化的原因是，對于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏振光分別有不同的菲涅耳反射或透射系數。（2）.透射:當一束光通過一各向異性媒質（折射率、吸收率或兩者

7、，均存在各向異性）時， 其偏振態將連續變化。（3）.散射：當光波穿過因存在散射中心而其折射率具有 空間不均勻性的媒質時，便發生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透 射并不明顯影響原光束的準直性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一 大的立體角范圍內重作分布現象。根據改變光波的偏振態的作用方式，可將橢偏測量方法分為：（i） 反射或表面橢偏測量法（ii）透射橢偏測量法（偏振測量法）。圖1普通橢偏儀的工作布局。L、P、S、所口匚）分別代表光源、可調起偏器、待測光學系統、可調檢偏器和光電探測器。現在假定光波與光學系統間的相互作用是線性的，并且無頻率變化，光學系統可通過下面的一種或幾種過程而是

8、作為探針的光波偏振態發生變化：（1）.反射或折射：當光波在兩個不同的光學媒質界面上發生反射或折射時，偏振態會發生突變。這種變化的原因是，對于與入射面相平行（p）和垂直（s）的兩種線偏 振光分別有不同的菲涅耳反射或透射系數。（2）.透射：當一束光通過一各向異性媒質（折射率、吸收率或兩者，均存在各向異性）時，其偏振態將連續變化。 （3）.散射：當光波穿過因存在散射中心而其折射率具有空間不均勻性的媒質時， 便發生散射，就像在氣旋體與乳狀液中那樣。反射和透射并不明顯影響原光束的 準直性，但散射不同于它們，通常伴隨著散射能量在一大的立體角范圍內重作分 布現象。根據改變光波的偏振態的作用方式，可將橢偏測量

9、方法分為： （i）反 射或表面橢偏測量法（ii） 透射橢偏測量法（偏振測量法）（iii） 散射橢偏測量 法。值得指出是，雖然許多測量方法的基本原理都相同，但上述分類卻對應于 三種性質各異的研究領域，它們彼此之間存在著很大的差別。利用探測光隨偏振態（方位角、相位延遲或入射角）變化的規律建立了光度橢偏測量法。由光度 橢偏儀得到的原始數據包括在預定條件下取得的光強度（光流）信號。光度橢偏儀分成靜態光度橢偏儀和動態光度橢偏儀。對于靜態光度橢偏儀，待測信號（通 常是直流信號，除非用斬光器切斷光源光束）是在橢偏儀各元件的預定位置處被 記錄下來，即在P、C、A與的特定值下記錄。使用動態光度橢偏儀，則讓參量

10、P、 C、A與中的一個或幾個隨時間作周期變化，而后對待測信號作傅里葉分析。（3）反射式光度型橢圓偏振光譜測量的基本原理菲涅爾公式表明，對于兩種光學各向異性的均勻媒質構成的理想光學界面 （如圖2所示），當入射光在該界面發生反射或折射時，其反射波或透射波的偏振 態會發生改變。這種變化的根本原因在于：與入射面平行和垂直的兩個線偏振光 分別有不同的菲涅爾反射或透射系數。這就是橢圓偏振光學測量的物理依據。圖2.光束在兩介質界面的反射和折射圖設兩個復反射系數Rs和Rp分別代表s和p方向上的反射和入射光束的電場矢量復振幅之比，即:Ers(DisRpErpEip(2)式中r為反射波的電矢量（Erp ）振幅和入

11、射波電矢量（Ei）振幅之比，6則實驗指導書-單波長橢偏法測試分析薄膜的厚度與折射率為經過反射后電矢量產生的相移，其中下s和p分別表示垂直（S）和平行（P）入 射面的兩個分量。如果入射波的偏振態是任意的 （即偏振態包含S、P兩個偏振成 分），則反射波的合成偏振態將不同于入射波的偏振態，這是 S?口P兩個偏振分量 具有不同菲涅爾反射系數的緣故。基于這一原理，反射法測量橢圓偏振光是通過測量入射波和反射波的偏振態 改變而求出P偏振和琳振的菲涅爾反射系數的比值p ,由（1）和（2）兩式可得：_ Rp _ rp 占 CP7(3)-eRsrs我們也可以將P改寫為:(4)即:(5)rptan ,P = ： =

12、、p _、s p s式（5）中空（0 M中E2冗門A（0 A 2n ）即為通常所說的橢偏參數，此式可看作是 對橢偏參數的定義。甲和A分別反映了光與物質相互作用后，和震動分量的振幅 和相位發生的變化，它們是實驗上可被測量的物理量，其數值可通過測量和分析 橢圓偏振光強的變化得到。需要說明的是，實際光學系統的相對反射率p不僅取決于被研究材料自身的 光學性質，而且還依賴于實驗條件，如入射光的波長和入射角、樣品表面的粗糙 度等條件，式（5）將系數與實驗上可直接測量的量甲和A聯系起來，從原理上講,在已知被研究系統本身的物理參數和實驗條件后，該系統的甲和A可以被確定。 然而，橢偏參數與所需確定的光學常數之間

13、的聯系還依賴于材料的結構和所采用 的反射式光學系統的模型。通常，當實驗測量的數據與數值計算的結果吻合得較 好時，便認為所選擇的模型是較合適的。在橢圓偏振實驗測量中，先精確測量出橢偏參數甲和A ,然后按照由理想的 光學各向異性樣品與透明環境媒質組成的兩相模型，按下式來確定樣品的復介電常數 ：:一 a a.2、.2 -2al. .(6)sin 6+sin 中 tan 1(1 + P L上式中p由式（6）決定，名a和小分別為環境媒質的復介電常數和探測光束的入射 角。由此可見，在橢圓偏振測量實驗中，通過測量橢偏參數甲和A ,由式 （5） 計算出系統的相對反射率P ,然后由式（6）式求出復介電常數，最后

14、再通過其與 固體宏觀光學常數之間的關系求出其他光學常數，這樣就可以在實驗上對固體樣 品的光學性質進行分析。這就是采用橢圓偏振光學方法研究固體材料的光學性質 的基本原理。oLight SourceSampleDelertoiRuWiQii Ratio A=2P圖3為本實驗所采用的反射式橢圓偏振光譜儀的原理圖。其中：R、可口A是偏 振器件。R為固定起偏器，其作用是使入射光的初始偏振態被固定在 s方向振動， 可有效克服來自光源偏振性的影響。 可口 A分別為可旋轉的起偏器和檢偏器，它們 的初始偏振方位角均沿s方向。A的轉速是的兩彳to從起偏器P出射的光經過樣品 表面反射后透過檢偏器A進入探測器，小是入

15、射角。光的入射面與 s方向垂直。圖3.反射式橢圓偏振光譜實驗測量的工作原理示意圖三、實驗儀器設備單波長橢圓偏振光譜儀器四、重要注意事項：如果中間某步驟未完成，可能導致轉臂與儀器其它部件相碰，使損壞儀器實驗指導書-單波長橢偏法測試分析薄膜的厚度與折射率請嚴格按照“實驗方法、步驟”進行實驗，不得擅自改變實驗步驟。請認真觀察實驗過程中轉臂轉動情況，如操作失誤，務必在轉臂與儀器其它 部件相碰之前關閉橢偏儀器電源，以免損壞儀器。五、實驗方法、步驟一、打開半導體激光器電源開關。二、打開計算機進入Windows 98操作系統。三、放上樣品。注意不要觸碰待測樣品表面，以免影響測量結果。四、檢查橢圓偏振光譜儀各

16、部件的連接。連接妥當后打開光譜儀電源。五、啟動軟件 日lip ,進入操作界面。六、調整樣品平面：.點擊“Rotate”按紐，彈出對話框，選擇“ S and D”，置“Rotate to ” 為一定角度（例如“ 60 ”，輸入角度應在3090之間），選擇“ OK;.儀器轉動結束后（在轉動期間軟件自動鎖定），調節樣品架后的旋紐“a”， 可使激光光斑上下移動，使得反射光進入轉動臂光孔；.點擊“Rotate”按紐，彈出對話框，選擇“ Stage”，置“Rotate to”為 “0”，選擇 “OK；.儀器轉動結束后（在轉動期間軟件自動鎖定），調節樣品架后的旋紐“b” 和“c”，可使激光光斑左右、上下移動

17、，使得反射光回到固定臂后方激 光的出射孔處（白色面板小孔）；.點擊“Rotate”按紐，彈出對話框，選擇“ Stage”，置“Rotate to”為 步驟“1”所輸入的角度（即“ Detector ”的“Current Angle ”中顯示 的角度），選擇“ OK ；.重復步驟“ 2” ；.重復步驟“ 3” ；.重復步驟“ 4” ；.重復步驟“ 5” ；.如光斑未進入轉動臂光孔，則調節樣品架后的旋紐a”，否則不動。樣品平面調整結束 七、點擊“ Start ”開始測量。八、獲得結果，點擊“ Save”保存（文件名可為Si02-60.dat ）。九、如要多次測量，點擊“ restart ，彈出對話框詢問是否保存上次測得結果。十、保存完畢或不保存后，可開始繼