椭偏光测薄膜厚度和折射率.doc

云南大学物理实验教学中心 实验报告
云南大学物理实验教学中心
实验报告

课程名称： 近代物理实验
实验项目： 椭偏光测薄膜厚度和折射率
学生姓名： 　　朱江醒 学号： 20051050148
物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业

成绩

指导教师： 何俊
实验时间： 2007年 10 月 21 日 8 时 30 分至12时 30 分
实验地点： 　　　　　　四合院
实验类型：教学(演示□ 验证□ 综合□ 设计□) 学生科研□
课外开放□ 测试□ 其它□
一、实验目的：
1、学会一种较为准确、简便测量透明介质膜厚度和折射率以及金属复折射率的方法；
2、进一步掌握光的偏振、反射、折射、干涉等经典物理光学理论。
二、实验原理：
设有硅片表面上覆盖均匀透明的同性薄膜系统，入射角为，和为薄膜和衬底的折射角，为空气折射率，为薄膜折射率，为衬底复折射率（见图1）。

图1
入射光在两个界面来回反射和折射，总反射光由多束光合成。把光的电矢量和磁矢量各分为两个分量，把光波在入射面上的分量称为P分量或P波，垂直面射入的叫S分量或S波。
定义表征反射波对入射波的相对振幅的变化。
表征经反射系统后Ｐ波和Ｓ波的相位差变化。表示光中Ｐ波和Ｓ波的相位。

由光学知识可得反射系数比为

和表示入射光P波和S波的振幅。和表示反射光P波和S波的振幅。
此式称为椭圆偏振方程，它表示薄膜厚度和折射率与光偏振状态的变化之间的关系。薄膜厚度和折射率的测量归结为反射系数比的测量。
椭圆偏振光法测膜厚和折射率的基本原理就是由实验测得和，再由以上关系定出膜厚和折射率。然而解上述方程是很繁琐的，通常用计算机来完成。在、、、确定后，用计算机编制各种与的关系表，或绘制成～关系曲线。在测得样品的值后，从图中查出对应的和，则由方程

可算出膜厚
为了简化计算，　可使入射的椭圆偏振光的主轴成倾斜（从入射面算起）。
这样

当反射光变成振幅比为的直线偏振光时，有
或
则

可见，只与反射光的振幅比有关，可从检偏器的方位角算出。这时

可见只与反射光的Ｐ波、Ｓ波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出。
三、实验仪器：
反射式椭圆偏振仪又称为表面椭偏仪，其基本原理是将激光器发出的光变成椭圆偏振光，投射到样品表面，观测反射光偏振状态的变化（包括振幅和位相），从而定出样品上膜层的厚度和折射率。该仪器采用波长为6328的He-Ne激光器作为单色光源。入射角和反射角均可在内自调由调节，因此可用于改变入射角的某些测量值。
应该注意以下几点：
１）起偏器零点调整——将激光光源透过起偏器入射到样品台上的普通玻璃上，使入射角为（布鲁斯特角），转动起片器使光点最弱（消光）。
２）检器零点调整——将激光管、起偏器和检偏器的光路成一直线，使光透到光屏上，起偏器刻度指示到，再转动检偏器使光点消光。
３）1/4波片主轴调整——以１）、２）的零点为准，将起偏器转至，检偏器转至，得到消光位置。

四、注意事项：
1、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，有明暗变化的为主光点，副光点可以不管；
3、波长片一般情况下不允许转动， 以免造成测量误差；
4、仪器应放在光线较暗、湿度低的室内使用。

五、实验内容：
（一）样品
本实验待测样品有三种：
１、在硅衬底上生长的膜；２、在玻璃衬底上蒸镀的一层膜；３、表面经过研磨和抛光的钢块。前两种徉品，膜的拆射率均为实数，要求测出折射率及厚度（实验室给出的徉品，膜厚约为儿百埃到一千埃左右）。 对第三种徉品，要求测出其复折射率的实部和虚部。
（二）测试方法要点
1. 测试前首先要凋节祥品台的高度并保持水平（调节方法参照仪器说明书），以确保：祥品上反射的光在观察窗中呈现为完整的圆形亮斑； 当转动样品台时，亮斑不要转动或出现残缺； 当转动Ｐ和Ａ两个角度调节按钮时，对应于消光状态和非消光状态，圆斑亮度要有非常明显的变化。
2. 光电倍增管的高压可取７００—８００Ｖ。 适当择弱电流放大器的灵敏度，反复仔细调节Ｐ和Ａ使光电流达到极小值。注意保护光电倍增管。 当光电流已达到极小值时，先把图３所示的转换旋钮拨至观察窗位置再去读取Ｐ和Ａ的数值。
3. 为了消除因1/4波片不精确造成的Ａ值偏差，应在 和 两个不同的消光位置分别反复测量几次。根 测量结果求 和的平均值。
4. 测量过程中He-Ne激光电源的输出光功率应该是稳定的，一般He-Ne激光管点亮后需要稳定半小时再进行测量。
（三） 完成实验：
1. 计算金属的复折射率
2. 求薄膜的实折射率和膜厚
3. 用坡璃样品测定椭偏仪的仪器误差

实验指导教师签名

学生签名

实验指导老师填写
1、实验记录是否完整准确□
2、有无涂改抄袭现象□

折射率为1.45 的薄膜　厚度为178.40nm
折射率为1.47 的薄膜　厚度为172.80nm

六、误差分析及改进
1、下列几种因素均会使实验结果产生误差:
(1) 测量时未找到最佳消光位置, ( P , A ) 所对应的只是光强极小值, 使Ψ 和△严重
偏离,导致膜厚d 的计算误差。
(2) 薄膜样品的表面状态(指样品表面的清洁度和损伤程度) 、膜层的非均匀性和吸收
状态等,均对椭偏测量有较大影响。
(3) 实际薄膜样品的结构是否可近似为单层膜模型,这是非常重要的前提条件。对于
大多数薄膜材料,它们在可见光和近红外区的透入深度均较小,此时可忽略衬底的影响。
（4）关于薄膜的测量及计算的讨论,是基于膜层在光学上都是各向同性,每层都是连续,且各膜间界面完全平滑(平面) 和平行情况下进行的。实际情况是,薄膜材料真空蒸发在基片上时,通常得不到连续薄膜,偏离这些理想条件会对椭偏测量反射数据造成一定的影响,目前对非均匀膜测量的实际工作仍然很不完善,而仅限于测量折射率对均匀分布的微小偏离值。在本实验中,我们采用了理想模型,但实际测量应用时则可采取适当的手段加以修正。如对表面粗糙度对椭偏测量术影响的更深入细致研究工作是采用衍射积分法等。
2、改进
（1）起偏器零点调整——将激光光源透过起偏器入射到样品台上的普通玻璃上，使入射角为（布鲁斯特角），转动起片器使光点最弱（消光）。
（2）检偏器零点调整——将激光管、起偏器和检偏器的光路成一直线，使光透到光屏上，起偏器刻度指示到，再转动检偏器使光点消光。
波片主轴调整——以１）、２）的零点为准，将起偏器转至，检偏器转至，得到消光位置。
（3）数据处理
实验测得的是检偏器和起偏器的消光角度组合。对应一片薄膜，共有两组消光角度组合和，其中　　　
对和做以下处理

然后得

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操作
数据处理处理与分析
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6