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用椭偏仪测薄膜厚度与折射率.

103 实验十二 用椭偏仪测薄膜厚度与折射率

随着半导体和大规模集成电路工艺的飞速发展,薄膜技术的应用也越加广泛。因此,精确地测量薄膜厚度与其光学常数就是一种重要的物理测量技术。

目前测量薄膜厚度的方法很多。如称重法、比色法、干涉法、椭圆偏振法等。其中,椭圆偏振法成为主要的测试手段,广泛地应用在光学、材料、生物、医学等各个领域。而测量薄膜材料的厚度、折射率和消光系数是椭圆偏振法最基本,也是非常重要的应用之一。

实验原理

由于薄膜的光学参量强烈地依赖于制备方法的工艺条件,并表现出明显的离散性,因此,如何准确、快速测量给定样品的光学参量一直是薄膜研究中一个重要的问题。椭圆偏振法由于无须测定光强的绝对值,因而具有较高的精度和灵敏度,而且测试方便,对样品无损伤,所以在光学薄膜和薄膜材料研究中受到极大的关注。

椭圆偏振法是利用椭圆偏振光入射到样品表面,观察反射光的偏振状态(振幅和位相)的变化,进而得出样品表面膜的厚度及折射率。

氦氖激光器发出激光束波长为632.8nm 的单色自然光,经平行光管变成单色平行光束,再经起偏器P 变成线偏振光,其振动方向由起偏器方位角决定,转动起偏器,可以改变线偏振光的振动方向,线偏振光经1/4波片后,由于双折射现象,寻常光和非寻常光产生π/2的位相差,两者的振动方向相互垂直,变为椭圆偏振光,其长、短轴沿着1/4波片的快、慢轴。椭圆的形状由起偏器的方位角来决定。椭圆偏振光以一定的角度入射到样品的表面,反射后偏振状态发生改变,一般仍为椭圆偏振光,但椭圆的方位和形状改变了。从物理光学原理可

以知道,这种改变

用椭偏仪测薄膜厚度与折射率.

与样品表面膜层厚

度及其光学常数有

关。因而可以根据

反射光的特性来确

定膜层的厚度和折

射率。图1为基本

原理光路。

图2为入射光

由环境媒质入射到单层薄膜上,并在环境媒质——薄膜——衬底的两个界面上发生多次折射和反射。此时,折射角满足菲涅尔折射定律

332211sin sin sin ϕϕϕN N N ==

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