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秒速时时彩app用椭偏仪测薄膜厚度与折射率

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 文章来源:未知编辑:admin时间:2019-07-30 03:54

  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 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 波片后,由于双折射现象,寻常光和非寻常光产生 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 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 为基本原理光路。 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 sinsin sin 104其中N 分别为薄膜和衬底的折射角。 光在分界面的反射,要分两种光波 状态来分析。电矢量在入射面的光波叫p 波,垂直于入射面的叫 波,每个光束可分解为 分量。一般情况下两者的反射系数是不相同的。由菲涅尔 反射系数公式可知,光波电矢量的 coscos coscos 其中2δ为相邻两束反射光的相位差,d 为薄膜厚度,λ 为入射波长。 分析光在样品上反射时的状态改变,需用描述振幅状态变化和位相状态变化的量, 因而在椭圆偏振法中,采用和来描述反射时偏振状态的改变。现定义: 波分量与s波分量总反射系数之比。其中tan相当于复数的模量、相对振幅衰减; 为位相移动之差。和是椭圆偏振法中的两个基本量。 、环境和衬底复折射率N 。而在椭偏仪消光条件下,(9)式左边的椭偏参量和与椭偏仪的检偏角A 和起偏角P 有简单的换算关系,所以和可以 由实验确定。这样,从(9)式就可以得到实部和虚部两个方程。 需要说明的是,当在空气中进行测试时,(1)式中的N 也必然是复数。在精确的计算中,这样的因素是必须考虑的。另外从(6) 为实数时,随着薄膜厚度d 的变化,和会表现出周期性,相应的周期厚度D (10)在通常的测试条件下,λ, 是已知的,如果薄膜厚度d、薄膜折射率 中有一个已知,则原则上是可以求出另外两个未知薄膜参量的。例如对于透明的薄膜而言,可以认为k 。但在实际运用中,由于公式(1) 、d)的递推函数关系,无法得到薄膜参量的直接表达式,所以一般采用列表或列图查找法。即根据公式(1) (9)用电子计算机算出(、)~(n 值后,再从“列线图”和“数据表”中查出最佳的n 的测量值。这种方法最大的缺点是上述任一测试条件改变,都会使“数据表”或“列线图”失去作用。这极大地限制了衬底、入射 角等实验条件的选择。其次,这样的“数据表”或“列线图”只适用于薄膜无吸收的情 况。另外,“数据表”和“列线图”的精度是固定的,限制了读数的准确性。而且图纸使 用中容易损坏,查表的效率很低,容易出错,这些都是实际应用中存在的问题。 现在也普遍利用计算机处理数据,并提出了多种算法与程序。基本的方法是寻找合 适的薄膜参量,使其计算出的各参量能够与实测值较好地符合。这种方法的效果取决于 程序中使用的搜寻方法和设定的条件。该方法虽然不限制实验条件的选择,但缺少对整 体和趋势的直观了解。另外,有些程序是在数学软件包中运行的,限制了程序的发布和 应用。 本实验选用“WJZ 型多功能激光椭圆偏振仪”及“椭偏仪数据处理应用程序”。这是 一个实时的作图系统,其使用方法像传统的查图方法一样简单直观,而且对测试条件没 有限制。输入各项测试条件后,在~坐标系中可以画出薄膜d、n、k 三个参量中任意两 个参量的“列线图”。实测的(~)点始终定位在作图区域的中心,这样就可以像查图 法一样得到薄膜参量的读数。 法一样得到薄膜参量的读数。 106 实验仪器 一、主要技术性能及规格 本实验使用的“WJZ 型多功能激光椭圆偏振仪”主要技术指标为: 1.测量透明薄膜厚度范围0~300 nm,折射率1.30 2.49;2.起偏器、检偏器、1/4 波片刻度范围0~ 360,游标读数0.1; 3.测量精度:20。 二、椭偏仪结构 椭偏仪结构如图3 所示: 激光器座(1)可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节;小孔光栏(2)保证激光器 发出的激光束垂直照射在起偏器的中心;起偏器读数头(3),1/4 波片读数头(4)和检偏器 读数头(7)的度盘分别刻有 360 1,游标读数为0.1;样品台(5) 固定在分光计载物台上,借助载物台的三只调平螺钉使样品台平面与样品旋转中心线)是为防止杂散光进入检偏器而附设的,由于设备光路调整较难,一般情况 下可卸下不用;为改善效果,出射光束经白屏目镜(8)放大后进行观察;(9)为 JJY1’分光 实验内容一、仪器的调整 1.按常规调整好分光计主机。 2.水平度盘的调整。 将水平度盘对准零位。1.激光器座(扩束装置) 2.小孔光栏 3.起偏器读数头 4.1/4 波片读数头 5.试样台 7.检偏器读数头(与3可换用) 8.白屏目镜 9.分光计 10.左右调节螺钉 11.调节螺母 12.上下调节螺钉 椭偏仪结构图107 3.光路调整。 (1)用三棱镜调整分光计的自准直,使载物台的水平面平行于望远镜的光轴。 (2)卸下望远镜和平行光管的物镜,平行光管另一端装上小孔光拦。 (3)取下扩束装置的扩束镜,点亮激光,调整装置的方位,使完全平行射入小孔光栏。 (技巧:把黑色反光镜放在载物台上调整激光源,通过调整装置中的(10)、(12)螺钉,使 入射光与反射光完全重合,调整后不能动此两螺钉,高度只需调节(11)螺母即可)。 (4)通过调整平行光管、望远镜的各上下、水平调节螺钉,在离阿贝目镜后的约一米 处一白纸上成一均匀圆光斑,通过调节目镜视度手轮,即见清晰的十字丝像,注意光斑 不可有椭圆或切割现象,此时光路调节完成。 (5)卸下阿贝目镜,换上白屏目镜。 4.检偏器读数头位置的调节与固定。 (1)将检偏器读数头套在望远镜筒上,90读数朝上,位置基本居中。 (2)将附件黑色反光镜置于载物台中央,将望远镜转过 66(与平行光管成 114夹 角),使激光束按布儒斯特角(约57)入射到黑色反光镜表面并反射入望远镜到达白屏 上成为一个圆点。 (3)转动整个检偏器读数头,调整与望远镜筒的相对位置( 此时检偏器读数应保持 90不变),使白屏上的光点达到最暗。这时检偏器的透光轴一定平行于入射面,将此时 检偏器读数头的位置固定下来(拧紧三颗平头螺钉)。 5.起偏器读数头位置的调整与固定。 (1)将起偏器读数头套在平行光管筒上,此时不要装上1/4 波片,0读数朝上,位置 基本居中。 (2)取下黑色反光镜,将望远镜系统转回原来位置,使起、检偏器读数头共轴,并令 激光束通过中心。 (3)调整起偏器读数头与镜筒的相对位置(此时起偏器读数应保持0不变),找出最 暗位置。定此值为起偏器读数头位置,并将三颗平头螺钉拧紧。 6.1/4 波片零位调整。 起偏器读数保持0,检偏器读数保持90,此时白屏上的光点应最暗。(2)将1/4 波片读数头(即内刻度圈)对准零位。 (3)将1/4 波片框的红点(即快轴方向记号)向上,套在内刻度圈上,并微微转动(注 意不要带动刻度圈)。便白屏上的光点达到最暗,固紧1/4 波片框上的柱头钉,定此位置 为1/4 二、测量1.测量的基本程序 入射单色平行光束经起偏器变成线 波片后通常为一椭圆偏振光。光 束经透明薄膜反射后,其偏振态即振幅及相位发生变化,对于给定的透明薄膜试样,只 和1/4波片的相对方位,可使透明薄膜反射后的椭圆偏振光补偿成线偏振 光。调节检偏器A至消光位置,以确定振幅衰减量。最后在P•A 数表中查得透明薄膜的厚度d 和折射率n。 2.仪器调整 108 按照椭偏仪的调整方法将仪器调整好,调整后的椭偏仪如图4 所示。 3.测量 (1)将被测样品放在载物台的中央,旋转游标盘(载物台同步)使达到预定的入射角 70,即望远镜转过40,并使反射光在白屏上形成一亮点。 (2)为了尽量减少系统误 差,采用四点测量。先置 1/4 波片快轴于+45,仔细调节 检偏器A和起偏器P,使白屏 上的亮点消失,记下A值和P 值,这样可以测得两组消光位 置数值:A

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