实验十一 椭偏法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 课程名称：普通物理实验 实验项目：实验十一 椭偏法测薄膜厚度和折射率 学生姓名：马晓娇 学号：20131050137 物理科学技术 学院 物理 系 2013 级 天文菁英班 专业 成绩 指导老师：何俊 试验时间：2015 年 10 月 13 日 13 时 00 分至 14 时 30 分 实验地点：物理科学技术学院 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、导论 当一个方向的尺寸相对其他两个方向的尺寸小很多时，这种物质结构称为薄膜。对于薄膜，厚度是其重要的基本参数，薄膜材料的力学性能、磁性能、热导率和表面结构等都与厚度有着密切的联系。 薄膜的厚度是指基地表面和薄膜表面的距离。薄膜厚度的测量方法很多，常见的测量方法有：螺旋测微法、台阶法、扫描电子显微法、椭圆偏振法、称量法、干涉法等。 椭圆偏振法测量具有如下特点： 1、能测量很薄的膜（10A）； 2、测量精度很高，比干涉法高1~2个数量级； 3、无损检测，不需特别制备样品，也不损坏样品，比其他精密方法，如称量 法简便 4、可同时测量膜的厚度、折射率及吸收系数。 二、实验目的 1、学会一种比较准确、简便测量透明介质膜厚度和折射率的方法； 2、了解椭圆偏正法测量薄膜参数的基本原理； 3、进一步掌握光的偏正、反射、干涉等经典物理光学原理。 三、实验原理 （一）椭圆偏振光 光是一种电磁波，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度V垂直,因此光波的振动面与传播方向垂直,光波是横波,光波具有偏振性。 椭圆偏振光可以通过让线偏振光透射双折射晶体做成的波片获得。 （二）椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量 椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。 设有硅片表面上覆盖均匀透明的同性薄膜系统。如图1所示，n0，n1和n2分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，分别为入射角、薄膜和衬底的折射角，d是薄膜的厚度。 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（1）表征反射波对入射波的相对振幅变化。 （2）表征经反射系统后的P波和S波得相位变化。（ 表示光波中P波和S波的相位） 由光学知识可得反射系数比为 （3） 表征入射光P波和S波的振幅。表征反射光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d和直射率n与光偏振状态的变 之间的关系。薄膜的厚度和折射率的测量鬼节为反射系数比的测量。 椭圆偏振光法测量膜厚度和折射率的基本原理就是有实验测得,再有以上关系定出膜厚d和折射率n。 （三） 和 的物理意义 由（1）式可知，参量与反射前后的P波和S波分量的振幅比有关，同理，有（2）式可知，参量与反射前后的P波和S波分量的相位差有关。则 和 的变化范围为 当入射光为椭圆偏振光时，反射光一般为偏振态，为了能直接测得 和 ，可对问题进行简化。 首先，使入射的椭圆偏振光的主轴为45°倾斜，入射在膜面上的光则为等幅椭圆偏振光。这样 则（1）式变为 ，可见只与反射光的振幅有关，可从偏振器的方位角算出。 其次，使反射光为一线偏振光，即 ，则 可见只与入射光的P波、S波的相位差有关，可从起偏器的方位角算出。 （四）折射率 和膜厚 的计算 在 、 、 、 确定之后，用计算机编制和的关系表，在测得样品的值后，从图中查出对应的膜厚d。 再求厚度时，当 和为实数是， 为实数，两相邻反射光线间的相位差，其周期为2π。 可能随着d的变化而处于不同的周期中。若令 时对应的膜厚度为第一个周期厚度 ，可得到 由计算机算出的d值是第一周期内的数值。若膜厚大于 。可用其他方法确定所在的周期数j，总膜厚度为 四．实验仪器 反射式椭圆偏振仪 五．实验内容 1、测量在玻璃衬底上蒸镀的一层 膜的厚度和折射率2. 2、测量硅（Si） 和后用计算机求出结果。 六、思考题 1、厚度和折射率的测量原理? 如图（11.1）所示为一光学均匀和各向同性的单层介质膜．它有两个平行的界面，通常，上部是折射率为 的空气(或真空)．中间是一层厚度为折射率为的介质薄膜，下层是折射