一、引言工程图纸尺寸
椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重要光学方法。它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。这种测量方法的优点是测量精度非常高，而且对样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约0.1 nm的变化。因此。可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长过程的实时自动监测。 椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。在材料科学中椭偏测量常用来测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程的实时监控等。
自1945年罗中(A. Rothen)描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科学技术的
迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。
二、实验目的
1. 了解椭偏光测量原理和实验方法。
2. 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。
3. 测量介质薄膜样品的厚度和折射率，以及硅的消光系数和复折射率。
三、实验原理
本实验介绍反射型椭偏光测量方法。其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚和折射率等。 1. 椭圆偏振方程
图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。介质1通常是折射率为n1的空气，介质2是一层厚度为d的复折射率为n2的薄膜，均匀地附在复折射率为n3的衬底材料上。φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。
光波的电场矢量可以分解为平行于入射面的电场分量（以下简称p分量或p波）和垂直于入射面的电场分量（以下简称为s分量或s波)。若用(I成人绘本p)i和(Is)i分别代表入射光波的p分量和s分量，用用(Ip)r和(Is)r分别代表各束反射光Op，Ip，Ⅱp，…中电矢量的p分量之和及各束反射光s分量之和。定义反射率r（又称反射系数）为反射光电矢量的振幅与入射光电矢量的振幅之比。
由菲涅尔反射公式，可以分别给出p波、s波的振幅反射率rp，rs：
对空气一薄膜界面I：
对薄膜一衬底界面Ⅱ：
根据折射定律，有
又由图1可算出任意两相邻反射光之间的光程差
由此光程差引起的两相邻反射光的位相差为
于是得
另一方面，由多東光干涉原理来考察空气—薄膜—衬底作为一个整体系统的总反射系数，以Rp和Rs分别表示这个系统对p波和s波的总反射系数。从图1可以看出，对p波，Rp由Op，Ip，Ⅱp，…各级反射光叠加合成。设入射的p波振幅为1。在界面I处，光线由n1→n2的反射率记为r1p，透射率记为t1p；光线由n2→n1的反射率记为r1p*，透射率记为t1p*。 在界面Ⅱ处光线反射率记为r2p。p波的各级反射光如下：
Op为直接反射光r1p；
Ip为
Ⅱp为
以此类推得Ⅲp，Ⅳp，…因此p波总反射系数
因r1p*，r2p均小于1，故上式求和项为无穷递减级数，故
由于r1p=-r1p*，又由斯托克斯定律t1pt1p*=1-r1p2，于是
同理可得s波总反射系数
又，按Rp和Rs定义，Rp=(Ip)r/(Ip)i，Rs=(Is)r/(Is)i，其中(Ip)i，(Ip)r分别是p波的入射波和反射波的振幅；(Is)i，(Is)r分别是s波的入射波和反射波的振幅。
考虑一般情况下薄膜和衬底存在光吸收效应，Rp和Rs。一般为复数，其反射系数比有如下形式：
定义
式中，θp，θs分别为p波和s波的振动相位，它们的下标r表示反射部分，i表示入射部分。Ψ，Δ称为椭偏参数，由于它们具有角度的量纲，所以也称为椭偏角。tanΨ表征了p波和s波经薄膜系统反射后的相对振幅变化，Δ表征其相位差(质量风险管理θp-θs)的变化。显然，它们直接反映出反射前后光的偏振状态的变化。Ψ和Δ是可以通过实验测量的量，将在下面的实验方法中介绍。
由上列诸式可得到
图2 (Ψ,Δ)~(n2, δ(d))关系曲线
此式称为椭圆偏振方程，它表明Ψ和Δ是薄膜系统光学参数n1，n2，n3，Ψ1，δ（d含在δ中）的复杂函数。椭偏光法测量薄膜的厚度d和折射率n2正是利用Ψ和Δ来描达经系统反射后光偏振状态的变化，在某些参数（如n1，n2，φ1，λ）确定的情况下，通过实验测得Ψ和Δ后，来求取另一些参数（如n2，δ(d)），然而，解一系列方程组是极其繁冗的，联立解前述方程，通常要借助于计算机来进行数据处理：在编制好的专用程序中输入φ1，λ，n1，n3确定后，直接得到n2黔西南论坛
和d，这种方法快捷且精度高；另一种方法是在φ1，λ，n1，n3确定后，由计算机编制大量的(Ψ,Δ)~ (n2少年军校活动被写入哪部法律?
, δ(d))的数值表，或绘制成如图2所示的(Ψ,Δ)~(n2, δ(d))关系曲线，曲线是由无数的等n线和等δ线交织而成，这样在实验测得(Ψ,法拉第电解定律Δ)后,可从表中或图中查出对应点的n2和δ(d)数值，再由前式算出d。2. 椭偏法测量Ψ和Δ的实验光路
通常椭偏光法测量椭偏状态变化参数Ψ和Δ有消光法和光度法两种方法，本实验介绍常用的消光法。消光法测量的实验光路如图3所示，氦氖激光管射出632.8nm的单自然光，经光阑、起偏器、1/4波片、光阑射到样品上，样品反射后，再经光阑、检偏器后，到达接收屏或光电转换接收系统。光阑的作用是使入射反射光路准直。
由前式看出，为了测量Ψ和Δ，需要测量4个量，即分别测量入射光中两分量的振幅比和相位差以及反射光中两分量的振幅比和相位差。为了简化测量计算，设法使入射光椭圆方位角成45°倾斜，即成为等幅椭偏光，这样
|(Ip/Is)i|=1
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