纳米级薄膜厚度自动椭偏测量系统设计
椭偏仪的测折射率和薄膜厚度

椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验简介椭圆偏振光在样品表面反射后,偏振状态会发生变化,利用这一特性可以测量固体上介质薄膜的厚度和折射率。
它具有测量范围宽(厚度可从10^-10~10^-6m量级)、精度高(可达百分之几单原子层)、非破坏性、应用范围广(金属、半导体、绝缘体、超导体等固体薄膜)等特点。
目前商品化的全自动椭圆偏振光谱仪,利用动态光度法跟踪入射光波长和入射角改变时反射角和偏振状态的变化,实现全自动控制以及椭偏参数的自动测定、光学常数的自动计算等,但实验装置复杂,价格昂贵。
本实验采用简易的椭圆偏振仪,利用传统的消光法测量椭偏参数,使学生掌握椭偏光法的基本原理,仪器的使用,并且实际测量玻璃衬底上的薄膜的厚度和折射率。
在现代科学技术中,薄膜有着广泛的应用。
因此测量薄膜的技术也有了很大的发展,椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。
椭偏法测量具有如下特点:1.能测量很薄的膜(1nm),且精度很高,比干涉法高1-2个数量级。
2.是一种无损测量,不必特别制备样品,也不损坏样品,比其它精密方法:如称重法、定量化学分析法简便。
3.可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。
因此可以作为分析工具使用。
4.对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。
是研究表面物理的一种方法。
实验仪器椭偏仪测折射率和薄膜厚度实验装置包括:激光器(氦氖或半导体)、分光计、光栏、望远镜、黑色反光镜、薄膜样品、起偏器、检偏器、1/4波片。
实验内容1.熟悉并掌握椭偏仪的调整椭偏仪实物图椭偏仪结构示意图椭偏仪的实物如上图所示。
了解图中各部件的作用,并学会正确调整。
2.调整光路,并使入射到样品的光为等幅椭圆偏振光(1)安装半导体激光器并调整分光计,使半导体激光器光束、平行光轴的中心轴、望远镜筒的中心轴同轴。
(2)标定检偏器透光轴的零刻度,并使检偏器的透光轴零刻度垂直于分光计主轴。
将检偏器(检偏器的透光为0°方向)套在望远镜筒上,90°读数朝上,将黑色反光镜至于载物台中央,使激光束按布儒斯特角(约57°)入射到黑色反光镜表面。
纳米厚度薄膜外差椭偏测量技术的研究_邓元龙

第31卷第3期2005年5月光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U EV ol.31No.3M ay2005文章编号:1002-1582(2005)03-0391-03纳米厚度薄膜外差椭偏测量技术的研究*邓元龙1,2,姚建铨1,阮双琛2,孙秀泉2,王鹏1(1.天津大学精密仪器学院激光及光电子研究所,天津300072; 2.深圳大学工程技术学院,深圳518060)摘要:结合激光外差干涉法和透射式椭偏测量原理,研究了一种快速、高精度测量纳米厚度薄膜光学参数的方法。
计算并分析了复灵敏度因子随薄膜参数和入射角度的变化规律、椭偏参数的选择及容许测量误差。
两个声光调制器产生20kHz的拍频,采用简单的直接比相方法即可获得优于0.1b的相位分辨率,而且测量系统中没有使用任何波片和运动部件,抗干扰能力强且测量过程完全自动化,适用于工业现场在线连续测量。
实验数据和理论分析表明,此方法可以达到亚纳米级测量精度。
关键词:光学测量;薄膜;外差干涉法;椭偏测量术;声光调制器;纳米精度中图分类号:TH744.3文献标识码:AStudy of heterodyne ellipsometry for nanometer film measurementDEN G Yuan-lon g1,2,YAO Jian-quan1,RU AN Shu an-chen2,SU N Xiu_quan2,WAN G Peng1(1.Institute of Laser&Opto-electronics Engineering,College of Precision Instrument,T ianjin U niv.,T ianjin300072,China)(2.School of Engineering&T echnology,Shenzhen U niversity,Shenzhen518060,China)Abstract:Combining optical heterodyne interfero metry w ith transmitted ellipsometry,a new precision method with hig h speed was applied to the measurement of nanometer film.T he r elationships betw een accur acy of ellipsometric parameters and measurement results were di scussed in terms of numer ic analysis of coefficient of complex sensitivit y.T wo acoustooptic modula-tors were used to generate20kHz beat frequency,so the r esolution of phase measur ement r eached0.1b by simply direct-phase-co mparison method,and no wave plates and mov ing mechanism appeared in the system.W ith automation process and high ant-i inter ference performance,this method is applicable to cont inuous measurements on t he industrial spo t.T he possibility up to sub-nanometer accuracy was demonstrated by the ex perimental results.Key words:optical measurement;film;heterodyne interferometry;ellipsometry;acoustooptic modulator;nanometer accuracy1引言在微电子、光学、材料和液晶等工业领域中各种纳米级的介质、半导体和金属薄膜有着广泛的应用,薄膜的参数(膜厚、折射率)对产品的性能有直接的影响,因此纳米厚度薄膜的测量是一个热门研究课题。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率【引言】椭圆偏振测量(椭偏术)是研究两媒质界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法,其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。
椭圆偏振测量的应用范围很广,如半导体、光学掩膜、圆晶、金属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有机薄膜等,也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。
结合计算机后,具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
【实验目的】掌握椭偏仪的原理与操作方法;学会利用椭偏仪进行相关物理量的测量。
【实验仪器】椭偏仪、待测样品、电脑WJZ-II椭偏仪结构如图1所示:1、半导体激光器2、平行光管3、起偏器读数头(与6可换用)4、1/4波片读数头5、氧化锆标准样板6、检偏器读数头7、望远镜筒8、半反目镜9、光电探头10、信号线11、分光计12、数字式检流计图 1半导体激光器出厂时已调好,应满足以下二点:(1)激光光斑在距激光器约45cm处最小,如发现偏离较远,可将激光器从其座中取出,调节其前端的会聚透镜即可。
(2) 激光与平行光管共轴,如发现已破坏,请按第8页“光路调整”中所述方法进行调整,一旦调好,轻易不要将其破坏。
主要技术性能及规格 1. 测量透明薄膜厚度范围0-300nm ,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:±2nm 。
4. 入射角ψ1=70°,K9玻璃折射率n =1.515。
5. 消光系数:0,空气折射率1。
6. *JGQ -250氦氖激光器波长λ=632.8nm (用软件处理数据时,该波长值已内嵌,无须输入)。
*半导体激光器波长λ=635nm (用软件处理数据时,该波长值未内嵌,须输入,并需重新设置消光系数“0”) 7. 椭圆偏振仪的简介:随着科学和技术的快速发展,椭偏仪的光路调节和测量数据的处理越来越完善快捷。
用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度和折射率

用椭圆偏振仪测量薄膜的厚度一 实验目的1、了解椭圆偏振法的基本原理;2、学会用椭圆偏振法测量纳米级薄膜的厚度和折射率.二 实验仪器TPY-1型椭圆偏振测厚仪,计算机三 实验原理:椭圆偏振测厚技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术,同时也是研究固体表面特性的重要工具。
椭圆偏振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14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。
设待测样品是均匀涂镀在衬底上的厚度为d 、折射率为n 的透明各向同性的膜层。
光的电矢量分解为两个分量,即在入射面内的p 分量及垂直于入射面的s 分量。
入射光在薄膜两个界面上会有多次的反射和折射,,总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。
利用多光束干涉的理论,得p 分量和s 分量的总反射系数12121212exp(2)exp(2), ,1exp(2)1exp(2)p p s s p s p p s s r r i r r i R R r r i r r i δδδδ+-+-==+-+-(1) 其中242cos dn πδϕλ=(2)是相邻两反射光束之间的相位差,而λ为光在真空中的波长。
光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比p s R R 来表征。
在椭圆偏振法中,用椭偏参量ψ和∆;来描述反射系数比,其定义为:tan exp()p s i R R ψ∆= (3) 在入射波波长,入射角,环境介质和衬底的折射率确定的条件下,ψ和∆只是薄膜厚度和折射率的函数,只要测量出ψ和∆,原则上应能解出d 和n 。
然而,从上述各式中却无法解析出(,)d =ψ∆和(,)n =ψ∆的具体形式。
因此,只能先按以上各式用电子计算机计算出在入射波波长,入射角,环境介质和衬底的折射率一定的条件下(,)~(,)d n ψ∆的关系图表,待测出某一薄膜的ψ和∆后再从图表上查出相应的d 和n 的值。
椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告

椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验报告组别:69组 院系:0611 姓名:林盛 学号:PB06210445 实验题目:椭偏仪测量薄膜厚度和折射率实验目的:了解椭偏仪测量薄膜参数的原理,初步掌握反射型椭偏仪的使用方法。
实验原理:椭圆偏振光经薄膜系统反射后,偏振状态的变化量与薄膜的厚度和折射率有关,因此只要测量出偏振状态的变化量,就能利用计算机程序多次逼近定出膜厚和折射率。
参数∆描述椭圆偏振光的P 波和S 波间的相位差经薄膜系统关系后发生的变化,ψ描述椭圆偏振光相对振幅的衰减。
有超越方程:tan pr pi sr si E E E E ψ⎛⎫⎛⎫= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭()()pr sr pi si ββββ∆=---为简化方程,将线偏光通过方位角±45︒的14波片后,就以等幅椭圆偏振光出射,pi si E E =;改变起偏器方位角ϕ就能使反射光以线偏振光出射,()0pr sr ββπ︒∆=-=或,公式化简为:tan pr sr E E ψ= ()pi si ββ∆=--这时需测四个量,即分别测入射光中的两分量振幅比和相位差及反射光中的两分量振幅比和相位差,如设法使入射光为等幅椭偏光,1/=is ip E E ,则=ψtg rs rp E E /;对于相位角,有:)()(is ip rs rp ββββ---=∆ ⇒ =-+∆is ip ββrs rp ββ-因为入射光is ip ββ-连续可调,调整仪器,使反射光成为线偏光,即rs rp ββ-=0或(π),则)(is ip ββ--=∆或)(is ip ββπ--=∆,可见∆只与反射光的p 波和s 波的相位差有关,可从起偏器的方位角算出.对于特定的膜, ∆是定值,只要改变入射光两分量的相位差)(is ip ββ-,肯定会找到特定值使反射光成线偏光, rs rp ββ-=0或(π)。
实验仪器:椭偏仪平台及配件 、He-Ne 激光器及电源 、起偏器 、检偏器 、四分之一波片、待测样品、黑色反光镜等。
薄膜厚度检测原理及系统

资料范本本资料为word版本,可以直接编辑和打印,感谢您的下载薄膜厚度检测原理及系统地点:__________________时间:__________________说明:本资料适用于约定双方经过谈判,协商而共同承认,共同遵守的责任与义务,仅供参考,文档可直接下载或修改,不需要的部分可直接删除,使用时请详细阅读内容薄膜厚度检测原理及系统摘要:本文对目前常用的薄膜厚度光学测量方法进行了深入的研究和讨论,总结并归纳了每一种测量方法的优缺点、以及使用条件。
基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统,该系统得到薄膜厚度,能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。
关键词:薄膜厚度;测量;原子力显微镜Abstract: In this paper, the advantage and disadvantage, usable condition of many usually used optical measurement methods of thin film thickness which are analyzed and discussed in detail ,are been summarized. A measuring system of film thickness based on atomic force microscope has been developed, based on this system could measure the thickness of various films.Key words:film thickness ; measurement; AFM1引言随着科技的发展以及精密仪器等技术的迅速发展,薄膜技术的应用变得更为广泛,不仅在光学领域,也被广泛地应用于微电子技术、通讯、宇航工程等各种不同的领域。
薄膜的厚度很大程度上决定了薄膜的力学性能,电磁性能,光电性能和光学性能,薄膜厚度又是薄膜设计和工艺制造的关键参数之一,为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测,因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率实验目的:1.了解椭偏光法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。
实验原理:1.椭圆偏振方程在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后,光线的反射和折射在一般情况下会同时存在的。
通常,设介质层为n1、n2、n3,φ1为入射角,那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉,如图(1-1)图(1-1) 这里我们用2δ表示相邻两分波的相位差,其中2/1122122)sin (360ϕλδn n d -=(*),用r1p 、r1s 表示光线的p 分量、s 分量在界面1、2间的反射系数, 用r2p 、r2s 表示光线的p 分、s 分量在界面2、3间的反射系数。
由多光束干涉的复振幅计算可知:其中rp E 和rs E 分别代表入射光波电矢量的p 分量和s 分量,rp E 和rs E 分别代表反射光波电矢量的p 分量和s 分量。
现将上述ip E 、is E 、rp E 、rs E 四个量写成一个量G ,即:我们定义G 为反射系数比,它应为一个复数,可用tg ψ和Δ表示它的模和幅角。
上述公式的过程量转换可由菲涅耳公式和折射公式给出:上述复数方程表示两个等式方程: Re (tg ∆i e ψ)=Re )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p e r r er r e r r er r ----++++Im (tg ∆i e ψ) = Im )11(221221221221δϕδϕi s s i s s i p p i p p er r er r e r r er r ----++++若能从实验测出ψ和Δ的话,原则上可以解出n2和d (n1、n3、λ、φ1已知),根据公式(4)~(9),推导出ψ和Δ与r1p 、r1s 、r2p 、r2s 、和δ的关系:由上式经计算机运算,可制作数表或计算程序。
3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率

实验3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率一、引言椭圆偏振测量法,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n 1的空气,介质2是一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜,均匀地附在复折射率为n 3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。
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2 测 量 方 法 设 计
由 式 ( ) 知 , 测 量 I 和 △, 要 分 别 测 量 入 射 光 中 3可 要 l , 需
两 个 分 量 的 振 幅 比 和 位 相 差 , 以及 反 射 光 中 两 个 分 量 的 振 幅 比 和 位 相 差 , 是 一 种 需 要 测 量 4个 量 的 复 杂 测 量 系 统 。 这 为 了 使 I 和 △ 变 得 比较 容 易 测 量 ,在 我 们 设 计 的 系 统 中 采 l ,
杂 , 量 速 度 慢 , 量 过 程 容 易 引 入 人 为 误 差 , 些 缺 点 限 测 测 这
制 了 这 一 测 厚 方 法 的 实 际 应 用 。 本 文 介 绍 的 椭 偏 测 厚 系 统 是 一 种 测 量 过 程 自动 化 和 数 据 处 理 智 能 化 的 系 统 。 根 据 这
一
图 1 光 在 薄 膜 中 的 反 射 和 折 射
G t e = I 2 d ,) =g ‘ , , , ‘ 0 一 P
() 4
在 测 量 薄 膜 样 品 时 , 质 折 射 率 。 照 射 光 束 的 入 射 介 、 角 、 长 已 知 , 要 我 们 能 测 得 椭 偏 参 数 I 和 △ 角 度 值 就 可 波 只 l , 计 算 求 出 待 测 薄 膜 的 厚 度 和 折 射 率 。也 就 是 说 , 量 薄 膜 厚 测 度 和折 射 率 仪器 的设 计 问题 ,首 先是 如何 测 量椭 偏参 数 I l ,
和 △的 问题 。
设 计 研 制 成 功 的 消 光 式 自动 椭 偏 测 厚 仪 与 目 前 还 在 使 用 的手工 操作 的椭 偏测 厚 仪器 相 比 , 仅 提 高 了测 量精 度 , 不 而
且大 大提 高 了消 光法 的测量速 度 。
2 测 量 原 理
反 射 式 椭 偏 测 量 仪 的 基 本 原 理 如 下 : 当 一 束 椭 圆 偏 振 的 光 束 照 射 到 待 测 样 品 表 面 时 , 样 品 对 入 射 光 束 中 的 水 平
为 了 讨 论 方 便 ,对 入 射 光 和 反 射 光 分 别 设 立 两 个 直 角
GEEl{ = x p sp l/ e邶 p
坐 标 系 (— y 和 ( m y ) 轴 和 轴 均 在 入 射 面 且 与 光 束 ) , 传 播 方 向 垂 直 , Y轴 和 y 轴 则 垂 直 于 入 射 面 。 和 £ 别 是 而 t 分 起 偏 器 和 检 偏 器 的 透 光 轴 ,它 们 与 轴 、 轴 的 夹 角 分 别 称 为 起 偏 角 P和 检 偏 角 A。 当 14波 片 的 快 轴 厂 / 和 轴 的 夹 角 等 于 " 4时 , 射 光 r r / 入
维普资讯
研 究 与
纳 米级 薄膜 厚 度 自动 椭 偏 测 量 系统设 计
何 振 江 ,杨 冠 玲 , 黄 佐 华 ,张 成 云
( 南 师 范 大 学 物 理 系 , 广 东 广 州 5 0 3 ) 华 1 6 1
摘 要 :椭 豳偏 振测 量 技术 特别适 于 测量 纳米级 薄膜 的厚度 和折 射 率。本 文介 绍一 种新 型 的反射 消 光型 椭偏 薄 膜厚 度 自动 测 量仪 。
=
式() 3可知, 当系统满足上述两条件时, 我们只 要测定l l l
和 l p l 就可求得 I 和 △的数值 , l , 再根据 ( 、 ) d ) I △ 与(, l ,
的一 系 列 关 系 数 据 就 可 求 出 待 测 样 品 薄 膜 的 厚 度 d 和 折 射
的测量原理和仪器系统设计方法 ,详细分析了等幅椭圆偏振光的获取方法、椭 偏参数测量方法 以及仪器结构方面的设计问题’
并 道了 仪 器辑凯 已送 熬钓 牲说鹣 喂 。
关键词 :纳米薄膜 ;厚度测 量 ;椭 圆偏 振 中翻分 类号 : I1 42 文献 标识 码 :A 文章编 号 :1 0 - 4 2 ( 0 )0 - 0 9 0 " 7 .  ̄ 4 0 9 99 2 2 6 04- 2 0 -
率 2 。
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( 3 )
此 式 说 明 I 的 正 切 由 反 射 前 后 P光 、 l , S光 振 幅 比 值 给 出 。 I和 △称 为 椭 偏 参 数 , 有 角 度 量 纲 。 式 () 写 成 : I , 具 1可
( ) 本 测 量 光 路 和 等 幅 椭 圆偏 振 光 1基
1 引 言
纳 米 级 薄 膜 测 厚 技 术 和 仪 器 是 当 今 半 导 体 、 表 面 物 理
研 究 和生 产工 艺 中不 可缺少 的重要 技 术 和手 段 。应 用椭 圆 偏 振 的 光 学 原 理 测 量 纳 米 级 薄 膜 厚 度 是 目前 一 种 比 较 好 的 方 法 。在 椭 偏 测 量 原 理 中 有 两 种 方 法 : 光 法 和 光 度 法 。消 消 光 法 测 厚 可 以 获 得 较 高 的 测 量 精 度 , 缺 点 是 测 量 过 程 较 复
1 1 使反射光束成为线偏振光 , l,1 = ; ② 即 1- l0或 订 3 3  ̄ 。从
I I E
式 中 A=1 - 一p 一 表 示 P光 和 S光 反 射 前 后 的 相 ( 1 )( p) 3 3 位 变 化 量 之 差 。( ̄ 1 ) ( p) 别 是 反 射 前 后 P光 相 位 3 3 1 - 和 p 一 分 变 化 量 和 S光 相 位 变 化 量 。 式 中 :
和 透 射 系 数 , 这 就 使 得 从 样 品 出 射 光 的 偏 振 状 态 相 对 入 射
光 发 生 了 变 化 。 这 种 变 化 通 常 用 反 射 面 内 P光 反 射 系 数 与 S光 反 射 系 数 之 比 G 来 表 示 …:
G= = e t ~ () 1
取了两项措施 :① 使入射光束成为等幅椭偏光,即 1i1 E =