椭偏法测量膜厚
用椭偏仪测量薄膜厚度
实验 用椭偏仪测量薄膜厚度在半导体平面工艺中，SiO 2薄膜是不可缺少的重要材料。
它既可以被作为杂质掩蔽、表面钝化和器件的电隔离材料，也可以用作电容器的介质和MOS 管的绝缘栅介质等。
无论SiO 2膜用作哪一种用途的材料，都必须准确的测定和控制它的厚度。
另外，折射率也是表征SiO 2膜性质的重要参数之一，因此我们必须掌握SiO 2膜厚及其折射率的测量方法。
通常测定薄模厚度的方法有比色法、干涉法、椭偏法等。
比色法可以方便的估计出氧化硅膜的厚度，但误差较大。
干涉法具有设备简单、测量方便的特点，结果也比较准确。
椭偏法测量膜厚是非破坏性测量，测量精度高，应用范围广。
我们这个实验是用椭偏法来测量SiO 2膜厚度。
本实验目的是了解用椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理和方法；掌握椭圆偏振仪的使用方法，并用椭偏仪测量Si 衬底上的SiO 2薄膜的折射率和厚度。
一、实验原理由激光器发出一定波长(λ=6328Å)的激光束，经过起偏器后变为线偏振光，并确定其偏振方向。
再经过1/4波长片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P 波和S 波，成为椭圆偏振光，椭圆的形状由起偏器的方位角决定。
椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，经过波 片偏光振光器光样 品样品表面和多层介质（包括衬底－介质膜－空气）的来回反射与折射，总的反射光束一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的形状和方位改变了。
一般用Φ和Δ来描述反射时偏振状态的变化，其定义为：图 27.1 椭偏仪的结构图 spR R i e tg =Δ φ式中tg Φ的物理意义是P 波和S 波的振幅之比在反射前后的变化，称为椭偏法的振幅参量。
Δ的物理意义是P 波和S 波的相位差在反射前后的变化，称为椭偏法的相位参量。
R P 和R S 分别为P 波初量和S 波分量的总反射系数。
椭偏仪的结构图如图27.1所示。
在波长、入射角、衬底等参数一定时，Φ和Δ是膜厚d 和折射率n 的函数。
对一定厚度的某种膜，旋转起偏器总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光。
椭偏法测量膜厚
东南大学材料科学与工程实验报告学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/5 批改教师课程名称电子信息材料大型实验批改日期实验名称椭圆法测量SiO2薄膜折射率与厚度报告成绩一、实验目的1、了解椭圆偏振法测试的基本原理；2、掌握椭圆偏振法测试的基本操作技能。
二、实验原理椭圆偏振法（简称椭偏法）是一种光学测量技术。
它通过测量一束椭圆偏振光波非垂直的投射到样品上发射后偏振状态的变化，来测量薄膜表面或薄膜的光学参数（折射率及消光系数）及薄膜厚度。
由于偏振状态的变化对样品光学参数的微小差异非常灵敏，因此该方法对薄膜的测量有很高的灵敏度，能测出膜厚1埃左后的变化，测量范围从10埃到几微米。
此外，椭偏法为非接触测量，对样品来说为无损检测。
椭偏法测量技术的基本原理如下图所示，用一束光作为探针入射到均匀介质薄膜样品上，由于样品对入射光中平行于入射面的电场分量（简称p分量）和垂直于入射面的电场分量（简称s分量）有不同的反射系数和透射系数，因此从样品上发射的光，其偏振状态相对于入射光发生了变化。
因此通过观察光在反射前后的偏振状态的改变，从而得到与样品的某些光学参数如折射率和厚度。
三、实验设备及材料SGC-2自动椭圆偏振测厚仪，SiO2薄膜，镊子等。
四、实验内容及步骤实验中切记不能用眼睛直接观察激光束，需要观察光强时，请用白纸挡住光束，观察白纸上的光斑亮度。
1.将样品放置样品台上，待测表面朝向固定板。
开启控制电脑，开启主机电源。
2．打开测试软件，设置光源类型（氦氖激光），衬底类型（Si衬底），入射角度（默认70°），注意入射角度设定值与主机上光源座和接收器座的位置角度一致。
3．点击工具栏“开始”按钮，椭偏仪开始测量，约几分钟后测试结束，此时弹出一对话框，点击对话框上的“快速”按钮，显示测量结果。
4．生长结束后，关闭管式炉加热电源，待炉温冷却到40℃以下后，取出刚玉舟，观察生长的SiO2薄膜的颜色，与附表对比，粗略估计出所生长SiO2薄膜的厚度。
椭圆偏振仪—薄膜厚度测量讲解
近代物理实验椭圆偏振仪—薄膜厚度测量本实验所用的反射式椭偏仪为通常的PCSA 结构，即偏振光学系统的顺序为起偏器（Polarizer ）→补偿器（Compensator ）→样品（Sample ）→检偏器（Analyzer ），然后对其输出进行光电探测。
一．实验原理1． 反射的偏振光学理论图1 光在界面上的反射，假定21n n <，B ϕϕ<1（布儒斯特角），则rs E 有π的相位跃变，光在两种均匀、各向同性介质分界面上的反射如图1所示，单色平面波以入射角1ϕ，自折射率为1n 的介质1射到两种介质的分界面上，介质2的折射率为2n ，折射角2ϕ。
用（is ip E E ,），（rs rp E E ,），（ts tp E E ,）分别表示入射、反射、透射光电矢量的复振幅，p 表示平行入射面即纸面的偏振分量、s 表示垂直入射面即垂直纸面的偏振分量，每个分量均可以表示为模和幅角的形式)exp(||ip ip ip i E E β=，)exp(||is is is i E E β= （1a ） )exp(||rp rp rp i E E β=，)exp(||rs rs rs i E E β= （1b ） )exp(||tp tp tp i E E β=，)exp(||ts ts ts i E E β=（1c ） 定义下列各自p ，s 分量的反射和透射系数：ip rp p E E r /=，is rs s E E r /=（2a ） ip tp p E E t /=，is ts s E E t /=（2b ） 根据光波在界面上反射和折射的菲涅耳公式：21122112cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r p +-=（3a ） 22112211cos cos cos cos ϕϕϕϕn n n n r s +-=（3b ） 211211cos cos cos 2ϕϕϕn n n t p +=（3c ） 221111cos cos cos 2ϕϕϕn n n t s +=（3d ） 利用折射定律：2211sin sin ϕϕn n =（4） 可以把式（3a ）-（3d ）写成另一种形式)()(2121ϕϕϕϕ+-=tg tg r p(5a) )sin()sin(2121ϕϕϕϕ+--=s r（5b ） )cos()sin(sin cos 2212121ϕϕϕϕϕϕ-+=p t（5c ）)sin(sin cos 22121ϕϕϕϕ+=s t （5d ） 由于折射率可能为复数，为了分别考察反射对于光波的振幅和位相的影响，我们把p r ，s r 写成如下的复数形式：)exp(||p p p i r r δ= （6a ） )exp(||s s s i r r δ= （6b ） 式中||p r 表示反射光p 分量和入射光p 分量的振幅比，p δ表示反射前后p 分量的位相变化，s 分量也有类似的含义，有ip p rp E r E = （7a ）is s rs E r E = （7b ）定义反射系数比G ：s pr r G = （8）则有: is ip rs rpE E G E E = （9）或者由式（1）式，)](exp[||||)](exp[||||is ip is ip rs rp rs rp i E E G i E E ββββ-=- （10）因为入射光的偏振状态取决于ip E 和is E 的振幅比||/||is ip E E 和位相差（is ip ββ-），同样反射光的偏振状态取决于||/||rs rp E E 和位相差（rs rp ββ-），由式（10），入射光和反射光的偏振状态通过反射系数比G 彼此关联起来。
03.01.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1. 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。
2. 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，就可以推出膜厚度和折射率等。
2.1 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为折射率为n 1的空气，介质2为一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，它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。
光波的电场矢量可分解为平行于入射面的电场分量（p 波）和垂直于入射面的电场分量（s 波）。
用(I p )i 和(I s )i 分别代表入射光的p 分量和s 分量，用(I p )r 和(I s )r 分别代表各反射光O p ，I p ，II p ···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（反射系数）r 为反射光电矢量的振幅与入射光电矢量的振幅之比。
则由菲涅耳公式，有 对空气-薄膜界面I ：r 1p =n 2cosφ1−n 1cosφ2n 2cosφ1+n 1cosφ2(1)r 1s =n 1cosφ1−n 2cosφ2n 1cosφ1+n 2cosφ2(2)对薄膜-衬底界面II ：r 2p =n 3cosφ2−n 2cosφ3n 3cosφ2+n 2cosφ3(3)r 2s =n 2cosφ2−n 3cosφ3n 2cosφ2+n 3cosφ3图1 薄膜系统的光路示意图I pO pI pII p根据折射定律，有n1sinφ1=n2sinφ2=n3sinφ3(5) 由图1，可算出任意两相邻反射光之间的光程差为l=2n2dcosφ2相应的相位差为2δ=360°λl于是可得δ=360°λd(n22−n12sin2φ1)12⁄(6)另一方面，由多束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R p 和R s分别表示这个系统对p波和s波的总反射系数，则由图1可知，对p波，R p由O p，I p，II p···各级反射光叠加合成。
用椭偏仪测薄膜厚度与折射率解析
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 ==(1)104 其中N 1，N 2和N 3分别是环境媒质、= n – i k ）；ϕ1为入射角、 ϕ2 和ϕ3分别为薄膜和衬底的折射角。
椭偏法测薄膜厚度
椭偏法测薄膜厚度实验目的1. 测量透明介质薄膜厚度和折射率。
2. 测量布儒斯特角，验证马吕斯定律及偏光分析等偏振实验。
实验原理1. 介质膜的测量使一束自然光经起偏器变成线偏振光。
再经1/4波片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜表面上。
反射时，光的偏正态将发生变化。
通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数（如膜厚和折射率）。
2.椭圆方程与薄膜折射率和厚度的测量光学均匀和各向性的单层介质膜有两个平行的界面。
通常，上部都是折射率为n1的空气（或真空）。
中间是一层厚度为d折射率为n2的介质薄膜，均匀地附在折射率为n1的衬底上。
当一束光射到膜面上时，在界面1和界面2上形成多次反射和折射，并且各反射光和折射光分别产生多束干涉。
其干涉结果反映了薄膜的光学特性。
3.金属负折射率的测量介质膜对光的吸收可能忽略不计，其折射率为实数，当测量表面为金属时，由于其为电媒介，存在不同程度的吸收，根据相关理论，金属的介电常数是复数，其反射率亦为复数。
实验仪器WJZ-II椭圆仪结构如下图所示：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、数字式检流计实验内容1. WJZ-II椭圆仪的调整（详细操作见JJYI分光计说明书）（1）用自准直法调整好分光计，时望远镜和平行光管共轴并与载物台平行（2）分光计度盘的调整：使游标与刻度盘零刻度线适当位置，当望远镜转过一定角度时不致无法读数（3）光路调整（4）检偏器读数头位置的调整与固定（5）起偏器读数头位置的调整与固定（6）1/4波片零位的调整2.薄膜厚度d和折射率n的测量（1）将待测样品，放置在载物台的中央，旋转载物台使达到预定的入射角70°，即望远镜转过40°，并使反射光在目镜上形成一亮点。
（2）为了减小误差，采用4点测量法。
椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
其中：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，则tg ψ=|/|；对于相位角ip E is E rp E rs E ，有：∆因为入射光-连续可调，调整仪器，使反射光成为线偏光，即-=0或π，则ip βis βrp βrs βΔ=-(-)或Δ=π-(-)，可见Δ只与反射光的p 波和s 波的相位差有关，可从ip βis βip βis β起偏器的方位角算出。
对于特定的膜，Δ是定值，只要改变入射光两分量的相位差(-ip β)，肯定会找到特定值使反射光成线偏光，-=0或π。
is βrp βrs β2.椭偏法测量和的实验光路∆ψ1）等幅椭圆偏振光的获得，如图1-2。
2）平面偏振光通过四分之一波片，使得具有±π/4相位差。
3）使入射光的振动平面和四分之一波片的主截面成45°。
图 1-2反射光的检测将四分之一波片置于其快轴方向f 与x 方向的夹角α为π/4的方位，E0为通过起偏器后的电矢量，P 为E0与x 方向间的夹角。
，通过四分之一波片后，E0沿快轴的分量与沿慢轴的分量比较，相位上超前π/2。
在x 轴、y 轴上的分量为：由于x 轴在入射面内，而y 轴与入射面垂直，故就是，就是。
x E ip E y E is E图 1-3由此可见，当α=π/4时，入射光的两分量的振幅均为E0 / √2，它们之间的相位差为2P-π/2，改变P 的数值可得到相位差连续可变的等幅椭圆偏振光。
这一结果写成：实验仪器：本实验使用多功能激光椭圆偏振仪，由JJY型1'分光计和激光椭圆偏振装置两部分组成，仪器安装调试后如图19.6所示，其各部件功能如下：光源：包括激光管和激光电源。
激光管装在激光器座上，可以作水平、高低方位角调节和上下升降调节，发射632.8nm的单色光1.He-Ne激光管2.小孔光闸3.平行光管4.起偏器5.1/4 波片6.被测样品7.载物台8.光孔盘9.检偏器10.塑远镜筒11.白屏镜小孔光闸：保证激光器发出的激光束垂直照射在起偏器中心。
2-椭圆偏振法测量薄膜厚度
椭圆偏振法测量薄膜厚度、折射率和金属复折射率椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。
椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到本世纪40年代计算机出现以后才发展起来。
椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展。
椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)。
利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。
因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。
通过实验，读者应了解椭偏法的基本原理，学会用椭偏法测量纳米级薄膜的厚度和折射率，以及金属的复折射率。
一、实验原理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。
,其中(3.5.2)设待测样品是均匀涂镀在衬底上的透明同性膜层。
如图3.5.1所示,n1,n2和n3分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，d是薄膜的厚度，入射光束在膜层上的入射角为，在薄膜及衬底中的折射角分别为和。
按照折射定律有(3.5.1 )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．根据折射定律及菲涅尔反射公式，可求得p 分量和s 分量在第一界面上的复振幅反射率分别为而在第二界面处则有 ,从图3.5.1可以看出，入射光在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 分量的总反射系数是相邻反射光束之间的相位差，而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(RP/RS）来表征。
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东南大学材料科学与工程
实验报告
学生姓名徐佳乐班级学号12011421 实验日期2014/9/5 批改教师
课程名称电子信息材料大型实验批改日期
实验名称椭圆法测量SiO2薄膜折射率与厚度报告成绩
一、实验目的
1、了解椭圆偏振法测试的基本原理；
2、掌握椭圆偏振法测试的基本操作技能。
二、实验原理
椭圆偏振法（简称椭偏法）是一种光学测量技术。
它通过测量一束椭圆偏振光波非垂直的投射到样品上发射后偏振状态的变化，来测量薄膜表
面或薄膜的光学参数（折射率及消光系数）及薄膜厚度。
由于偏振状态的
变化对样品光学参数的微小差异非常灵敏，因此该方法对薄膜的测量有很高的灵敏度，能测出膜厚1埃左后的变化，测量范围从10埃到几微米。
此外，椭偏法为非接触测量，对样品来说为无损检测。
椭偏法测量技术的基本原理如下图所示，用一束光作为探针入射到均匀介质薄膜样品上，由于样品对入射光中平行于入射面的电场分量（简称
p分量）和垂直于入射面的电场分量（简称s分量）有不同的反射系数和透射系数，因此从样品上发射的光，其偏振状态相对于入射光发生了变化。
因此通过观察光在反射前后的偏振状态的改变，从而得到与样品的某些光学参数如折射率和厚度。
三、实验设备及材料
SGC-2自动椭圆偏振测厚仪，SiO2薄膜，镊子等。
四、实验内容及步骤
实验中切记不能用眼睛直接观察激光束，需要观察光强时，请用白纸挡住
光束，观察白纸上的光斑亮度。
1.将样品放置样品台上，待测表面朝向固定板。
开启控制电脑，开启主机
电源。
2．打开测试软件，设置光源类型（氦氖激光），衬底类型（Si衬底），入射角度（默认70°），注意入射角度设定值与主机上光源座和接收器座的位置角度一致。
3．点击工具栏“开始”按钮，椭偏仪开始测量，约几分钟后测试结束，此时弹出一对话框，点击对话框上的“快速”按钮，显示测量结果。
4．生长结束后，关闭管式炉加热电源，待炉温冷却到40℃以下后，取出刚玉舟，观察生长的SiO2薄膜的颜色，与附表对比，粗略估计出所生长SiO2薄膜的厚度。
5.每个样品改变测试位置，重复测量3次，取平均值为最终结果。
五、实验结果及分析
第一次测试：
薄膜折射率：1.485 薄膜基厚度：144.10nm 厚度周期：275.16nm
第二次测试：
薄膜折射率：1.535 薄膜基厚度：129.40nm 厚度周期：260.68nm
第三次测试：
薄膜折射率：1.534 薄膜基厚度：129.50nm 厚度周期：260.95nm
平均厚度：134.33nm
六、思考题
1．椭偏仪的测量精度由哪些因素决定？
答：薄膜的折射率,消光系数,厚度，光谱范围和测量速度等都会影响测量精度。
2．试验所用的椭偏仪能否测试金属薄膜样品？为什么？
答：不可以，因为金属薄膜样品对光存在着强烈吸收，无法测量光的偏振状态。