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椭偏仪的原理说明

类别:工作原理      发布于:2023-08-09 11:23:00 | 705 次阅读

  椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。
  椭圆偏振测量技术(椭偏测量技术)通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化,获得材料的光学常数和结构信息,具有测量精度高、非接触、无破坏且不需要真空等优点。自从1887年,德鲁德提出椭偏理论,建立了世界上套实验装置并成功地测量了18种金属的光学常数起,1945年,Rothen次提出了椭偏仪一词。之后,椭偏仪有了很大的发展,被广泛应用于薄膜测量这一领域。


  椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程,介质表面作用会引起前后偏振态(椭偏参数 ψ振幅比和 Δ相位差)变化,通过获得材料的光学常数和结构信息。
  偏振光波通过介质时与介质发生相互作用,这种相互作用将改变光波的偏振态,测出这种偏振态的变化,进而进行分析拟合,得出我们想要的信息。
  用薄膜的椭圆函数ρ表示薄膜反射线形成椭圆偏振光的特性,即
  式中:tanψ表示反射光的两个偏振分量的振幅系数之比,ψ称偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量。
  rp和rs的数学表达式可以用Maxwell方程在不同材料边界上的电磁辐射推到得到。
  其中?0是入射角,?1是折射角。入射角为入射光束和待研究表面法线的夹角。通常椭偏仪的入射角范围是45°到90°。这样在探测材料属性时可以提供的灵敏度。每层介质的折射率可以用下面的复函数表示:
  通常n称为折射率,k称为消光系数。这两个系数用来描述入射光如何与材料相互作用。它们被称为光学常数。实际上,尽管这个值是随着波长、温度等参数变化而变化的。当待测样品周围介质是空气或真空的时候,N0的值通常取1.000。
  通常椭偏仪测量作为波长和入射角函数的ρ的值(经常以ψ和?或相关的量表示)。一次测量完成以后,所得的数据用来分析得到光学常数,膜层厚度,以及其他感兴趣的参数值。如下图所示,分析的过程包含很多步骤。
  可以用一个模型(model)来描述测量的样品,这个模型包含了每个材料的多个平面,包括基底。在测量的光谱范围内,用厚度和光学常数(n和k)来描述每一个层,对未知的参数先做一个初始假定。椭偏仪数据处理模型的建立是至关重要的一步 ,如果不能建立一个与参数匹配良好的模型,前面的测试就毫无意义,甚至如果建立一个错误的模型 ,其结果将与真实值南辕北辙。

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