实验名称：椭圆光度法检测薄膜长度和折射率（一）
前言：
椭圆光度术广泛用于固体基底上介电薄膜的检测。 现有测量薄膜长度的方法中，它是能够检测最薄且精度最高的一种。 检测范围从0.1nm到几个μm，比干涉测量的检测精度低三个数量级以上。 它可以同时检测薄膜长度和折射率。
椭偏仪有着广泛的应用，是表面科学研究的重要工具。 本实验通过检测多片介质薄膜的长度和折射率，掌握了椭偏仪的原理和技术。
实验名称：椭偏仪检测薄膜长度和折射率实验日期：2006年3月29日
姓名: 王灿辉 学号::
实验原理：
当光束以一定的入射角照射到薄膜系统表面时，光线会在多层介质薄膜的界面处发生多次反射和折射。 反射光束的振幅和相位变化与薄膜的长度和折射率有关。 如果入射光束是椭圆偏振的，例如激光器发出的单色光是椭圆偏振的，投射到样品表面上，通过观察反射偏振的变化就可以确定薄膜的长度和折射率状态（包括幅度和相位）。 。
在晶圆表面设置均匀透明的同性薄膜系统，如右图所示，Φ0为入射角光折射后波长变化，Φ1和Φ2为薄膜与基板之间的折射角，no为空气折射率，n1为薄膜折射率，n2为基材折射率。 入射光在两个界面处来回反射和折射，由多束光束合成总反射光。 光的电矢量和磁矢量分别分为两个分量，光波在入射面上的分量称为P波，在垂直入射面上的分量称为S波。 根据菲涅尔反射公式，可以给出P波和S波的幅度反射系数(rP，rS)。 对于气膜界面 (I)：
根据折射定理，Φ1和Φ0应满足以下关系：
对于薄膜硅衬底界面(II)，类似地，存在上面确定的关系式。 因此，任意两相邻反射光之间的光程差可计算为：
该光程差引起的相邻两级反射光的相位差为2δ，则：
由于薄膜的上下表面多次反射和折射光线，所以我们在空气中看到的就是多次反射光相干叠加的结果。 介绍P波和S波的全幅反射系数：
根据多波束干涉理论，可得全振幅反射系数：
定义Ψ、△两个参数：
Ψ 和 △ 具有称为椭圆角的角度尺寸。 tgΨ表征反射光相对于入射光的相对振幅的变化，称为振幅衰减比或相对振幅衰减。 △表示P波和S波穿过整个膜系后的相位连接差，△P和△S表示P波和S波各自的相位连接值，θP和θS表示P波的相位和S波。 令G代表反射率。
这个公式称为椭圆偏振多项式，它代表薄膜长度d和折射率n； 以及光偏振态的变化（Ψ，△）
之间的关系。 薄膜长度和折射率的检测归结为反射率的检测。 椭圆偏光法检测薄膜长度和折射率的基本原理是通过实验测量Ψ和△，然后根据上述关系确定薄膜长度d和折射率n1。 Ψ、△这两个参数定义公式包含较多数学量，检测较为复杂。 为了简化问题，一般对实验条件进行单独限制：
(1) 入射光为等幅椭圆偏振光折射后波长变化，P波和S波的振幅相等。 这样，Ψ仅与反射光的振幅比有关，并且可以根据检偏器的方位角计算出来。
(2)使反射光线偏振，即反射光的P波和S波之间的相位差。 这样，Δ仅与入射光的P波和S波之间的相位差有关，可以从偏振器的方位角计算出来。
实验仪器与实验技能
椭圆偏振仪的简要配光及光路图如右图所示：
图中，由于波片与入射面倾斜450°，因此入射光呈等幅椭圆偏振。
其检测原理和技术如下：激光器发出的单色自然光经起偏器产生线偏振光，
补偿器（1/4波片）将线偏振椭圆偏振，然后将其射到待测样品表面。反射光通过反射孔径
步入偏光镜，调节偏光镜2，总找到一个使入射椭圆偏振向反射方向改变的方位角P
变为线性偏振。 旋转检偏器7使其消光，此时起偏器处于方位角A的位置，其光传输方向和线路
偏振光是垂直偏振的。 首先通过观察窗观察焦点强度的变化，然后在光强度最弱时切换到光电流观察。
光电倍增管将光能转化为电能，微安表头通过微电流放大器指示出最弱的光电流（光强）。
这样就可以准确判断消光状态，并测量消光状态下起偏器和检偏器对应的（P，A）值，从而
测定入射椭球偏振和反射线偏振的振幅比和相位差，从而得到被测样品的表面膜
长度和折射率。
仪器正常使用时，不要随意调整和校准，特别是1/4波片，更不允许折叠或旋转。
以避免检测偏差。
实验内容：
本实验测试的样品为Si和SiO2。 硅是一种吸收介质，因此具有复杂的折射率。 对于波长为6328A、n=3.9-0.02i的He-Ne激光器，实验中取入射角Φ0=700。
检测过程中，激光器的输出光功率应稳定。 因此，在检测开始前必须将激光管照射半小时。
判断消光状态有两种结构：目视检查和光电测量。 为了保护光电管，应先用目视检查，从观察窗观察反射光斑。 光斑应该是一个完整的圆形亮点。 当样品台旋转时，亮点不应旋转或出现不完整。 旋转偏光镜直至光点消失或最暗，然后切换到光电测量。 当光电流指标达到最小值时，将开关旋钮旋至观察窗位置，然后读取起偏器P和检偏器A的读数（P、A）。光电池的高压为600-900伏，通常在700伏左右。
对于样品上的同一点，有两组偏光镜和检偏镜的刻度值，使反射光处于消光状态。 对这两组（P，A）进行数据处理。 得到△和Ψ，通过列线图、数据表和计算机程序估计，最终得到长度和折射率。
1. 根据检测到的两个组 (P,A) 估计 △ 和 Ψ：
根据仪器选择的坐标系，必须将检测到的两组（P、A）通过适当的变换进行平均，然后计算出△和Ψ。 步骤如下：
(a)区分(P1A1，)和(P2，A2)：首先根据分析仪的方位角范围区分A1和A2； A1对应的偏光片方位角称为P1，A2对应的方位角称为P2，读取范围表示如下：
A1：0-90o 之间 P1：0-180o 之间
A2：90-180o之间 P2：P2=P1±90（当P2>0时）
(b) 根据以下公式将(P2,A2)转换为(P2',A2')
(c) 平均(P1,A1)(P2,A2)，即：
通过上述换算，P和A的读取范围为：
(d) △和Ψ的估计公式：
实验数据形式及数据处理：
1、SiO2的检测数据及计算机估算：
热阻“P2”
.69O67.50O&