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椭偏仪的基本光学物理结构

发布时间:2022-04-12      点击次数:40
   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。由于测量精度高,适用于超薄膜,与样品非接触,对样品没有破坏且不需要真空,使得椭偏仪成为一种ji具吸引力的测量仪器。
  椭偏仪的基本光学物理结构
  已知入射光的偏振态,偏振光在样品表面被反射,测量得到反射光偏振态(幅度和相位),计算或拟合出材料的属性。
  入射光束(线偏振光)的电场可以在两个垂直平面上分解为矢量元。P平面包含入射光和出射光,s平面则是与这个平面垂直。类似的,反射光或透射光是典型的椭圆偏振光,因此仪器被称为椭偏仪。关于偏振光的详细描述可以参考其他文献。在物理学上,偏振态的变化可以用复数ρ来表示:其中,ψ和?分别描述反射光p波与s波振幅衰减比和相位差。P平面和s平面上的Fresnel反射系数分别用复函数rp和rs来表示。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很好的灵敏度。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。
  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。很简单的模型是一个均匀的大块固体,表面没有粗糙和氧化。这种情况下,折射率的复函数直接表示为:
  但实际应用中大多数材料都是粗糙或有氧化的表面,因此上述函数式常常不能应用。