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薄膜厚度的椭圆偏振光法测量

作　者: 王益朋
导　师: 张德龙
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 椭偏仪椭偏术琼斯矩阵消光
分类号: O436.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本课题主要目的是对透明薄膜进行精确的测量,并对原有设备进行改进,使其更智能化。论文从椭偏术的产生、发展和现状出发,全面系统地论述了其独特的优越性以及在众多领域中的应用。本研究工作具体内容包括:1.运用琼斯矩阵理论,建立了偏振光经过PQSA式椭偏仪光学系统后偏振态变化的数学模型,详细推导出消光法一次测量、二次测量、四次测量的椭偏参数ψ和△的计算公式,为精确地进行消光法椭偏测量奠定了理论基础。2.为了使椭偏仪的应用更广泛,测量更自动化,对实验室原有的一台消光式——光度式兼容的自动椭偏仪的控制系统和检测系统进行了改进。设计并研制了以C8051F020单片机为核心芯片的自动控制系统和检测系统（包括步进电机驱动电路、模/数转换电路及计算机接口电路）。使起偏器、检偏器、λ/4波片的步进旋转,信号的采集与数据处理均在计算机控制下进行,实现了自动化测量。消光法四次测量的时间小于2分钟。3.根据消光法椭偏测量理论,运用Borland C++ Bulider6.0软件开发了消光法椭偏测量的计算程序。适合不同参数的薄膜厚度计算,同时生成椭偏参数的理论关系曲线和数据表格。先进的工作界面和快速的计算速度使得椭偏测量术的精度和便捷程度都有很大的提高。经过理论分析和实验研究,提出了判定薄膜厚度周期的多角度入射椭偏测量法,与用干涉仪判定薄膜厚度周期的常规方法相比,这种方法具有测量时间短、精度高的优点,进一步丰富和完善了椭偏测量术。4.对椭偏仪进行了精密调试,并对K₉玻璃为基底的BaK₇玻璃波导薄膜进行了测试实验研究,同时运用了台阶仪进行标定,验证了仪器具有良好的可靠性和重复性,实验表明椭偏仪薄膜厚度测量误差小于100埃,基本能够满足透明薄膜厚度测量的要求。理论和实验研究表明,椭偏测量术精确、灵敏并且是无损测量。椭偏仪的发展方向是全自动椭偏仪和红外光谱椭偏仪。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 椭偏术的产生、发展和现状  9-10
  1.2 椭偏术的特点  10-11
  1.3 椭偏术的最新进展  11-12
第二章椭偏术的应用  12-19
  2.1 材料光学性质的测定  12-14
    2.1.1 体型材料的光学性质  12-13
    2.1.2 薄膜材料的光学性质  13-14
  2.2 物理吸附和化学吸附  14-16
  2.3 生物学和医学方面的应用  16-17
  2.4 各种膜的测定  17-19
    2.4.1 测量硅片上氧化膜的生长曲线  17-18
    2.4.2 测定硅中杂质的分布  18-19
第三章反射椭偏术基本理论的研究  19-30
  3.1 引言  19-20
  3.2 光波的偏振  20-21
  3.3 反射椭偏术的基本理论  21-30
    3.3.1 两种各向同性媒质间平面界面处光的反射  22-25
    3.3.2 环境媒质—透明薄膜—基片系统的反射椭偏术的理论研究  25-30
第四章反射椭偏术测量理论的研究  30-48
  4.1 PQSA 式椭偏仪光学系统的琼斯矩阵表示  30-35
    4.1.1 λ/ 4 波片、检偏器的琼斯矩阵及薄膜的等效琼斯矩阵  31-33
    4.1.2 偏振光波在PQSA 系统中的传播  33-35
  4.2 消光法的测量原理  35-48
    4.2.1 ψ和△测量公式的推导  36-40
    4.2.2 一次或多次测量原理  40-48
第五章椭偏仪测控系统的硬件和软件设计  48-76
  5.1 仪器系统的总体方案  48-51
  5.2 硬件电路的设计  51-64
    5.2.1 C8051F020 单片机  52-55
    5.2.2 步进电机控制及驱动电路设计  55-58
    5.2.3 驱动板和计算机接口电路设计  58-61
    5.2.4 驱动板上的其他部分  61-64
  5.3 椭偏测量的软件设计  64-76
    5.3.1 透明薄膜椭偏方程的数值反演算法  64-74
    5.3.2 椭偏测量计算的软件设计  74-76
第六章实验结果  76-84
  6.1 薄膜厚度周期的测定  76-78
  6.2 椭偏仪的调整及数据处理  78-79
  6.3 误差分析  79-80
  6.4 实验结果  80-84
第七章总结  84-86
参考文献  86-88
发表论文和参加科研情况说明  88-89
附录  89-98
致谢  98

薄膜厚度的椭圆偏振光法测量

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