华南理工大学半导体物理器件实验讲义（2012级） - 图文(9)

图 5-2 适用于硅衬底上无损耗薄膜的 ? 和 ? 与薄膜的折射率和厚 度的关系（入射角为 70?，? = 546.1 nm，虚线为恒厚度线）

图 5-3 适用于硅衬底（复折射率为 3.90 – 0.02i）上热氧化膜的 ? 和 ? 与薄膜

厚度的关系（入射角为 70?，? = 632.8 nm，薄膜的折射率为 1.46）

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图 5-4 椭圆偏振仪结构及光的偏振状态示意图

1 激光管， 2 起偏器， 3 四分之一波长片， 4、5 和 7 光阑

6 检偏器， 8 光电倍增管， 9 样品台

由氦氖激光光源发出的单色光是自然光，经过起偏器（尼科尔棱镜）变成直线偏

振光，其偏振方向由起偏器的方位角决定。转动起偏器可以改变光束的偏振方向。线偏振光经过补偿器（四分之一波长片）变为椭圆偏振光。椭圆的长、短轴沿着四分之一波长片的快慢轴，但椭圆的形状却由射入四分之一波长片的偏振方向决定。椭圆偏振光以一定的入射角射到样品表面，经过样品表面和多层介质（通常包括衬底-介质膜-空气）的来回反射与折射，总的反射光束仍为椭圆偏振光。通过转动起偏器，总可以找到某个起偏器方位角，使发射光变成线偏振光。此线偏振光的偏振方向由检偏

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器（另一尼科尔棱镜）来测定。当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方向成 90? 角时，反射光不能通过检偏器，光电管接收不到光强，从而实现消光。式（5-11）中的 ? 和 ? 即可由消光时起偏器、补偿器和检偏器的方位角（P、C 和 A）确定。

由式（5-8）可见，若样品表面的入射光为等幅椭圆偏振光，即 (AP/AS)i = 1，

且反射光的 p 和 s 分量的相位差为 0 或 180?，即 ?r = 0 或 ?，则计算可简化，此时，式(5-9) 和 (5-10) 分别变为

?AP?tg????A???S?r

(5-12)

????i 或

?????i

(5-13)

由下面的分析可知，当四分之一波片的轴与 p、s 轴正向夹角为 45? 时，式

（5-12）成立。

为表达上述偏振光振幅在空间的方向与位置，规定起偏器、检偏器及四分之一波

长片的方位角分别为 p、A 和 45?，检（起）偏器以反时针方向转向 p 轴时的角度为正，反之为负。

由电磁场理论可知，电磁波在非传导媒质界面上的反射、透射光波之偏幅比等于

相应的电场分量之比，因此直接用电场分量来讨论。记 EPi 和 ESi 为入射的 P 和 S 波的电场分量，EPr 和 ESr 为反射的 p 和 s 波的电场分量，E0 为入射到四分之一

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波片上的线偏振光。

线偏振光 E0 入射到四分之一波片上，沿快轴 ? 和慢轴 sl 分解为两个互相垂直

的分量 E? 和 Esl（见图 5-5），有

???Ef?E0?ei?/2?cos?P??

2?????Esl?E0?sin?P??

2??

在相位上，E? 比 Esl 超前 ?/2。两个分量在 P 轴上的投影之和为 EPi，在 S 轴上的投影之和为 ESi。

EPi?Ef?cos?2?Esl?cos?2

?

?2???????E0??ei?/2?cos?P???sin?P???22?2?????

2E0?ei?/2?ei?P??/2?22?E0?ei??/4?P?2??ESi?Ef?sin?Esl?sin

22?

2E0?ei?/2?e?i?P??/2?2

2?E0?ei?3?/4?P?2?可见，EPi 和 ESi 为等幅椭圆偏振光（振幅均为 且 ESi 与 EPi 的相位差为

2EP02），此时式（5-12）成立，

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图 5-5 Pa 与 ?i 的关系

(a1) 0? < Pa < 45?， (a2) ?i = 2Pa + 270? (b1) -90? < Pa < -45?， (b2) ?i = 270? - 2Pa

?????3????P????P??2P???i

2?4??4?当转动起偏器使样品表面的反射光成为线偏振光时，处于消光位置的检偏器主截

面与光的偏振方向垂直，由图 5-6 可见，? 就是偏振方向与 S 轴的夹角。

对于图 5-6 中所给的两种情况，均有 ? = ?A?，因此从检偏器的方位角可直接

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