1，椭偏仪测量什么？

椭圆偏振测量技术利用偏振光表征薄膜与块体材料。光在与样品结构相互作用时产生偏振变化，测量通常以两个数值表示：Psi (Ψ) 与Delta (Δ)。然后对数据进行分析以确定感兴趣的材料性质。

2，Psi 和 Delta 是什么？

Psi 与 Delta 表示椭偏仪的原始测量值。它们描述了测量光束与样品表面相互作用时发生的偏振变化。入射光束包含与入射面平行的（p光）和垂直（s光）的电场分量。

样品表面对 p光与s光有不同响应，导致出射偏振发生变化。可以由振幅比（tanΨ）和相位差（Δ）表示：

其中 Rp 与 Rs 分别是p与s偏振光的菲涅尔反射系数。

3，为什么椭偏测量需要数据分析？

椭偏测量两个值Psi和Delta，它们与跟样品相互作用的光的偏振变化有关。单独看Psi和Delta信息有限。我们真正想确定的是薄膜厚度、光学常数、折射率、表面粗糙度及其他样品物理性质。这些性质通过使用测得的Psi和Delta在各种方程和算法中建立模型来描述光与样品的相互作用，从而求得。

4，为什么在多波长下测量很重要？

光谱椭偏测量有多重优点，包括 A) 提供唯一解，B) 对材料性质的敏感性提高，C) 在所需应用的相关波长上提供数据。

A. 提供唯一解。

提高椭偏仪性能最简单的方法之一是增加测量波长的数量和范围。每个新波长都包含关于样品性质的信息。早期椭偏仪使用激光在单一波长处采集数据，仅用两个测量值Psi和Delta只能确定两个未知的样品参数。即使在简单情况下，单层薄膜在已知基底上，其厚度和折射率也无法唯一确定。如果薄膜是吸收性、梯度或粗糙的，就会得到不正确的结果。即便在理想的完美透明薄膜情况下，单波长椭偏测量的周期性也会产生多个解，如下图所示。可能的厚度以一个厚度周期分隔，需要凭经验猜测才能落入正确解。

在这种情况下，光谱椭偏可以对薄膜厚度进行更好的测定。虽然折射率随波长变化，但厚度保持不变。因此，100 个波长点产生 200 个数据（Ψ,Δ X 100），而未知量仅有 101 个。全光谱测量迅速通过排除所有错误解来消除“周期性”问题，仅保留正确答案。注意，尽管在单一波长 500nm 处数据相同，但全光谱响应完全唯一。

B. 对材料性质的敏感性提高。

测量特定材料性质通常需要特定的波长范围。例如，透明导电氧化物（TCO）薄膜的电导将在红外区显现为强吸收并在近红外延伸。可见光波长无法测量 TCO 的电导，但可用于确定薄膜厚度。分子键合信息仅在中红外波段可用，在那里较低的频率能激发原子的振动。紫外光谱通常关注电子跃迁，包含材料结构信息。例如，硅薄膜在紫外的吸收形状用于判断层的结晶度。若薄膜是非晶态，吸收变宽且无临界点特征；随着结晶度增加，紫外吸收特征更为明显。下图显示了这一点。

C. 在所需应用的相关波长获得结果。

对于许多应用，光学性质需在特定波长上获得。例如，半导体行业关注光刻，需要在紫外区域进行椭偏测量（157nm、193nm、248nm，...）。显示器行业关注可见光谱。光学镀层需在其设计波长处测量，无论是可见光、近红外甚至中红外波段。Woollam 光谱椭偏仪覆盖从 33 微米到 140nm 的光谱范围，该范围几乎可满足所有应用需求。

5，光谱椭偏仪如何确定薄膜厚度？

光谱椭偏测量对薄膜厚度非常敏感。随着薄膜厚度增加，来自表面的反射光与穿过薄膜的光之间的间隔增加，如下所示。这会引起与物理厚度和折射率相关的相位延迟。因此，光谱椭偏测量包含准确测量厚度和折射率的信息。

光谱椭偏数据基于干涉振荡的位置和数量提供厚度信息。下图显示了一系列不同厚度 SiO2 薄膜的 Psi 曲线。随着厚度(T) 增加，干涉振荡向更长波长移动。

6，光谱椭偏仪能确定的最小薄膜厚度是多少？

光谱椭偏仪对数量级仅为数十分之一纳米的表面层非常敏感。敏感性主要来自相位 (Delta) 的变化，下图显示了一系列硅基薄氧化层的情况。然而，光与这些超薄层的相互作用并不提供足够的敏感性来同时确定厚度和折射率。对于这种情况，最安全的做法是假定一个近似折射率（通常从较厚的薄膜测得），然后仅确定薄膜厚度。在少数情况下，人们通过表征超薄膜同时测定了其厚度和折射率 1。

1，H. Arwin 和 D.E. Aspnes “通过光谱椭偏法对薄膜厚度和介电函数的无歧义确定”，Thin Solid Films, 113 (1984) 101.

7，光谱椭偏法能确定的最大厚度是多少？

光谱椭偏测量的上限厚度取决于测量波长。随着薄膜变厚，短波长处大量的数据振荡难以分辨。振荡在长波长处更易分离。因此，通常使用近红外甚至中红外测量来测量高达约50微米的薄膜。不过，这些层超出了典型 光谱椭偏的测量范围，薄膜均匀性变得更为重要。对于大多数可见到近红外的测量，优选上限小于5微米。即便是1到5微米厚的薄膜，最好用多入射角测量以确保得到唯一的厚度解。

8，光谱椭偏法如何确定折射率？

除了厚度信息外，数据振荡的形状还取决于薄膜的折射率。下图显示了具有特定振幅的 Psi 振荡。振荡的振幅决定了正确的薄膜折射率。这通过展示一系列折射率值对应的不同行为振幅来证明。

9，光谱椭偏仪可以测量哪类薄膜？

光谱椭偏仪可用于测量各种薄膜。只要光能从表面镜面反射，就没有材料类型的限制。如果薄膜过于粗糙，会将探测光束散射离开探测器，从而无法进行光谱椭偏测量。光谱椭偏测量技术广泛应用于介电材料、有机物、半导体甚至金属层。薄膜可以是各向同性或各向异性、均匀或带有折射率梯度的。光谱椭偏甚至可用于多层结构，不同材料的薄膜皆可。厚度测量的唯一限制是光必须能透过薄膜到达基底并返回。

10，光谱椭偏仪能测量吸收薄膜吗？

光谱椭偏已成功用于多种吸收薄膜的应用。如果需要测量厚度，吸收薄膜必须足够薄（通常 < 50nm），以避免在测量光束穿过薄膜前被完全吸收。还必须考虑吸收薄膜的不确定性。

关于表征吸收薄膜的方法可来电详细咨询。

11，可变入射角光谱椭偏测量有哪些好处？

椭偏测量通常在接近布儒斯特角的角度下进行。早期椭偏仪强调布儒斯特角，因为仪器在该位置测得最佳。现代带补偿器的椭偏仪对此要求已不强，但偏振的最大变化仍发生在布儒斯特角。光谱椭偏的典型测量范围为50到75°。厚度与折射率的标准测量通常只需单一入射角。随着样品复杂性的增加，需用多入射角；对于非常厚的薄膜（> 1 微米）、折射率有梯度的膜、各向异性材料和复杂多层结构，建议采用 2 或 3 个入射角。对不需多角度的样品，额外角度可提高模型唯一性。