椭圆偏振光谱仪测量薄膜厚度原理

图1. 椭圆偏振光轨迹原理示意图

两线偏振光的振幅比tanΨ和相位差Δ直接影响着偏振的振幅和方向，因此只要已知振幅比和相位差就可以表示出任一光波的偏振态，反之亦然。由式①可知，振幅比和相位差与菲涅尔反射系数r_p和r_s相关，而r_p和r_s又与薄膜的光学常数（折射率n，消光系数k）及薄膜的厚度d有关，即振幅比和相位差是关于参数（n，k，d）的函数。因此，若测出经薄膜反射的反射光的椭圆偏振态，就可以求得薄膜的光学常数和厚度，这就是椭圆偏振光谱测量的基本原理。

其中Δ和tanΨ是椭偏测试中能够获得的测试数据，参数（n，k，d）的解析需要通过“假设试探解+正向递归拟合”的方法。如图2所示，在对测试数据进行解析时，需要构建待测薄膜的物理模型，根据所属材料类别，对其光学常数、厚度进行合理假设，作为初始试探解，利用薄膜光传输理论，借助最小二乘法等拟合技术，实现对所测(Ψ, Δ)数据的拟合，并在不断的反馈优化中，获得（n，k，d）的最优解。

图2. 椭偏仪分析材料光学性质的基本流程

椭偏仪主要由光源、偏振器、补偿器、样品台、检测器及数据处理系统组成：

图3展示了ULVAC-UNECS椭偏仪的构造组成，通过这些组件的协同工作，实现对材料光学性质的高效测量和精确分析。

图3. UNECS椭偏仪的构造及工作过程示意图

纳米级高精度：椭偏仪的测量精度非常高，可以达到纳米级，甚至能探测到单原子层的厚度变化。

非接触无损检测：椭偏仪通过测量光在介质表面反射前后的偏振态变化来获取信息，无需与样品直接接触，因此不会对样品造成损伤。

测量范围广：可以测量透明膜、无膜固体样品、多层膜、吸收膜等多种类型的薄膜，且能覆盖从1纳米至数十微米的广泛厚度区间。此外，其对于尺寸微小至0.3mm的薄膜样品同样具备出色的测量能力。

高效快速测量：椭偏仪测试十分迅速，最高速可实现20 毫秒/点，能够在短时间内完成大批量样品的测试。

多功能性：椭偏仪既能测量膜厚，还可以同时测量薄膜的折射率、吸收系数等物理量，是薄膜材料研究的利器。

椭偏仪作为光学测量领域的精密仪器，其核心在于能够精准分析椭圆偏振光在材料表面反射时的细微变化，并借助高尖端的数据处理算法，从而深入揭示材料的光学本质，包括薄膜厚度、折射率以及消光系数等。总之，椭偏仪已然成为相关科研、工业界不可或缺的测量手段，不仅极大地丰富了材料科学的研究维度，还在推动科技进步、促进产业发展方面发挥着不可估量的重要作用。