【摘要】 椭圆偏振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。

概述

椭圆偏振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。

椭圆偏振测量技术（椭偏测量技术）通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化，获得材料的光学常数和结构信息，具有测量精度高、非接触、无破坏且不需要真空等优点。自从1887年，德鲁德提出椭偏理论，建立了世界上第一套实验装置并成功地测量了18种金属的光学常数起，1945年，Rothen第一次提出了椭圆偏振仪一词。之后，椭圆偏振仪有了很大的发展，被广泛应用于薄膜测量这一领域。

 

 

工作原理

椭圆偏振仪的结构及光路如图1所示，椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程，介质表面作用会引起前后偏振态（椭偏参数 ψ振幅比和 Δ相位差）变化，通过获得材料的光学常数和结构信息。

 

 

偏振光波通过介质时与介质发生相互作用，这种相互作用将改变光波的偏振态，测出这种偏振态的变化，进而进行分析拟合，得出我们想要的信息。

使用薄膜的椭圆函数ρ表示薄膜的反射光线形成椭圆偏振光，即

式中:tanψ表示反射光的两个偏振分量的振幅系数之比，ψ称偏振角;rp表示反射光在P平面的偏振分量;rs表示反射光在S平面的偏振分量。

rp和rs的数学表达式可以从不同材料边界电磁辐射的麦克斯韦方程中导出。

其中ϕ0是入射角，ϕ1是折射角。入射角是入射光束与待研究表面法线之间的角度。椭圆偏振仪的入射角范围通常为45°至90°。这可以在检测材料属性时提供最佳灵敏度。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。事实上，尽管这个值随着诸如波长和温度之类的参数而变化。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，椭圆偏振仪测量值被用作波长和入射角的函数ρ的值（通常表示为ψ和∆或相关量。测量完成后，所获得的数据用于分析和获得光学常数和膜厚度以及其他感兴趣的参数值。如下图所示，分析的过程包含很多步骤。

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。使用测量光谱范围内的厚度和光学常数（n和k）描述每一层对未知的参数先做一个初始假定。椭圆偏振仪仪数据处理模型的建立是至关重要的一步。如果不能建立与参数匹配良好的模型，那么之前的测试将毫无意义，即使建立了不正确的模型，其结果将与真实值南辕北辙。