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椭偏仪介绍（Introduction of Ellipsometry)

来源：时间：2022-12-01 17:42:08 浏览：2006次

椭偏仪是一种测量薄膜特性的仪器。可以测量薄膜的厚度、折射系数、表面粗糙度、晶格结构和各项异性等。

椭偏仪的测量原理有些特别，叫做model-based，意思是说椭偏仪无法直接得到上述这些参数，需要通过数据拟合才能得到这些参数，在做数据拟合的时候，所采用的模型（model）很重要。

椭偏仪光路图

椭偏仪的测量光路图很简单，如上图所示。

一束线偏振光经过薄膜反射后变成椭圆偏振光，为什么呢？

先看一下最简单的情况，就是没有薄膜的情况，

最简单的反射情形

这种情况下，我们把入射的线偏振光做一个正交分解，线偏振面分解在两个平面内，一个是入射面（对应p分量），一个是与入射面垂直的平面（对应s分量），示意图如下所示。

根据Fresnel equations，可以得到两个分量的折射系数分别为

上面这个公式中包含了界面前后两种材料的折射系数，通过测量rp和rs，可以反推出这两个参数。

值得一提的是，这里的Ns和N0都是复数，包含了折射率和吸收，前者对应相位的变化，后者对应幅值的变化。因此rp和rs也是复数。光的p分量和s分量经过rp和rs变换后，相位和幅值都发生了变化，因此两者合成后，最终变成了椭圆偏振光。

决定椭圆偏振光形态的，不是rp和rs的绝对值，而是两者的比值，因此可以通过测量椭圆偏振光得到rp/rs。这样的测量方法可以消除很多共模噪声信号，具有测量精度高、重复性好等优点。

对于下图这种有一层薄膜的情况，

需要考虑多次反射的叠加。这种情况下，rp和rs的模型要复杂一些，

可以看到，上面的模型中包含了厚度参数d，折射率n1，n2和n3。

如果是多层薄膜，或者薄膜表面不光滑，或者需要考虑薄膜的晶格结构等情况，模型会更复杂。但是不管怎么样，都应该首先确定合适的模型，然后根据模型去拟合实验结果，从而得到待测的参数。

这就是椭偏仪的基本原理。更详细的信息建议参考Tompkins, H. G., and E. A. Irene, eds. 2005. Handbook of ellipsometry. Berlin: Springer

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