橢偏儀的應用
光譜橢偏儀是壹種用於檢測波膜厚度、光學常數和微結構的光學測量裝置。因為它不與樣品接觸，所以不會損壞樣品，也不需要真空，這使得橢偏儀成為壹種有吸引力的測量設備。
可以用橢偏儀測量的材料包括:
半導體、電介質、聚合物、有機物、金屬、多層材料…
涉及的領域有:
半導體、通訊、數據存儲、光學鍍膜、平板顯示、科研、生物、醫藥…
發展歷史
早期的研究主要集中在偏振光的物理研究和偏振光與材料的相互作用以及儀器的光學研究。隨著計算機的發展，橢偏儀的應用越來越廣泛。硬件的自動化和軟件的成熟大大提高了運算速度，成熟的軟件為解決問題提供了新的方法。因此，橢偏儀被廣泛應用於研究、開發和生產中。
光譜範圍
早年橢偏儀的工作波長是單壹波長或幾個獨立波長，最典型的是激光產生的單色光源或過濾弧光等強光譜光。目前大多數橢偏儀工作在壹個很寬的波長範圍內的多個波長上(通常是幾百個波長，接近連續)。與單波長橢偏儀相比，多波長光譜橢偏儀具有以下優點:可以提高多層探測能力，可以測試物質對不同波長光波的折射率。
橢偏儀的光譜範圍從65438±042nm的深紫外到33 nm的紅外。m可選。光譜範圍的選擇取決於被測材料的性質、薄膜的厚度和感興趣的光譜帶。比如摻雜濃度對材料的紅外光學性能影響很大，所以需要能夠測量紅外波段的橢偏儀；薄膜的厚度測量需要光能穿透薄膜，到達基底，然後被探測器探測到，因此需要選擇被測材料的透明或部分透明的光譜波段；厚膜選擇長波長更有利於測量。
橢偏儀是如何工作的？
下圖顯示了橢偏儀的基本光學和物理結構。知道了入射光的偏振態，偏振光在樣品表面反射，測量反射光的偏振態(振幅和相位)，計算或擬合出材料的性質。
入射光束(線偏振光)的電場可以分解成兩個垂直平面內的矢量元素。P平面包含入射光和出射光，而S平面垂直於該平面。同樣，反射光或透射光是典型的橢圓偏振光，所以該儀器稱為橢偏儀。有關偏振光的詳細描述，請參考其他文檔。在物理學中，偏振態的變化可以用復數ρ來表示:
其中，ψ和？分別描述振幅和相位。P平面和S平面上的菲涅耳反射系數分別由復變函數rp和rs表示。rp和rs的數學表達式可以從麥克斯韋方程在不同材料邊界上的電磁輻射推導出來。
其中？0是入射角，？1是折射角。入射角是入射光束和待研究表面的法線之間的角度。壹般來說，橢偏儀的入射角在45°到90°之間。這可以在檢測材料特性時提供最佳的靈敏度。各層介質的折射率可以用下面的復變函數來表示。
通常n稱為折射率，k稱為消光系數。這兩個系數用於描述入射光如何與材料相互作用。它們被稱為光學常數。事實上，雖然這個值隨著波長、溫度等參數的變化而變化。當樣品周圍的介質為空氣或真空時，N0的值通常為1.000。
壹般橢偏儀測量的是作為波長和入射角的函數的ρ值(常以ψ和ψ？或相關的定量表示)。測量後，獲得的數據用於分析和獲得光學常數、薄膜厚度和其他感興趣的參數。如下圖所示，分析的過程包括許多步驟。
可以使用模型來描述被測樣品，該樣品包含每種材料的多個平面，包括基底。在測量的光譜範圍內，每壹層用厚度和光學常數(n和k)來描述，並對未知參數進行初始假設。最簡單的模型是表面沒有粗糙和氧化的均勻塊狀固體。在這種情況下，折射率的復函數直接表示為:
但在實際應用中，大多數材料表面粗糙或氧化，因此上述功能往往不適用。
在圖中的下壹步，利用模型生成Gen.Data，利用模型確定的參數生成Psi和Detla數據，並與實測數據進行對比，不斷修正模型中的參數，使生成的數據與實測數據盡可能壹致。即使大襯底上只有薄膜，這個模型的代數方程描述在理論上也是非常復雜的。因此，通常不可能給出光學常數、厚度等的數學描述。類似於上面的等式。這樣的問題通常被稱為反演問題。
解決橢偏儀反演問題最常用的方法是在衰減分析中應用Levenberg-Marquardt算法。通過使用比較方程，將從實驗獲得的數據與由模型產生的數據進行比較。通常，均方誤差定義為:
在某些情況下，最小的MSE可能產生非物理或非唯壹的結果。但加入符合物理規律的限制或判斷後，仍然可以得到很好的結果。衰減分析已成功應用於橢偏儀分析，結果可信，符合物理規律，準確可靠。
儀器結構
光譜橢偏儀的測量采用不同的硬件配置，但每種配置都必須能夠產生已知偏振態的光束。測量被測樣品反射的光的偏振態。這就需要儀器對偏振態的變化ρ進行量化。
壹些儀器通過旋轉決定初始偏振光狀態的偏振器(稱為起偏器)來測量ρ。然後，使用第二個固定偏振器(稱為分析器)測量輸出光束的偏振狀態。還有的儀器是固定起偏器和檢偏器，在中間部分對偏振光的狀態進行調制，比如使用聲光晶體，最終得到輸出光束的偏振態。這些不同配置的最終結果是測量作為波長和入射角的復函數的ρ。
在選擇合適的橢偏儀時，光譜範圍和測量速度也是通常需要考慮的重要因素。可選光譜範圍從深紫外的142納米到紅外的33納米。m .光譜範圍的選擇通常由應用決定。不同的光譜範圍可以提供關於材料的不同信息，合適的儀器必須與要測量的光譜範圍相匹配。
測量速度通常由選擇的光譜儀決定(用於分離波長)。單色儀用於選擇單壹的窄帶波長。通過移動單色儀中的光學設備(通常由計算機控制)，單色儀可以選擇感興趣的波長。這種方式波長更準確，但速度較慢，因為壹次只能測試壹個波長。如果把單色儀放在樣品前面，有壹個好處就是到達樣品的入射光量明顯減少(避免了感光材料的變化)。另壹種測量方式是同時測量整個光譜範圍，擴展合成光束的波長，用探測器陣列探測不同波長的信號。這種方法通常在需要快速測量時使用。傅裏葉變換光譜儀也可以同時測量整個光譜，但通常只需要壹個探測器，而不是壹個陣列。這種方法在紅外光譜中應用最為廣泛。