椭偏仪测量薄膜厚度的原理与应用

 

在半导体、光学镀膜及新能源材料等领域，精确测量薄膜厚度和光学常数是材料表征的关键步骤。Flexfilm光谱椭偏仪（Spectroscopic Ellipsometry, SE）作为一种非接触、非破坏性的光学测量技术，通过分析光与材料相互作用后偏振态的变化，能够同时获取薄膜的厚度、折射率、消光系数等参数。本文将从原理、测量流程及实际应用三个方面，解析椭偏仪如何实现薄膜厚度的精准测量。

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椭偏仪的基本原理

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椭偏仪的核心原理基于光波的偏振特性。当一束偏振光入射到薄膜表面时，会在空气/薄膜、薄膜/基底等多个界面发生反射和透射。由于不同偏振态（p偏振光和s偏振光）的反射行为差异，光的振幅和相位会发生变化。椭偏仪通过测量这种偏振态变化，推导出薄膜的光学参数。

 

表面增强（SE）测量与分析的基本原理图

 

 

其数学基础为椭偏方程：

 

 

式中，Rp和Rs分别为p偏振光和s偏振光的菲涅耳反射系数，Ψ和Δ是椭偏参数，分别表示反射后两偏振光的振幅比和相位差。通过实验测量这两个参数，结合光学模型，即可反推出薄膜的厚度与光学常数。

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SnO₂薄膜的厚度测量

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SnO₂薄膜的光学模型

 

 

以透明导电材料SnO₂薄膜为例，其高透光性（可见光区消光系数趋近于零）和导电性使其广泛应用于太阳能电池的电子传输层。测量步骤如下：

 

 

1.样品制备：通过旋涂法在玻璃基底上沉积SnO₂薄膜，并通过退火工艺提高结晶度。

 

 

2. 椭偏仪测量：在入射角55°、60°、65°下，采集400-800 nm范围内的Ψ和Δ曲线。

 

 

3. 模型选择：

 

 

基底（玻璃）的光学常数采用Cauchy模型或Cauchy-Urbach模型描述。

 

 

SnO₂薄膜的复折射率通过Tauc-Lorentz色散模型拟合。

 

 

4.参数优化：使用WOA或LM算法拟合厚度和折射率，直至实验曲线与理论曲线吻合

 

 

实验结果表明，WOA与LM算法得到的膜厚一致性较高（如SnO₂-FQ薄膜厚度分别为34.52 nm与33.94 nm），验证了WOA在全局搜索中的有效性。

 

 

基于WOA的椭圆偏振数据拟合方法流程图

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椭偏仪的优势

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高精度：可检测亚纳米级膜厚变化。

 

 

非破坏性：无需接触样品，适用于脆弱或功能性薄膜。

 

 

多参数获取：单次测量可同时得到厚度、折射率、消光系数等信息。

 

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

 

 

1.先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

 

 

2.粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

 

 

3.秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
4.原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

 

 

Flexfilm全光谱椭偏仪通过偏振光与薄膜的相互作用，结合优化算法，为薄膜厚度的精确测量提供了高效解决方案。随着智能算法（如WOA）的引入，椭偏仪的数据分析过程逐渐自动化，降低了用户门槛。未来，该技术有望在柔性电子、光伏器件等新兴领域发挥更大作用，推动材料科学的精细化发展。