光谱椭偏仪入门指南：原理、方法与基础应用

 

 

在材料科学和光学表征领域，精确获取薄膜厚度与光学常数是理解材料性能的关键。然而，传统测量方法往往面临破坏样品、精度不足或难以适用于复杂微观结构的局限。针对这一问题，光谱椭偏仪（SE）作为一种非侵入式光学技术，通过分析偏振光在反射或透射过程中发生的振幅比（Ψ）和相位差（Δ）变化，实现对表面、界面和薄膜的高精度表征。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

该方法基于菲涅尔方程和模型拟合，能够有效反演材料的厚度、折射率与消光系数，并结合Kramers-Kronig关系及Cauchy、Lorentz等色散模型，提升数据解析的物理合理性与准确性。本综述系统梳理了SE的基本原理与方法体系，旨在为初学者和跨领域研究者提供清晰的入门指引，并展现其在半导体、生物医学等多个前沿领域的应用潜力，凸显其作为现代材料表征核心工具的重要价值。

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光谱椭偏法的理论基础

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作为一种无损光学技术，SE 的核心价值在于通过分析光与样品的相互作用，推导材料的关键特性参数。其名称中的 “椭偏” 源于一个关键现象：偏振光经样品反射后，通常会从线偏振转变为椭圆偏振态。

核心测量参数
SE 的测量核心围绕两个关键参数展开—Δ与Ψ，二者均与入射光的波长和入射角密切相关：

Ψ：其正切值等于p偏振光与s偏振光反射系数的振幅比。取值范围为0°至90°，直接反映两种偏振光的振幅衰减差异；

Δ：p偏振光与s偏振光反射时的相位差。取值范围为0°至360°，描述了两种偏振光的相位变化规律。

为更精准地描述光的反射特性，SE引入了复反射系数比ρ，它是总反射系数的复比值，也是连接 Δ、Ψ 与材料特性的关键桥梁：

Rp和 Rs是整体的p和s偏振复反射系数，适用于分析多层结构和复杂界面

椭偏仪系统与光的偏振相互作用

（a）椭偏仪系统（b）单色偏振光束在空气环境中以标注为～φ 的角度入射到材料介质时，与材料介质相互作用的示意图

光的反射行为由菲涅尔方程精确描述。通过斯涅尔定律和菲涅尔方程，可以建立光学常数（n,k）、厚度与测量值（Ψ,Δ）之间的理论关系。然而，对于实际样品，直接反演方程通常很困难。因此，标准做法是：先通过实验在不同波长和入射角下测量 Ψ 和 Δ，再将其与基于假设材料模型（结构、厚度、光学常数）计算出的理论值进行拟合，通过最小化均方误差（MSE）来优化模型参数，从而获得最符合实验数据的材料属性。

斜入射角与布儒斯特角的重要性

涂覆玻璃片的p 偏振光与 s 偏振光反射强度图

当入射角达到布儒斯特角 θB=arctan(n2/n1) 时，p偏振光的反射率理论上为零，这一现象是SE测量中一个重要的特征点。

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光谱椭偏法的数据分析

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基于菲涅耳方程计算预测响应的模型

 

 

SE 的核心目标是从偏振态变化中反推材料特性，而数据分析则是连接测量数据与材料参数的关键环节。不同光谱区的测量数据对应不同的材料信息，需结合合适的模型与方法进行解读。

不同光谱区的数据分析重点

SE 在不同光谱区的应用侧重点存在显著差异，这源于光与材料相互作用的机制不同：

紫外-可见区（UV-VIS）：主要用于分析材料的带间跃迁（即电子在不同能带间的跃迁），通过观察吸收系数 α 随光子能量 hv 的变化，可精准推导材料的带隙 E₉—这对半导体、光电材料的研究至关重要；

红外区（IR）：聚焦于材料的 “宏观特性” 与 “微观结构”：一方面，可分析自由载流子（电子或空穴）的吸收行为，进而获取载流子迁移率、浓度、电导率等电学参数；另一方面，能探测晶格振动模式（如 LO 声子、TO 声子）与局部原子结构，为介电材料、陶瓷材料的结构分析提供依据。

样品类型与分析模型的选择

针对不同复杂度的样品，SE 需采用不同的分析策略：

块状材料：可通过简化公式初步计算 “伪光学常数”（即忽略表面影响的近似值）但需注意，实际块状材料表面通常存在氧化层或粗糙度，这些因素会影响公式的准确性，需在后续分析中修正；

复杂样品（如多层膜、非均匀材料、粗糙表面）：需依赖 “模型拟合” 策略—先假设一个符合样品结构的光学模型（如多层膜结构、含粗糙层的模型），计算该模型对应的 Δ、Ψ 理论值，再与实验测量值对比，通过调整模型参数（如各层厚度、光学常数）使理论值与实验值的均方误差（MSE）最小化，最终得到准确的材料参数。

“有效介质近似（EMA）” 是分析混合体系的重要工具—它可将两种或三种不同材料 “等效” 为一种混合层，从而描述表面粗糙度、多孔结构或多晶材料的光学特性。

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SE的优势与局限性

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SE 的技术优势使其在材料表征中脱颖而出，但也存在不可忽视的局限性：

优势：非接触、非破坏性、测量速度快、灵敏度极高（厚度分辨率可达0.1 Å），适用于实时监测和复杂模型仿真。

局限性：属于间接测量，依赖光学模型的准确性；光斑较大，空间分辨率较低；表征超薄薄膜（<10 nm）和低吸收材料时面临挑战。

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光谱椭偏法在材料科学中的典型应用

半导体技术：SE广泛应用于测量外延薄膜厚度、界面粗糙度、掺杂浓度分布以及离子注入造成的损伤剖面分析。
 

薄膜表征：在微电子、光伏、光学镀膜和传感器领域，SE是测量薄膜厚度和光学常数的标准工具。
 

表面科学：可用于研究表面粗糙度、自组装单层（SAMs）、以及蛋白质吸附等界面现象。
 

各向异性材料：Mueller矩阵光谱椭偏仪（MMSE）能够测量完整的偏振响应，是分析各向异性材料（如液晶、二维材料）的强大工具。
 

纳米材料：用于研究纳米颗粒、量子点等的尺寸效应、等离子体共振和介电响应。

原位与实时监测：可在材料生长、沉积或化学反应过程中实时监测厚度和光学性质的变化动力学。

生物医学：由于其非侵入性，SE被用于研究生物分子相互作用、细胞吸附、病毒-表面作用，乃至癌症生物标志物的高灵敏度检测。

光谱椭偏仪已成为材料表征工具箱中不可或缺的一部分。它能够非破坏性地、高精度地解析从半导体到生物膜等各种材料的结构与光学性质。

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）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 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。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。 

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Spectroscopic Ellipsometry: Advancements, Applications and Future Prospects in Optical Characterization》

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