在材料科學(xué)和光學(xué)表征領(lǐng)域，精確獲取薄膜厚度與光學(xué)常數(shù)是理解材料性能的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)測量方法往往面臨破壞樣品、精度不足或難以適用于復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的局限。針對(duì)這一問題，光譜橢偏儀（SE）作為一種非侵入式光學(xué)技術(shù)，通過分析偏振光在反射或透射過程中發(fā)生的振幅比（Ψ）和相位差（Δ）變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面、界面和薄膜的高精度表征。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

該方法基于菲涅爾方程和模型擬合，能夠有效反演材料的厚度、折射率與消光系數(shù)，并結(jié)合Kramers-Kronig關(guān)系及Cauchy、Lorentz等色散模型，提升數(shù)據(jù)解析的物理合理性與準(zhǔn)確性。本綜述系統(tǒng)梳理了SE的基本原理與方法體系，旨在為初學(xué)者和跨領(lǐng)域研究者提供清晰的入門指引，并展現(xiàn)其在半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，凸顯其作為現(xiàn)代材料表征核心工具的重要價(jià)值。

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光譜橢偏法的理論基礎(chǔ)

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作為一種無損光學(xué)技術(shù)，SE 的核心價(jià)值在于通過分析光與樣品的相互作用，推導(dǎo)材料的關(guān)鍵特性參數(shù)。其名稱中的 “橢偏” 源于一個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象：偏振光經(jīng)樣品反射后，通常會(huì)從線偏振轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振態(tài)。

核心測量參數(shù)
SE 的測量核心圍繞兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)展開—Δ與Ψ，二者均與入射光的波長和入射角密切相關(guān)：

Ψ：其正切值等于p偏振光與s偏振光反射系數(shù)的振幅比。取值范圍為0°至90°，直接反映兩種偏振光的振幅衰減差異；

Δ：p偏振光與s偏振光反射時(shí)的相位差。取值范圍為0°至360°，描述了兩種偏振光的相位變化規(guī)律。

為更精準(zhǔn)地描述光的反射特性，SE引入了復(fù)反射系數(shù)比ρ，它是總反射系數(shù)的復(fù)比值，也是連接 Δ、Ψ 與材料特性的關(guān)鍵橋梁：

Rp和 Rs是整體的p和s偏振復(fù)反射系數(shù)，適用于分析多層結(jié)構(gòu)和復(fù)雜界面

橢偏儀系統(tǒng)與光的偏振相互作用

（a）橢偏儀系統(tǒng)（b）單色偏振光束在空氣環(huán)境中以標(biāo)注為～φ 的角度入射到材料介質(zhì)時(shí)，與材料介質(zhì)相互作用的示意圖

光的反射行為由菲涅爾方程精確描述。通過斯涅爾定律和菲涅爾方程，可以建立光學(xué)常數(shù)（n,k）、厚度與測量值（Ψ,Δ）之間的理論關(guān)系。然而，對(duì)于實(shí)際樣品，直接反演方程通常很困難。因此，標(biāo)準(zhǔn)做法是：先通過實(shí)驗(yàn)在不同波長和入射角下測量 Ψ 和 Δ，再將其與基于假設(shè)材料模型（結(jié)構(gòu)、厚度、光學(xué)常數(shù)）計(jì)算出的理論值進(jìn)行擬合，通過最小化均方誤差（MSE）來優(yōu)化模型參數(shù)，從而獲得最符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的材料屬性。

斜入射角與布儒斯特角的重要性

涂覆玻璃片的p 偏振光與 s 偏振光反射強(qiáng)度圖

當(dāng)入射角達(dá)到布儒斯特角θB=arctan(n2/n1)時(shí)，p偏振光的反射率理論上為零，這一現(xiàn)象是SE測量中一個(gè)重要的特征點(diǎn)。

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光譜橢偏法的數(shù)據(jù)分析

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基于菲涅耳方程計(jì)算預(yù)測響應(yīng)的模型

SE 的核心目標(biāo)是從偏振態(tài)變化中反推材料特性，而數(shù)據(jù)分析則是連接測量數(shù)據(jù)與材料參數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同光譜區(qū)的測量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的材料信息，需結(jié)合合適的模型與方法進(jìn)行解讀。

不同光譜區(qū)的數(shù)據(jù)分析重點(diǎn)

SE 在不同光譜區(qū)的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)存在顯著差異，這源于光與材料相互作用的機(jī)制不同：

紫外-可見區(qū)（UV-VIS）：主要用于分析材料的帶間躍遷（即電子在不同能帶間的躍遷），通過觀察吸收系數(shù) α 隨光子能量 hv 的變化，可精準(zhǔn)推導(dǎo)材料的帶隙 E?—這對(duì)半導(dǎo)體、光電材料的研究至關(guān)重要；

紅外區(qū)（IR）：聚焦于材料的“宏觀特性”與“微觀結(jié)構(gòu)”：一方面，可分析自由載流子（電子或空穴）的吸收行為，進(jìn)而獲取載流子遷移率、濃度、電導(dǎo)率等電學(xué)參數(shù)；另一方面，能探測晶格振動(dòng)模式（如 LO 聲子、TO 聲子）與局部原子結(jié)構(gòu)，為介電材料、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)分析提供依據(jù)。

樣品類型與分析模型的選擇

針對(duì)不同復(fù)雜度的樣品，SE 需采用不同的分析策略：

塊狀材料：可通過簡化公式初步計(jì)算 “偽光學(xué)常數(shù)”（即忽略表面影響的近似值）但需注意，實(shí)際塊狀材料表面通常存在氧化層或粗糙度，這些因素會(huì)影響公式的準(zhǔn)確性，需在后續(xù)分析中修正；

復(fù)雜樣品（如多層膜、非均勻材料、粗糙表面）：需依賴 “模型擬合” 策略—先假設(shè)一個(gè)符合樣品結(jié)構(gòu)的光學(xué)模型（如多層膜結(jié)構(gòu)、含粗糙層的模型），計(jì)算該模型對(duì)應(yīng)的 Δ、Ψ 理論值，再與實(shí)驗(yàn)測量值對(duì)比，通過調(diào)整模型參數(shù)（如各層厚度、光學(xué)常數(shù)）使理論值與實(shí)驗(yàn)值的均方誤差（MSE）最小化，最終得到準(zhǔn)確的材料參數(shù)。

“有效介質(zhì)近似（EMA）”是分析混合體系的重要工具—它可將兩種或三種不同材料 “等效” 為一種混合層，從而描述表面粗糙度、多孔結(jié)構(gòu)或多晶材料的光學(xué)特性。

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SE的優(yōu)勢(shì)與局限性

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SE 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其在材料表征中脫穎而出，但也存在不可忽視的局限性：

優(yōu)勢(shì)：非接觸、非破壞性、測量速度快、靈敏度極高（厚度分辨率可達(dá)0.1 ?），適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和復(fù)雜模型仿真。

局限性：屬于間接測量，依賴光學(xué)模型的準(zhǔn)確性；光斑較大，空間分辨率較低；表征超薄薄膜（<10 nm）和低吸收材料時(shí)面臨挑戰(zhàn)。

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光譜橢偏法在材料科學(xué)中的典型應(yīng)用

半導(dǎo)體技術(shù)：SE廣泛應(yīng)用于測量外延薄膜厚度、界面粗糙度、摻雜濃度分布以及離子注入造成的損傷剖面分析。

薄膜表征：在微電子、光伏、光學(xué)鍍膜和傳感器領(lǐng)域，SE是測量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工具。

表面科學(xué)：可用于研究表面粗糙度、自組裝單層（SAMs）、以及蛋白質(zhì)吸附等界面現(xiàn)象。

各向異性材料：Mueller矩陣光譜橢偏儀（MMSE）能夠測量完整的偏振響應(yīng)，是分析各向異性材料（如液晶、二維材料）的強(qiáng)大工具。

納米材料：用于研究納米顆粒、量子點(diǎn)等的尺寸效應(yīng)、等離子體共振和介電響應(yīng)。

原位與實(shí)時(shí)監(jiān)測：可在材料生長、沉積或化學(xué)反應(yīng)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測厚度和光學(xué)性質(zhì)的變化動(dòng)力學(xué)。

生物醫(yī)學(xué)：由于其非侵入性，SE被用于研究生物分子相互作用、細(xì)胞吸附、病毒-表面作用，乃至癌癥生物標(biāo)志物的高靈敏度檢測。

光譜橢偏儀已成為材料表征工具箱中不可或缺的一部分。它能夠非破壞性地、高精度地解析從半導(dǎo)體到生物膜等各種材料的結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Spectroscopic Ellipsometry: Advancements, Applications and Future Prospects in Optical Characterization》

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