椭偏仪原理以及应用
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摘要： 椭偏测量技术通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化，获得
材料的
光学常数和结构信息。本文主要介绍了椭偏仪的背景概述、光学原理。并对行业最前沿最高端的的双旋转穆勒矩阵椭偏仪进行功能概述，希望对广大的技术从业人员会有帮助。
ZHICpL 关键词：椭偏仪、椭偏仪原理、穆勒矩阵椭偏仪
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X5qU>'?` 概述
A ! <R? 椭偏测量技术通过测量光在介质表面反射前后偏振态变化，获得材料的光学常数和结构信息，具有测量精度高，非接触，无破坏且不需要真空。
k^]+I% ?Q }9:\# 自从1887年，德鲁德提出椭偏理论，建立了世界上第一套实验装置并成功地测量了18种金属的光学常数起，1945年，Rothen第一次提出了椭偏仪一词。之后，椭偏仪有了很大的发展，被广泛应用于
薄膜测量这一领域。根据椭偏仪的工作原理，主要分为消光式和光度式两类。在普通椭偏仪的基础上，椭偏
光谱仪、红外椭偏光谱仪、成像椭偏仪和广义椭偏仪又发展出来。
=9YyUAJZ l8GziM{lp 2 椭偏仪的测量原理
M$%aX,nk' 2j 4VW0: 椭偏仪的结构及光路如图1所示，椭偏光在样品表面上的反射、折射、多光束干涉过程，介质表面作用会引起前后偏振态（椭偏
参数 ψ振幅比和 Δ相位差）变化，通过获得材料的光学常数和结构信息。
p."pI Bd _7] 5 Q 通过后期关联 ψ振幅比和 Δ相位差的光学模型匹配获取所关心的参数值：
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6VQ*z8wLw 3.穆勒矩阵椭偏仪
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u 穆勒矩阵偏振仪(Mueller Matrix Ellipsometer)也称为广义椭偏仪，与传统光谱椭偏仪相比，广义椭偏仪可以改变
波长λ、入射角θ和方位角ψ这3个测量条件，每次测量条件下都可以获得一个4×4阶的穆勒矩阵(Mueller matrix)共16个参数（测量原理示意图如图2.所示），因此可以比传统光谱椭偏仪获得丰富得多的测量信息。其中不同配置椭偏仪，一次测量能获得的元素的数目是不同的。基于双旋转补偿器(DRC, dual rotating compensator)配置的穆勒矩阵椭偏仪可以一次测量获得全部穆勒矩阵的16个元素。
{TzKHnP 从椭偏行业研讨会最新信息来看，双旋转补偿器型穆勒矩阵椭仪仍然是目前国际上深紫外到近红外波段椭偏测量技术的最高水平。目前只有武汉颐光科技有限公司(www.eoptics.com.cn)和美国woollam公司是目前国际上仅有的两家成熟掌握该专利技术且可以实现商品化的厂商。
0OEyJ|g 以武汉颐光科技的ME-L型穆勒矩阵型椭偏仪（光学仪器结构如图2.所示）为例，穆勒矩阵椭偏仪具有超宽光谱范围、重复性测量精度高、测量速度快、仪器操作便捷、光学模型丰富。可通过反射/透射率、椭偏参数、穆勒矩阵和退偏指数等参数测量，实现各种光学薄膜和
纳米结构的表征分析等优势，作为高端科研仪器，特别适合分析各向异性材料。
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sTeL4g|%{ u~1[nH: 4.椭偏仪的应用
6rt .ec ( 椭偏仪可应用于纳米光学薄膜厚度、材料光学常数、纳米结构关键尺寸等分析表征：
半导体：半导体薄膜，如介电/金属薄膜，AlGaN、ZnO等宽禁带半导体材料；集成电路：周期性纳米结构，如光刻掩模光栅结构，纳米压印结构，刻蚀深沟槽结构等；平板显示：LCD、OLED新型平板显示中有机、无机多层薄膜结构等；光伏
太阳能：硅、多元化合物、有机化合物、聚合物等光伏薄膜材料；新材料、新物理现象研究：材料光学各向异性、退偏效应、电光效应、光弹效应等。
