橢圓偏振技術(shù)是一種非破壞性的表面表征光學(xué)技術(shù)。它通過以傾斜入射角 (AOI) 照射偏振電磁輻射（“光”）來探測樣品。所施加的光子能量通常在電磁波譜的紫外線到紅外線部分的范圍內(nèi)。橢圓偏振技術(shù)可檢測并量化探測光束偏振橢圓的任何變化（因此稱為“橢圓偏振技術(shù)”），這種變化可能在樣品表面反射時發(fā)生（圖 1）。

橢圓偏振測量對樣品表面的任何變化都高度敏感。 特別是，橢圓光度法擅長表征平坦、反射樣品表面上的透明或半透明薄膜涂層。厚度低于 1 nm 的薄膜層（即單原子層或單分子層）也可以作為厚度為幾微米的層或?qū)佣询B進(jìn)行測量。

為了達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和精密度，橢圓偏振測量法發(fā)揮了什么技巧？它歸結(jié)為兩個關(guān)鍵要素：

1. 干涉透明或半透明薄膜層內(nèi)多次反射引起的現(xiàn)象導(dǎo)致反射電磁波的幅度和相位對薄膜層厚度及其折射率的依賴性非常強（圖2）。

2. 探測樣品偏振光和在傾斜興趣區(qū)可以獲取不同入射偏振狀態(tài)的（相對）相位變化。該信息在垂直入射或缺乏偏振控制時會丟失（圖 3）。

雖然反射測量等其他光學(xué)計量技術(shù)僅使用反射光束的強度（即反射波的振幅）來進(jìn)行薄膜表征，但橢圓光度測量還可以獲取樣品引起的探測波的（相對）相移。這種額外的相靈敏度最 終為薄膜層表征帶來了出色的精度和靈敏度。

橢圓測量將樣品的偏振特性轉(zhuǎn)化為每個探測光子能量的兩個實數(shù)，即我們說的橢圓測量參數(shù) Δ（“Delta”，相位信息）和 Ψ（“Psi”，幅度信息）。

為了理解這些量的詳細(xì)含義，我們需要引入樣品表面偏振電磁（EM）波鏡面反射的數(shù)學(xué)描述。一般來說，入射電磁波的振幅和相位會因反射而改變。然而，在傾斜 AOI 中，p 偏振波和 s 偏振波的這些變化量是不同的（圖 3），因此我們可以寫為：

E'p 和 E's是復(fù)數(shù)（i 虛數(shù)單位），分別表示樣品表面反射之前和之后p偏振和s偏振電磁波的電場幅度和相位；rp,s 和 δp,s  分別是樣品引起的幅度和相位變化。

最 后，我們可以給出橢偏參數(shù)的數(shù)學(xué)定義 Δ 和 Ψ :

因此，Δ 是 p 偏振和 s 偏振電磁波的樣品引起的相位差，而 Ψ 量化樣品引起的這些波的振幅變化的比率。