椭圆偏振光谱测量技术通过测量线偏振光经材料表面反射后光的相对振幅与相位改变量计算得到椭偏参数, 再通过椭偏参数的拟合获取样品光学性质。由于其具有非接触、高灵敏度、非破坏性等优势, 广泛应用于物理、化学、材料科学和微电子等方面, 是一种不可或缺的光学测量手段。本文首先简要回顾了该技术的发展历程, 接着阐述了传统椭偏仪的基本原理, 按照测量原理的不同可将椭偏仪分为消光式和光度式。随后, 本文简单介绍了一些常用椭偏仪的基本架构、测量原理和相关应用, 并比较了他们的优缺点, 重点展示了复旦大学研制的双重傅立叶变换红外椭偏光谱系统。然后按照椭偏参数处理的基本步骤: 测量、建模与拟合3个方面, 阐述了其过程, 详细剖析了参数拟合所使用的各种光学色散模型, 同时通过应用实例介绍了各色散模型的应用情况。最后, 对未来椭偏技术的发展方向进行了展望。

光谱椭偏测量技术已广泛应用于材料科学、微电子、物理化学和生物医学等领域。在光谱椭偏测量系统中，由于起偏器和检偏器存在漏光等瑕疵，光源子系统的偏振度和光谱仪子系统的偏振敏感度会影响光谱椭偏系统的测量精度。针对这一问题，本文建立了光谱椭偏测量系统的偏振相关系数的修正模型；并提出了一种同时测量光源子系统和光谱仪子系统偏振相关系数的方法。利用现有实验室内的宽带光源系统和宽带光谱仪验证了这种测量方法的可行性。

针对穆勒矩阵成像椭偏仪的系统误差源提出一种简化分析方法,将光强曲线的理想傅里叶级数系数组与实际系数组进行近似匹配,建立穆勒矩阵测量误差与误差源参数之间的线性模型。针对解析式复杂的随机方位角误差,从统计学角度提出了一种等效噪声模型以分析其对测量结果的影响。采用上述简化方法系统分析了椭偏仪的6种系统误差源和2种随机误差源对穆勒矩阵测量结果的影响,并以一个典型光刻投影物镜的穆勒光瞳为检测对象,进行了检测仿真。仿真结果验证了所提方法分析的准确性。

为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量, 建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析, 针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点, 设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源, 并控制AD采样; 同时产生正弦和余弦参考序列, 并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取, 进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753 nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明, 采样时间为20 ms时, 椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°, 标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200 ms时, 椭偏参量测量平均值与20 ms的非常接近, 标准偏差减小, 并且都在0.001°量级, 揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。

采用自制的As₂Se₃玻璃棒,制备了具有不同厚度、背面粗糙度和表面光洁度的样品,借助红外光谱椭偏仪测试了样品折射率,通过光学模型拟合得到了其折射率参数。对比分析了厚度、背面粗糙度和表面光洁度对样品折射率的影响。结果表明:样品厚度、背面粗糙度和表面光洁度都会明显影响椭偏仪的测量精度,其中表面光洁度是关键因素。样品厚度应控制在1~3 mm,同时增大样品背面粗糙度和样品表面光洁度,可显著提高椭偏仪的测试精度。

通过椭偏仪对生长在蓝宝石上的不同厚度氮化铝薄膜的变温光学性质进行了研究, 并采用托克-洛伦兹模型对椭偏实验数据进行了拟合分析, 精确得到了氮化铝薄膜的厚度和光学常数(折射率n, 消光系数k)等.研究的结果表明: 相比薄的氮化铝薄膜, 厚的氮化铝薄膜的折射率较大.随着温度的升高, 氮化铝的折射率、消光系数和带隙会向低能端单调地移动(红移)；厚度对带隙随温度改变的影响较小, 对折射率则有一定的影响.

立方碳化硅(3C-SiC)薄膜通过化学气相沉积(CVD)制备在Si(100)衬底上。本论文主要通过椭偏光谱仪(SE)和拉曼散射仪对3C-SiC薄膜的微观结构和光学性能进行进一步的研究。根据SE的分析获得3C-SiC薄膜厚度；根据拉曼散射的分析:可从TO模式和LO模式的线形形状的拟合得到样品的相关长度和载流子浓度。结果表明:该碳化硅(3C-SiC)薄膜质量随膜厚度增加而得到提高,同时分析了外延层厚度对薄膜特性的影响。

利用弹光调制器的偏振调制优势, 提出了将弹光调制器和电光调制器级联的组合相位调制型椭偏测量术。该技术采用单光路实现信号探测, 通过切换电光调制器的两个工作状态, 并结合数字锁相信号处理技术来完成样品反射光的p分量和s分量的幅值比Ψ和相位差Δ的全范围高精度测量。对提出的新型椭偏测量原理进行了分析, 搭建了相应的实验系统。完成了弹光调制器的调制电压峰峰值和相位调制幅值关系的定标, 定标结果优于99.05%, 然后还采用系统初始偏移值的方法对实验系统进行了校准。最后, 运用该系统对石英玻璃反射样品进行了实验分析, 得到的Ψ和Δ的测量精度分别优于0.08°和0.81°。实验结果显示系统校准有效地消除了电光调制器和弹光调制器的剩余双折射引入的测量误差; 数据采集和处理时间均在ms量级。提出的测量技术具有宽光谱测量、工作稳定、重复度高、测量速率快、成本相对较低和系统便于工业自动化集成的潜在优势。

本论文采用全反射式光学聚焦结构，通过独特的偏振控制技术，实现宽光谱、无色差成像椭偏仪的研制。在系统校准过程中采用多样品校准方法，利用校准得到的系统参数对待测样品进行成像椭偏分析，确定样品椭偏角ψ和σ及薄膜厚度的空间分布。为测试自制成像椭偏仪的准确性，本文对3 nm~300 nm 的SiO₂/Si 样品在200 nm~1 000 nm 内多波长下进行成像椭偏测量。实验结果表明，SiO₂ 薄膜厚度最大相对测量误差小于6%。