基本幾何形狀類似于任何橢偏儀的典型設置：光源和偏振控制器安裝在儀器的一個“臂”上，提供以傾斜入射角 (AOI) 照射樣品的光束。探測光束從樣品反射或透過樣品，并由另一個“臂”收集以進行偏振分析和強度檢測。 兩個“臂”都安裝在機械高精度測角儀上，以在不同的 AOI 處探測樣品。

成像橢偏儀的顯著特點是在檢測“臂”中使用成像組件（圖 1）。位于樣品和偏振分析儀之間的顯微鏡物鏡在數字圖像檢測器（CMOS相機的CCD）上創建被照明的樣品表面的放大圖像。該相機不僅用于監控探測的樣品點（就像在常規橢圓偏振儀中那樣），而且相機像素本身就是用于橢圓偏振測量的光電探測器。

成像橢偏儀延續了傳統橢偏儀的測量原理：它們測量樣品引起了探測光束偏振的變化。這種變化被轉化為每個探測光子能量的兩個實數，即所謂的橢圓參數 Δ  （“Delta”）和Ψ（“Psi”）。 通過計算樣品建模，這些參數轉化為感興趣的樣品屬性，例如：一層或多層的厚度、折射率和/或吸收率。

然而，與傳統的橢偏儀相比，成像橢偏儀在調制探測偏振態和/或偏振分析儀（偏振調制）時采集顯微鏡圖像堆棧（而不是“僅”強度值）。相機的每個像素都充當單獨的光電探測器，從而并行測量超過 500 000 條強度曲線。然后顯微鏡圖像的每個像素返回一個測量值Δ 和 Ψ,從而形成了所謂的 Δ-Ψ-圖。因此，計算模型現在提供了像素級的轉換 Δ-Ψ-圖模型擬合結果的空間分辨顯微照片，特別是厚度圖和/或折射率圖（圖。1）。

Accurion 的成像橢偏儀應用所謂的PCSA（偏振器、補償器、樣品、分析器）：偏振控制（或偏振狀態發生器，PSG）包括線性偏振器和用于相位延遲的波片（“補償器”）。偏振分析器（或偏振態分析器，PSA）位于顯微鏡物鏡和圖像檢測器之間，僅包含一個線性偏振器（圖2）。

三個偏振組件（P、C、A）安裝在電動空心軸旋轉器上，用于偏振調制。 Accurion 的成像橢偏儀采用以下方法: 歸零橢偏儀和旋轉補償器橢偏儀。在這兩種情況下，采集的圖像堆棧的每個像素都會產生一條強度曲線，該曲線是所應用的 P、C 和 A 旋轉角度設置的函數：

• 歸零橢偏儀 (NE)：歸零模式迭代地旋轉偏振器 (P) 和檢偏器 (A) 以檢測相對強度最小值的角位置，以便計算 Δ 和 Ψ（圖3）。 這是各種橢圓偏振模式中高度 精 準的，對于檢測折射率和/或層厚度的微小變化（例如單原子或單分子層階）特別有用。

• 旋轉補償器橢偏儀 (RCE)：RCE 測量相機信號作為補償器旋轉角度的函數（圖 4）。它是市場上常見的橢圓偏振模式之一，因為它可以對所有類型的樣品進行快速測量。

成像橢偏儀的一個突出特點是在單個儀器中提供這些互補的橢偏儀模式。

光譜成像橢偏儀測量樣品的橢偏特性作為探測波長（或光子能量）的函數。它產生高光譜 Δ-Ψ-圖，其中每個圖像像素都包含測量的橢圓光譜（圖 1）。光譜測量是實現薄膜樣品完整且高精度表征的通用方法（圖 2）。因此，它們在過去二十年中已成為成像橢偏儀的標準用例。我們的大多數成像橢偏儀都配備了光譜測量功能。

得益于數碼相機技術的進步和寬帶光學組件的定制設計，Accurion 提供適用于電磁波譜的紫外線 (UV)、可見光 (VIS) 和紅外線 (IR) 部分各種光譜范圍的光譜成像橢偏儀。用于寬帶測量的高端成像橢偏儀可以配備多達三個不同的相機，以覆蓋從紫外線到紅外線的整個光譜范圍。

成像橢偏技術本質上與常規橢偏技術有著相同的數據分析程序。測量得到的 Δ-Ψ-圖主要用作傳輸量，從中計算出感興趣的物理樣品屬性，例如層厚度、折射率和/或吸收率。 一般來說，這些值是從計算樣本建模中獲得的，其中包含未知樣本屬性作為浮動參數，并將模型與測量數據進行比較。通過回歸分析，模型得出自由參數的最 終值，從而產生計算模型和測量數據的優質匹配（圖1）。

此外，（高光譜）Δ-Ψ-圖 還攜帶樣品表面的結構信息（畢竟，它們是顯微鏡圖像！），這些信息將被非成像測量忽略。這允許將橢偏數據分析與顯微鏡和高光譜成像的圖像分析工

• 整個 Δ-Ψ-圖 可以轉換成物理樣品屬性的圖像，例如顯示整個測量表面的層厚分布的圖像（圖 2）。

• 直方圖、橫截面和線輪廓等工具有助于識別結構不規則性、評估值分布并區分階梯狀和梯度表面特征（例如層厚階梯和梯度；圖 3）。

• 測量后可以提取任何像素組的光譜，例如分別分析成像樣品表面不同部分的層厚度和材料特性（圖4）。

• 圖像本身可能會揭示意想不到的表面特性，例如殘留的清潔污染物或損壞，可能會扭曲建模結果，例如在常規（非成像）橢偏儀中。

橢圓偏振技術是一種非破壞性的表面表征光學技術。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。橢圓偏振技術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”），這種變化可能在樣品表面反射時發生（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層堆疊進行測量。

為了達到高標準的準確度和精密度，橢圓偏振測量法發揮了什么技巧？它歸結為兩個關鍵要素：

1. 干涉透明或半透明薄膜層內多次反射引起的現象導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可以獲取不同入射偏振狀態的（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計量技術僅使用反射光束的強度（即反射波的振幅）來進行薄膜表征，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化為每個探測光子能量的兩個實數，即我們說的橢圓測量參數 Δ（“Delta”，相位信息）和 Ψ（“Psi”，幅度信息）。

為了理解這些量的詳細含義，我們需要引入樣品表面偏振電磁（EM）波鏡面反射的數學描述。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是復數（i 虛數單位），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的數學定義 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。

任何橢偏樣品表征至少包括兩個步驟：

第 一步，橢圓偏振儀測量樣品引起的偏振變化，每個探測光子能量可以將其轉化為兩個實數。 這些就是所謂的橢偏參數 Δ（“Delta”）和 Ψ（“Psi”）。 這些參數可以理解為所研究的樣品如何與偏振光相互作用的“指紋”。

第二步，測量值 Δ 和 Ψ 用于計算感興趣的樣品屬性，例如層厚度、折射率和/或吸收率。 專門的數據分析軟件使用樣本的計算模型來計算預期值 Δ 和 Ψ 并將其與測量值進行比較。 然后將感興趣的屬性用作浮動參數，以找到實驗數據和模型數據的優質匹配。因此，橢圓光度術是一種基于模型的（間接）光學厚度和折射率測量技術。

為了執行橢偏測量，任何橢偏儀設置至少由四個組件組成：光源、偏振態發生器 (PSG)（由一些偏振光學器件組成并放置在樣品之前）、偏振態分析儀 (PSA)； 更多偏振光學器件）放置在樣品后面的光束路徑中，以及光電探測器。 PSG 和 PSA 分別控制和分析探測光和反射光的偏振態。

Δ-和Ψ-值的測量基于針對偏振控制和/或偏振分析（偏振調制）的不同設置的一系列強度測量。根據這些強度值以及 PSG 和 PSA 的已知設置，可以直接計算 Δ- 和 Ψ- 值。

PSG 和 PSA 設計有多種類型，應用的偏振調制模式甚至更多。 Accurion 的橢偏儀采用非常常見的設計，即使用線性偏振器和四分之一波片（λ/4 板）作為 PSG，以及使用單一線性偏振器作為 PSA。對于偏振調制，他們應用了以下技術歸零橢偏儀和旋轉補償器橢偏儀。