Die Ellipsometrie ist eine optische Technik, die die Änderung des Polarisationszustands von Licht misst, das von einer Oberfläche reflektiert wird. Sie ist die primäre Methode zur Bestimmung der Dünnschichtdicke und der optischen Konstanten dünner Schichten mit einer Empfindlichkeit bis hinunter zur Sub-Angström-Dicke für hochwertige Schichten.
Die Technik misst zwei Parameter: Psi (Ψ) und Delta (Δ). Ψ ist das Amplitudenverhältnis der p- und s-polarisierten Komponenten des reflektierten Lichts. Δ ist die Phasendifferenz zwischen ihnen. Diese Parameter hängen mit den Fresnel-Reflexionskoeffizienten zusammen, die vom Einfallswinkel, der Wellenlänge des Lichts, den optischen Konstanten des Substrats und der Schicht sowie der Schichtdicke abhängen.
Die spektroskopische Ellipsometrie misst Ψ und Δ über einen Wellenlängenbereich, typischerweise vom Ultravioletten bis zum nahen Infrarot. Mehrere Wellenlängen liefern ausreichende Informationen, um sowohl Dicke als auch optische Konstanten gleichzeitig zu bestimmen. Die spektroskopische Ellipsometrie mit variablem Winkel fügt Winkelinformationen für komplexe Mehrschichtstrukturen hinzu.
Die Datenanalyse erfordert ein optisches Modell der Probenstruktur und ein Regressionsverfahren, um die berechneten Ψ und Δ an die gemessenen Werte anzupassen. Der Levenberg-Marquardt-Algorithmus minimiert den mittleren quadratischen Fehler. Das Modell umfasst die Anzahl der Schichten, ihre ungefähre Zusammensetzung und die durch Dispersionsformeln parametrisierten optischen Konstanten. Das Cauchy-Modell beschreibt transparente Materialien. Das Tauc-Lorentz-Modell beschreibt amorphe Halbleiter. Das Drude-Modell beschreibt Metalle.
Die Ellipsometrie wird in der Halbleiterindustrie häufig zur Messung der Gate-Oxid-Dicke, der Fotolackschichtdicke und kritischer Abmessungen eingesetzt. In der Materialforschung charakterisiert sie organische Dünnschichten, selbstorganisierende Monoschichten, Polymerbeschichtungen und 2D-Materialien. In Biologie und Medizin misst die Ellipsometrie die Proteinadsorption auf Oberflächen, Biofilmbildung und Zellanhaftung. Die bildgebende Ellipsometrie ermöglicht die räumliche Kartierung der Schichtdicke mit mikrometerlateraler Auflösung.
In-situ-Ellipsometrie überwacht das Schichtwachstum in Echtzeit während Abscheidungsprozessen. Dynamische Ellipsometrie verfolgt Adsorptionskinetik, Oberflächenreaktionen und Schichtabbau. Die Technik arbeitet in Luft, Vakuum oder Flüssigkeiten.
Zu den Einschränkungen gehören die Notwendigkeit eines geeigneten optischen Modells, Mehrdeutigkeit bei der Bestimmung von Dicke und optischen Konstanten für sehr dünne oder transparente Schichten und eine begrenzte laterale Auflösung durch die Sondenspotgröße. Mehrere Winkel und Wellenlängen reduzieren die Parameterkorrelation.
