Ellipsometrie ist eine optische Technik zum Messen der Dicke und der optischen Eigenschaften von extrem dünnen Filmen oder Schichten aus Material. Die messbaren Eigenschaften sind der Brechungsindex oder wie viel Licht gebeugt wird und der Grad der Lichtabsorption, der Absorptionskoeffizient genannt wird. Ein Ellipsometer ist ein Gerät, mit dem diese Messungen durchgeführt werden.
Ellipsometer funktionieren, indem sie eine gut definierte Lichtquelle auf ein Material richten und die Reflexion einfangen. Moderne Ellipsometer verwenden als Quelle Laser, typischerweise Helium-Neon-Laser. Der Ellipsometerstrahl geht zuerst durch einen Polarisator, so dass nur Licht, das in eine bekannte Richtung orientiert ist, durchgelassen wird. Es geht dann durch ein Gerät, das als Kompensator bezeichnet wird und den Lichtstrahl elliptisch polarisiert. Das verbleibende Licht wird dann von dem untersuchten Material reflektiert.
Die Analyse hängt vom Snell-Gesetz ab; Wenn ein Lichtstrahl auf ein Material trifft, werden einige sofort reflektiert, und einige gehen zur anderen Seite des Materials durch, bevor sie reflektiert werden. Durch Messung der Differenz zwischen den beiden Reflexionen kann die Dicke des Geräts bestimmt werden. Auch das reflektierte Licht erfährt eine Polarisationsänderung; diese Änderung wird verwendet, um den Brechungsindex und den Absorptionskoeffizienten zu berechnen.
Damit ein Ellipsometer richtig funktioniert, muss das untersuchte Material bestimmte physikalische Eigenschaften erfüllen. Die Probe muss aus einer kleinen Anzahl wohldefinierter Schichten bestehen. Die Schichten müssen optisch homogen sein, in allen Richtungen eine identische Molekülstruktur aufweisen und erhebliche Lichtmengen reflektieren. Wenn eine dieser Anforderungen verletzt wird, funktionieren die Standardverfahren nicht.
Ellipsometer sind extrem empfindliche Geräte, die Schichten so dünn wie ein Atom messen können. Sie werden häufig in der Halbleiterfertigung verwendet, bei der aufeinanderfolgende Materialschichten chemisch übereinander gezüchtet werden.
Ellipsometrie ist zerstörungsfrei; ein mit einem Ellipsometer gemessenes Material wird durch das Verfahren nicht nachteilig beeinflusst. Aufgrund dieser Eigenschaft nimmt die Verwendung von Ellipsometern in den biologischen Wissenschaften zu. Biologische Materialien sind weit weniger einheitlich als hergestellte Materialien und haben im Allgemeinen nicht die physikalischen Eigenschaften, die für die traditionelle Ellipsometrie erforderlich sind. Neue Techniken, wie die Verwendung mehrerer Ellipsometer, die in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind, wurden entwickelt, um mit solchen Materialien zu arbeiten.