Spektroskoopiline ellipsomeetria onoptiline mõõtmistehnika, mis on mõeldudõhukeste tahkiskilede dielektriliste omaduste (nagu nt dielektriline funktsioon või kompleksnemurdumisnäitaja) ning paksuse mõõtmiseks. Mõõtmismeetod põhineb valguse peegeldumisel uuritavalt objektilt ning selle aluseks on see, et valguse polarisatsioon muutub peegeldumisel. Nimetus ellipsomeetria tuleneb sellest, et peegeldunud valguse polarisatsioon on üldjuhul elliptiline. Sõna "spektroskoopiline" vihjab sellele, et saadud informatsioon on funktsioon pealelangeva valguselainepikkusest (sagedusest). Saadud spektrilelähendatakse sobiv optiline mudel. Meetod on tuntud vähemalt alates 1888. aastastPaul Drude töödest^[1] ning esimene sõna "ellipsomeetria" dokumenteeritud kasutamine oli 1945. aastal^[2]. Kuna tegemist on uuritavat objekti mitte kahjustava, täpse ning kiire mõõtmismeetodiga, siis leiab see tänapäeval eri valdkondades laialdaselt kasutust. Samuti on tehnikaga võimalik omandada informatsiooni tahkise kiledest, mille paksus ulatubongströmitest^[3] kuni mikromeetriteni välja. Lisaks võimaldab ellipsomeetria usaldusväärselt määrata keeruliste laminaatsete kilede paksust märkimisväärse täpsusega^[4].

Ellipsomeeter mõõdab kahte füüsikalist suurust –${\displaystyle \mathrm{\Psi }}$ ja${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ –, mis tähistavad vastavalt p- ja s-polariseeritud komponentide ehk paralleelselt (sks p –parallel) ja risti (sks s –senkrecht) langemistasandiga asetsevate elektrivälja komponentide suhet (${\displaystyle \mathrm{\Psi }}$) ning faasivahet (${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$). Suurused${\displaystyle \mathrm{\Psi }}$ ja${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ on defineeritud p- ja s-polariseeritud komponentide peegelduskoefitsientide${\displaystyle r_p}$ ja${\displaystyle r_s}$ kaudu^[6]:

${\displaystyle \rho =\tan (\mathrm{\Psi })e^{i\mathrm{\Delta }}=\frac{r_p}{r_s}=\frac{\left(\frac{E_{rp}}{E_{ip}}\right)}{\left(\frac{E_{rs}}{E_{is}}\right)}}$

Peegelduskoefitsiendid on defineeritud kui peegeldunud (${\displaystyle E_r}$) ja pealelangenud (${\displaystyle E_i}$) valguse elektriväljade tugevuste suhe. Uuritavale objektile peale langeva kiirepolarisatsioon on teada. Tavaliselt on p- ja s-polariseeritud komponentide amplituudid võrdsed, nende faasivahe${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ on null ning summaarse komponendi asimuut on 45°. Kuna vaadeldavate elektrivälja komponentide peegelduskoefitsiendid on erinevad, siis pärast katseobjektilt peegeldumist on valguse polarisatsioon muutunud. Seetõttu pole p- ja s-polarisatsioonide amplituudid enam võrdsed ning faasivahe${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ on nullist erinev suurus, peegeldunud valgus on elliptiliselt polariseeritud^[6].

Tüüpiliselt kasutatakse ellipsomeetria katseskeemis peegeldumist, kuid analoogselt on võimalik töötada ka läbiva valgusega. Elektromagnetilist kiirgust annab valgusallikas (ntksenoonlamp), millest tulenev valgus polariseeritakse lineaarse polarisaatoriga, mis võib vajadusel ka pöörelda. Lisaks võib kiirgus läbida ka kompensaatorit (poollaineplaati või veerandlaineplaati) ja kollimeerivat süsteemi ning seejärel langeb valgusvihk uuritavale objektile. Üldiselt koondatakse kiired enne katsekehale jõudmist alla 1 mm läbimõõduga punktiks. Pärast katsekehalt peegeldumist läbivad kiired teise kompensaatori (valikuline) ning polarisaatori, mida nimetatakse analüsaatoriks ning seejärel langevad detektorile (ntCCD). Kompensaatorite asemel on võimalik kasutada ka faasi modulaatoreid ja teisi keerulisemaid optilisi süsteeme. Langev kiir ja peegeldunud kiir moodustavad langemistasandi (langemisnurk ja peegeldumisnurk on võrdsed). Elektrivälja komponenti, mis on polariseeritud langemistasandis nimetatakse p-polarisatsiooniks, ning komponenti, mis on polariseeritud risti langemistasandiga, nimetatakse s-polarisatsiooniks. Kuna mõlemal polarisatsioonil on erinev peegelduskoefitsient, siis pärast peegeldumist pole valgus enam lineaarselt polariseeritud. Kuna p- ja s-komponentide amplituudid ei ole enam samad ning lainetel on faasivahe${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$, siis on peegeldunud valgus elliptiliselt polariseeritud. Katseobjektile langeva valguse langemisnurk valitakse nii, et mõõtmise tundlikkus oleks maksimaalne. Pooljuhtide puhul oleks selline langemisnurk tüüpiliselt 70–80°^[6].

Spektroskoopiline ellipsomeetria kui optiline mõõtmismeetod leiab kasutust väga erinevates valdkondades, alates pooljuhtide füüsikast^[8] kuni mikroelektroonika^[9] ja bioloogiani^[10]. Samuti on tehnika kasutusel nii tööstuses kui ka teaduslaborites. Ellipsomeetriale pole võrdväärset õhukeste tahkiskiledemetroloogias ning meetodit saab kasutada reaktoris kile kasvu jälgimiseks reaalajas^[11]. Näiteksaatomkihtsadestamise võikeemilise aurufaasist sadestamise meetodil ei pruugi aatomkihtide kasv reaktoris olla kogu protsessi vältel ühesugune ning valminud objekti paksuse jagamine kasvutsüklite arvuga ei anna täpset ülevaadet kasvu kiirusest. Ellipsomeetria kui objekti mittekahjustav ja kontaktivaba mõõtmistehnika võimaldab määrata tahkiskile kasvu kiirust kogu protsessi vältel. Tänu kiirte fookusseerimisele saab mõõta väga väikeseid objekte ning kaardistada mõõdetavaid suurusi üle suure pinna. Ellipsomeetria pakub üha enam huvi teadlastele bioloogias ja meditsiinis, kus mõõdetakse erinevate biomolekulaarsete kihtide paksuse variatsiooni^[12].