Ellipsometrie ist ein hochsensitives, optisches Reflexionsverfahren zur Bestimmung der komplexen Brechungsindices (n, k) und der Schichtdicke von dünnen Filmen. Sie basiert auf der Messung der Änderung des Polarisationszustands eines Lichtstrahls nach Reflexion an einer Probenoberfläche. Anstatt Intensitäten zu messen, erfasst die Ellipsometrie die komplexen Reflexionskoeffizienten für p- und s-polarisiertes Licht, meist parametrisiert durch die Winkel Ψ und Δ.

Die Auswertung erfolgt über ein optisches Modell des Schichtstapels (Substrat, eine oder mehrere Schichten, Rauigkeits- und Übergangsschichten). Aus dem Vergleich gemessener und modellierter Ψ- und Δ-Spektren werden mittels nichtlinearer Regression Schichtdicken, optische Konstanten sowie ggf. Volumen- oder Porositätsanteile bestimmt. Dies erfordert präzise Dispersionsmodelle (z. B. Cauchy, Sellmeier, Tauc–Lorentz) und ist inhärent modellabhängig.

Spektroskopische Ellipsometrie erweitert die Messung auf einen breiten spektralen Bereich vom UV bis zum NIR und erlaubt so die Ermittlung dispersiver Materialparameter, Bandlücken und Anregungen (z. B. Plasmonen, Exzitonen). Für dynamische Prozesse kommt operando-spektroskopische Ellipsometrie zum Einsatz, bei der während elektrochemischer, thermischer oder mechanischer Beanspruchung in situ gemessen wird, um z. B. Wachstums-, Alterungs- oder Phasenübergangsprozesse in Echtzeit zu verfolgen.

Ellipsometrie ist nicht-destruktiv, sehr oberflächen- und schichtsensitiv (Sub-Nanometer-Bereich) und findet breite Anwendung bei Halbleitern, Oxiden, Polymeren, dünnen Metallen und funktionalen Beschichtungen. Grenzen liegen u. a. bei stark streuenden, rauen oder stark absorbierenden Systemen sowie bei strukturierten Oberflächen, bei denen eindimensionale Schichtmodelle nicht mehr ausreichen.