碳化硅单晶衬底作为宽禁带半导体材料处于半导体产业链的前端,是制造器件的核心关键材料,在光电器件、功率器件和射频器件等领域具有明显应用优势。合格的衬底需要经历磨抛等多个加工阶段达到超光滑、无表面和亚表面损伤的质量,以满足制备高质量外延的严苛要求。加工后产生的亚表面损伤层是评价衬底质量和加工工艺的重要指标。但对纳米尺度的损伤层,其无损高精度测量仍然是一大挑战。围绕亚表面损伤层的定量化评价,本文提出采用具有16个元素的穆勒矩阵光谱椭偏技术,探索实现碳化硅衬底和亚表面损伤层参数的无损表征方法。不仅可以表征亚表面损伤层的厚度,也可同时表征与器件光电性能密切相关的光学特性参数。主要研究工作和成果如下:（1）提出基于穆勒矩阵椭偏光谱的碳化硅衬底损伤层无损高精度测量和定量化表征方法。椭偏检测精度达到亚纳米级,经椭偏建模分析得到损伤层厚度和透射电子显微镜测量的厚度结果相当。并且与破坏性检测方式相比,极大缩短了检测时间。（2）提出一种从小角度偏角透射椭偏测量获得单轴晶体光学各向异性的方法。基于穆勒矩阵微分分解理论,建立了穆勒矩阵微分元素与碳化硅各向异性值（双折射和二向色性）之间的关系,理论公式是完全解析的,不需要建立光学模型和进行数值反演。该方法具有10-4的求解精度,数值计算误差仅为0.0006。该方法亦适用于其它单轴晶体各向异性值的求解。（3）提出分别适用于单面抛光和双面抛光碳化硅衬底中碳化硅光学常数和损伤层参数的求解策略。通过建立的椭偏光学仿真模型,分析了碳化硅衬底样件特征的椭偏光学响应。同时结合穆勒矩阵实验测量和建模拟合分析,探究了完全相干和部分相干条件下的抛光碳化硅衬底的表征方案。对于单面抛光衬底,提出采用多入射角测量下振子模型拟合碳化硅和损伤层折射率的表征策略。对于双面抛光衬底,提出采用多入射角和多旋转角测量,点对点方式拟合碳化硅复光学常数,振子模型拟合损伤层折射率的表征策略。（4）构建了透射测量辅助反射椭偏建模表征的衬底分析策略,研究了衬底磨削和抛光加工工艺下的损伤层表征方案。建立了考虑衬底表面纹理结构的测量方案:选择衬底表面纹理方向垂直于入射平面时进行穆勒矩阵光谱测量,可从损伤以及界面信息中获得最大的光谱响应。优化了表征策略并有效减少了建模拟合的复杂度:对于双面抛光衬底,在只拟合损伤层参数的情况下,用于椭偏拟合的部分相干光学模型可以简化为完全相干模型,以忽略背面反射。最后提出采用穆勒元素m34作为损伤相对程度的评价指标。椭偏分析得到化学机械抛光（CMP）碳化硅衬底损伤层的厚度为2.6±0.1nm（TEM结果2.4±0.2 nm）,表明椭偏具有亚纳米级的检测精度。椭偏光谱测量和分析单点的穆勒矩阵光谱数据仅需数十秒。所建立的穆勒矩阵光谱椭偏表征方案和分析技术为实现碳化硅衬底加工损伤层的质量评价提供了一种新方法。研究结果为优化碳化硅衬底加工工艺、揭示损伤层对外延的影响机制具有重要意义。