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薄膜測量解決方案

薄膜是沉積在另一種物質表面的非常薄的物質層，廣泛應用于技術工藝行業，如鈍化絕緣層、防擴散層、硬涂層等。集成電路就主要由薄膜的沉積和選擇性的去除組成。

隨著信息產業的發展進步，光學薄膜的市場需求持續增長，同時對器件的特性要求也日益嚴格。物理厚度作為薄膜最基本的參數之一，對整個器件的最終性能具有重要影響。因此，快速而精確地測量薄膜厚度具有重要的實際意義。

一、薄膜測量原理

由于光學測量方法準確，無破壞，只需很少或無需專門樣品，光學測量法常常是薄膜測量的首選方法。傳統的測量薄膜物理厚度的光學方法主要有光度法和橢偏法兩種。其中光度法是通過擬合分光光度計測得的透/反射率曲線來得到光學薄膜厚度的一種方法，但它要求膜層較厚以產生一定的干涉振蕩并且只能測量弱吸收膜；橢偏儀測量具有靈敏度高的優點，但是受界面層等因素的影響，需要復雜的數學模型來求解厚度，上述方法已經成功而廣泛地應用在各個領域。然而，隨著近年來微光機電系統等微加工技術的發展，經常需要在高低起伏的基板上（patterned substrate）沉積薄膜，因此用測量表面輪廓的白光干涉儀來進行薄膜厚度測試的方法引起了人們的關注。

橢圓偏振儀的基本原理

光學測量是通過精確測量薄膜與光線的相互作用來獲取薄膜特性的技術。這些特性包括薄膜的厚度、表面粗糙度以及光學常數等。光學常數是一個重要的物理參數，用于描述光在通過某種物質時如何傳播和反射。這些常數可以提供有關材料光學性質的重要信息，例如折射率、消光系數和介電常數等。

通過光學測量，我們可以將這些光學常數與其他材料參數（如成分和帶隙）相關聯。例如，對于一種特定類型的半導體材料，其光學常數可以揭示其帶隙寬度，這是決定其電子和光學性能的關鍵參數。

光學常數（n和k）描述光如何通過薄膜傳播。在某個時間光穿過一種物質的電磁場可以簡單表示為

其中x：距離，λ：光波長，n和k：薄膜相應的折射率和消光系數。折射率是光在物質和真空中傳播速度的比值。消光系數是測量光在物質中被吸收了多少。

n 雙縫干涉實驗

光的干涉是指兩列或兩列以上的光波在空間中重疊時，由于頻率相同、相位差恒定，使得某些區域的光強相互加強，某些區域的光強相互減弱，從而出現干涉現象。

楊氏雙縫干涉實驗是一種經典的物理實驗，用于研究光的波動性質。光源發出的光通過兩條狹縫，形成了兩束相干光波，它們在屏幕上產生干涉圖案。當兩束光波的波峰或波谷恰好相遇時，它們會產生加強的干涉，形成明亮的條紋。相反，當一個波峰遇到一個波谷時，它們會產生相消干涉，形成暗條紋。這些干涉圖案展示了光的波動性質。

光程差為

可以得到相位差為

干涉條紋的形狀，即等強度線是一組縱向（即與紙面垂直）的平行直線。干涉條紋的間距△x定義為兩條相鄰亮紋（強度極大）或兩條暗紋（強度極?。?nbsp;之間的距離。單色光的干涉條紋寬度相同，明暗相間，均勻分布。不同色光條紋寬度不同，波長越長的干涉條紋的寬度越大。

光纖光譜儀實現薄膜厚度測量

當入射光穿透不同物質的界面時將會有部分的光被反射，由于光的波動性導致從多個界面的反射光彼此干涉，這兩部分反射光可能干涉相長（強度相加）或干涉相消（強度相減），這取決于它們的相位關系。而相位關系取決于這兩部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光學常數和光波長決定的。

薄膜厚度測量原理示意圖

薄膜測量系統是基于白光干涉的原理來確定光學薄膜的厚度。白光干涉圖樣通過數學函數的計算得出薄膜厚度。對于單層膜來說，如果已知薄膜介質的n和k值就可以計算出它的物理厚度。

如下圖為光鍍有折射率為η膜層折射率為n₁的基板光路示意圖，在折射率為n₁的基板上鍍有復數折射率η為厚度為d的一層薄膜，放在折射率為n₀的空間。假定薄膜的復數折射率η=n1+ik，當一光以幅度A從n₀空間垂直入射（θ=0）到膜表面時（為便于分析，圖中入射光有一定角度，實際測量中此角度一般很小，對測量的影響可以忽略不計），由于多次反射，在膜上表面有一系列的反射光。

光鍍有折射率為η膜層折射率為n1的基板光路示意圖

使用光纖光譜儀測量薄膜的厚度主要是通過反射光譜，反射光譜曲線中干涉峰的出現是薄膜干涉的結果。

二、應用領域

薄膜測量解決方案可實現基本上所有光滑的、半透明的或低吸收系數的薄膜的測繪，如光刻膠、氧化物、硅或者其他半導體膜、有機薄膜、導電透明薄膜等膜厚精確測量，被廣泛應用于半導體、微電子、生物醫學等領域。

l 半導體領域：GaN涂層、SiO₂、光刻膠、SOI等

l 顯示面板領域：涂布厚度檢測等

l 精密光學領域：二氧化硅膜、氟化鈣膜等

l 聚合物薄膜、PET、PC、亞克力等

l 光學鍍膜：硬涂層、抗反射層等

三、薄膜測量

為了實現設計功能，薄膜必須有合適的厚度，成分，粗糙度，和特定應用的其他重要特性。這些特性往往需要在薄膜的制造過程之中或之后測量。光學和探針測量是薄膜測量的兩種主要類型。

基于白光干涉理論，利用萊森光學光纖光譜儀可以實現薄膜的高精度測量。這種測量方法通過正角度入射的反射率來獲取薄膜的厚度和折射率信息，并通過提取光入射薄膜前后的相位變化來進行計算。相比傳統的光度法和偏法，這種測量方法具有更高的精度和更快的測量速度，同時結構簡單、成本低廉，為光學薄膜厚度的測量提供了一種簡便、快速且可靠的解決方案。

光纖光譜儀薄膜測量原理示意圖

反射探頭光路圖

光纖光譜儀測薄膜厚度的優點：

l 高速度的數據采集：光纖光譜儀可以實現快速地搜集樣品數據，使得其非常適合用于在線實時測量。這大大提高了測量效率，并能及時提供所需的數據。

l 非接觸式光學測量：這種測量方式不會對樣品造成任何損耗，從而保證了樣品的完整性。這在對那些難以接觸或易損壞的樣品進行測量時顯得尤為重要。

l 緊湊的尺寸和輕便的重量：光纖光譜儀的系統體積小，重量輕，使得其測量非常靈活。通過USB連接方式，可以實現即插即用的便捷性。

l 可定制的波段選擇：用戶可以根據自己的需求，定制不同波段的光譜儀。這大大提高了儀器的適應性，使其能夠滿足各種不同的測量需求。

l 可測量多層膜厚：光纖光譜儀不僅可以測量單層薄膜的厚度，還可以同時測量多層膜的厚度。這使得其在多層膜材料的測量中具有顯著的優勢。

半導體硅片膜厚測試

測量軟件

對于LiSpecView軟件目前只能夠實現薄膜的厚度測量，所有需要預先知道材料的光學參數（NK值）。

1） 測量材料：測量所有半透明薄膜，透明或則不透明的半導體材料。

2） 薄膜厚度范圍：測量薄膜厚度范圍依賴于材料和光譜儀配置。理論上估計可以實現1nm-1mm測量。

3） 測量薄膜層數：一般情況下使用為1-3層；有一些條件下應該可以測量到12層。對于大于3層薄膜的厚度測量的精確度需要進行評估。

4） 基底材料：基底材料表面的粗糙度限制最小測量膜厚。

5） 必備信息：膜層的順序，材質，光學參數（NK值）。

不同膜層厚度，對應的光譜儀配置不同（波長范圍和分辨率）及光源的選擇不同

*依賴于測量的材料。

當我們對物體進行透射測量時，光譜儀等配件選擇的重要性不可小覷。整套解決方案的每個部分都和測量結果的可靠性和準確性密切相關。接下來我們就透射測量解決方案（光譜配件、探頭等等）進行詳細分析。

? 光源：

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、iLight-HAL-UV鹵鎢燈

iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源

iLight-Xe 氙燈

? 光纖：

采用純度很高的進口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數值孔徑的多模光纖

? 光譜儀：

使用時可根據待測光源的發光強度強弱配置LiSpec-UV100、LiSpec-HS400、LiSpec-HSR100-TEC系列的光譜儀，萊森光學的光譜儀擁有獨有降噪低噪聲電路控制技術，光譜儀暗噪聲極低，具有優良的穩定性和高信噪比。