在先進(jìn)光學(xué)、微電子和材料科學(xué)等領(lǐng)域，透明薄膜作為關(guān)鍵工業(yè)組件，其亞微米級(jí)厚度的快速穩(wěn)定測(cè)量至關(guān)重要。芯片制造中，薄膜襯底的厚度直接影響芯片的性能、可靠性及功能實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)紅外干涉測(cè)量方法受機(jī)械振動(dòng)、環(huán)境光干擾及薄膜傾斜等因素限制，測(cè)量精度難以滿足高精度工業(yè)需求。為此，本研究提出一種融合紅外干涉與激光校準(zhǔn)的薄膜厚度測(cè)量新方法，旨在突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、魯棒的厚度檢測(cè)。FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀憑借其卓越的光學(xué)干涉技術(shù)，在薄膜厚度測(cè)量中展現(xiàn)出高精度、快速檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為本文研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

整體光路設(shè)計(jì):包含紅外測(cè)厚系統(tǒng)（左）和激光校正系統(tǒng)（右）

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傳統(tǒng)測(cè)量方法局限

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薄膜基板（如藍(lán)寶石、硅片）是芯片制造的核心部件，其厚度均勻性直接影響器件性能?，F(xiàn)有測(cè)量技術(shù)存在顯著局限：

• 掃描電鏡（SEM）：精度達(dá)納米級(jí)，但破壞樣本且無法在線檢測(cè)；
• 橢偏儀：對(duì)厚膜（>500μm）測(cè)量失效，多層反射導(dǎo)致相變復(fù)雜化；
• 紅外干涉法：雖適于工業(yè)環(huán)境，但受限于兩大痛點(diǎn)：

• 環(huán)境噪聲（振動(dòng)/雜散光）使原始頻譜最大頻率提取誤差達(dá)±1.5μm；
• 薄膜傾角僅1°即可引入0.3μm誤差（以500μm膜為例），難以滿足高精度產(chǎn)線需求。

紅外測(cè)厚原理

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厚度測(cè)量原理

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方案流程圖

• EMD-LSP算法（ELA）

ELA算法流程

基于光的干涉原理，紅外干涉測(cè)量通過分析薄膜上下表面反射光的干涉光譜計(jì)算厚度。理論模型中，干涉光強(qiáng) I(λ) 與波長(zhǎng) λ 的關(guān)系可表示為：其中，n 為薄膜折射率，d 為厚度。為解決傳統(tǒng) FFT 算法在非平穩(wěn)信號(hào)處理中的局限性，本研究提出EMD-LSP 算法（ELA），通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）過濾原始光譜噪聲，再利用 Lomb-Scargle 周期圖提取最大頻率fj_peak，最終厚度公式為：該算法有效提升了頻率提取精度，為厚度計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

• 激光干涉傾角校準(zhǔn)系統(tǒng)

厚度校正方案

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中薄膜放置傾斜問題，構(gòu)建基于激光干涉的厚度校正系統(tǒng)。通過斐索干涉光路檢測(cè)薄膜前表面形狀，利用澤尼克多項(xiàng)式擬合波前相位，獲取 x 和 y 方向的傾斜分量 βx、βy，并通過幾何關(guān)系推導(dǎo)校正公式：其中，dm為紅外干涉測(cè)量值，dr為校正后的實(shí)際厚度。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械振動(dòng)或操作誤差引起的傾斜誤差的自適應(yīng)校正。

• 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

雙光路架構(gòu)：紅外測(cè)量光路：960–1080nm波段獲取厚度原始光譜；激光校準(zhǔn)光路：632.8nm激光監(jiān)測(cè)薄膜傾角；兩通路光譜分離避免干擾，計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋。

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工業(yè)級(jí)精度驗(yàn)證

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測(cè)量精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

藍(lán)寶石基底AFM圖像(a)二維；(b,c)三維使用 6 組不同厚度的藍(lán)寶石襯底（82.03μm 至 751.88μm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別采用 FFT、LSP 和 ELA 算法處理原始光譜。不同厚度薄膜的測(cè)量結(jié)果測(cè)厚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：(a)平均誤差；(b)方差

結(jié)果表明，ELA 算法較 LSP 提升測(cè)量精度約87.92%，較 FFT 提升約95.6%；測(cè)量穩(wěn)定性較 LSP 和 FFT 分別提升67.96%和93.86%。這得益于 EMD 對(duì)環(huán)境噪聲的有效過濾及 LSP 對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的適應(yīng)性。

• 傾角校正效果

傾斜薄膜厚度校正結(jié)果

• 未校準(zhǔn)時(shí)：傾角3°時(shí)751μm膜誤差達(dá)4.7μm；
• 校正后：誤差降至0.07μm（修正率97.87%），證實(shí)系統(tǒng)對(duì)≤3.75°傾角耐受性。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該方法在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中具有可靠的抗干擾能力。本研究提出的紅外干涉與激光校準(zhǔn)融合方法，通過EMD-LSP 算法提升了光譜分析精度，結(jié)合激光干涉實(shí)現(xiàn)了傾斜誤差的自適應(yīng)校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法較傳統(tǒng)技術(shù)測(cè)量精度提升約 90%，穩(wěn)定性提升約 70%，且對(duì)傾斜薄膜的測(cè)量誤差校正效果顯著。其高精度、緊湊低成本的系統(tǒng)特性，滿足了工業(yè)生產(chǎn)中高效快速的測(cè)量需求。

FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀

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FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀是一款專為納米級(jí)薄膜測(cè)量設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)高精度設(shè)備，采用光學(xué)干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，測(cè)量精度達(dá)±0.1nm，1秒內(nèi)即可完成測(cè)試，顯著提升產(chǎn)線效率。

高精度測(cè)量：光學(xué)干涉技術(shù)，精度±0.1nm，1秒完成測(cè)量，提升產(chǎn)線效率。

智能靈活適配：波長(zhǎng)覆蓋380-3000nm，內(nèi)置多算法，一鍵切換材料模型。

穩(wěn)定耐用：光強(qiáng)均勻穩(wěn)定（CV＜1%）年均維護(hù)成本降低60%。

便攜易用：整機(jī)＜3kg，軟件一鍵操作，無需專業(yè)培訓(xùn)。

本研究通過算法-光路協(xié)同創(chuàng)新借助FlexFilm 單點(diǎn)膜厚儀的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)薄膜厚度的“測(cè)量-校準(zhǔn)”一體化。ELA算法解決了噪聲敏感痛點(diǎn)，激光干涉傾角校正攻克了機(jī)械振動(dòng)下的精度退化難題，為國(guó)產(chǎn)芯片制造裝備的膜厚監(jiān)測(cè)模塊提供了新范式。原文出處:《A method for measuring and calibrating the thickness of thin films based on infrared interference technology》

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