在半導(dǎo)體和顯示器件制造中，薄膜與基底的厚度精度直接影響器件性能?，F(xiàn)有的測量技術(shù)包括光譜橢偏儀（SE）和光譜反射儀（SR）用于薄膜厚度的測量，以及低相干干涉法（LCI）、彩色共焦顯微鏡（CCM）和光譜域干涉法（SDI）用于基板厚度的測量。本研究提出SR-SDI集成光學(xué)系統(tǒng)，通過可見光反射譜與近紅外干涉譜的協(xié)同處理，實現(xiàn)跨尺度同步厚度測量，并開發(fā)模型化干涉分析算法，將基底厚度測量誤差降至8 nm以下。

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光譜反射儀（SR）

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首先，通過擬合理論反射譜到實驗反射譜來確定薄膜的厚度。理論反射譜由薄膜層兩個界面處的多次反射和透射建模得出。公式如下：其中，r01和 r12分別是空氣到薄膜和薄膜到基板的菲涅爾反射系數(shù)，λ 是波長，N~1 是薄膜材料的已知折射率。實驗反射譜通過測量參考基板和薄膜試樣的反射強度譜得出。

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光譜域干涉儀（SDI）

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其次，通過分析干涉譜的周期來確定基板的厚度。干涉譜的周期取決于光程差，可以通過傅里葉變換后的峰值位置和光速計算得出。公式如下：其中，I1,I2,I3和 I4分別是四個測量光束的干涉信號幅度。通過模型分析干涉譜，可以有效減小薄膜對基板厚度測量的影響。

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實驗驗證

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SR與SDI的光束傳播路徑：(a) SR（藍）和SDI（紅）的測量/參考光束；(b) SR詳細光路；(c) SDI詳細光路

實驗系統(tǒng)采用可見 - 近紅外雙波段光源：SR 使用鎢鹵素?zé)簦?00–2600 納米）與可見光譜儀，SDI 使用超輻射二極管（1550 納米中心波長）與近紅外光譜儀，通過二向色分束器實現(xiàn)光路集成。

薄膜樣品示意圖:(a) 俯視圖(b) 圖(a)白虛線截面的剖面結(jié)構(gòu)

厚度分布測量結(jié)果：(a) SR模式薄膜厚度分布；(b) SDI模式基底厚度分布；(c)–(d) 沿黑虛線的厚度剖面

對 450 微米硅基底上 100 納米與 150 納米的SiO?薄膜樣品進行掃描測量，薄膜厚度分布清晰地顯示了100nm和150nm的兩個不同厚度水平，而基板厚度分布顯示出逐漸變化的厚度，與薄膜厚度分布明顯不同。這證實了薄膜和基板的厚度可以在同一時間內(nèi)測量，且互不干擾。

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不確定度評估

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分布在寬厚度范圍內(nèi)的厚度參考樣品

薄膜厚度測量不確定度為 0.12 納米k=2，薄膜樣品中基底為 0.094 微米k=2，單個基底為 0.076 微米k=2，驗證了方法的可靠性。六組參考樣品的對比測量顯示，測量值與認證值在擴展不確定度內(nèi)一致，En 值均小于 1，證實了多尺度厚度測量的準確性。本文實現(xiàn)了一種基于光譜反射儀和光譜域干涉儀集成的光學(xué)測量系統(tǒng)，能夠同時測量薄膜和基板的厚度。通過模型分析干涉譜，有效減小了薄膜對基板厚度測量的影響。實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性和可靠性，測量結(jié)果與標(biāo)準測量設(shè)備一致。

FlexFilm自動膜厚儀

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對樣品進行無損、快速、高精度測量，可用于反射率、透射率、膜厚等參數(shù)測量。廣泛應(yīng)用于光學(xué)鍍膜、半導(dǎo)體薄膜、液晶顯示、薄膜層和生物醫(yī)學(xué)等厚度的測量方案中。

• 光學(xué)干涉方式，無損測量
• Mapping成像模式，輕松表征材料膜厚的均一性
• 多類解析算法，可精準和估算測量，滿足不同測量需要
• 軟件簡潔，測量一鍵操作，簡單易用

FlexFilm自動膜厚儀可以對半導(dǎo)體和顯示器件制造中的薄膜厚度進行精準測量，來實現(xiàn)器件的性能優(yōu)化。原文出處:《Optical method for simultaneous thickness measurements of two layers with a significant thickness difference》

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