在半導(dǎo)體制造中，薄膜的沉積和生長是關(guān)鍵步驟。薄膜的厚度需要精確控制，因?yàn)楹穸绕顣?huì)導(dǎo)致不同的電氣特性。傳統(tǒng)的厚度測量依賴于模擬預(yù)測或后處理設(shè)備，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測沉積過程中的厚度變化，可能導(dǎo)致工藝偏差和良率下降。為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于激光反射率的光學(xué)傳感器，能夠在真空環(huán)境下實(shí)時(shí)測量氧化膜（SiO?）、氮化膜（Si?N?）和多晶硅（p-Si）的厚度。

FlexFilm單點(diǎn)膜厚儀可方便搭建各種光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對各種材料的光學(xué)特性、膜厚、材料的反射率、透過率等光譜特性的測試和分析實(shí)驗(yàn)。

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光學(xué)原理

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激光在薄膜界面反射和折射的光路圖

入射光束（I）在薄膜上表面反射為（I?），另一部分折射后在下表面反射并再次折射為（I?）。

光程差公式：Δp = 2ndcosθ?（n為折射率，d為厚度，θ?為折射角）。

相位差（ΔΦ）導(dǎo)致干涉，影響反射光強(qiáng)度，從而關(guān)聯(lián)到薄膜厚度。

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薄膜厚度測量裝置

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激光入射角設(shè)置為30°、45°、60°，反射光信號轉(zhuǎn)換為電壓值（參考入射光電壓8.14 V）。

測量原理：通過測量反射光的強(qiáng)度，并結(jié)合薄膜的光學(xué)性質(zhì)，計(jì)算出薄膜的反射率，進(jìn)而推導(dǎo)出薄膜的厚度。

測量目標(biāo)：驗(yàn)證基于光學(xué)反射率的薄膜厚度測量方法的可行性和準(zhǔn)確性。

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材料制備與表征

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三種不同類型薄膜厚度的測量結(jié)果

氧化物薄膜的測量誤差在1.2%以內(nèi)，顯示出較高的測量精度。

氮化物薄膜的測量誤差在1.6%到2.2%之間，整體誤差也較小。

多晶硅薄膜的測量誤差在-0.2%到3.6%之間，其中150 nm厚度的薄膜誤差最大，可能與其光學(xué)性質(zhì)與硅片相似有關(guān)。

氧化物、氮化物、多晶硅和單晶硅的光學(xué)性質(zhì)

氧化物和氮化物薄膜：折射率分別為1.47和2.02，消光系數(shù)均為0，表明這些薄膜是透明的，沒有吸收。

多晶硅薄膜：折射率為4.05，消光系數(shù)為0.05，表明多晶硅薄膜具有一定的吸收特性。

單晶硅薄膜：折射率為3.88，消光系數(shù)為0.019，表明單晶硅薄膜的吸收較小。

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理論模型

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多層薄膜結(jié)構(gòu)中第N層薄膜的折射和反射過程

多層薄膜結(jié)構(gòu)：展示了多層薄膜的折射和反射過程，特別關(guān)注第N層薄膜的行為。

光程差和相位差：通過計(jì)算光程差和相位差，可以推導(dǎo)出反射光的強(qiáng)度變化，進(jìn)而用于薄膜厚度的測量。

反射率計(jì)算：反射率是反射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值，通過反射率的變化可以推導(dǎo)出薄膜的厚度。

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入射角依賴性分析

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不同角度下的反射率曲線

反射率的周期性變化：

氧化物和氮化物薄膜的反射率隨厚度變化呈現(xiàn)出明顯的周期性波動(dòng)，這與薄膜的干涉效應(yīng)有關(guān)。

多晶硅薄膜的反射率變化較為復(fù)雜，周期性不明顯，主要由于其吸收特性。

入射角度的影響：

在較小的入射角度（45°和60°）下，反射率的變化較為明顯，對薄膜厚度的變化更為敏感。

在較大的入射角度（80°、85°和89°）下，反射率的變化逐漸趨于平緩，但仍能觀察到厚度對反射率的影響。

薄膜類型的差異：

氧化物和氮化物薄膜的反射率變化較為相似，主要由于它們都是透明薄膜，消光系數(shù)為零。

多晶硅薄膜的反射率變化較為復(fù)雜，主要由于其吸收特性。

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反射率與厚度關(guān)系

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三種薄膜的實(shí)測與理論反射率對比

薄膜厚度測量：

通過分析反射率的變化，可以精確測量薄膜的厚度，特別是對于透明薄膜（如氧化物和氮化物）。

對于半透明薄膜（如多晶硅），雖然反射率變化復(fù)雜，但仍然可以通過選擇合適的波長和入射角度進(jìn)行測量。

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，幫助優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝中的薄膜沉積和生長過程，確保薄膜厚度在控制范圍內(nèi)。

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多角度測量驗(yàn)證

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氧化物、氮化物、多晶硅三種薄膜反射率隨厚度的變化

材料光學(xué)特性決定測量效果：

透明/半透明材料（氧化膜、氮化膜）因干涉效應(yīng)顯著，反射率與厚度強(qiáng)相關(guān)。

不透明材料（多晶硅）因光吸收（k≠0）導(dǎo)致干涉失效，反射率無厚度信息。

入射角選擇策略：

高折射率材料（如氮化膜）適合低角度（30°），低折射率材料（如氧化膜）適合高角度（60°）。

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對比度分析

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氧化物、氮化物和多晶硅薄膜的對比度

通過對比度的分析，展示了不同薄膜類型在不同入射角度下的反射率變化的明顯程度。對比度越高，反射率的變化越明顯，薄膜厚度的測量越容易。從而優(yōu)化測量方法，提高薄膜厚度測量的精度和可靠性。

一種基于光學(xué)反射率的薄膜厚度測量方法，能夠在半導(dǎo)體制造過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜的沉積和生長厚度。通過激光反射率測量技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了氧化膜（SiO?）和氮化膜（Si?N?）薄膜厚度的實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)測，誤差可控制在10 nm以內(nèi)，最小誤差低至0.68%。

該技術(shù)不僅為半導(dǎo)體行業(yè)提供了一種高效、低成本的厚度測量方案，也為光學(xué)薄膜表征領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。

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薄膜測量設(shè)計(jì)的國產(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，測量精度達(dá)±0.1nm，1秒內(nèi)即可完成測試，顯著提升產(chǎn)線效率。

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

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

3.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%。

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

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