薄膜厚度的測(cè)量在芯片制造和集成電路等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。橢偏法具備高測(cè)量精度的優(yōu)點(diǎn)，利用寬譜測(cè)量方式可得到全光譜的橢偏參數(shù)，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)薄膜的厚度測(cè)量。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

為解決半導(dǎo)體領(lǐng)域常見的透明硅基底上薄膜厚度測(cè)量的問題并消除硅層的疊加信號(hào)，本文提出基于光譜干涉橢偏法的偏振分離式馬赫曾德測(cè)量系統(tǒng)，以近紅外飛秒激光器為光源，獨(dú)立探測(cè)偏振信息，針對(duì)硅基底上二氧化硅薄膜開展測(cè)量，且該方法適用于透明或非透明基底薄膜測(cè)量，無(wú)需檢測(cè)矯正步驟或光源更換，可應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積、分子束外延等薄膜制備工藝成品的高精度檢測(cè)。

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橢偏儀基本原理

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光譜干涉解算原理

橢偏法通過(guò)測(cè)量經(jīng)過(guò)樣品透射或反射的橢偏參數(shù) （ψ，Δ） 并結(jié)合非線性最小二乘迭代過(guò)程，擬合得到薄膜的參數(shù)信息。

橢偏參數(shù)主要包括水平偏振分量p和垂直偏振分量s的振幅比和相位差，以反射型為例：

Rp：水平偏振分量的復(fù)振幅反射系數(shù)；Rs：垂直偏振分量的復(fù)振幅反射系數(shù)；i：虛數(shù)單位

不同偏振分量的復(fù)振幅反射系數(shù)可表示為：

r1，r2為與每一層的復(fù)折射率 N 和入射角 θ1有關(guān)的不同介質(zhì)界面的振幅反射系數(shù)

正交的偏振分量的表示方法不同，可通過(guò)菲涅爾公式推導(dǎo)得到；β為薄膜的位相厚度，可表示為：

N 為薄膜層的復(fù)折射率；h為薄膜層的幾何厚度；θ2為薄膜中的折射角；λ為光在真空中的波長(zhǎng)。多層介質(zhì)膜的橢偏參數(shù)可通過(guò)導(dǎo)納矩陣和遞推關(guān)系得到。

在其他條件固定時(shí)，橢偏參數(shù)是薄膜折射率、厚度和波長(zhǎng)的函數(shù)，因相位差比強(qiáng)度比更具準(zhǔn)確性與靈敏度，獲取寬光譜橢偏參數(shù)后，利用多波長(zhǎng)下的相位差可準(zhǔn)確解耦薄膜厚度。光譜干涉橢偏法能獲取水平偏振分量Ip和垂直偏振分量Is的光譜干涉強(qiáng)度信息。

將正交的偏振分量的相位作差即可得到橢偏參數(shù)，利用非線性最小二乘迭代橢偏公式，即可擬合得到薄膜的待測(cè)信息。

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實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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偏振分離式實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)所用光源為實(shí)驗(yàn)室自制的非線性偏振旋轉(zhuǎn)型光纖飛秒激光器，其中心波長(zhǎng)為 1550 nm，輸出功率約 8 mW，半高寬約 50 nm。種子光經(jīng)準(zhǔn)直器輸出平行光進(jìn)入空間系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)起偏器產(chǎn)生偏振方向?yàn)?45° 的線偏光，該線偏光被分光鏡 1 分成兩束進(jìn)入馬赫曾德系統(tǒng)，一束光傾斜照射到待測(cè)樣品上，另一束光經(jīng)過(guò)角錐產(chǎn)生等臂光束，這兩束光在分光鏡 2 處合光，最終由偏振分光鏡分成正交偏振的兩束光，分別被光譜分析儀探測(cè)。

系統(tǒng)標(biāo)定初相位(a)干涉圖（b）初相位

傅里葉變換域

由于各光學(xué)元件表面鍍有介質(zhì)膜，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)引入系統(tǒng)誤差，因此需要利用單面拋光的未鍍膜純硅片進(jìn)行初相位標(biāo)定，待測(cè)橢偏相位需減去該標(biāo)定初相位。為進(jìn)一步判斷相位的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的可復(fù)現(xiàn)性，通過(guò)移動(dòng)角錐改變系統(tǒng)的初始光程，光程變化范圍設(shè)定為 0.4 ~ 1.5 mm，觀察移動(dòng)過(guò)程中標(biāo)定相位是否發(fā)生變化。從中可分析出依次上移 0.1rad 的偏置情況。為初步驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量透明基底的可行性，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了雙面拋光的純硅片，通過(guò)傅里葉域?yàn)V波過(guò)程，能夠消除后表面的誤差信號(hào)，進(jìn)而消除硅層的疊加信號(hào)。

角度擬合結(jié)果

為標(biāo)定入射角，實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)標(biāo)稱膜厚值分別為100nm、280nm、500nm的沉積在單拋硅基底上的二氧化硅薄膜作為樣品，并利用商用橢偏儀在1500 ~ 1600 nm光譜范圍和 0.1nm 光譜分辨力下提前對(duì)這些樣品的膜厚值進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果作為已知值。以入射角作為迭代目標(biāo)，以實(shí)測(cè)橢偏相位和理論橢偏相位為研究對(duì)象，找出殘差最小處的入射角度，經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算和平均后，確定入射角為 48.4°。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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(a)實(shí)驗(yàn)和理論相位（b）測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以透明雙拋硅基底上鍍二氧化硅薄膜作為樣品，以 100nm 厚度的薄膜為例，測(cè)試該系統(tǒng)的薄膜厚度測(cè)量效果。

樣品5個(gè)位置的測(cè)量結(jié)果

該系統(tǒng)對(duì)膜厚的測(cè)量精度可達(dá)到納米級(jí)，對(duì)應(yīng)相位差的穩(wěn)定性可達(dá)10-3，這主要得益于光譜干涉法的高測(cè)量精度。為衡量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用商用橢偏儀在待測(cè)中心區(qū)域選擇相同的 5 個(gè)位置（由于無(wú)法保證商用橢偏儀和實(shí)驗(yàn)測(cè)量位置完全相同，因此采用 5 次測(cè)量結(jié)果的平均值來(lái)評(píng)估測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性）進(jìn)行測(cè)量，商用橢偏儀的厚度測(cè)量平均值為 92.04nm，實(shí)驗(yàn)的厚度測(cè)量平均值為 92.3nm，考慮到樣品的均勻性誤差和儀器的測(cè)量誤差，該測(cè)量結(jié)果處于誤差允許范圍內(nèi)。

本文提出了基于光譜干涉橢偏法的透明基底上薄膜厚度測(cè)量方法，建立了偏振分離式馬赫曾德測(cè)量系統(tǒng)，并針對(duì)雙拋硅基底上所鍍二氧化硅薄膜厚度開展測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證基于光譜干涉橢偏法的薄膜厚度測(cè)量方法的可行性與準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效消除硅層的疊加信號(hào)，針對(duì) 100nm 厚度的二氧化硅薄膜，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差。基于光譜干涉橢偏法的薄膜厚度測(cè)量方法具有準(zhǔn)確性高、抗擾動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的光刻制造、顯示設(shè)備研發(fā)、集成電路研制等領(lǐng)域。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《基于光譜干涉橢偏法的薄膜厚度測(cè)量》

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