在現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)如半導(dǎo)體和新能源領(lǐng)域，厚度低于一微米的薄膜被廣泛應(yīng)用，其厚度精確測量是確保器件性能和質(zhì)量控制的核心挑戰(zhàn)。面對(duì)超薄、多層、高精度和非破壞性的測量需求，傳統(tǒng)的接觸式或破壞性方法已難以勝任。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。

為解決這一難題，以光譜反射法(SR)和光譜橢偏法(SE)為代表的非接觸光學(xué)測量技術(shù)成為主流解決方案。光譜反射法通過分析薄膜反射的干涉光譜實(shí)現(xiàn)快速、大范圍的厚度檢測；光譜橢偏法進(jìn)一步利用偏振態(tài)變化，不僅能測量極薄薄膜，還能同步獲取材料的光學(xué)常數(shù)。本文將系統(tǒng)綜述這兩類技術(shù)的原理、發(fā)展和應(yīng)用，并探討其在未來精密制造領(lǐng)域向更高速度、更寬動(dòng)態(tài)范圍和更可靠測量演進(jìn)的關(guān)鍵路徑。

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光譜反射法(SR)

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光譜反射法通過將一束寬帶光（如白光）照射到薄膜樣品上，并收集其反射光譜來進(jìn)行測量。光在薄膜的上下界面會(huì)發(fā)生多次反射和干涉，形成的干涉光譜中包含了薄膜厚度與光學(xué)常數(shù)的信息。

(a) 簡易反射儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖(b) 單層薄膜結(jié)構(gòu)中兩個(gè)界面的反射與透射光路示意圖(c) 實(shí)測反射光譜與基于最小二乘法擬合的模型反射光譜對(duì)比圖

基本模型與厚度提取：

對(duì)于最簡單的單層膜結(jié)構(gòu)（空氣/薄膜/襯底），總反射率可通過菲涅爾公式和干涉項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。

菲涅爾公式

測量時(shí)，已知（或預(yù)先標(biāo)定）薄膜與襯底的光學(xué)常數(shù)（折射率、消光系數(shù)）及入射角，通過將實(shí)測反射光譜與不同厚度下的理論模型光譜進(jìn)行匹配（通常采用最小二乘法），即可反演出最匹配的薄膜厚度。

高數(shù)值孔徑物鏡中入射角對(duì)理論反射光譜建模的影響示意圖

技術(shù)演進(jìn)與挑戰(zhàn)：

模型精化： 早期模型常忽略材料的吸收。對(duì)于吸收不可忽略的材料，需采用復(fù)折射率來建立更精確的模型。此外，當(dāng)使用高數(shù)值孔徑物鏡時(shí)，入射光包含一個(gè)角度范圍，需引入“有效入射角”概念來修正模型。

分析效率： 傳統(tǒng)的全光譜擬合計(jì)算量較大。為提高速度，研究提出了多種優(yōu)化算法，例如利用反射光譜的極值位置或光譜相位信息來快速估算厚度初值，再進(jìn)行精修。

(a) 集反射法與干涉法兩種測量模式于一體的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖(b) 光譜分辨白光干涉測量法的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

集成測量： 將SR與干涉測量技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度與表面三維形貌的同步測量。通過巧妙的信號(hào)分離技術(shù)（如頻域分離），從同一組數(shù)據(jù)中提取出不同信息。

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的薄膜厚度分析流程示意圖(a) 訓(xùn)練階段(b) 訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測階段

人工智能的引入：

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜模型擬合耗時(shí)、對(duì)初始值敏感等問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等AI方法被應(yīng)用于SR數(shù)據(jù)分析。通常使用大量基于理論模型生成的光譜-厚度數(shù)據(jù)對(duì)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練完成后，網(wǎng)絡(luò)可直接、快速地從實(shí)測光譜預(yù)測出厚度。然而，AI模型的可靠性驗(yàn)證是關(guān)鍵，研究提出了利用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來評(píng)估其在實(shí)際測量環(huán)境中性能的方法。

多層膜測量與可靠性：

測量多層薄膜結(jié)構(gòu)中每一層的厚度更具挑戰(zhàn)性。研究基于傳輸矩陣法建立多層膜反射模型，并結(jié)合優(yōu)化算法進(jìn)行反演。為確保測量結(jié)果的可靠性，韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院的研究者提出了一種創(chuàng)新方法：在沉積多層膜的同時(shí)，制備一系列已知結(jié)構(gòu)的輔助單層膜樣品，用以交叉驗(yàn)證和評(píng)估整個(gè)測量系統(tǒng)的不確定度。

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光譜橢偏法(SE)

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橢偏法通過測量偏振光與樣品相互作用后，其偏振態(tài)的改變來表征樣品。它能同時(shí)測定薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)（復(fù)折射率 n 和 k），對(duì)超薄膜（可達(dá)亞納米級(jí)）極為敏感。

橢偏儀的基本組成元件與光路布局示意圖

系統(tǒng)構(gòu)成與分類：

一臺(tái)典型橢偏儀的核心組件包括：光源、偏振態(tài)發(fā)生器、樣品臺(tái)、偏振態(tài)分析器和探測器。根據(jù)這些組件中可動(dòng)元件（如偏振片、補(bǔ)償器）的類型和工作方式，橢偏儀主要分為五類：

單波長橢偏儀： 使用激光光源，結(jié)構(gòu)簡單。

光譜橢偏儀： 使用寬帶光源和光譜儀，可獲取隨波長變化的光學(xué)信息，應(yīng)用最廣。

旋轉(zhuǎn)元件橢偏儀： PSG或PSA中的元件（如偏振片）勻速旋轉(zhuǎn)，通過分析探測器信號(hào)的諧波成分來提取數(shù)據(jù)。

零值橢偏儀： 通過調(diào)整偏振元件方位角使檢測信號(hào)歸零，常用于成像橢偏儀。

相位調(diào)制橢偏儀： 使用光彈性調(diào)制器等元件，測量速度極快。

其中，旋轉(zhuǎn)元件光譜橢偏儀（RE-SE）因其良好的性能平衡，在工業(yè)在線檢測和科研中應(yīng)用最為廣泛。

測量原理與數(shù)據(jù)分析：

橢偏測量的核心輸出是橢偏傳輸量（ETQ），用于描述偏振態(tài)的變化。對(duì)于各向同性樣品，最常用的ETQ是Ψ和Δ兩個(gè)角度，它們與樣品的光學(xué)參數(shù)和厚度通過復(fù)雜的物理模型相關(guān)聯(lián)。

RE-SE記錄隨旋轉(zhuǎn)元件角度變化的探測器信號(hào)

傅里葉分析提取諧波系數(shù)

測量時(shí)，RE-SE記錄隨旋轉(zhuǎn)元件角度變化的探測器信號(hào)，通過傅里葉分析提取諧波系數(shù)，最終計(jì)算出ETQ。

ETQ

為了從測得的ETQ光譜（Ψ(λ), Δ(λ)）反演出樣品的厚度和光學(xué)常數(shù)，需要構(gòu)建精確的光學(xué)分析模型，并采用非線性最小二乘法進(jìn)行擬合，尋找使理論ETQ與實(shí)測ETQ差異最小的參數(shù)解。

非線性最小二乘法

不確定度評(píng)估：

橢偏測量的可靠性依賴于嚴(yán)格的不確定度評(píng)估。其不確定度主要來源于兩部分：

ETQ測量值本身的不確定度（由儀器噪聲、元件校準(zhǔn)誤差等引起）。

通過擬合分析得到樣品參數(shù)（厚度、折射率）時(shí)，由擬合過程引入的不確定度。

傳統(tǒng)方法在評(píng)估后者，尤其是針對(duì)復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)時(shí)存在局限。近期研究引入了基于隱函數(shù)定理的不確定度評(píng)估方法，能夠更完備地考量所有潛在誤差源的傳播效應(yīng)，從而更可靠地評(píng)估測量結(jié)果的置信區(qū)間。

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技術(shù)對(duì)比與發(fā)展趨勢

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薄膜厚度測量是支撐現(xiàn)代精密制造的核心計(jì)量技術(shù)之一。本文詳細(xì)綜述了兩種主流的光學(xué)非接觸測量方法：光譜反射法和橢偏法。

光譜反射法原理直觀，系統(tǒng)相對(duì)簡單，通過與干涉等技術(shù)融合，功能不斷拓展，AI的引入顯著提升了其分析效率。

橢偏法信息量豐富，測量精度高，尤其擅長超薄膜與復(fù)雜光學(xué)常數(shù)的表征，其不確定度評(píng)估方法日趨完善。

兩類技術(shù)各有側(cè)重，并在不同應(yīng)用場景下衍生出多種變體。

光譜反射法與光譜橢偏法是薄膜厚度光學(xué)測量的兩大支柱。光譜反射法SR在工程應(yīng)用和集成測量方面展現(xiàn)出靈活性，而光譜橢偏法SE在極限精度和材料表征深度上具有不可替代的優(yōu)勢。未來，隨著器件尺寸不斷縮小和新型材料涌現(xiàn)，對(duì)測量技術(shù)提出了“更快、更準(zhǔn)、更廣、更可靠”的終極要求。兩大技術(shù)路徑將在自身優(yōu)化（如算法、校準(zhǔn)）與相互融合（如橢偏成像、集成式多技術(shù)傳感器）中持續(xù)演進(jìn)，共同支撐前沿制造業(yè)的精密計(jì)量需求。

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單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(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)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測靈敏度：測量精度可達(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。

#光譜橢偏法#光譜反射法#SE#SR

原文參考：《A Review ofThin?flm Thickness Measurements using Optical Methods》

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