薄膜測(cè)量解決方案

薄膜是沉積在另一種物質(zhì)表面的非常薄的物質(zhì)層，廣泛應(yīng)用于技術(shù)工藝行業(yè)，如鈍化絕緣層、防擴(kuò)散層、硬涂層等。集成電路就主要由薄膜的沉積和選擇性的去除組成。

隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，光學(xué)薄膜的市場(chǎng)需求持續(xù)增長，同時(shí)對(duì)器件的特性要求也日益嚴(yán)格。物理厚度作為薄膜最基本的參數(shù)之一，對(duì)整個(gè)器件的最終性能具有重要影響。因此，快速而精確地測(cè)量薄膜厚度具有重要的實(shí)際意義。

一、薄膜測(cè)量原理

由于光學(xué)測(cè)量方法準(zhǔn)確，無破壞，只需很少或無需專門樣品，光學(xué)測(cè)量法常常是薄膜測(cè)量的首選方法。傳統(tǒng)的測(cè)量薄膜物理厚度的光學(xué)方法主要有光度法和橢偏法兩種。其中光度法是通過擬合分光光度計(jì)測(cè)得的透/反射率曲線來得到光學(xué)薄膜厚度的一種方法，但它要求膜層較厚以產(chǎn)生一定的干涉振蕩并且只能測(cè)量弱吸收膜；橢偏儀測(cè)量具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是受界面層等因素的影響，需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來求解厚度，上述方法已經(jīng)成功而廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。然而，隨著近年來微光機(jī)電系統(tǒng)等微加工技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)常需要在高低起伏的基板上（patterned substrate）沉積薄膜，因此用測(cè)量表面輪廓的白光干涉儀來進(jìn)行薄膜厚度測(cè)試的方法引起了人們的關(guān)注。

橢圓偏振儀的基本原理

光學(xué)測(cè)量是通過精確測(cè)量薄膜與光線的相互作用來獲取薄膜特性的技術(shù)。這些特性包括薄膜的厚度、表面粗糙度以及光學(xué)常數(shù)等。光學(xué)常數(shù)是一個(gè)重要的物理參數(shù)，用于描述光在通過某種物質(zhì)時(shí)如何傳播和反射。這些常數(shù)可以提供有關(guān)材料光學(xué)性質(zhì)的重要信息，例如折射率、消光系數(shù)和介電常數(shù)等。

通過光學(xué)測(cè)量，我們可以將這些光學(xué)常數(shù)與其他材料參數(shù)（如成分和帶隙）相關(guān)聯(lián)。例如，對(duì)于一種特定類型的半導(dǎo)體材料，其光學(xué)常數(shù)可以揭示其帶隙寬度，這是決定其電子和光學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)。

光學(xué)常數(shù)（n和k）描述光如何通過薄膜傳播。在某個(gè)時(shí)間光穿過一種物質(zhì)的電磁場(chǎng)可以簡單表示為

其中x：距離，λ：光波長，n和k：薄膜相應(yīng)的折射率和消光系數(shù)。折射率是光在物質(zhì)和真空中傳播速度的比值。消光系數(shù)是測(cè)量光在物質(zhì)中被吸收了多少。

n 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

光的干涉是指兩列或兩列以上的光波在空間中重疊時(shí)，由于頻率相同、相位差恒定，使得某些區(qū)域的光強(qiáng)相互加強(qiáng)，某些區(qū)域的光強(qiáng)相互減弱，從而出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是一種經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)，用于研究光的波動(dòng)性質(zhì)。光源發(fā)出的光通過兩條狹縫，形成了兩束相干光波，它們?cè)谄聊簧袭a(chǎn)生干涉圖案。當(dāng)兩束光波的波峰或波谷恰好相遇時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生加強(qiáng)的干涉，形成明亮的條紋。相反，當(dāng)一個(gè)波峰遇到一個(gè)波谷時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生相消干涉，形成暗條紋。這些干涉圖案展示了光的波動(dòng)性質(zhì)。

光程差為

可以得到相位差為

干涉條紋的形狀，即等強(qiáng)度線是一組縱向（即與紙面垂直）的平行直線。干涉條紋的間距△x定義為兩條相鄰亮紋（強(qiáng)度極大）或兩條暗紋（強(qiáng)度極?。?nbsp;之間的距離。單色光的干涉條紋寬度相同，明暗相間，均勻分布。不同色光條紋寬度不同，波長越長的干涉條紋的寬度越大。

光纖光譜儀實(shí)現(xiàn)薄膜厚度測(cè)量

當(dāng)入射光穿透不同物質(zhì)的界面時(shí)將會(huì)有部分的光被反射，由于光的波動(dòng)性導(dǎo)致從多個(gè)界面的反射光彼此干涉，這兩部分反射光可能干涉相長（強(qiáng)度相加）或干涉相消（強(qiáng)度相減），這取決于它們的相位關(guān)系。而相位關(guān)系取決于這兩部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)和光波長決定的。

薄膜厚度測(cè)量原理示意圖

薄膜測(cè)量系統(tǒng)是基于白光干涉的原理來確定光學(xué)薄膜的厚度。白光干涉圖樣通過數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算得出薄膜厚度。對(duì)于單層膜來說，如果已知薄膜介質(zhì)的n和k值就可以計(jì)算出它的物理厚度。

如下圖為光鍍有折射率為η膜層折射率為n₁的基板光路示意圖，在折射率為n₁的基板上鍍有復(fù)數(shù)折射率η為厚度為d的一層薄膜，放在折射率為n₀的空間。假定薄膜的復(fù)數(shù)折射率η=n1+ik，當(dāng)一光以幅度A從n₀空間垂直入射（θ=0）到膜表面時(shí)（為便于分析，圖中入射光有一定角度，實(shí)際測(cè)量中此角度一般很小，對(duì)測(cè)量的影響可以忽略不計(jì)），由于多次反射，在膜上表面有一系列的反射光。

光鍍有折射率為η膜層折射率為n1的基板光路示意圖

使用光纖光譜儀測(cè)量薄膜的厚度主要是通過反射光譜，反射光譜曲線中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結(jié)果。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

薄膜測(cè)量解決方案可實(shí)現(xiàn)基本上所有光滑的、半透明的或低吸收系數(shù)的薄膜的測(cè)繪，如光刻膠、氧化物、硅或者其他半導(dǎo)體膜、有機(jī)薄膜、導(dǎo)電透明薄膜等膜厚精確測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

l 半導(dǎo)體領(lǐng)域：GaN涂層、SiO₂、光刻膠、SOI等

l 顯示面板領(lǐng)域：涂布厚度檢測(cè)等

l 精密光學(xué)領(lǐng)域：二氧化硅膜、氟化鈣膜等

l 聚合物薄膜、PET、PC、亞克力等

l 光學(xué)鍍膜：硬涂層、抗反射層等

三、薄膜測(cè)量

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，薄膜必須有合適的厚度，成分，粗糙度，和特定應(yīng)用的其他重要特性。這些特性往往需要在薄膜的制造過程之中或之后測(cè)量。光學(xué)和探針測(cè)量是薄膜測(cè)量的兩種主要類型。

基于白光干涉理論，利用萊森光學(xué)光纖光譜儀可以實(shí)現(xiàn)薄膜的高精度測(cè)量。這種測(cè)量方法通過正角度入射的反射率來獲取薄膜的厚度和折射率信息，并通過提取光入射薄膜前后的相位變化來進(jìn)行計(jì)算。相比傳統(tǒng)的光度法和偏法，這種測(cè)量方法具有更高的精度和更快的測(cè)量速度，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，為光學(xué)薄膜厚度的測(cè)量提供了一種簡便、快速且可靠的解決方案。

光纖光譜儀薄膜測(cè)量原理示意圖

反射探頭光路圖

光纖光譜儀測(cè)薄膜厚度的優(yōu)點(diǎn)：

l 高速度的數(shù)據(jù)采集：光纖光譜儀可以實(shí)現(xiàn)快速地搜集樣品數(shù)據(jù)，使得其非常適合用于在線實(shí)時(shí)測(cè)量。這大大提高了測(cè)量效率，并能及時(shí)提供所需的數(shù)據(jù)。

l 非接觸式光學(xué)測(cè)量：這種測(cè)量方式不會(huì)對(duì)樣品造成任何損耗，從而保證了樣品的完整性。這在對(duì)那些難以接觸或易損壞的樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)顯得尤為重要。

l 緊湊的尺寸和輕便的重量：光纖光譜儀的系統(tǒng)體積小，重量輕，使得其測(cè)量非常靈活。通過USB連接方式，可以實(shí)現(xiàn)即插即用的便捷性。

l 可定制的波段選擇：用戶可以根據(jù)自己的需求，定制不同波段的光譜儀。這大大提高了儀器的適應(yīng)性，使其能夠滿足各種不同的測(cè)量需求。

l 可測(cè)量多層膜厚：光纖光譜儀不僅可以測(cè)量單層薄膜的厚度，還可以同時(shí)測(cè)量多層膜的厚度。這使得其在多層膜材料的測(cè)量中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

半導(dǎo)體硅片膜厚測(cè)試

測(cè)量軟件

對(duì)于LiSpecView軟件目前只能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜的厚度測(cè)量，所有需要預(yù)先知道材料的光學(xué)參數(shù)（NK值）。

1） 測(cè)量材料：測(cè)量所有半透明薄膜，透明或則不透明的半導(dǎo)體材料。

2） 薄膜厚度范圍：測(cè)量薄膜厚度范圍依賴于材料和光譜儀配置。理論上估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)1nm-1mm測(cè)量。

3） 測(cè)量薄膜層數(shù)：一般情況下使用為1-3層；有一些條件下應(yīng)該可以測(cè)量到12層。對(duì)于大于3層薄膜的厚度測(cè)量的精確度需要進(jìn)行評(píng)估。

4） 基底材料：基底材料表面的粗糙度限制最小測(cè)量膜厚。

5） 必備信息：膜層的順序，材質(zhì)，光學(xué)參數(shù)（NK值）。

不同膜層厚度，對(duì)應(yīng)的光譜儀配置不同（波長范圍和分辨率）及光源的選擇不同

*依賴于測(cè)量的材料。

當(dāng)我們對(duì)物體進(jìn)行透射測(cè)量時(shí)，光譜儀等配件選擇的重要性不可小覷。整套解決方案的每個(gè)部分都和測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性密切相關(guān)。接下來我們就透射測(cè)量解決方案（光譜配件、探頭等等）進(jìn)行詳細(xì)分析。

? 光源：

iLight-HAL、iLight-HAL-HP、iLight-HAL-UV鹵鎢燈

iLight-DH-ADJ 氚鹵組合光源

iLight-Xe 氙燈

? 光纖：

采用純度很高的進(jìn)口石英纖芯，光纖類型采用多模光纖，數(shù)值孔徑為0.22，也可以為用戶提供如NA=0.12、0.15/0.26/0.37等數(shù)值孔徑的多模光纖

? 光譜儀：

使用時(shí)可根據(jù)待測(cè)光源的發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)弱配置LiSpec-UV100、LiSpec-HS400、LiSpec-HSR100-TEC系列的光譜儀，萊森光學(xué)的光譜儀擁有獨(dú)有降噪低噪聲電路控制技術(shù)，光譜儀暗噪聲極低，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和高信噪比。