薄膜干涉膜厚仪技术

薄膜材料的厚度在纳米级薄膜的各项相关参数中，是制备和设计中一个重要的参量，也是决定薄膜性质和性能的关键参量之一。然而，由于其极小尺寸及表面效应的影响，纳米级薄膜的厚度准确测量变得困难。科研技术人员通过不断的探索研究，提出了新的薄膜厚度测量理论和技术，并将测量方法从手动到自动、有损到无损等不断改进。对于不同性质的薄膜，其适用的厚度测量方案也不相同。在纳米级薄膜中，采用光学原理的测量技术可以实现精度高、速度快、无损测量等优点，成为主要的检测手段。典型的测量方法包括椭圆偏振法、干涉法、光谱法、棱镜耦合法等。白光干涉膜厚仪是一种可用于测量薄膜厚度的仪器，适用于透明薄膜和平行表面薄膜的测量。薄膜干涉膜厚仪技术

常用白光垂直扫描干涉系统的原理 ：入射的白光光束通过半反半透镜进入到显微干涉物镜后，被分光镜分成两部分，一个部分入射到固定的参考镜，一部分入射到样品表面，当参考镜表面和样品表面的反射光通过分光镜后，再次汇聚发生干涉，干涉光通过透镜后，利用电荷耦合器(CCD)可探测整个视场内双白光光束的干涉图像。利用Z向精密位移台带动干涉镜头或样品台Z向扫描，可获得一系列的干涉图像。根据干涉图像序列中对应点的光强随光程差变化曲线，可得该点的Z向相对位移；然后，由CCD图像中每个像素点光强最大值对应的Z向位置获得被测样品表面的三维形貌。如何选膜厚仪白光干涉膜厚测量技术可以实现对不同材料的薄膜进行测量；

Michelson干涉物镜，准直透镜将白光缩束准直后垂直照射到待测晶圆上，反射光之间相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，完成干涉部分。光纤传输的干涉信号进入光谱仪，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取诸如光强、反射率等信息，计算机对这些信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算晶圆膜厚。光源采用氙灯光源，选择氙灯作为光源具有以下优点：氙灯均为连续光谱，且光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变；氙灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小；氙灯具有较高的电光转换效率，可以输出高能量的平行光等。

薄膜干涉原理根据薄膜干涉原理…，当波长为^的单色光以人射角f从折射率为n．的介质入射到折射率为n：、厚度为e的介质膜面(见图1)时，干涉明、暗纹条件为：

2e(n₂²一n₁²sin2i)1/2＋δ’=kλ，k=1,2,3,4,5...(1)

2e(n₂²一n₁²sin2i)1/2＋δ’=（2k＋1）λ/2，k=0，1,2,3,4...（2）

E式中k为干涉条纹级次；δ’为半波损失．

普通物理教材中讨论薄膜干涉问题时，均近似地认为，δ’是指入射光波在光疏介质中前进，遇到光密介质i的界面时，在不超过临界角的条件下，不论人射角的大小如何，在反射过程中都将产生半个波长的损失(严格地说， 只在掠射和正射情况下反射光的振动方向与入射光的振动方向才几乎相反)，故δ’是否存在决定于n1,n2,n3大小的比较。当膜厚e一定，而入射角j可变时，干涉条纹级次^随f而变，即同样的人射角‘对应同一级明纹(或暗纹)，叫等倾干涉，如以不同的入射角入射到平板介质上．当入射角￡一定，而膜厚。可变时，干涉条纹级次随。而变，即同样的膜厚e对应同一级明纹(或暗纹)。叫等厚干涉，如劈尖干涉和牛顿环． 当光路长度增加，仪器的分辨率越高，也越容易受到静态振动等干扰因素的影响，需采取一些减小噪声的措施。

基于白光干涉光谱单峰值波长移动的锗膜厚度测量方案研究 ：在对比研究目前常用的白光干涉测量方案的基础上，我们发现当两干涉光束的光程差非常小导致其干涉光谱只有一个干涉峰时，常用的基于两相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。为此，我们提出了适用于极小光程差的基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案。干涉光谱的峰值波长会随着光程差的增大出现周期性的红移和蓝移，当光程差在较小范围内变化时，峰值波长的移动与光程差成正比。根据这一原理，搭建了光纤白光干涉温度传感系统对这一测量解调方案进行验证，得到了光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验结果显示锗膜的厚度为，与台阶仪测量结果存在，这是因为薄膜表面本身并不光滑，台阶仪的测量结果只能作为参考值。锗膜厚度测量误差主要来自光源的波长漂移和温度控制误差。白光干涉膜厚测量技术可以应用于电子工业中的薄膜电阻率测量；高精度膜厚仪按需定制

膜厚仪的干涉测量能力较高，可以提供精确和可信的膜层厚度测量结果。薄膜干涉膜厚仪技术

极值法求解过程计算简单，速度快，同时能确定薄膜的多个光学常数并解决多值性问题，测试范围广，但没有考虑薄膜均匀性和基底色散的因素，因此精度不够高。此外，由于受曲线拟合精度的限制，该方法对膜厚的测量范围有要求，通常用于测量薄膜厚度大于200纳米且小于10微米的情况，以确保光谱信号中的干涉波峰数适当。全光谱拟合法是基于客观条件或基本常识来设置每个拟合参数上限、下限，并为该区域的薄膜生成一组或多组光学参数及厚度的初始值，引入适合的色散模型，再通过麦克斯韦方程组的推导得到结果。该方法能判断预设的初始值是否为要测量的薄膜参数，建立评价函数来计算透过率/反射率与实际值之间的偏差。只有当计算出的透过率/反射率与实际值之间的偏差很小时，我们才能认为预设的初始值就是要测量的薄膜参数。薄膜干涉膜厚仪技术