薄膜厚度测量技术的综述：从光谱反射法（SR）到光谱椭偏仪（SE）

薄膜在半导体、显示和二次电池等高科技产业中被广泛使用，其厚度通常小于一微米。对于这些薄膜厚度的精确测量对于质量控制至关重要。然而，能够测量薄膜厚度的技术非常有限，而光学方法因其非接触和非破坏性特点而被广泛采用。Flexfilm全光谱椭偏仪不仅能够满足工业生产中对薄膜厚度和光学性质的高精度测量需求，还能为科研人员提供丰富的光谱信息，助力新材料的研发和应用。

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光谱反射法（SR）

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光谱反射法（SR）的基本光学结构与反射光谱SR的光学配置：

• 宽带光源：如卤钨灯或LED，覆盖宽波长范围以生成干涉光谱。
• 光谱仪：检测反射光的光强随波长的分布（反射光谱）。
• 无参考镜：区别于光谱域干涉仪（SDI），SR仅需样品反射光。

单层薄膜的多光束干涉模型：光在空气-薄膜界面（r12）和薄膜-基底界面（r23）发生多次反射与透射。测量与模型反射光谱的比较：拟合过程：通过调整模型中的参数（如薄膜厚度d、折射率N~2等），使模型反射光谱与测量反射光谱尽可能接近。最小二乘法：计算模型反射光谱与测量反射光谱之间的平方差之和，并找到使该值最小的参数组合，从而确定薄膜的厚度。

高数值孔径物镜中的入射角分布

 

在光谱反射法（SR）中，当使用高数值孔径（NA）物镜时，入射光不再是单一角度的正入射，而是以宽范围的入射角分布照射到薄膜表面。提高测量精度：通过考虑入射角分布，可以更准确地模拟反射光谱，从而提高薄膜厚度测量的精度。适应高分辨率测量：高数值孔径物镜在高分辨率测量中非常重要，但其带来的入射角分布问题也需要通过理论模型加以解决。SR 与干涉法结合的光学系统

• SR 与光谱分辨白光干涉法的组合系统

核心组件：宽带光源发出的光经分束器分为两束：一束照射样品（测量光束），另一束照射参考镜（参考光束）。两束反射光汇合后由光谱仪检测，形成包含薄膜厚度和表面轮廓信息的干涉光谱。薄膜厚度测量：通过分析样品与参考镜之间的干涉光谱，提取薄膜厚度信息。具体来说，通过傅里叶变换选择低频部分的干涉信号，反傅里叶变换后得到薄膜厚度。表面轮廓测量：通过分析高频部分的干涉信号，提取表面轮廓信息。具体来说，通过傅里叶变换提取相位信息，计算表面高度。

• SR 与低相干干涉仪（LCI）的组合系统

可以同时测量薄膜厚度和表面轮廓，双模式切换：

• 薄膜厚度测量：在SR模式下，使用与传统SR相同的方法测量薄膜厚度。
• 表面轮廓测量：在LCI模式下，通过垂直扫描Mirau物镜，获取干涉条纹。通过最小二乘法拟合模型化的干涉信号，确定表面轮廓。

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光谱椭偏仪（SE）

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椭圆偏振仪的基本组成与布局

 

椭偏仪的核心组件：光源（LS）、偏振态发生器（PSG）、样品、偏振态分析仪（PSA）、探测系统（DOS）以及光电探测元件（PDE）。PSG 和 PSA 通过线性偏振器、补偿器或光弹相位调制器控制入射光和反射光的偏振态，DOS 包含光学元件对偏振态的影响。椭圆偏振仪，通过测量偏振态变化（如穆勒矩阵分量）反推薄膜厚度和光学常数，适用于埃到微米级厚度测量。随着高科技产业的飞速发展，薄膜技术在半导体、显示面板、电池等领域的应用日益广泛，薄膜厚度的精确测量对于保障产品质量和性能至关重要。本文综述了光谱反射法（SR）和光谱椭偏仪（SE）两种主流的光学测量技术，在保持非接触、无损优势的基础上，需进一步融合人工智能算法以提升动态测量速度，拓展多物理场耦合下的复杂结构表征能力。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

随着薄膜测量技术向更高精度与效率发展，Flexfilm全光谱椭偏仪代表了新一代椭偏技术的突破。其通过宽光谱覆盖（紫外至近红外）与高速多通道探测，实现了对超薄薄膜与复杂多层结构的快速、全波段光学表征。原文出处：A Review of Thinfilm Thickness Measurements using Optical Methods