聚焦位置对光谱椭偏仪膜厚测量精度的影响

 

在半导体芯片制造中，薄膜厚度的精确测量是确保器件性能的关键环节。随着工艺节点进入纳米级，单颗芯片上可能需要堆叠上百层薄膜，且每层厚度仅几纳米至几十纳米。光谱椭偏仪因其非接触、高精度和快速测量的特性，成为半导体工业中膜厚监测的核心设备。

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宽光谱椭偏仪工作原理

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宽光谱椭偏仪通过分析偏振光与样品相互作用后的偏振态变化，测量薄膜的厚度与光学性质。其核心流程如下：

 

 

光谱椭偏仪结构简化示意图

 

 

1.偏振态调制：光源发出的宽谱光经起偏器形成特定偏振态，入射至样品表面后发生反射或透射，偏振态因薄膜的光学特性（如折射率、厚度、粗糙度）发生改变。

 

 

2.信号采集：反射光通过补偿器与分析器后，由探测器接收。光强随光学元件（如旋转补偿器）的周期性运动而变化，通过傅里叶分析提取与样品相关的傅里叶系数。

 

 

3.参数反演：实验测得的系数转化为偏振态参数ψ（振幅衰减比）和Δ（相位差），其数学表达为：

 

 

4.模型拟合：将ψ和Δ的实验值与基于Maxwell方程的理论模型（如多层膜光学模型）进行拟合，通过优化算法调整膜厚和材料光学参数（如复折射率），直至理论值与实验数据最佳匹配，最终输出精确的膜厚及光学常数。

 

 

光谱椭偏仪拟合一般流程

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实验设计：聚焦位置影响膜厚的测量结果

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不同聚焦位置实验设计示意图

 

 

光谱椭偏仪需将入射光聚焦至样品表面形成微小光斑（通常几十微米），以匹配芯片切割道内的监测区域。实验表明，当聚焦位置偏离最佳焦点（±5 μm范围）时，膜厚测量值会呈现线性变化：

3 nm薄膜：离焦距离每增加1 μm，膜厚测量值增加约0.0056 nm，相当于0.19%/μm的百分比变化。

900 nm厚膜：离焦距离每增加1 μm，膜厚测量值仅增加0.01 nm，对应0.001%/μm的变化率。

薄膜样品在聚焦位置±5 μm范围内的膜厚静态重复性和拟合值

 

 

厚膜样品在聚焦位置±5 μm范围内的膜厚静态重复性和拟合值

 

 

原因分析：离焦时，光斑在探测器上的位置和大小发生偏移，导致采集的光谱信号与理论模型产生偏差。对于薄膜而言，其光谱特征较为平滑，微小信号差异即可引发较大的拟合误差；而厚膜因具有丰富的波长依赖峰谷特征，对光谱变化的容忍度更高。

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实验结果

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实验发现，尽管离焦会显著改变膜厚拟合值，但多次测量的静态重复性（以三次标准差衡量）对聚焦位置变化并不敏感。例如：

• 3 nm薄膜的聚焦重复性为1.3 μm时，膜厚测量的重复精度可达0.01 nm
   
• 900 nm厚膜在1.5 μm聚焦重复性下，重复精度为0.012 nm

两种样品在焦和离焦5 μm 时的光谱差异

 

 

这表明，仪器算法在离焦状态下仍能稳定拟合数据，但单次聚焦的位置偏差会直接影响最终结果的准确性。

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结论：

聚焦重复性是提升测量膜厚精度的关键

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根据实验结论，膜厚测量的重复精度极限主要由聚焦系统的稳定性决定。以当前工业设备的聚焦重复性（1.3~1.5 μm）为例，3 nm薄膜的测量误差已被限制在0.01~0.012 nm水平。若要进一步提升精度，需从以下方向改进：

 

 

1.优化自动聚焦算法：提高焦点定位的重复性，减少机械振动或环境扰动的影响。

 

 

2.增强光学系统设计：采用高数值孔径物镜或自适应光学元件，降低离焦敏感度。

 

 

3.改进拟合模型：针对离焦状态的光谱特征优化算法，减少拟合误差。

 

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）

1.先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

2.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。

3.秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。

4.原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

 

 

Flexfilm全光谱椭偏仪始终关注聚焦的位置偏差，为薄膜厚度的精确测量提供了高效解决方案。随着聚焦重复性的引入，椭偏仪的数据分析过程逐渐自动化，降低了用户门槛。未来，该技术有望在柔性电子、光伏器件等新兴领域发挥更大作用，推动材料科学的精细化发展。

本文出处：《聚焦位置对光谱椭偏仪膜厚测量的影响》