一、背景

       晶圓膜厚測量技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，早期采用接觸式方法，但精度低且易損傷晶圓?。80年代后，非接觸式技術(shù)興起，實(shí)現(xiàn)微米級無損檢測并提升效率?。隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)縮小至納米級，光譜儀等設(shè)備逐步普及，可同步分析膜厚與光學(xué)參數(shù)，滿足亞納米級精度需求?。

二、應(yīng)用概述

       光纖光譜儀通過垂直入射光在薄膜上下表面反射產(chǎn)生干涉，利用反射光譜中的干涉峰位置變化，結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算膜厚?。其采用寬光譜或單波長光源，適用于透明/半透明材料，具有非接觸、高精度及無損檢測優(yōu)勢?。該方法廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造與光學(xué)鍍膜領(lǐng)域，支持實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與多層膜分析。

圖1：晶圓鍍膜

三、技術(shù)原理

       如何使用光纖光譜儀測薄膜厚度？

圖2：原理

       上圖為采用光纖光譜儀測膜厚的原理圖，光束以θ1入射到薄膜表面，一部分直接反射，另一部分則以θ2 發(fā)生折射，折射光經(jīng)膜層下表面反射后再經(jīng)其上表面發(fā)生折射，反射光1與反射光2相干發(fā)生干涉。使用光纖光譜儀測量薄膜的厚度主要是基于其反射干涉光譜。

圖3：實(shí)物

       測量時(shí)，整個(gè)光路主要由反射探頭組成，探頭部分垂直于晶圓向下放置，光纖端一部分連接光源，形成入射光，另一部分連接光纖光譜儀，接收反射光譜。反射光譜曲線中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結(jié)果。在薄膜干涉實(shí)驗(yàn)中，波長與介質(zhì)折射率、薄膜厚度之間有如下關(guān)系：

       白光干涉法測反射光譜時(shí)，由于我們采取垂直入射得方法（ θ10， θ20），因此上式可簡化成：

       如果知道具體k的值，就可根據(jù)干涉峰位推算出膜層厚度d，但由于每個(gè)干涉波峰和波谷所對應(yīng)的k很難確定，且不同厚度的薄膜k值都不相同，因此通常采用消去k的方法求出薄膜的厚度d。

圖4：不同厚度薄膜的反射光譜

       假定反射光譜曲線上有相鄰的兩個(gè)波峰λ1與波谷λ2，可聯(lián)立兩式求得薄膜的厚度d。

       實(shí)際上, 從反射光譜上可以得到多組波峰和波谷對應(yīng)的波長, 計(jì)算出多個(gè)薄膜厚度的數(shù)值, 然后求平均以減少測量誤差。

四、實(shí)驗(yàn)裝置

       典型配置如下：

五、結(jié)語

       光纖光譜儀通過分析垂直入射光在薄膜上下表面反射形成的干涉光譜，結(jié)合數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)納米級膜厚測量，其非接觸式光學(xué)設(shè)計(jì)避免了樣品損傷并支持透明/半透明材料檢測?。該技術(shù)采用寬光譜或單波長光源適配不同材料特性，結(jié)合高速采樣（毫秒級）與便攜式結(jié)構(gòu)（USB即插即用），可滿足工業(yè)流水線實(shí)時(shí)在線監(jiān)測需求，同時(shí)通過干涉信號解耦算法實(shí)現(xiàn)多層膜結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)分析，在半導(dǎo)體制造、光學(xué)鍍膜等領(lǐng)域推動高精度標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量控制。