一、背景

       晶圓膜厚測(cè)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(jí)無(wú)損檢測(cè)并提升效率?。隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)縮小至納米級(jí)，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(jí)精度需求?。

二、應(yīng)用概述

       光纖光譜儀通過(guò)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(zhǎng)光源，適用于透明/半透明材料，具有非接觸、高精度及無(wú)損檢測(cè)優(yōu)勢(shì)?。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(cè)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(cè)薄膜厚度？

圖2：原理

       上圖為采用光纖光譜儀測(cè)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(cè)量薄膜的厚度主要是基于其反射干涉光譜。

圖3：實(shí)物

       測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(jiǎn)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(duì)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng), 計(jì)算出多個(gè)薄膜厚度的數(shù)值, 然后求平均以減少測(cè)量誤差。

四、實(shí)驗(yàn)裝置

       典型配置如下：

五、結(jié)語(yǔ)

       光纖光譜儀通過(guò)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(jí)膜厚測(cè)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(cè)?。該技術(shù)采用寬光譜或單波長(zhǎng)光源適配不同材料特性，結(jié)合高速采樣（毫秒級(jí)）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(cè)需求，同時(shí)通過(guò)干涉信號(hào)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(dòng)高精度標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量控制。