反射光谱法测量薄膜厚度和光学参数

薄膜介绍

　　沉积在某物质表面的非常薄的另一种物质层叫做薄膜。薄膜在许多技术行业中占有非常重要的位置。薄膜的应用非常广泛，例如，提供钝化，充当导体间的绝缘层，防扩散层，防止刮伤磨损的硬膜。集成电路的主要制作就是由一系列的薄膜沉积和选择性的移动所组成的。薄膜在典型应用中的厚度从几个原子级别（1Å 或0.0001pm ）到100pm （人类头发的厚度）不等。它们可以通过许多不同的工艺加工而成，包括旋涂、真空蒸镀、喷射法、气相沉积和浸涂。为了实现设计时的功能，薄膜就必须具有合适的厚度、成分、粗糙度和其它特殊应用中的重要特性。而这些特性常常必须在薄膜制造过程中及之后进行测量。

　　两类主要的薄膜测量方法是光学法和探针法。探针法是通过监测精细探针经过薄膜表面时的偏移来测量薄膜厚度及粗糙度。探针法在测量速度和精度上受限，并且测量厚度时需要薄膜中存在“台阶”。探针法通常是测量不透明膜的首选方法，例如金属膜。光学法是通过测量光与薄膜相互作用来获得薄膜的特性。光学法可以测量薄膜的厚度、粗糙度及光学常数（n,k）光学常数是用来描述光从一种物质中穿过进行传播反射这一过程的物理量。一旦得知光学常数，就可以同其它重要参量联系起来，例如合成及能带。由于光学法测量准确、无损、只需很少或根本不需要准备样品，所以光学法常常是测量薄膜的首选方法。两类最常用的光学测量法是反射光谱法及椭圆偏光法。反射光谱法是让光垂直入射到样品表面，测量被薄膜表面反射回来的一定波长范围的光。椭圆偏光法测量与反射光谱法相似，不同之处是非垂直入射光的反射光及光的两种不同偏振态。一般而言，反射光谱法比椭圆偏光法更简单和经济，但它只限于测量不复杂的结构。

n和k的定义

光学参量（n和k）描述了光通过薄膜如何进行传播。固定时间里通过一种物质的光传播的电磁场可以简单表示为：

其中X表示距离，λ表示波长，n和k表示薄膜折射率和消光系数。折射率是光在物质和真空中传播速度的比值。消光系数是测量光在物质中吸收的量。

光谱反射理论

单界面

当光穿过不同物质的界面时，反射就发生了。通过界面反射的一部分光取决于n和k的不连续性。对空气中的物质的反射光来讲：

为了了解反射光谱如何被用来测量光学参量，可以假设光被无吸收（k=0）的单一物质反射的简单情形。则：

显然，物质的折射率n能够通过测量R来知晓。实际物质中，n 随光波长不同而变化（也就是说，实际物质会发生色散），但由于在许多波长下的反射率已知，所以在这些波长下的每一个折射率也就可知，如公式所示。

多层界面

现在考虑在另一种物质上的一层薄膜，该情形下，薄膜的顶部和底部都反射光。反射光的总量为两个界面独立反射光的叠加。由于光的波动性，两个界面的反射光可能干涉相长（强度增加）或干涉相消（强度减小），这取决于它们的相位关系。它们的相位关系取决于两组反射光的光程差，而光程差是由薄膜的厚度、光学参量及光的波长决定的。当光程差等于光波长的整数倍时，两组反射光位相相同，因而干涉相长。对于光垂直入射到一个透明薄膜的情形，当2nd=iλ时两组反射光干涉相长，其中，d是薄膜厚度，i 是整数（系数2是由于光两次穿过薄膜）。相反的，光程差为波长的一半时，或当2nd=(i+½)λ时，两组反射光相位相反，因而干涉相消。反射率可组合为一个简单公式：

从公式可以看出，薄膜的反射率周期性地随波长的倒数变化，如下图所示。同样的，在相同波长下，厚的薄膜产生更多数量的振荡，而薄的薄膜则产生较少的振荡，通常只有一个振荡的一部分。

通过反射光谱法确定薄膜特性

　　薄膜反射的振幅和周期取决于薄膜的厚度、光学参量及其它特性，如表面粗糙度。在超过一个界面的情况下，不可能用一种紧密关联的形式来描述薄膜的特性，也不可能在每个单一波长下描述 n 和 k 。实际中，常使用数学建模来描述一定波长范围里的n和k，只需几个可变量即可。薄膜特性通过计算基于厚度实验值及n与k模型参量的反射光谱来确定，并且调整这些值，直至计算的反射率和测量的反射率相匹配。

n和k的建模

   n和k是波长的函数，可通过多种模型来描述。为某一特定薄膜选择模型时，使用尽可能少的变量来准确地描述在相关波长范围内的n和k是非常重要的。总之，不同种类物质（例如：电介质、半导体、金属和非晶体）的光学参数随波长有很大的不同，需要不同的模型来描述。电介质（k=0）的模型通常有三个变量，而非电介质通常有五个或更多的变量。因此，作为例子，以下建立了两层薄膜结构的模型，共考虑了18个可变量。

反射光谱法的局限

　　反射光谱法可以测量薄膜的类型很广泛，可测量薄膜的厚度、粗糙度及光学参量。然而，如果只有少于一个周期的反射率振荡（例如：膜太薄），则不会有足够的信息来确定模型的可变量。因此，对于非常薄的薄膜，可确定的薄膜特性的数量就减少了。如果试图解决太多的变量，不可能找到一个唯一的解答；超过一个的变量值的可能组合才可能得到一个与反射率测量值匹配的反射率计算值。基于薄膜及测量的波长范围，通过反射光谱法可以测量的单层薄膜的最小厚度为10Å--300Å。如果试图测量光学参量，除非使用最少变量模型，否则可测最小厚度增加到100 Å--2000 Å。如果要测量超过一层的薄膜的光学性质，可测最小厚度将进一步增加。

反射光谱法与椭圆偏光法

　　基于以上列出的限制条件，反射光谱法可以用来测量绝大部分的重要薄膜。然而，当膜太薄、层数太多、或利用反射光谱法测量太复杂时，可以利用一般情况下更有效的方法：光谱椭圆偏光法来测量。该方法是测量非正入射光（比垂直入射通常偏离75o）的反射光谱。椭圆偏光法对非常薄的薄膜更敏感，两种不同的偏振测量可提供两倍信息用于分析。此外，利用可变角度椭圆偏光法可进行多种不同入射角度的反射光谱测量，因而能增加更多有利于分析的信息。

便捷式薄膜测量系统

　　使用Filmetrics公司的先进光谱系统，可以很快、很容易地测量厚度、折射率及消光系数。简单地将Filmetrics系统插入您电脑的USB接口，并开始进行测量。整个系统只需要几分钟来搭建，而测量过程也仅需要基础的电脑知识。这种简单的硬件系统及直观的软件为所有新用户提供了薄膜知识。能够测量波长范围为：200nm到1700nm，厚度范围为：30Å到450pm的薄膜。Filmetrics系统可测量所有常用物质形成的透明薄膜。Filmetrics F20被Photonics Spectra杂志选为1998年25种最重要的新产品之一。

实际应用

半导体行业薄膜——实验/工艺

   Filmetrics测量系统通常用于测量氧化物、SiNx，光阻及其它半导体加工薄膜的厚度、粗糙度及光学参量。除了这些单层膜应用，许多二层及三层膜也有可能测量。例如，在SOI应用中的硅基上的多晶硅/SiO2薄膜。

现场测量

　　灵活的光学探头装置使得在线和现场厚度测量成为可能。需要的只是对正入射光的反射谱测量的光接入。关于如何为您的设备做接口，请致电给我们以获取更详细的信息。

光学镀膜

　　在许多工业中，薄膜用于防刮伤和（或）增透。汽车整形、眼镜镜片和许多塑料包装应用都使用薄膜。对于硬膜，首层经常用于提高膜的附着力。Filmetrics系统能够单独或同时测量这些层的厚度，而不用考虑样品背后的膜层。

平板显示应用

　　合适的聚酰亚胺和压印涂料厚度对平板显示器的生产是至关重要的。除了测量这些，Filmetrics系统也可以测量无论是空的还是充满液晶的液晶盒间隙厚度。

多个产品可供选择

F20：秒级的薄膜测量

　　使用型号F20可快速、简单地测量厚度、光学参量和透射率。测量30Å到450pm厚的透明或半透明薄膜可配置各种各样的附件。典型的精度在几个埃。光斑尺寸可调节的范围很宽。多种不同的平台，卡盘和特殊的测量头可适合大部分样品的尺寸。

F30：在线测量

　　针对在线应用，Filmetrics只提供了光学测量部分，并提供对多种控制系统的接口

F40：把显微镜变成薄膜厚度测量工具

　　对于在图形表面的厚度测量和其它应用，需要10m小的光斑尺寸。F40可以方便的和大多数的普通显微镜连接在一起。CCD相机可以通过标准的C型适配器和它连接来进行观测

F50：厚度分布测量系统

　　将F20厚度测量系统的功能和直观操作延伸至对大面积样品的自动成像。在几分钟内可显示样品的均匀性。扫描五个点到扫描数百个点时扫描速度可达1个点/秒。标准的夹盘可测量直径达12英寸的晶圆。