薄膜結構在半導體制造中扮演著至關重要的角色，廣泛應用于微電子器件、光學涂層、傳感器等領域。隨著半導體技術的不斷進步，對薄膜結構的檢測精度和效率提出了更高的要求。傳統的檢測方法，如橢圓偏振法、反射法和白光掃描干涉法等，雖然在一定程度上能夠滿足測量需求，但存在一些局限性。針對這些現有技術的不足，本文提出了一種基于白光色散干涉法（WLDI）的高精度測量系統。該系統具有非接觸、高精度、抗振動等優勢，能夠同時測量薄膜的表面輪廓和膜厚，為半導體制造中的薄膜檢測提供了一種新的解決方案，FlexFilm自動膜厚儀基于白光色散干涉技術開發，可同時實現表面形貌與膜厚的納米級測量。

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白光色散干涉法（WLDI）原理

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自主研發的白光色散干涉法示意圖

本文搭建的白光色散干涉法系統主要由以下幾部分組成：高功率鹵素燈作為光源，提供足夠的光譜帶寬；光學探頭用于生成樣品和參考鏡之間的干涉信號；光譜相機用于捕獲二維光譜干涉圖；以及逐行光譜校準方法用于提高測量精度。

• 測量原理

在測量過程中，樣品表面反射的光與參考鏡反射的光發生干涉，形成二維光譜干涉圖。每條線光譜信號包含了樣品表面高度和膜厚的信息。通過對光譜信號的處理，可以提取出總相位分布，進而分解為表面相位和膜厚相位。

• 膜厚計算

對于薄膜結構，總相位分布可以表示為表面相位和膜厚相位之和。膜厚相位與膜厚之間存在非線性關系，通過Levenberg-Marquardt非線性擬合方法，可以精確地計算出膜厚。具體計算過程如下：

單層膜結構的多次反射模型

首先，建立薄膜的多次反射模型，計算理論非線性相位。然后，將測量得到的非線性相位與理論相位進行擬合，通過調整膜厚參數，使擬合殘差最小化，從而得到精確的膜厚值。

• 表面輪廓計算

表面輪廓的計算基于總相位分布中的表面相位部分。采用單波數法引入干涉級次，可以有效提高表面輪廓的測量精度。具體計算公式為：其中，Φsur(h, k)為表面相位，FN(i)為干涉級次，k為波數。通過引入干涉級次，可以避免其他波數的噪聲干擾，從而提高測量精度。

• 逐行光譜校準

校準光源成像及中心波長528.28nm的質心像素位置

在實際測量中，由于光學系統和色散元件的影響，光譜干涉圖中會出現“微笑畸變”，導致波數校準不準確，進而影響測量結果。為了解決這一問題，本文提出了一種逐行光譜校準方法。通過確定每行的波數與像素位置之間的關系，可以有效校正“微笑畸變”，提高波數校準的精度，從而提高表面輪廓的測量精度。

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表面輪廓測量

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• 噪聲評估

(a,c)多次測量的相對高度 (b,d)斜率法(a,b)與單波數法(c,d)的分布

為了評估系統的測量噪聲，對平滑硅片進行了多次重復測量。結果表明，單波數法的測量噪聲顯著低于斜率法，95%的數據點的測量噪聲在0.3納米以內，表明系統的垂直分辨率達到了納米級。

• 臺階標準測量

臺階標準的二維光譜干涉圖

斜率法與改進精度的單波數法計算的臺階輪廓

使用臺階高度標準進行測量，驗證了系統的測量精度。臺階高度標準的認證高度為1.806±0.011微米。通過比較斜率法和單波數法的測量結果，單波數法的測量精度更高，標準偏差更小，能夠有效減少測量誤差。

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膜厚測量

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(a)薄膜標準的二維光譜干涉圖 (b)y=500像素處的線光譜信號

膜厚擬合結果：（a）理論相位與測量非線性相位的比較（b）確定膜厚后的總相位和膜相位

薄膜標準測量結果：(a)膜厚 (b)單波數法獲得的表面與基底界面輪廓

對經過NIST校準的VLSI膜標準進行測量，膜標準的認證厚度為1052.2±0.9納米。通過非線性相位擬合，精確計算出膜厚為1053.2納米，與認證值高度一致。同時，利用單波數法重建了膜標準的三維表面形貌，驗證了系統的高精度測量能力。本文提出的基于白光色散干涉法的測量系統，通過逐行光譜校準和單波數法，實現了薄膜表面輪廓和膜厚的高精度同時測量。實驗結果表明，系統具有納米級的垂直分辨率，單波數法和逐行校準在提高測量精度方面發揮了關鍵作用。

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FlexFilm自動膜厚儀

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對樣品進行無損、快速、高精度測量，可用于反射率、透射率、膜厚等參數測量。廣泛應用于光學鍍膜、半導體薄膜、液晶顯示、薄膜層和生物醫學等厚度的測量方案中。

• 光學干涉方式，無損測量
• Mapping成像模式，輕松表征材料膜厚的均一性
• 多類解析算法，可精準和估算測量，滿足不同測量需要
• 軟件簡潔，測量一鍵操作，簡單易用

FlexFilm自動膜厚儀作為白光色散干涉法技術的工程化產品，未來將通過多方法融合進一步拓展薄膜測量的厚度范圍與應用場景，滿足半導體制造中不斷升級的檢測需求。原文出處:《High-accuracy simultaneous measurement of surface profile and film thickness using line-field white-light dispersive interferometer》

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