在半導體芯片制造中，薄膜厚度的精確測量是確保器件性能的關鍵環節。隨著工藝節點進入納米級，單顆芯片上可能需要堆疊上百層薄膜，且每層厚度僅幾納米至幾十納米。光譜橢偏儀因其非接觸、高精度和快速測量的特性，成為半導體工業中膜厚監測的核心設備。

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寬光譜橢偏儀工作原理

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寬光譜橢偏儀通過分析偏振光與樣品相互作用后的偏振態變化，測量薄膜的厚度與光學性質。其核心流程如下：

光譜橢偏儀結構簡化示意圖

1.偏振態調制：光源發出的寬譜光經起偏器形成特定偏振態，入射至樣品表面后發生反射或透射，偏振態因薄膜的光學特性（如折射率、厚度、粗糙度）發生改變。

2.信號采集：反射光通過補償器與分析器后，由探測器接收。光強隨光學元件（如旋轉補償器）的周期性運動而變化，通過傅里葉分析提取與樣品相關的傅里葉系數。

3.參數反演：實驗測得的系數轉化為偏振態參數ψ（振幅衰減比）和Δ（相位差），其數學表達為：

4.模型擬合：將ψ和Δ的實驗值與基于Maxwell方程的理論模型（如多層膜光學模型）進行擬合，通過優化算法調整膜厚和材料光學參數（如復折射率），直至理論值與實驗數據最佳匹配，最終輸出精確的膜厚及光學常數。

光譜橢偏儀擬合一般流程

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實驗設計：聚焦位置影響膜厚的測量結果

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不同聚焦位置實驗設計示意圖

光譜橢偏儀需將入射光聚焦至樣品表面形成微小光斑（通常幾十微米），以匹配芯片切割道內的監測區域。實驗表明，當聚焦位置偏離最佳焦點（±5 μm范圍）時，膜厚測量值會呈現線性變化：

3 nm薄膜：離焦距離每增加1 μm，膜厚測量值增加約0.0056 nm，相當于0.19%/μm的百分比變化。

900 nm厚膜：離焦距離每增加1 μm，膜厚測量值僅增加0.01 nm，對應0.001%/μm的變化率。

薄膜樣品在聚焦位置±5 μm范圍內的膜厚靜態重復性和擬合值

厚膜樣品在聚焦位置±5 μm范圍內的膜厚靜態重復性和擬合值

原因分析：離焦時，光斑在探測器上的位置和大小發生偏移，導致采集的光譜信號與理論模型產生偏差。對于薄膜而言，其光譜特征較為平滑，微小信號差異即可引發較大的擬合誤差；而厚膜因具有豐富的波長依賴峰谷特征，對光譜變化的容忍度更高。

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實驗結果

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實驗發現，盡管離焦會顯著改變膜厚擬合值，但多次測量的靜態重復性（以三次標準差衡量）對聚焦位置變化并不敏感。例如：

• 3 nm薄膜的聚焦重復性為1.3 μm時，膜厚測量的重復精度可達0.01 nm
  
• 900 nm厚膜在1.5 μm聚焦重復性下，重復精度為0.012 nm

兩種樣品在焦和離焦5 μm 時的光譜差異

這表明，儀器算法在離焦狀態下仍能穩定擬合數據，但單次聚焦的位置偏差會直接影響最終結果的準確性。

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結論：

聚焦重復性是提升測量膜厚精度的關鍵

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根據實驗結論，膜厚測量的重復精度極限主要由聚焦系統的穩定性決定。以當前工業設備的聚焦重復性（1.3~1.5 μm）為例，3 nm薄膜的測量誤差已被限制在0.01~0.012 nm水平。若要進一步提升精度，需從以下方向改進：

1.優化自動聚焦算法：提高焦點定位的重復性，減少機械振動或環境擾動的影響。

2.增強光學系統設計：采用高數值孔徑物鏡或自適應光學元件，降低離焦敏感度。

3.改進擬合模型：針對離焦狀態的光譜特征優化算法，減少擬合誤差。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數（如厚度）和物理參數（如折射率n、消光系數k）

1.先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。

2.粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。

3.秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。

4.原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀始終關注聚焦的位置偏差，為薄膜厚度的精確測量提供了高效解決方案。隨著聚焦重復性的引入，橢偏儀的數據分析過程逐漸自動化，降低了用戶門檻。未來，該技術有望在柔性電子、光伏器件等新興領域發揮更大作用，推動材料科學的精細化發展。

本文出處：《聚焦位置對光譜橢偏儀膜厚測量的影響》