在半導體制造中，薄膜的沉積和生長是關鍵步驟。薄膜的厚度需要精確控制，因為厚度偏差會導致不同的電氣特性。傳統的厚度測量依賴于模擬預測或后處理設備，無法實時監測沉積過程中的厚度變化，可能導致工藝偏差和良率下降。為此，研究團隊開發了一種基于激光反射率的光學傳感器，能夠在真空環境下實時測量氧化膜（SiO?）、氮化膜（Si?N?）和多晶硅（p-Si）的厚度。

FlexFilm單點膜厚儀可方便搭建各種光譜實驗平臺，實現對各種材料的光學特性、膜厚、材料的反射率、透過率等光譜特性的測試和分析實驗。

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光學原理

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激光在薄膜界面反射和折射的光路圖

入射光束（I）在薄膜上表面反射為（I?），另一部分折射后在下表面反射并再次折射為（I?）。

光程差公式：Δp = 2ndcosθ?（n為折射率，d為厚度，θ?為折射角）。

相位差（ΔΦ）導致干涉，影響反射光強度，從而關聯到薄膜厚度。

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薄膜厚度測量裝置

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激光入射角設置為30°、45°、60°，反射光信號轉換為電壓值（參考入射光電壓8.14 V）。

測量原理：通過測量反射光的強度，并結合薄膜的光學性質，計算出薄膜的反射率，進而推導出薄膜的厚度。

測量目標：驗證基于光學反射率的薄膜厚度測量方法的可行性和準確性。

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材料制備與表征

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三種不同類型薄膜厚度的測量結果

氧化物薄膜的測量誤差在1.2%以內，顯示出較高的測量精度。

氮化物薄膜的測量誤差在1.6%到2.2%之間，整體誤差也較小。

多晶硅薄膜的測量誤差在-0.2%到3.6%之間，其中150 nm厚度的薄膜誤差最大，可能與其光學性質與硅片相似有關。

氧化物、氮化物、多晶硅和單晶硅的光學性質

氧化物和氮化物薄膜：折射率分別為1.47和2.02，消光系數均為0，表明這些薄膜是透明的，沒有吸收。

多晶硅薄膜：折射率為4.05，消光系數為0.05，表明多晶硅薄膜具有一定的吸收特性。

單晶硅薄膜：折射率為3.88，消光系數為0.019，表明單晶硅薄膜的吸收較小。

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理論模型

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多層薄膜結構中第N層薄膜的折射和反射過程

多層薄膜結構：展示了多層薄膜的折射和反射過程，特別關注第N層薄膜的行為。

光程差和相位差：通過計算光程差和相位差，可以推導出反射光的強度變化，進而用于薄膜厚度的測量。

反射率計算：反射率是反射光強度與入射光強度的比值，通過反射率的變化可以推導出薄膜的厚度。

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入射角依賴性分析

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不同角度下的反射率曲線

反射率的周期性變化：

氧化物和氮化物薄膜的反射率隨厚度變化呈現出明顯的周期性波動，這與薄膜的干涉效應有關。

多晶硅薄膜的反射率變化較為復雜，周期性不明顯，主要由于其吸收特性。

入射角度的影響：

在較小的入射角度（45°和60°）下，反射率的變化較為明顯，對薄膜厚度的變化更為敏感。

在較大的入射角度（80°、85°和89°）下，反射率的變化逐漸趨于平緩，但仍能觀察到厚度對反射率的影響。

薄膜類型的差異：

氧化物和氮化物薄膜的反射率變化較為相似，主要由于它們都是透明薄膜，消光系數為零。

多晶硅薄膜的反射率變化較為復雜，主要由于其吸收特性。

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反射率與厚度關系

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三種薄膜的實測與理論反射率對比

薄膜厚度測量：

通過分析反射率的變化，可以精確測量薄膜的厚度，特別是對于透明薄膜（如氧化物和氮化物）。

對于半透明薄膜（如多晶硅），雖然反射率變化復雜，但仍然可以通過選擇合適的波長和入射角度進行測量。

實驗裝置的設計提供了理論基礎，幫助優化半導體制造工藝中的薄膜沉積和生長過程，確保薄膜厚度在控制范圍內。

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多角度測量驗證

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氧化物、氮化物、多晶硅三種薄膜反射率隨厚度的變化

材料光學特性決定測量效果：

透明/半透明材料（氧化膜、氮化膜）因干涉效應顯著，反射率與厚度強相關。

不透明材料（多晶硅）因光吸收（k≠0）導致干涉失效，反射率無厚度信息。

入射角選擇策略：

高折射率材料（如氮化膜）適合低角度（30°），低折射率材料（如氧化膜）適合高角度（60°）。

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對比度分析

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氧化物、氮化物和多晶硅薄膜的對比度

通過對比度的分析，展示了不同薄膜類型在不同入射角度下的反射率變化的明顯程度。對比度越高，反射率的變化越明顯，薄膜厚度的測量越容易。從而優化測量方法，提高薄膜厚度測量的精度和可靠性。

一種基于光學反射率的薄膜厚度測量方法，能夠在半導體制造過程中實時監測薄膜的沉積和生長厚度。通過激光反射率測量技術，成功實現了氧化膜（SiO?）和氮化膜（Si?N?）薄膜厚度的實時、高精度監測，誤差可控制在10 nm以內，最小誤差低至0.68%。

該技術不僅為半導體行業提供了一種高效、低成本的厚度測量方案，也為光學薄膜表征領域的發展提供了新的思路，具有重要的工程應用價值和科學研究意義。

FlexFilm單點膜厚儀

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FlexFilm單點膜厚儀是一款專為納米級薄膜測量設計的國產高精度設備，采用光學干涉技術實現無損檢測，測量精度達±0.1nm，1秒內即可完成測試，顯著提升產線效率。

1.高精度測量：光學干涉技術，精度±0.1nm，1秒完成測量，提升產線效率。

2.智能靈活適配：波長覆蓋380-3000nm，內置多算法，一鍵切換材料模型。

3.穩定耐用：光強均勻穩定（CV＜1%）年均維護成本降低60%。

4.便攜易用：整機＜3kg，軟件一鍵操作，無需專業培訓。

FlexFilm單點膜厚儀可基于光學反射率的薄膜厚度測量方法，在半導體制造過程中實時監測薄膜的沉積和生長厚度。搭建各種光譜實驗平臺，實現對各種材料的光學特性、膜厚、材料的反射率、透過率等光譜特性的測試和分析實驗。

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