反射光譜法測量薄膜厚度和光學(xué)參數(shù)

薄膜介紹

　　沉積在某物質(zhì)表面的非常薄的另一種物質(zhì)層叫做薄膜。薄膜在許多技術(shù)行業(yè)中占有非常重要的位置。薄膜的應(yīng)用非常廣泛，例如，提供鈍化，充當(dāng)導(dǎo)體間的絕緣層，防擴(kuò)散層，防止刮傷磨損的硬膜。集成電路的主要制作就是由一系列的薄膜沉積和選擇性的移動所組成的。薄膜在典型應(yīng)用中的厚度從幾個原子級別（1? 或0.0001pm ）到100pm （人類頭發(fā)的厚度）不等。它們可以通過許多不同的工藝加工而成，包括旋涂、真空蒸鍍、噴射法、氣相沉積和浸涂。為了實現(xiàn)設(shè)計時的功能，薄膜就必須具有合適的厚度、成分、粗糙度和其它特殊應(yīng)用中的重要特性。而這些特性常常必須在薄膜制造過程中及之后進(jìn)行測量。

　　兩類主要的薄膜測量方法是光學(xué)法和探針法。探針法是通過監(jiān)測精細(xì)探針經(jīng)過薄膜表面時的偏移來測量薄膜厚度及粗糙度。探針法在測量速度和精度上受限，并且測量厚度時需要薄膜中存在“臺階”。探針法通常是測量不透明膜的首選方法，例如金屬膜。光學(xué)法是通過測量光與薄膜相互作用來獲得薄膜的特性。光學(xué)法可以測量薄膜的厚度、粗糙度及光學(xué)常數(shù)（n,k）光學(xué)常數(shù)是用來描述光從一種物質(zhì)中穿過進(jìn)行傳播反射這一過程的物理量。一旦得知光學(xué)常數(shù)，就可以同其它重要參量聯(lián)系起來，例如合成及能帶。由于光學(xué)法測量準(zhǔn)確、無損、只需很少或根本不需要準(zhǔn)備樣品，所以光學(xué)法常常是測量薄膜的首選方法。兩類最常用的光學(xué)測量法是反射光譜法及橢圓偏光法。反射光譜法是讓光垂直入射到樣品表面，測量被薄膜表面反射回來的一定波長范圍的光。橢圓偏光法測量與反射光譜法相似，不同之處是非垂直入射光的反射光及光的兩種不同偏振態(tài)。一般而言，反射光譜法比橢圓偏光法更簡單和經(jīng)濟(jì)，但它只限于測量不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

n和k的定義

光學(xué)參量（n和k）描述了光通過薄膜如何進(jìn)行傳播。固定時間里通過一種物質(zhì)的光傳播的電磁場可以簡單表示為：

其中X表示距離，λ表示波長，n和k表示薄膜折射率和消光系數(shù)。折射率是光在物質(zhì)和真空中傳播速度的比值。消光系數(shù)是測量光在物質(zhì)中吸收的量。

光譜反射理論

單界面

當(dāng)光穿過不同物質(zhì)的界面時，反射就發(fā)生了。通過界面反射的一部分光取決于n和k的不連續(xù)性。對空氣中的物質(zhì)的反射光來講：

為了了解反射光譜如何被用來測量光學(xué)參量，可以假設(shè)光被無吸收（k=0）的單一物質(zhì)反射的簡單情形。則：

顯然，物質(zhì)的折射率n能夠通過測量R來知曉。實際物質(zhì)中，n 隨光波長不同而變化（也就是說，實際物質(zhì)會發(fā)生色散），但由于在許多波長下的反射率已知，所以在這些波長下的每一個折射率也就可知，如公式所示。

多層界面

現(xiàn)在考慮在另一種物質(zhì)上的一層薄膜，該情形下，薄膜的頂部和底部都反射光。反射光的總量為兩個界面獨(dú)立反射光的疊加。由于光的波動性，兩個界面的反射光可能干涉相長（強(qiáng)度增加）或干涉相消（強(qiáng)度減?。?，這取決于它們的相位關(guān)系。它們的相位關(guān)系取決于兩組反射光的光程差，而光程差是由薄膜的厚度、光學(xué)參量及光的波長決定的。當(dāng)光程差等于光波長的整數(shù)倍時，兩組反射光位相相同，因而干涉相長。對于光垂直入射到一個透明薄膜的情形，當(dāng)2nd=iλ時兩組反射光干涉相長，其中，d是薄膜厚度，i 是整數(shù)（系數(shù)2是由于光兩次穿過薄膜）。相反的，光程差為波長的一半時，或當(dāng)2nd=(i+?)λ時，兩組反射光相位相反，因而干涉相消。反射率可組合為一個簡單公式：

從公式可以看出，薄膜的反射率周期性地隨波長的倒數(shù)變化，如下圖所示。同樣的，在相同波長下，厚的薄膜產(chǎn)生更多數(shù)量的振蕩，而薄的薄膜則產(chǎn)生較少的振蕩，通常只有一個振蕩的一部分。

通過反射光譜法確定薄膜特性

　　薄膜反射的振幅和周期取決于薄膜的厚度、光學(xué)參量及其它特性，如表面粗糙度。在超過一個界面的情況下，不可能用一種緊密關(guān)聯(lián)的形式來描述薄膜的特性，也不可能在每個單一波長下描述 n 和 k 。實際中，常使用數(shù)學(xué)建模來描述一定波長范圍里的n和k，只需幾個可變量即可。薄膜特性通過計算基于厚度實驗值及n與k模型參量的反射光譜來確定，并且調(diào)整這些值，直至計算的反射率和測量的反射率相匹配。

n和k的建模

   n和k是波長的函數(shù)，可通過多種模型來描述。為某一特定薄膜選擇模型時，使用盡可能少的變量來準(zhǔn)確地描述在相關(guān)波長范圍內(nèi)的n和k是非常重要的?？傊?，不同種類物質(zhì)（例如：電介質(zhì)、半導(dǎo)體、金屬和非晶體）的光學(xué)參數(shù)隨波長有很大的不同，需要不同的模型來描述。電介質(zhì)（k=0）的模型通常有三個變量，而非電介質(zhì)通常有五個或更多的變量。因此，作為例子，以下建立了兩層薄膜結(jié)構(gòu)的模型，共考慮了18個可變量。

反射光譜法的局限

　　反射光譜法可以測量薄膜的類型很廣泛，可測量薄膜的厚度、粗糙度及光學(xué)參量。然而，如果只有少于一個周期的反射率振蕩（例如：膜太?。瑒t不會有足夠的信息來確定模型的可變量。因此，對于非常薄的薄膜，可確定的薄膜特性的數(shù)量就減少了。如果試圖解決太多的變量，不可能找到一個唯一的解答；超過一個的變量值的可能組合才可能得到一個與反射率測量值匹配的反射率計算值。基于薄膜及測量的波長范圍，通過反射光譜法可以測量的單層薄膜的最小厚度為10?--300?。如果試圖測量光學(xué)參量，除非使用最少變量模型，否則可測最小厚度增加到100 ?--2000 ?。如果要測量超過一層的薄膜的光學(xué)性質(zhì)，可測最小厚度將進(jìn)一步增加。

反射光譜法與橢圓偏光法

　　基于以上列出的限制條件，反射光譜法可以用來測量絕大部分的重要薄膜。然而，當(dāng)膜太薄、層數(shù)太多、或利用反射光譜法測量太復(fù)雜時，可以利用一般情況下更有效的方法：光譜橢圓偏光法來測量。該方法是測量非正入射光（比垂直入射通常偏離75o）的反射光譜。橢圓偏光法對非常薄的薄膜更敏感，兩種不同的偏振測量可提供兩倍信息用于分析。此外，利用可變角度橢圓偏光法可進(jìn)行多種不同入射角度的反射光譜測量，因而能增加更多有利于分析的信息。

便捷式薄膜測量系統(tǒng)

　　使用Filmetrics公司的先進(jìn)光譜系統(tǒng)，可以很快、很容易地測量厚度、折射率及消光系數(shù)。簡單地將Filmetrics系統(tǒng)插入您電腦的USB接口，并開始進(jìn)行測量。整個系統(tǒng)只需要幾分鐘來搭建，而測量過程也僅需要基礎(chǔ)的電腦知識。這種簡單的硬件系統(tǒng)及直觀的軟件為所有新用戶提供了薄膜知識。能夠測量波長范圍為：200nm到1700nm，厚度范圍為：30?到450pm的薄膜。Filmetrics系統(tǒng)可測量所有常用物質(zhì)形成的透明薄膜。Filmetrics F20被Photonics Spectra雜志選為1998年25種最重要的新產(chǎn)品之一。

實際應(yīng)用

半導(dǎo)體行業(yè)薄膜——實驗/工藝

   Filmetrics測量系統(tǒng)通常用于測量氧化物、SiNx，光阻及其它半導(dǎo)體加工薄膜的厚度、粗糙度及光學(xué)參量。除了這些單層膜應(yīng)用，許多二層及三層膜也有可能測量。例如，在SOI應(yīng)用中的硅基上的多晶硅/SiO2薄膜。

現(xiàn)場測量

　　靈活的光學(xué)探頭裝置使得在線和現(xiàn)場厚度測量成為可能。需要的只是對正入射光的反射譜測量的光接入。關(guān)于如何為您的設(shè)備做接口，請致電給我們以獲取更詳細(xì)的信息。

光學(xué)鍍膜

　　在許多工業(yè)中，薄膜用于防刮傷和（或）增透。汽車整形、眼鏡鏡片和許多塑料包裝應(yīng)用都使用薄膜。對于硬膜，首層經(jīng)常用于提高膜的附著力。Filmetrics系統(tǒng)能夠單獨(dú)或同時測量這些層的厚度，而不用考慮樣品背后的膜層。

平板顯示應(yīng)用

　　合適的聚酰亞胺和壓印涂料厚度對平板顯示器的生產(chǎn)是至關(guān)重要的。除了測量這些，F(xiàn)ilmetrics系統(tǒng)也可以測量無論是空的還是充滿液晶的液晶盒間隙厚度。

多個產(chǎn)品可供選擇

F20：秒級的薄膜測量

　　使用型號F20可快速、簡單地測量厚度、光學(xué)參量和透射率。測量30?到450pm厚的透明或半透明薄膜可配置各種各樣的附件。典型的精度在幾個埃。光斑尺寸可調(diào)節(jié)的范圍很寬。多種不同的平臺，卡盤和特殊的測量頭可適合大部分樣品的尺寸。

F30：在線測量

　　針對在線應(yīng)用，F(xiàn)ilmetrics只提供了光學(xué)測量部分，并提供對多種控制系統(tǒng)的接口

F40：把顯微鏡變成薄膜厚度測量工具

　　對于在圖形表面的厚度測量和其它應(yīng)用，需要10?m小的光斑尺寸。F40可以方便的和大多數(shù)的普通顯微鏡連接在一起。CCD相機(jī)可以通過標(biāo)準(zhǔn)的C型適配器和它連接來進(jìn)行觀測

F50：厚度分布測量系統(tǒng)

　　將F20厚度測量系統(tǒng)的功能和直觀操作延伸至對大面積樣品的自動成像。在幾分鐘內(nèi)可顯示樣品的均勻性。掃描五個點(diǎn)到掃描數(shù)百個點(diǎn)時掃描速度可達(dá)1個點(diǎn)/秒。標(biāo)準(zhǔn)的夾盤可測量直徑達(dá)12英寸的晶圓。