白光色散干涉：实现薄膜表面轮廓和膜厚的高精度测量

薄膜结构在半导体制造中扮演着至关重要的角色，广泛应用于微电子器件、光学涂层、传感器等领域。随着半导体技术的不断进步，对薄膜结构的检测精度和效率提出了更高的要求。传统的检测方法，如椭圆偏振法、反射法和白光扫描干涉法等，虽然在一定程度上能够满足测量需求，但存在一些局限性。针对这些现有技术的不足，本文提出了一种基于白光色散干涉法（WLDI）的高精度测量系统。该系统具有非接触、高精度、抗振动等优势，能够同时测量薄膜的表面轮廓和膜厚，为半导体制造中的薄膜检测提供了一种新的解决方案，FlexFilm自动膜厚仪基于白光色散干涉技术开发，可同时实现表面形貌与膜厚的纳米级测量。

1

白光色散干涉法（WLDI）原理

flexfilm

自主研发的白光色散干涉法示意图

本文搭建的白光色散干涉法系统主要由以下几部分组成：高功率卤素灯作为光源，提供足够的光谱带宽；光学探头用于生成样品和参考镜之间的干涉信号；光谱相机用于捕获二维光谱干涉图；以及逐行光谱校准方法用于提高测量精度。

• 测量原理

在测量过程中，样品表面反射的光与参考镜反射的光发生干涉，形成二维光谱干涉图。每条线光谱信号包含了样品表面高度和膜厚的信息。通过对光谱信号的处理，可以提取出总相位分布，进而分解为表面相位和膜厚相位。

• 膜厚计算

对于薄膜结构，总相位分布可以表示为表面相位和膜厚相位之和。膜厚相位与膜厚之间存在非线性关系，通过Levenberg-Marquardt非线性拟合方法，可以精确地计算出膜厚。具体计算过程如下：

单层膜结构的多次反射模型

首先，建立薄膜的多次反射模型，计算理论非线性相位。然后，将测量得到的非线性相位与理论相位进行拟合，通过调整膜厚参数，使拟合残差最小化，从而得到精确的膜厚值。

• 表面轮廓计算

表面轮廓的计算基于总相位分布中的表面相位部分。采用单波数法引入干涉级次，可以有效提高表面轮廓的测量精度。具体计算公式为：其中，Φsur(h, k)为表面相位，FN(i)为干涉级次，k为波数。通过引入干涉级次，可以避免其他波数的噪声干扰，从而提高测量精度。

• 逐行光谱校准

校准光源成像及中心波长528.28nm的质心像素位置

在实际测量中，由于光学系统和色散元件的影响，光谱干涉图中会出现“微笑畸变”，导致波数校准不准确，进而影响测量结果。为了解决这一问题，本文提出了一种逐行光谱校准方法。通过确定每行的波数与像素位置之间的关系，可以有效校正“微笑畸变”，提高波数校准的精度，从而提高表面轮廓的测量精度。

2

表面轮廓测量

flexfilm

• 噪声评估

(a,c)多次测量的相对高度 (b,d)斜率法(a,b)与单波数法(c,d)的分布

为了评估系统的测量噪声，对平滑硅片进行了多次重复测量。结果表明，单波数法的测量噪声显著低于斜率法，95%的数据点的测量噪声在0.3纳米以内，表明系统的垂直分辨率达到了纳米级。

• 台阶标准测量

台阶标准的二维光谱干涉图

斜率法与改进精度的单波数法计算的台阶轮廓

使用台阶高度标准进行测量，验证了系统的测量精度。台阶高度标准的认证高度为1.806±0.011微米。通过比较斜率法和单波数法的测量结果，单波数法的测量精度更高，标准偏差更小，能够有效减少测量误差。

3

膜厚测量

flexfilm

(a)薄膜标准的二维光谱干涉图 (b)y=500像素处的线光谱信号

膜厚拟合结果：（a）理论相位与测量非线性相位的比较（b）确定膜厚后的总相位和膜相位

薄膜标准测量结果：(a)膜厚 (b)单波数法获得的表面与基底界面轮廓

对经过NIST校准的VLSI膜标准进行测量，膜标准的认证厚度为1052.2±0.9纳米。通过非线性相位拟合，精确计算出膜厚为1053.2纳米，与认证值高度一致。同时，利用单波数法重建了膜标准的三维表面形貌，验证了系统的高精度测量能力。本文提出的基于白光色散干涉法的测量系统，通过逐行光谱校准和单波数法，实现了薄膜表面轮廓和膜厚的高精度同时测量。实验结果表明，系统具有纳米级的垂直分辨率，单波数法和逐行校准在提高测量精度方面发挥了关键作用。

3

FlexFilm自动膜厚仪

flexfilm

对样品进行无损、快速、高精度测量，可用于反射率、透射率、膜厚等参数测量。广泛应用于光学镀膜、半导体薄膜、液晶显示、薄膜层和生物医学等厚度的测量方案中。

• 光学干涉方式，无损测量
• Mapping成像模式，轻松表征材料膜厚的均一性
• 多类解析算法，可精准和估算测量，满足不同测量需要
• 软件简洁，测量一键操作，简单易用

FlexFilm自动膜厚仪作为白光色散干涉法技术的工程化产品，未来将通过多方法融合进一步拓展薄膜测量的厚度范围与应用场景，满足半导体制造中不断升级的检测需求。原文出处:《High-accuracy simultaneous measurement of surface profile and film thickness using line-field white-light dispersive interferometer》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。