椭偏仪在半导体薄膜工艺中的应用：膜厚与折射率的测量原理和校准方法

半导体测量设备主要用于监测晶圆上膜厚、线宽、台阶高度、电阻率等工艺参数，实现器件各项参数的准确控制，进而保障器件的整体性能。椭偏仪主要用于薄膜工艺监测，基本原理为利用偏振光在薄膜上、下表面的反射，通过菲涅尔公式得到薄膜参数与偏振态的关系，计算薄膜的折射率和厚度。

Flexfilm费曼仪器作为薄膜测量技术革新者，致力于为全球工业智造提供精准测量解决方案，公司自主研发的全光谱椭偏仪提供高准确度、高速度和高稳定性的测量方案，保障薄膜沉积环节的量值统一，支撑半导体器件性能的精准控制，确保半导体制造的质量和效率。

椭偏仪测量原理

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椭偏仪校准

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用于校准椭偏仪的标准器为膜厚样板，采用氧化工艺制备而成。薄膜氧化的过程是硅与水蒸气、氧气等氧化剂在高温条件下化学反应产生二氧化硅。氧化过程中 , 氧和硅的价电子重新分配，形成 Si-O共价键。由于硅的原子密度和二氧化硅的分子密度不同，氧化后硅和二氧化硅的分界面会下降。随着氧化薄膜的变厚，会形成一层致密层，氧化的速率会慢慢下降，符合迪尔 - 格罗夫的氧化动力学模型。

通常情况下，半导体工艺中氧化薄膜的厚度控制在2μm以内。如果需要制备更厚的氧化薄膜，可以选择化学气相沉积等方案。氧化过程在氧化炉中进行，需要严格控制温度、氧化时间、湿度等条件。研制的 2~1 000 nm 标准样片。

研制的 2~1 000 nm 膜厚标准样片

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椭偏仪的测量准确度

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通常采用 X 射线光电子光谱仪（XPS）和光谱型椭偏仪等作为膜厚样板的定值装置。椭偏仪的校准依据JJG（军工）14—2011《光学薄膜折射率和厚度测试仪》检定规程，涉及的计量参数包括波长、入射角、偏振角、相位差、折射率以及膜厚等，其中主要计量参数是膜厚和折射率。通过椭偏仪对膜厚标准样片中心的待测点重复测量六次，取平均值为测量结果，与标准值比较评价椭偏仪的测量准确度。

椭偏仪校准数据

椭偏仪通过精准解析纳米级膜厚与折射率，成为半导体薄膜沉积工艺不可或缺的监控工具。其计量数据不仅直接优化沉积参数，更支撑半导体量值溯源体系的核心决策——基于膜厚/折射率漂移趋势，动态制定设备计量周期与应急响应机制，最终保障晶圆制造中薄膜特性的全局可控性。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪收集的数据可以用于分析半导体薄膜工艺中的问题，发现膜层厚度不符合要求后，可以调整沉积或刻蚀的时间和条件解决问题。Flexfilm费曼仪器的薄膜厚度测量技术贯穿于材料研发、生产监控到终端应用的全流程，尤其在半导体、新能源、汽车工业、医疗、航空航天等高精度领域不可或缺。

原文参考：《典型半导体工艺测量设备计量技术》

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