面向半导体量测的多波长椭偏技术：基于FDM-SE实现埃米级精度与同步测量

随着半导体芯片制造精度进入纳米尺度，薄膜厚度的精确测量已成为保障器件性能与良率的关键环节。光谱椭偏仪虽能实现埃米级精度的非接触测量，但传统设备依赖宽带光源与光谱分光系统，存在测量效率低、系统复杂且易受环境干扰等问题。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本研究提出了一种基于频分复用技术的创新解决方案——频分复用光谱椭偏仪（FDM-SE）。该技术采用多个离散波长的激光二极管作为光源，通过在不同频率下对各激光进行强度调制，并利用傅里叶变换对反射光信号进行频域解析，实现了多波长光学参数的同步测量。实验通过测量硅基二氧化硅薄膜验证了该技术的可行性，结果表明其与商用椭偏仪的厚度测量差异小于5埃，在保持高精度的同时显著提升了测量效率和系统稳定性，为半导体工业提供了一种更高效可靠的计量新方案。

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FDM-SE 的原理与设计

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频分复用示意图

FDM-SE技术的核心突破在于将通信领域的频分复用概念引入光学测量。系统采用多个独立激光二极管作为光源，分别输出405nm、639nm和833nm等离散波长。每个激光器通过函数发生器进行独立的强度调制，调制频率分别设置为100Hz、180Hz和330Hz。

关键技术特征包括：

多波长同步探测：不同波长的激光束经合束后共同照射样品，反射光由单一光电探测器接收

频域信号分离：通过对探测器输出信号进行傅里叶变换，在频域中分离出各调制频率对应的幅值

偏振态分析：结合旋转检偏器，获取不同波长下的偏振态变化信息

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与传统技术的对比优势

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相较于传统的旋转补偿器椭偏仪或旋转偏振器椭偏仪，FDM-SE在以下几个方面展现出明显优势：

测量效率提升：传统时间分复用方案需要顺序切换不同波长，总测量时间随波长数线性增加。FDM-SE实现真正意义上的同步测量，大幅缩短了数据采集时间。

系统简化：避免了复杂的光谱分光系统，降低了对光学元件的需求，提高了系统的稳定性和可靠性。

抗干扰能力：所有波长通道同时测量，确保各通道受到的环境扰动（如振动、漂移）完全一致，有利于后期数据处理和误差校正。

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实验验证与性能评估

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实验系统构建

频分复用光谱椭偏仪示意图

研究团队搭建了完整的FDM-SE实验系统，包括：

三通道激光二极管光源模块

精密旋转检偏器机构

高灵敏度光电探测系统

数据采集与信号处理单元

强度调制激光二极管光源

系统采用70°入射角配置，采样率设置为2kHz，确保能够准确捕捉最高330Hz的调制信号。

SiO₂薄膜测量的精度

对硅片上40纳米SiO₂薄膜的实验测量

强度随检偏器角度变化及数值拟合

通过对热生长的40nm SiO₂/Si样品进行系统测试，获得了令人信服的实验结果：

数据质量：从时域信号中经傅里叶变换提取的三个波长强度曲线均表现出良好的信噪比和周期性。

参数提取：根据旋转检偏器角度相关的强度变化，计算出405 nm、639 nm和833 nm波长对应的(ψ, Δ)值分别为(32.419°, 92.762°)、(19.880°, 101.652°)和(15.549°, 108.605°)。

厚度拟合：基于单层SiO₂薄膜光学模型，通过最小二乘拟合得到薄膜厚度为41.07 ± 0.13 nm，与标称值高度吻合。

SiO₂薄膜测量的长期稳定性测试

在超过9小时的连续测试中，系统表现出优异的稳定性，厚度测量值的标准偏差仅为0.07 nm，证明了FDM-SE技术在工业环境中长期运行的可靠性。

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与商用仪器对比：精度相当，效率更优

FDM-SE与RC2 测量结果对比

为客观评估FDM-SE的测量性能，研究团队使用商用RC2椭偏仪对同一系列SiO₂样品（厚度范围3-500nm）进行对比测量。结果表明：

精度一致性：在全部厚度点上，两种方法测得的厚度差异平均小于0.5nm，达到商用仪器水平。

误差分析：虽然FDM-SE的均方误差值略高于经过优化的商用仪器，但这种差异主要源于商用仪器集成了更完善的误差校正系统，而非原理性限制。

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FDM-SE 的核心优势

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FDM-SE技术的成功验证为光谱椭偏测量开辟了新的发展方向，其独特优势体现在多个方面：

灵活的光源配置：激光二极管的使用使得系统能够在特定波长下进行精确测量，避免了宽带光源中不必要的波长成分干扰。

扩展性强大：通过增加激光器数量和优化调制频率分配，可轻松扩展至更多测量波长。

适应特殊波段：在传统上难以实现的真空紫外或中红外波段，FDM-SE技术显示出独特应用潜力，可替代传统的单色仪或傅里叶变换光谱方案。

系统集成优势：采用反射光学元件和宽带偏振器，可实现从深紫外到近红外的宽波段测量，大大简化了系统复杂度。

本研究成功开发并验证了基于频分复用的新型光谱椭偏技术FDM-SE。FDM-SE 通过“频分复用技术 + 调制激光”，解决了传统 SE “多波长测量效率低” 的痛点，同时保留了埃级精度。实验证明，它能精准测量 SiO₂薄膜厚度，与商用仪器精度相当，且在抗干扰、灵活性、宽波长适配性上更具优势。作为一种简洁、高效的新型椭偏技术，FDM-SE 可广泛应用于半导体计量、材料科学等领域，为高精度薄膜测量提供了更优选择。

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全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Spectroscopic ellipsometry utilizing frequency division multiplexed lasers》

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