超薄膜的表征技術(shù)對確定半導體薄膜材料（如金屬、金屬氧化物、有機薄膜）的最佳性能至關(guān)重要。本研究提出將微分干涉相襯DIC系統(tǒng)與橢偏儀聯(lián)用表征超薄圖案化自組裝單分子膜（SAM）：通過DIC實時提供高對比度圖像指導測量位置，結(jié)合改進的橢偏分析模型，實現(xiàn)對圖案化SAM薄膜厚度與折射率的高精度無損表征。費曼儀器薄膜厚度測量技術(shù)貫穿于材料研發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)控到終端應用的全流程，并且公司自研的Flexfilm全光譜橢偏儀可以做到對薄膜的厚度與折射率的高精度表征。

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材料與方法

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圖案化FDTS（1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷）樣品采用標準半導體工藝制備，包括光刻、SAM氣相沉積和去膠技術(shù)。

DIC成像

DIC系統(tǒng)通過沃拉斯頓棱鏡將45°偏振入射光分裂為兩束正交偏振光，這兩束光在樣品表面因局部厚度或折射率差異產(chǎn)生光程差（相位差）；隨后，光程差經(jīng)另一沃拉斯頓棱鏡重組，并通過135°檢偏器轉(zhuǎn)換為干涉強度信號——無光程差區(qū)域形成暗場像，而存在光程差區(qū)域則呈現(xiàn)亮場像或彩色像。通過橫向位移棱鏡可主動調(diào)節(jié)光程差，從而增強透明弱對比樣品（如納米級 SAM / SiO? 圖案）的顯微對比度，實現(xiàn)超薄膜結(jié)構(gòu)的精準定位與可視化。

(a) DIC-橢偏儀聯(lián)用系統(tǒng)示意圖；(b) 傳統(tǒng)模型（模型1）與改進模型（模型2）流程對比

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橢偏儀測量

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相較于傳統(tǒng)方法（模型1），我們開發(fā)了改進模型（模型2）用于計算SAM層的厚度和折射率（RI）：

傳統(tǒng)模型（模型1）：通常引入SiO?柯西模型或預設A=1.45的柯西模型作為擬合模型。SAM膜的折射率被固定為SiO?柯西模型或預設A=1.45的柯西模型值。首先，使用SiO?柯西模型獲得單層SiO?的厚度T。然后，使用相同模型（SiO?柯西或預設A=1.45的柯西模型）測量SAM+SiO?層的厚度T?。最終，SAM厚度（TSAM = T?- T）由T?與T的差值得到。

改進模型（模型2）：基于模型1，同樣通過差值法得到SAM厚度（TSAM = T?- T，其中T?為SAM+SiO?層厚度，T為SiO?層厚度）。隨后，利用已知的TSAM擬合SAM層的柯西系數(shù)。最終，使用這些柯西系數(shù)獲得更準確的SAM膜折射率。

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結(jié)果與討論

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DIC精準定位

(a) 掩模圖案；(b) DIC圖像（亮區(qū)：SAM，暗區(qū)：SiO?），紅框為測量區(qū)域

通過高對比度DIC成像成功區(qū)分FDTS SAM圖案（亮區(qū)）與SiO?基底（暗區(qū)），并基于厚度-亮度關(guān)聯(lián)性在400 μm × 300 μm區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)選定10個均勻分布采樣點（含明/暗區(qū)域），為橢偏儀提供精確測量定位。

改進模型驗證

差示光譜的實測值與模型模擬曲線對比（模型2最優(yōu)）

差分光譜分析（dψ = ψSiO?+SAM - ψSiO?, dΔ = ΔSiO?+SAM - ΔSiO?）顯示，改進模型（模型2）的模擬曲線與實測值高度吻合。

傳統(tǒng)模型（模型1）因固定折射率（RI=1.45）或強制關(guān)聯(lián)SiO?光學參數(shù)，導致光譜顯著偏離實測值，證實其描述超薄SAM的局限性。

厚度與折射率結(jié)果

模型2在10個采樣點的厚度/折射率結(jié)果及MSE對比優(yōu)于模型1

Model-2測得SAM層平均厚度0.89 ± 0.50 nm，平均折射率1.387 ± 0.030。

對比結(jié)果：

Model-1（固定RI=1.45）：厚度0.75 ± 0.30 nm, RI 1.463 ± 0.040

Model-1（關(guān)聯(lián)SiO?）：厚度0.83 ± 0.40 nm, RI 1.457 ± 0.003

數(shù)據(jù)可靠性驗證：

厚度一致性：Model-2結(jié)果與AFM測量值僅差0.2 nm，且接近文獻報道的~1 nm厚度。

RI合理性：1.387的RI值符合文獻中FDTS單層折射率下限（≥1.29）。

擬合優(yōu)度：Model-2的均方誤差（MSE）顯著低于Model-1，證明其建模準確性。

本研究通過微分干涉相襯（DIC）系統(tǒng)引導非破壞性橢偏測量，成功表征超薄圖案化自組裝單分子膜（SAM）。開發(fā)了基于柯西模型的改進擬合方法（模型2），測得SAM平均厚度為 0.89 nm，折射率為 1.387，與原子力顯微鏡（AFM）及文獻數(shù)據(jù)一致。該技術(shù)為半導體超薄圖案化薄膜提供了一種高精度非破壞性表征方案。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率，結(jié)合費曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Dic-guided ellipsometer to characterize ultrathin patterned films with an improved fitting model》

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