隨著半導(dǎo)體和光電子技術(shù)的快速發(fā)展，紫外至紅外波段的薄膜材料應(yīng)用日益廣泛，而薄膜厚度、折射率等參數(shù)的高精度測量對器件性能至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有光譜橢偏技術(shù)難以同時實(shí)現(xiàn)紫外至中紅外的寬波段覆蓋與大角度測量，限制了其在多種材料表征中的應(yīng)用。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究提出了一種結(jié)合光柵光譜與傅里葉光譜的寬波段大角度橢偏測量系統(tǒng)：在192–2100nm波段采用光柵光譜技術(shù)，在2000–3200nm波段采用傅里葉干涉技術(shù)，并通過臥式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)15°–90°大角度測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對多種薄膜材料的厚度測量精度優(yōu)于0.7nm，重復(fù)性精度達(dá)0.04nm，能夠根據(jù)不同材料靈活選擇最優(yōu)測量波段，顯著提升了寬波段、大角度薄膜測量的精度與適用性。

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橢偏儀原理

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橢偏技術(shù)通過分析偏振光與樣品相互作用前后偏振態(tài)的變化，以非接觸、無損方式獲取光學(xué)常數(shù)（如折射率、消光系數(shù)）、膜厚及表面形貌等參數(shù)，是一種高精度光學(xué)測量方法。從紫外到紅外波段的光譜橢偏技術(shù)已在半導(dǎo)體、光伏、顯示及材料科學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，受限于紅外光源能量與偏振器性能，紅外波段橢偏技術(shù)的發(fā)展相對緩慢。

為滿足不同材料在寬光譜范圍內(nèi)的測量需求，本文研究一種結(jié)合光柵與傅里葉光譜的橢偏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)192–3200nm寬波段范圍內(nèi)單層與多層薄膜的高精度、快速測量。

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寬波段大角度光譜橢偏系統(tǒng)原理

基于光柵＋傅里葉光譜的寬波段大角度光譜橢偏原理結(jié)構(gòu)圖

寬波段大角度光譜橢偏系統(tǒng)主要由四部分組成：紫外-短波紅外起偏臂（PSG-UV-SWIR）、短波紅外-中紅外起偏臂（PSG-SWIR-MIR）、檢偏臂（PSA）及樣品臺（S）。其中，檢偏臂PSA包含紫外-短波紅外檢偏單元（PSA-UV-SWIR）和短波紅外-中紅外檢偏單元（PSA-SWIR-MIR），可根據(jù)透反射測量需求及入射角要求，與樣品臺一同進(jìn)行大角度旋轉(zhuǎn)。

紫外-短波紅外波段（UV-SWIR，192~2100nm）測量系統(tǒng)

該波段由PSG-UV-SWIR與PSA-UV-SWIR組成測量系統(tǒng)，采用“復(fù)色光源+光柵光譜”的探測方式：

光源采用背透式氘燈（L?）和鎢燈（L?），結(jié)合石英透鏡實(shí)現(xiàn)光路重合，滿足192~2100nm全波段覆蓋；

通過離軸拋物面反射鏡（M?）構(gòu)建無色差反射式光路，確保光線準(zhǔn)直；

自動光闌（AS）可切換不同檔位，實(shí)現(xiàn)測試能量的自動調(diào)控；

洛匈棱鏡（P?）負(fù)責(zé)寬光譜起偏，偏振光入射樣品（S）后進(jìn)入檢偏臂；

旋轉(zhuǎn)消色差補(bǔ)償器（C?）對被測光進(jìn)行偏振調(diào)制，經(jīng)檢偏器（A?）后，光束分別進(jìn)入紫外可見光譜儀（GS?，192~1000nm）和近紅外光譜儀（GS?，1000~2100nm）完成探測。

短波紅外-中紅外波段（SWIR-MIR，2000~3200 nm）測量系統(tǒng)

該波段由PSG-SWIR-MIR與PSA-SWIR-MIR組成，采用“傅里葉干涉+紅外探測”的方式：

紅外光源硅碳棒（L?）發(fā)出的光線，經(jīng)鍍金離軸拋物面鏡（M?）準(zhǔn)直后，進(jìn)入傅里葉紅外干涉具（IFI）進(jìn)行干涉調(diào)制；

調(diào)制后的光線通過中紅外起偏棱鏡（P?）從自動光闌（AS）出射，起偏后入射樣品（S）并進(jìn)入檢偏臂；

旋轉(zhuǎn)消色差補(bǔ)償器（C?）完成偏振調(diào)制，經(jīng)檢偏器（A?）后，由離軸拋物面鏡（M?）聚焦于近紅外/短波紅外MCT光電探測器（D）實(shí)現(xiàn)信號采集。

核心理論模型

采用Stokes矢量描述偏振光束特性，穆勒矩陣描述光學(xué)元件（起偏器、補(bǔ)償器、檢偏器）與樣品的偏振作用規(guī)律，出射光束的Stokes矢量S???可表示為：

式中，Sin=[I,0,0,0]?（I為入射光強(qiáng)），S???=[I',Q',U',V']?（I'為探測器/光譜儀接收光強(qiáng)）；Mp、Mc、Ms、MA分別為起偏器、補(bǔ)償器、樣品、檢偏器的穆勒矩陣，其具體表達(dá)式如下：

α為起偏器偏振方向角，β為檢偏器偏振方向角，γ為補(bǔ)償器光軸方位角，δ為補(bǔ)償器調(diào)制相位，Ψ和Δ為樣品的橢偏參數(shù)（振幅比與相位差）

由于探測器和光譜儀僅能獲取S???中的光強(qiáng)I'，結(jié)合式（1）可推導(dǎo)得：

I'=I?K

針對不同波段的探測特性，光強(qiáng)表達(dá)式進(jìn)一步細(xì)化：

紫外-短波紅外波段（UV-SWIR）：起偏臂為復(fù)色光，經(jīng)檢偏臂后由光譜儀分光，不同波長λ在不同補(bǔ)償器旋轉(zhuǎn)角度下的調(diào)制光強(qiáng)為：

I'(λ)=I(λ)?K

短波紅外-中紅外波段（SWIR-MIR）：起偏臂為邁克爾遜干涉具調(diào)制后的信號，經(jīng)檢偏臂去除直流分量后，通過傅里葉逆變換獲得分光光譜，光強(qiáng)關(guān)系為：

λ?、λ?分別為該波段最小、最大波長，k為干涉光程差隨時間的系數(shù)，L為傅里葉紅外干涉具的最大調(diào)制光程差

根據(jù)上述理論，通過采集補(bǔ)償器在不同方位角所對應(yīng)的調(diào)制光譜，結(jié)合橢偏測量理論和線性回歸算法，即可求出樣品膜厚、折射率、消光系數(shù)等參數(shù)。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

flexfilm

實(shí)驗(yàn)裝置

為了更快的準(zhǔn)確對準(zhǔn)，樣機(jī)中加入了十字對準(zhǔn)裝置。紫外-近紅外波段采用兩個光柵光譜儀（Maya2000 pro，光譜范圍 192~1000 nm；Nirquest，1000~2100 nm），短波紅外-中紅外波段采用定制傅里葉紅外干涉具（IFI，F(xiàn)oli10-R，光譜范圍 2000~3200 nm）。

分別對空氣（透射式）、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、金屬、聚合物、多層膜等多種薄膜進(jìn)行測試，驗(yàn)證其測量薄膜厚度和折射率的重復(fù)測量精度。其中，薄膜樣片采用國防科技工業(yè)光學(xué)一級計(jì)量站標(biāo)定后的不同厚度、不同材料、不同膜層數(shù)的多個樣片。

測量結(jié)果分析

樣機(jī)測得樣片穆勒矩陣元素Ｎ、Ｃ、Ｓ與波長的對應(yīng)曲線（SiO?－Si樣片，SiO?厚度d＝62.5 nm）

樣機(jī)測得樣片橢偏參量（Ψ，Δ）與波長的對應(yīng)曲線（SiO?－Si樣片，SiO?厚度d＝62.5 nm）

將樣機(jī)入射角設(shè)置為70°，對SiO?-Si標(biāo)準(zhǔn)樣片（SiO?厚度標(biāo)定值62.5nm）進(jìn)行測量，得到穆勒矩陣元素N=cos2Ψ、C=sin2ΨcosΔ、S=sin2ΨsinΔ與波長的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算獲得橢偏參數(shù)Ψ和Δ與波長的對應(yīng)曲線。

通過構(gòu)建SiO?-Si光學(xué)模型，結(jié)合測量數(shù)據(jù)采用算法回歸擬合，得到Ψ和Δ的擬合曲線，并反演獲得薄膜厚度。

采用相同方法對所有實(shí)驗(yàn)樣片進(jìn)行測量，樣機(jī)對Si基底上不同薄膜材料、不同厚度、不同膜層樣片進(jìn)行測量，其中SiO?-Si（薄膜為電介質(zhì)）、ZnO－Si（薄膜為半導(dǎo)體）、PI-Si（薄膜為聚合物）、Si3N4-AL2O3-Si（電介質(zhì)雙層膜）、Au-SiO?-Si（金屬電介質(zhì)雙層膜）各進(jìn)行30次測量后的厚度測量精度及重復(fù)測量精度：

樣機(jī)對不同類型薄膜樣片測得的厚度及精度

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示厚度測量精度優(yōu)于0.7nm，重復(fù)測量精度優(yōu)于0.04 nm，展現(xiàn)出優(yōu)異的測量穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

本文提出一種基于光柵+傅里葉光譜融合的寬波段大角度光譜橢偏測量技術(shù)。該技術(shù)通過紫外-短波紅外波段（192~2100nm）采用光柵光譜橢偏、短波紅外-中紅外波段（2000~3200nm）采用傅里葉光譜橢偏的設(shè)計(jì)，結(jié)合臥式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)15°~90°大角度測量，成功集成了覆蓋192~3200nm的寬波段橢偏測量系統(tǒng)。對Si基底上多種類型薄膜樣片的測量實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的薄膜厚度測量精度優(yōu)于0.7 nm，30次重復(fù)測量的重復(fù)性精度可達(dá)0.04 nm。該技術(shù)可根據(jù)不同材料特性靈活選擇最優(yōu)光譜波段，有效拓展了光譜橢偏技術(shù)的測量材料范圍，提升了測量精度，在高精度、寬波段、大角度薄膜橢偏測量領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

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(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)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(jìn)的光能量增強(qiáng)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(dá)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(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《基于光柵＋傅里葉光譜的寬波段大角度光譜橢偏技術(shù)研究》

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