光纖光譜儀因其快速、無損、原位測量的特點，在半導體行業(yè)廣受青睞。海洋光學作為微型光纖光譜儀的發(fā)明者，在此領域也積累了一定的經驗。從等離子體刻蝕到晶圓膜厚測量，光纖光譜儀都有一定的應用。下面，為您帶來光纖光譜儀測量晶圓膜厚的應用解決方案。

首先，我們回憶一下

什么是光的干涉？

兩列或幾列光波在空間相遇時互相疊加，引起光強的重新分布，在某些區(qū)域始終加強，某些區(qū)域始終減弱，從而出現(xiàn)了明暗相間或彩色的條紋，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。

圖1：光的干涉現(xiàn)象圖

當然了，也不是任意兩列光波隨隨便便就可以發(fā)生干涉的，光的干涉產生的條件很是嚴苛。只有頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的光波才能產生干涉效應。

下面，我們來了解一下

著名的楊氏雙縫干涉實驗

S是一個受到單色光源照明的小孔，從S射出的光波照射屏上對稱的小孔S1、S2。由S1、S2散發(fā)出的光波來源于同一光波，因而是相干光波，在距屏d’ 的屏上疊加并形成干涉圖樣。

當兩束光的波程差是半波長的偶數(shù)倍時，振動加強，呈現(xiàn)亮條紋；當兩束光的波程差是半波長的奇數(shù)倍時，振動減弱，呈現(xiàn)暗條紋。單色光的干涉條紋寬度相同，明暗相間，均勻分布。不同色光條紋寬度不同，波長越長的干涉條紋的寬度越大。

進入正題，

如何使用光纖光譜儀測薄膜厚度？

圖2：原理圖

上圖為采用光纖光譜儀測膜厚的原理圖，光束以θ1入射到薄膜表面，一部分直接反射，另一部分則以θ2 發(fā)生折射，折射光經膜層下表面反射后再經其上表面發(fā)生折射，反射光1與反射光2相干發(fā)生干涉。使用光纖光譜儀測量薄膜的厚度主要是基于其反射干涉光譜。

圖3. 實物圖

測量時，整個光路主要由反射探頭組成，探頭部分垂直于晶圓向下放置，光纖端一部分連接光源，形成入射光，另一部分連接光纖光譜儀，接收反射光譜。反射光譜曲線中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結果。

在薄膜干涉實驗中，波長與介質折射率、薄膜厚度之間有如下關系：

白光干涉法測反射光譜時，由于我們采取垂直入射得方法（ θ10， θ20），因此上式可簡化成：

如果知道具體k的值，就可根據(jù)干涉峰位推算出膜層厚度d，但由于每個干涉波峰和波谷所對應的k很難確定，且不同厚度的薄膜k值都不相同，因此通常采用消去k的方法求出薄膜的厚度d。

圖2：不同厚度薄膜的反射光譜

假定反射光譜曲線上有相鄰的兩個波峰λ1與波谷λ2，可聯(lián)立兩式求得薄膜的厚度d。

實際上, 從反射光譜上可以得到多組波峰和波谷對應的波長, 計算出多個薄膜厚度的數(shù)值, 然后求平均以減少測量誤差。

光纖光譜儀測膜厚的優(yōu)勢與特點

1	采樣速度快，適用于工業(yè)在線實時測量。
2	非接觸式光學無損測量。
3	靈活、體積小，重量輕，USB連接方式即插即用。
4	可根據(jù)需求，定制不同波段的光譜儀。
5	可測多層膜厚。

配置推薦

1	光譜儀 QE Pro高靈敏度光譜儀
2	光纖 海洋光學QR系列反射探頭
3	光源 DH2000氘鎢燈光源
4	配件 Stage-1反射支架

應用案例

天津大學章英等人用光源、光學顯微鏡、顯微干涉測頭、光纖和USB4000光譜儀組成的顯微干涉光學系統(tǒng)（系統(tǒng)結構如下圖所示），基于白光干涉光譜法，對幾種不同厚度薄膜的測量，最終測量結果和仿真結果一致。

圖3：系統(tǒng)結構圖

圖4：使用海洋光學光纖光譜儀組成的顯微干涉光學系統(tǒng)

測得的反射干涉光譜

參考文獻

[1]衛(wèi)銀杰. 基于白光反射光譜的晶圓膜厚測量算法研究[D].中國計量大學,2019.

[2]章英. 白光干涉光譜測量方法與系統(tǒng)的研究[D].天津大學,2012.

[3]劉穎丹,苑進社,潘德芳.基于反射光譜的In_xGa_(1-x)N半導體薄膜厚度測量[J].重慶師范大學學報(自然科學版),2009,26(04):98-100.

[4]張永剛.基于反射譜的GaN薄膜厚度在線測量系統(tǒng)[J].電子質量,2004(12):56-57.