光纤光谱仪因其快速、无损、原位测量的特点，在半导体行业广受青睐。海洋光学作为微型光纤光谱仪的发明者，在此领域也积累了一定的经验。从等离子体刻蚀到晶圆膜厚测量，光纤光谱仪都有一定的应用。下面，为您带来光纤光谱仪测量晶圆膜厚的应用解决方案。
首先，我们回忆一下
什么是光的干涉？
两列或几列光波在空间相遇时互相叠加，引起光强的重新分布，在某些区域始终加强，某些区域始终减弱，从而出现了明暗相间或彩色的条纹，这种现象称为光的干涉。
图1：光的干涉现象图
当然了，也不是任意两列光波随随便便就可以发生干涉的，光的干涉产生的条件很是严苛。只有频率相同、振动方向相同、相位差恒定的光波才能产生干涉效应。
下面，我们来了解一下
著名的杨氏双缝干涉实验
S是一个受到单色光源照明的小孔，从S射出的光波照射屏上对称的小孔S1、S2。由S1、S2散发出的光波来源于同一光波，因而是相干光波，在距屏d’ 的屏上叠加并形成干涉图样。
当两束光的波程差是半波长的偶数倍时，振动加强，呈现亮条纹；当两束光的波程差是半波长的奇数倍时，振动减弱，呈现暗条纹。
单色光的干涉条纹宽度相同，明暗相间，均匀分布。不同色光条纹宽度不同，波长越长的干涉条纹的宽度越大。
进入正题，
如何使用光纤光谱仪测薄膜厚度？
图2：原理图
上图为采用光纤光谱仪测膜厚的原理图，光束以θ1入射到薄膜表面，一部分直接反射，另一部分则以θ2 发生折射，折射光经膜层下表面反射后再经其上表面发生折射，反射光1与反射光2相干发生干涉。使用光纤光谱仪测量薄膜的厚度主要是基于其反射干涉光谱。
图3. 实物图
测量时，整个光路主要由反射探头组成，探头部分垂直于晶圆向下放置，光纤端一部分连接光源，形成入射光，另一部分连接光纤光谱仪，接收反射光谱。反射光谱曲线中干涉峰的出现是薄膜干涉的结果。
在薄膜干涉实验中，波长与介质折射率、薄膜厚度之间有如下关系：
白光干涉法测反射光谱时，由于我们采取垂直入射得方法（ θ10， θ20），因此上式可简化成：
如果知道具体k的值，就可根据干涉峰位推算出膜层厚度d，但由于每个干涉波峰和波谷所对应的k很难确定，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。
图2：不同厚度薄膜的反射光谱
假定反射光谱曲线上有相邻的两个波峰λ1与波谷λ2，可联立两式求得薄膜的厚度d。
实际上, 从反射光谱上可以得到多组波峰和波谷对应的波长, 计算出多个薄膜厚度的数值, 然后求平均以减少测量误差。
光纤光谱仪测膜厚的优势与特点
1
采样速度快，适用于工业在线实时测量。
2
非接触式光学无损测量。
3
灵活、体积小，重量轻，USB连接方式即插即用。
4
可根据需求，定制不同波段的光谱仪。
5
可测多层膜厚。
配置推荐
光谱仪
QE Pro高灵敏度光谱仪
光纤
海洋光学QR系列反射探头
光源
DH2000氘钨灯光源
配件
Stage-1反射支架
应用案例
天津大学章英等人用光源、光学显微镜、显微干涉测头、光纤和USB4000光谱仪组成的显微干涉光学系统（系统结构如下图所示），基于白光干涉光谱法，对几种不同厚度薄膜的测量，最终测量结果和仿真结果一致。
图3：系统结构图
图4：使用海洋光学光纤光谱仪组成的显微干涉光学系统
测得的反射干涉光谱
参考文献
[1]卫银杰. 基于白光反射光谱的晶圆膜厚测量算法研究[D].中国计量大学,2019.
[2]章英. 白光干涉光谱测量方法与系统的研究[D].天津大学,2012.
[3]刘颖丹,苑进社,潘德芳.基于反射光谱的In_xGa_(1-x)N半导体薄膜厚度测量[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2009,26(04):98-100.
[4]张永刚.基于反射谱的GaN薄膜厚度在线测量系统[J].电子质量,2004(12):56-57.
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