【微光谱】微型光纤光谱仪测晶圆膜厚应用分享

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。

进入正题，

如何使用光纤光谱仪测薄膜厚度？

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。

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：

0， θ20

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

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.