1.引言

如今，在街头看到智能手机或平板电脑，早已不是什么新鲜事。但实际上，在这些设备实现飞跃式发展的背后，薄膜技术发挥了至关重要的作用。无论是作为高科技设备代表的半导体，还是液晶显示器（LCD），其核心构造都依赖于薄膜的堆叠技术。除此之外，只要稍微留意一下身边的物品，我们就会发现，薄膜作为核心技术，已在无数的领域中得到普及。

• 以中央处理器（CPU）、存储器为代表的半导体器件

• 以液晶显示器（LCD）为代表的显示器件

• 以磁盘、光盘为代表的存储介质

• 透镜、显示器件表面所施加的增透镀膜

• 防潮薄膜等高分子产品的表面改性膜等

随着各类设备薄膜制造装置的发展，相关的测量与评估装置也已必不可少。

2.薄膜的测量方法

触针法作为一种直接且最原始的方法，以及用电子显微镜观察断面的方法，虽测量误差较小，但另一方面，存在给样品造成不可逆严重损伤的风险。因此，这类方法并不适合用于品质管理。

另一方面，使用分光光度计的测量方法不仅操作简便，还能实现非破坏、非接触式测量 —— 只要已知薄膜的折射率，就能进行高精度检测。不过，由于薄膜的折射率会随成膜条件发生变化，这就需要通过某种方法对折射率进行测量。由于折射率是光因具备波动性，在与所穿透物质发生相互作用时产生的现象，因此利用分光法进行膜厚测量，它与采用相同方法测量折射率之间存在密不可分的关联。也就是说，薄膜的折射率与吸收系数由材料特有的物理性质决定：从膜厚测量的角度来看，它们是使分析过程复杂化的因素；但从了解薄膜物理性质的角度来看，分光法又是极为重要的手段。尤其对于半导体材料而言，其成分组成及杂质含量至关重要，因此分光法还能用于监测膜组成变化或成膜条件改变时的情况。

此外，若在分光法的基础上增加偏振分析功能，就能更细致地观测光与物质的相互作用。基于这一原理开发的、被称为 “分光椭圆偏振仪” 的高精度膜厚测量设备，目前也已得到商品化。该设备不仅能对更薄的薄膜或折射率本身进行高精度测量，还可对薄膜的各向异性展开分析。

接下来，在下文当中，我们将对分光法膜厚分析的原理进行更为详细的说明。

3.利用光干涉效应实现薄膜厚度分析

在利用光干涉效应的膜厚计中，最常见的便是峰值谷值法（简称 PV 法）。其原理简单，核心是利用 “薄膜表面反射的光与薄膜背面反射的光会相互产生干涉” 这一特性：当两束光的相位一致时，光的强度会增强；当相位偏移时，光的强度则会减弱。因此，在光谱上可观测到 “随着波长变化，反射强度也随之变化” 的干涉图形。具体来说，PV 法就是通过该图形的峰值波长与谷值波长来计算薄膜厚度的方法。

由于光会两次穿过薄膜层后再叠加，因此若设 n = 折射率、d = 厚度，就会产生 2nd 的光程差。需要用到折射率的原因在于，光在薄膜层中的传播速度会减慢至原来的 1/n。最终，反射光的相位发生了怎样的变化，将成为关键要点。

具体来说，当光在折射率较大的介质表面反射时，相位不会发生变化，因此光程差 2nd 等于波长整数倍的波长，会成为光谱中的峰值；反之，当光在折射率较小的介质表面反射时，相位会产生 180 度的偏移。也就是说，在 “空气 / 薄膜 / 空气” 的结构组合中，由于光在薄膜背面反射时相位会偏移 180 度，原本光程差 2nd 等于波长整数倍的情况，就会变成光谱中的谷值。基于这种关系，只要已知折射率，就能计算出薄膜厚度。此外，根据光程差 2nd 为波长整数倍时对应的是峰值还是谷值，还能判断出介质折射率的相对大小。

此外，对于峰值、谷值以外的波长，通过将各波长下的实际反射强度与理论计算值进行曲线拟合（Curve Fitting），在求得薄膜厚度的同时，也能算出折射率。

4.复折射率的解析

薄膜的光吸收系数以消光系数 k 来表示。它与化学分析中所用吸光度的区别在于：通过与波长相乘，光吸收系数与折射率一样，实现了无因次化。

此外，复折射率N，可通过电磁波理论关系式，利用折射率 n 和消光系数 k，简化表示为以下公式。

需要说明的是，与在真空中传播相比，光在折射率为 n 的介质中传播速度会减慢；且介质的消光系数 k 越大，光的强度衰减就越显著。

若仅需单纯测量薄膜厚度，消光系数k只会增加参数数量、使分析过程复杂化，因此通常会选用近红外光作为测量光源，多在无吸收的波长下进行测量。

在液晶用彩色滤光片中，着色是影响品质的重要因素，尤其当干涉引发的着色叠加时，甚至可能导致显示器件的色调发生改变。而在半导体领域，由于k是反映晶体内部电子状态能级的重要指标，因此对k的测量正变得越来越重要。

此外，对于绝缘膜而言，着色会导致器件性能出现问题，所以需要调整成膜条件，将k值控制在较低水平。

当光谱形状已知时，消光系数k可从反射分光光谱中准确求得，且通过利用折射率与消光系数之间所满足的克拉默斯-克勒尼希关系（Kramers-Kronig Relation），能够减少计算所需的参数。但如果光谱形状发生变化，测量精度则难以达到预期。若光谱模式未知，则无法从反射分光光谱中求出k值。

为了能高精度测量薄膜的消光系数，需要将测得的透射光谱与椭圆偏振光谱或反射光谱相结合。这种方法虽然已相当常用，但仍存在局限性——仅适用于基板透明的情况。

硅（Si）基板的折射率已有较多研究，相关文献也十分丰富。尽管如此，不同文献中记载的折射率数值却各不相同。由于常规薄膜制备通常在硅基板上进行，因此即便实际基板与文献记载的折射率和消光系数均存在差异，最终得到的反射光谱或椭圆偏振光谱，仍能与理论计算结果完全吻合。而近年来，通过外延生长制成的硅膜被粘贴到绝缘基板上，并用作半导体基板；这类硅膜具有透光性，因此消光系数的差异会直接反映在光谱中。这意味着，即便使用文献记载的数值，也无法对测量光谱进行高精度分析，测量结果与文献值之间会出现偏差。也就是说，这属于文献值本身存在较大误差的典型案例。

这种测量方法的历史十分悠久，可追溯至19世纪。近年来，椭圆偏振光谱法之所以被广泛应用，其原因在于分析方法的进步。可以说，椭圆偏振测量技术是一种“古老而又新颖”的测量方法。

在单一波长椭圆偏振测量中，薄膜厚度可通过tanψ、Δ等椭圆偏振参数直接进行简单计算；但当测量对象为多层膜时，模型公式会变得过于复杂，厚度便难以轻松求出。因此，通过改变波长、进行参数拟合并开展多变量分析，多层膜的解析才成为可能。近年来，随着计算机技术的发展，分析时间大幅缩短，该方法也随之得到了广泛应用。

“Ellipsoid”一词含有“椭圆”之意。由于光是一种波，当相互垂直方向上的偏振光相位相差90度时，便会形成圆偏振光。如下图所示，从光的传播方向观察偏振方向，会发现其随时间向左旋转。若相位差不为90度，则会形成椭圆偏振光。由于这类测量技术的核心是分析椭圆偏振光，因此被称为“椭圆偏振测量技术”。光具有波的特性，而椭圆偏振光谱法正是充分利用了光的强度、相位、波长这三方面信息的测量技术。

6.结构解析

利用分光法，不仅能分析单层膜，还能对更复杂的结构进行解析。 例如，对于高速且低功耗的SOI（硅-二氧化硅-硅的三明治结构）而言，表Si与中间SiO₂层的厚度均会影响产品质量，而通过分光法，可对这类多层结构中各层的厚度进行测量。

此外，经过退火处理的ITO（透明导电膜），其透明性与导电性会有所提升，但有时会出现“受热的表面侧”与“热量难以传递到的基板侧”膜质逐渐产生差异的情况。分光法同样能够解析膜质在厚度方向上的这类阶段性变化。

除此之外，它还可用于分析类似液晶的“因方向不同而折射率存在差异的材料”的三维折射率，或是分析某一面积内薄膜厚度的不均匀性（Mura）。

我司也认识到，这些结构解析对于各类领域而言都具有相当重要的意义，因此正全力投入相关技术的研发工作。

7.结语

目前，为满足从更薄的薄膜到厚膜的广泛膜厚测量需求，我司充分运用紫外光、可见光与红外光，打造了可实现1纳米（nm）至10毫米（mm）范围测量的产品系列，供客户选择。

在分析算法方面，我们也在日复一日地推进算法的改良与开发工作，以响应最新技术需求。