光谱仪应用之膜厚测量

光谱仪测量膜厚的核心技术是利用光的干涉原理。当光照射到薄膜表面时，由于薄膜与基板的折射率（n）和消光系数（k）不同，，光在薄膜与基板之间会产生干涉现象。这种干涉现象会导致反射光存在相位差，从而在光谱上形成干涉条纹。通过分析测量这些干涉条纹，我们可以推算出薄膜的厚度。

具体来说，光谱仪通过宽光谱或单波长光源照射待测薄膜，收集反射光并进行分析。对于宽光谱薄膜检测，由于不同波长的光在薄膜中的干涉情况不同，因此可以形成一系列干涉条纹。通过对这些干涉条纹的分析，我们可以得到薄膜的厚度信息。而对于单波长薄膜检测，虽然只能在特定波长下准确测量薄膜厚度，但在光源波长倍数关系的厚度测量上具有较高的精度。

图1 膜厚测量原理示意图 

（a）宽光谱检测；（b）单波长检测。

在半导体制造过程中，膜厚的精确控制对于器件的性能和稳定性至关重要。光谱仪能够测量如硅片掺杂层、光刻胶层、介电材料层等的厚度，确保这些层的厚度符合设计要求。对于CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）等工艺，光谱仪可用于实时监测沉积膜的厚度，确保沉积过程的稳定性和一致性。

在表面金属镀层、不锈钢电镀等领域，光谱仪可用于测量镀层的厚度。这对于评估镀层的覆盖效果、耐腐蚀性和美观度具有重要意义。光谱仪还能测量油漆涂层的厚度，确保涂层达到所需的防护效果和美观度。

在显示面板制造中，膜厚的精确测量对于保证显示效果和性能至关重要。光谱仪可用于测量显示面板上各种薄膜的厚度，如涂布膜、微流道等。此外，光谱仪还可用于测量包装材料的厚度，确保包装材料符合设计要求。

3.4 功能薄膜行业

在功能薄膜领域，如TCO透明导电膜、OLED功能薄膜、太阳能电池薄膜等，光谱仪可用于测量这些薄膜的厚度。这对于评估薄膜的性能和应用效果具有重要意义。对于电致发光、光致发光薄膜以及PVC、PP等高分子材料薄膜，光谱仪同样能提供精确的厚度测量。

3.5 新能源和光伏行业

光谱仪可用于测量如钙钛矿、ITO等薄膜的厚度，确保这些薄膜的厚度符合设计要求，以提高光伏器件的光电转换效率和稳定性。

3.6 光学领域

光谱仪可用于测量光学镀膜的厚度，如二氧化硅膜、氟化钙膜等。这些薄膜的厚度直接影响光学元件的性能，如反射率、透射率和色散等。

3.7 其他领域

材料科学: 研究薄膜的生长机制、结构和和结构，开发新型薄膜材料；

生物医学: 测量生物薄膜、细胞膜的等薄膜的厚度，研究其结构和功能；

环境监测: 测量大气污染物、水质污染物等薄膜的厚度，评估其浓度程度。

四、解决方案

4.1 测量系统组成

• 光源：使用宽光谱光源，提供连续的光谱范围，确保测量结果的准确性。

• 光纤：使用1分2的反射光纤，用于传输光源信号及反射光信号。

• 光谱仪：根据需求光谱范围、分辨率和灵敏度要求等选择合适的光谱仪，采集反射光谱数据，并进行分析。

• 定制采样附件：用于固定光纤探头，满足不同样品的测量需求。

• 软件算法：利用干涉条纹信息，计算出薄膜的厚度和光学属性。

4.2 系统搭建示意

图2 膜厚测量搭建示意图

表2 推荐配置

此外，测量不同厚度的半导体薄膜可能需要选择不同波段的光谱仪。这是因为薄膜的反射光谱特性会随着薄膜的厚度和材料的不同而变化。对于较薄的膜层，可能需要使用较短波长的光源和相应灵敏的光谱仪来捕捉细微的光谱变化；而对于较厚的膜层，则可能需要使用较长波长的光源和光谱仪来确保足够的穿透力和反射信号。因此，为了精确测量不同膜厚，需要根据薄膜的具体厚度和材料特性，选择合适的波段光谱仪，以优化测量精度和效果。

表3 不同膜厚对应需要光谱仪范围

五、应用案例

Jiaxing Sun等人介绍了一种基于反射光谱拟合技术的新型半导体薄膜厚度测量和校正方法。该方法旨在解决现有技术在测量微米级工业薄膜厚度时存在的精度不足、稳定性差和测量速度慢等问题。该方法使用由提供的近红外光谱仪测量了6中样品的膜厚，表现出卓越的精度和稳定性。

在薄膜厚度测量领域，椭偏法和反射光谱法是两种最常用的光学技术。椭偏法通过分析反射光从薄膜表面变化的极化状态来计算薄膜的厚度，而反射光谱法则是通过分析样品的反射光谱来确定薄膜的厚度。反射光谱法具有简单、快速的优点，尤其适用于工业生产环境。然而，它主要适用于测量纳米级薄膜，并且在测量微米级半导体薄膜时稳定性降低。此外，在使用反射光谱法进行厚度分析时，必须确保光源的入射光束与薄膜样品完全垂直。但在实际工业生产环境中，由于样品定位误差和设备振动等因素，很难实现薄膜样品与入射光束的完全垂直，这会影响测量精度。该研究致力于开发一种高效、精确且适应性强的系统，用于测量工业薄膜在微米级别的厚度。该系统利用薄膜样品的反射光谱，并采用研究中提出的改进频率拟合技术进行深入分析，以确定薄膜厚度。此外，该研究还介绍了一种基于空间载波干涉原理的快速厚度校正方法。

图3 光路设计示意图

在本实验中，使用提供的近红外光谱仪，根据波长范围对整个范围内不同厚度薄膜材料的所有反射光谱信号进行了采集，不同厚度的实际反射光谱信号如图4所示。

图4 六组样品的实际反射光谱。（a） 81.78 微米;（b） 207.51 微米;（c） 376.48 微米;（d） 501.18 微米;（e） 613.34 微米;（f） 722.87 微米。

该研究成功开发了一种基于反射光谱拟合技术的半导体薄膜厚度测量和校正系统。该系统具有快速、高效和精确的特点，特别适用于测量百微米级工业半导体薄膜的厚度。此外，该方法还显著提高了测量精度和稳定性，为半导体薄膜厚度的精确测量提供了新的解决方案。