椭圆偏振光谱仪在薄膜厚度测量中的应用

椭偏仪凭借其高速、高精度以及非破坏性的显著优势，成为了测量薄膜膜厚与结构的重要工具，广泛应用于多个前沿领域，包括半导体制造、光学薄膜分析、材料科学、生物传感器以及微纳加工等。接下来，本文将为大家介绍ULVAC-UNECS系列椭偏仪及其在不同领域的具体应用示例。

ULVAC-UNECS系列椭偏仪是集高速、高精度于一身的测量薄膜膜厚和折射率的光谱仪，其产品线丰富多样，涵盖独特的便携式、灵活的自动式以及专为多种设备设计的内置式型号。

UNECS技术特点概览：

1. 高速测量：可实现高达20 毫秒/点的高速测量，极大提升测量效率。

2. 适用于可见光谱：波长范围可选标准类型(530 nm~750 nm)和可见光谱类型(380 nm~760 nm)。

3. 紧凑型传感器单元：传感器单元重量轻且非常紧凑，其中UNECS-Portable系列测量部分的重量只有2.2 kg。由没有任何旋转机构的光学元件组成，可确保长期稳定运行而无需任何定期维护。

4. 丰富的产品阵容：从便携类型UNECS-Portable，到手动类型 UNECS-1500M，再到大型基板自动类型UNECS-1500A/2000A/3000A，以及支持大气/真空环境的内嵌类型UNECS-1M，全方位满足各类用户的特定需求。

图1. UNECS高速光谱椭偏仪型号^[1]

视频展示了UNECS-Portable便携式椭偏仪的实际测试情况，展现了高速测量和机体的小型化的优势。

1. 有机材料

【测量模型】有机EL：Alq3 /玻璃；结构：单层膜（同时测量膜厚和折射率）

表1. 椭偏仪和台阶仪测量Alq3 /玻璃单层膜的数据对比

2. 太阳能电池材料

【测量模型】SiO₂ /μc-Si/玻璃；结构：2层膜

分别利用椭偏仪与台阶仪对该多层膜样品进行表征，测试结果（参见表2）进一步展示了两者之间的关联性和数据的可靠性。

表2. 椭偏仪和台阶仪测量SiO₂ /μc-Si/玻璃多层膜的数据对比

3. 半导体（工业样品）

【测量模型】光刻胶/Si；结构：单层膜

为验证椭偏仪测试的重复性和可靠性，对膜厚为50 nm的光刻胶进行了连续10次的重复测试，结果如表3所示，其标准偏差σ极低，说明椭偏仪测量的重复性极佳。

表3. 膜厚重复性测试

4. 高介电常数材料

【测量模型】ALD成膜 HfO₂（氧化铪）；结构：单层-极薄膜

样品1：5 nm HfO₂/自然氧化SiO₂膜/Si基底

样品2：2 nm HfO₂/自然氧化SiO₂膜/Si基底

UNECS椭偏仪展现出卓越的测量能力，它不仅可以测量平整样品，还能够对具有一定表面形貌的样品进行2D/3D表征。针对厚度不均的纳米级薄膜样品，例如5 nm HfO₂/ SiO₂/Si和2 nm HfO₂/ SiO₂/Si 膜层样品，在样品中心区域附近测试了44个点位，全面评估了膜厚的最大值、最小值、平均值及均一性等参数（详见表4）。值得注意的是，在硅片中心附近测得的HfO₂膜厚度（分别为5.85 nm与2.46 nm）与TEM（透射型电子显微镜）测得的值（6.0 nm与2.5 nm）高度吻合。

表4. UNECS测量超薄HfO₂膜厚的分布

此外，UNECS椭偏仪还具备高效生成样品膜厚2D分布图的能力。如图2所示，这一功能使研究人员能够迅速直观地掌握整个分析区域内膜厚的空间变化情况，为薄膜产品的质量控制、工艺参数的精细调整以及生产流程的持续优化提供了强有力的数据支持与科学依据。

图2. UNECS椭偏仪测量膜厚的分布图

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椭圆偏振光谱仪测量薄膜厚度原理

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