隨著半導(dǎo)體芯片制造精度進(jìn)入納米尺度，薄膜厚度的精確測(cè)量已成為保障器件性能與良率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光譜橢偏儀雖能實(shí)現(xiàn)埃米級(jí)精度的非接觸測(cè)量，但傳統(tǒng)設(shè)備依賴寬帶光源與光譜分光系統(tǒng)，存在測(cè)量效率低、系統(tǒng)復(fù)雜且易受環(huán)境干擾等問題。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

本研究提出了一種基于頻分復(fù)用技術(shù)的創(chuàng)新解決方案——頻分復(fù)用光譜橢偏儀（FDM-SE）。該技術(shù)采用多個(gè)離散波長(zhǎng)的激光二極管作為光源，通過在不同頻率下對(duì)各激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，并利用傅里葉變換對(duì)反射光信號(hào)進(jìn)行頻域解析，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)光學(xué)參數(shù)的同步測(cè)量。實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量硅基二氧化硅薄膜驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，結(jié)果表明其與商用橢偏儀的厚度測(cè)量差異小于5埃，在保持高精度的同時(shí)顯著提升了測(cè)量效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，為半導(dǎo)體工業(yè)提供了一種更高效可靠的計(jì)量新方案。

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FDM-SE 的原理與設(shè)計(jì)

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頻分復(fù)用示意圖

FDM-SE技術(shù)的核心突破在于將通信領(lǐng)域的頻分復(fù)用概念引入光學(xué)測(cè)量。系統(tǒng)采用多個(gè)獨(dú)立激光二極管作為光源，分別輸出405nm、639nm和833nm等離散波長(zhǎng)。每個(gè)激光器通過函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行獨(dú)立的強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制頻率分別設(shè)置為100Hz、180Hz和330Hz。

關(guān)鍵技術(shù)特征包括：

多波長(zhǎng)同步探測(cè)：不同波長(zhǎng)的激光束經(jīng)合束后共同照射樣品，反射光由單一光電探測(cè)器接收

頻域信號(hào)分離：通過對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，在頻域中分離出各調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的幅值

偏振態(tài)分析：結(jié)合旋轉(zhuǎn)檢偏器，獲取不同波長(zhǎng)下的偏振態(tài)變化信息

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與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)

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相較于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢偏儀或旋轉(zhuǎn)偏振器橢偏儀，F(xiàn)DM-SE在以下幾個(gè)方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)：

測(cè)量效率提升：傳統(tǒng)時(shí)間分復(fù)用方案需要順序切換不同波長(zhǎng)，總測(cè)量時(shí)間隨波長(zhǎng)數(shù)線性增加。FDM-SE實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步測(cè)量，大幅縮短了數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

系統(tǒng)簡(jiǎn)化：避免了復(fù)雜的光譜分光系統(tǒng)，降低了對(duì)光學(xué)元件的需求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

抗干擾能力：所有波長(zhǎng)通道同時(shí)測(cè)量，確保各通道受到的環(huán)境擾動(dòng)（如振動(dòng)、漂移）完全一致，有利于后期數(shù)據(jù)處理和誤差校正。

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實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)估

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實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

頻分復(fù)用光譜橢偏儀示意圖

研究團(tuán)隊(duì)搭建了完整的FDM-SE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：

三通道激光二極管光源模塊

精密旋轉(zhuǎn)檢偏器機(jī)構(gòu)

高靈敏度光電探測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理單元

強(qiáng)度調(diào)制激光二極管光源

系統(tǒng)采用70°入射角配置，采樣率設(shè)置為2kHz，確保能夠準(zhǔn)確捕捉最高330Hz的調(diào)制信號(hào)。

SiO?薄膜測(cè)量的精度

對(duì)硅片上40納米SiO?薄膜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

強(qiáng)度隨檢偏器角度變化及數(shù)值擬合

通過對(duì)熱生長(zhǎng)的40nm SiO?/Si樣品進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，獲得了令人信服的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

數(shù)據(jù)質(zhì)量：從時(shí)域信號(hào)中經(jīng)傅里葉變換提取的三個(gè)波長(zhǎng)強(qiáng)度曲線均表現(xiàn)出良好的信噪比和周期性。

參數(shù)提取：根據(jù)旋轉(zhuǎn)檢偏器角度相關(guān)的強(qiáng)度變化，計(jì)算出405 nm、639 nm和833 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的(ψ, Δ)值分別為(32.419°, 92.762°)、(19.880°, 101.652°)和(15.549°, 108.605°)。

厚度擬合：基于單層SiO?薄膜光學(xué)模型，通過最小二乘擬合得到薄膜厚度為41.07 ± 0.13 nm，與標(biāo)稱值高度吻合。

SiO?薄膜測(cè)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

在超過9小時(shí)的連續(xù)測(cè)試中，系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，厚度測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.07 nm，證明了FDM-SE技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

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與商用儀器對(duì)比：精度相當(dāng)，效率更優(yōu)

FDM-SE與RC2 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為客觀評(píng)估FDM-SE的測(cè)量性能，研究團(tuán)隊(duì)使用商用RC2橢偏儀對(duì)同一系列SiO?樣品（厚度范圍3-500nm）進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。結(jié)果表明：

精度一致性：在全部厚度點(diǎn)上，兩種方法測(cè)得的厚度差異平均小于0.5nm，達(dá)到商用儀器水平。

誤差分析：雖然FDM-SE的均方誤差值略高于經(jīng)過優(yōu)化的商用儀器，但這種差異主要源于商用儀器集成了更完善的誤差校正系統(tǒng)，而非原理性限制。

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FDM-SE 的核心優(yōu)勢(shì)

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FDM-SE技術(shù)的成功驗(yàn)證為光譜橢偏測(cè)量開辟了新的發(fā)展方向，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)方面：

靈活的光源配置：激光二極管的使用使得系統(tǒng)能夠在特定波長(zhǎng)下進(jìn)行精確測(cè)量，避免了寬帶光源中不必要的波長(zhǎng)成分干擾。

擴(kuò)展性強(qiáng)大：通過增加激光器數(shù)量和優(yōu)化調(diào)制頻率分配，可輕松擴(kuò)展至更多測(cè)量波長(zhǎng)。

適應(yīng)特殊波段：在傳統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)的真空紫外或中紅外波段，F(xiàn)DM-SE技術(shù)顯示出獨(dú)特應(yīng)用潛力，可替代傳統(tǒng)的單色儀或傅里葉變換光譜方案。

系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)：采用反射光學(xué)元件和寬帶偏振器，可實(shí)現(xiàn)從深紫外到近紅外的寬波段測(cè)量，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度。

本研究成功開發(fā)并驗(yàn)證了基于頻分復(fù)用的新型光譜橢偏技術(shù)FDM-SE。FDM-SE 通過“頻分復(fù)用技術(shù) + 調(diào)制激光”，解決了傳統(tǒng) SE “多波長(zhǎng)測(cè)量效率低” 的痛點(diǎn)，同時(shí)保留了埃級(jí)精度。實(shí)驗(yàn)證明，它能精準(zhǔn)測(cè)量 SiO?薄膜厚度，與商用儀器精度相當(dāng)，且在抗干擾、靈活性、寬波長(zhǎng)適配性上更具優(yōu)勢(shì)。作為一種簡(jiǎn)潔、高效的新型橢偏技術(shù)，F(xiàn)DM-SE 可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體計(jì)量、材料科學(xué)等領(lǐng)域，為高精度薄膜測(cè)量提供了更優(yōu)選擇。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《Spectroscopic ellipsometry utilizing frequency division multiplexed lasers》

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