OTSUKA大塚电子关于了解薄膜厚度评估 测量方法

使用光干涉效应的薄膜厚度计*常见的方法是峰谷方法（PV 方法）。 原理很简单，它利用了在膜表面反射的光和背面反射的光相互干扰，当光的相位匹配时，强度增加，当偏移时减弱。 因此，在光谱上观察到反射强度随波长变化而变化的干涉模式。 具体来说，PV方法根据这种图案的峰值和谷波长确定薄膜厚度。

由于光通过膜层两次合成，因此 n= 折射率和 d = 厚度仅产生**个光路差。 这是因为光在膜层中的传输速度是n倍，这就是为什么需要折射率的原因。 *后，重要的是反射光的相位是如何变化的。 也就是说，在折射率较大的介质上反射时，相位不会发生变化，因此波长的整数倍为光路差 2nd 的波长为峰值。 相反，在低介质上反射会导致 180 度偏差。 换句话说，在空气/膜/空气组合的背面，相位偏移180度，使波长的整数倍光路差2nd成为谷。 如果折射率已知，则根据这种关系确定厚度。 此外，折射率的大小也可以根据光路差 2nd 的整数倍的波长是峰值还是谷值来确定。

此外，在峰值和谷以外的波长上，通过弯曲拟合每个波长的反射强度和理论值，可以确定折射率以及薄膜厚度值。

薄膜的光吸收系数被视为消光系数 k。 化学分析中使用的吸光度的差异通过乘以波长，与折射率一样无尺寸化。 此外，在电磁波的理论方程中使用折射率 n 和消光系数 k，将复杂折射率 N 表示为简化公式，如下式所示。 与真空中相比，光在折射率为 n 的介质中移动得较慢，当消光系数增加时，强度会衰减。

N=n-jk
 

如果仅测量薄膜厚度，则消光系数只会增加参数，使分析变得困难，因此通常使用近红外光测量测量光源，并在没有吸收的波长下进行测量。 在液晶滤色片中，着色是质量的重要因素，因此可能会增加着色，特别是由于干扰，甚至改变显示设备的色调。 此外，在半导体领域，k的测量变得越来越重要，因为它是晶体内部电子状态水平的重要指标。
此外，由于绝缘膜的着色会导致器件性能问题，因此需要设置沉积条件，以降低 k。

消光系数 k 可以从反射光谱中**确定，如果光谱形状已知，则可以利用克拉默斯-克罗尼希在折射率和消光系数之间的关系，从而减少参数。 但是，当光谱形状发生变化时，测量精度并不高。 此外，如果光谱模式未知，则无法从反射光谱中确定 k。

为了高精度地测量薄膜的消光系数，测量的透射光谱必须与光谱椭圆光谱和反射光谱相结合。 这种方法相当常见，但缺点是，它**于透明基板。

硅基板的折射率得到了很好的研究，文献也很多，但尽管如此，文献中的数字却大相径庭。 由于通常的沉积是在Si基板上进行的，因此，即使折射率和消光系数不同，由此产生的反射光谱和光谱椭圆光谱也完全符合理论计算。 近年来，外延生长的Si膜被粘贴在绝缘基板上，并用于半导体基板，由于光在这种Si膜中透射，消光系数的差异直接反映在光谱中。 换句话说，即使使用文献值，也不可能准确分析测量光谱，从而导致与文献值之间的偏差。 换句话说，文献值具有相当大的误差。

这种测量方法的历史非常悠久，可以追溯到19世纪。 近年来，光谱椭圆法之所以如此流行，是因为它在分析方法方面取得了长足的进步。 换句话说，一种新的旧测量方法就是椭圆测量。

在单波长椭圆体中，薄膜厚度值由椭圆体参数（如 tan_ 或 * ）简单计算，但多层膜使模型表达式变得过于复杂，因此不容易确定。 因此，通过改变波长、进行参数拟合和多变量分析，可以分析多层膜，但近年来，由于个人电脑的进步大大缩短了分析时间，因此得到了广泛的应用。

椭圆具有椭圆的含义。 由于光是波，当直行方向的偏振光的相位偏移 90 度时，它变为圆偏振光。 如下图所示，从光的行进方向看偏振方向，它随着时间的推移向左 旋转。 如果相位偏移不是 90 度，则为椭圆。 偏振分析称为椭圆偏振分析仪，因为它分析椭圆偏振光。 光具有波的性质。 换句话说，光谱椭圆测量充分利用了三种信息：强度、相位和波长。

为什么分析椭圆偏振光需要薄膜厚度？ P 波是与反射面法线平行的偏振光，S 波是与法线成直角的偏振分量的名称。 对于薄膜厚度测量，光谱椭圆测量始终通过具有恒定入射角的反射测量进行。 除了 P 波和 S 波的表面反射率不同外，反射率比还受到光干扰的影响，因此为 tan。 此外，由于薄膜介质中光的进度速度不同，会产生相位差。 此外，由于P波和S波在反射过程中的相位变化不同，因此它们会产生相位差。 因此，相位差也会随薄膜厚度而变化。 这是光谱椭圆法测量薄膜厚度的原理。

在没有公式的条件下解释爱立浦奏的原理是极其困难的，我认为阿扎穆斯的电磁解释是*容易理解的。 换句话说，遵循公式是*准确、*容易理解的，如果不使用公式，则从光谱形状解释可能更容易理解。

光谱椭圆法的折射率和薄膜厚度测量是一种非常敏感的方法，但如果薄膜厚度较大，则光谱变化会表现出细微的 n 差异。 利用这一特性，我们经常讨论膜界面的状态和膜纵向密度梯度，但这种详细分析存在一些风险。 这是因为有许多因素可以改变光谱，特别是在很大程度上取决于膜表面的状态，因此可能不清楚哪个是真正的膜模型。

光谱椭圆法也有其局限性。 当薄膜的薄膜约为几纳米时，它大约是光波长的百分之一，需要nd，但很难分离两者。 这种缺点也是光谱学的一个常见问题。

光谱法不仅允许单层膜，还允许更复杂的结构分析。
例如，对于高速、节能的 SOI（Si 夹层 SiO2 结构），表面层的 Si 和中央 SiO2 层的厚度都会影响质量，但光谱法允许测量此类多层结构中每一层的薄膜厚度。

此外，退火的ITO（透明导电膜）提高了透明度和导电性，但膜质量可能会在加热表面和难以传递热量的基板侧逐渐改变。
也可以分析这种膜质量厚度方向的阶段性变化。

此外，还可以分析折射率因液晶方向而异的材料的三维折射率，并分析特定区域内薄膜厚度的不均匀性（不均匀性）。

我们非常重视这些结构分析，并专注于开发。