隨著半導體芯片制造精度進入納米尺度，薄膜厚度的精確測量已成為保障器件性能與良率的關鍵環節。光譜橢偏儀雖能實現埃米級精度的非接觸測量，但傳統設備依賴寬帶光源與光譜分光系統，存在測量效率低、系統復雜且易受環境干擾等問題。Flexfilm全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應用于薄膜材料、半導體和表面科學等領域。

本研究提出了一種基于頻分復用技術的創新解決方案——頻分復用光譜橢偏儀（FDM-SE）。該技術采用多個離散波長的激光二極管作為光源，通過在不同頻率下對各激光進行強度調制，并利用傅里葉變換對反射光信號進行頻域解析，實現了多波長光學參數的同步測量。實驗通過測量硅基二氧化硅薄膜驗證了該技術的可行性，結果表明其與商用橢偏儀的厚度測量差異小于5埃，在保持高精度的同時顯著提升了測量效率和系統穩定性，為半導體工業提供了一種更高效可靠的計量新方案。

1

FDM-SE 的原理與設計

flexfilm

頻分復用示意圖

FDM-SE技術的核心突破在于將通信領域的頻分復用概念引入光學測量。系統采用多個獨立激光二極管作為光源，分別輸出405nm、639nm和833nm等離散波長。每個激光器通過函數發生器進行獨立的強度調制，調制頻率分別設置為100Hz、180Hz和330Hz。

關鍵技術特征包括：

多波長同步探測：不同波長的激光束經合束后共同照射樣品，反射光由單一光電探測器接收

頻域信號分離：通過對探測器輸出信號進行傅里葉變換，在頻域中分離出各調制頻率對應的幅值

偏振態分析：結合旋轉檢偏器，獲取不同波長下的偏振態變化信息

2

與傳統技術的對比優勢

flexfilm

相較于傳統的旋轉補償器橢偏儀或旋轉偏振器橢偏儀，FDM-SE在以下幾個方面展現出明顯優勢：

測量效率提升：傳統時間分復用方案需要順序切換不同波長，總測量時間隨波長數線性增加。FDM-SE實現真正意義上的同步測量，大幅縮短了數據采集時間。

系統簡化：避免了復雜的光譜分光系統，降低了對光學元件的需求，提高了系統的穩定性和可靠性。

抗干擾能力：所有波長通道同時測量，確保各通道受到的環境擾動（如振動、漂移）完全一致，有利于后期數據處理和誤差校正。

3

實驗驗證與性能評估

flexfilm

實驗系統構建

頻分復用光譜橢偏儀示意圖

研究團隊搭建了完整的FDM-SE實驗系統，包括：

三通道激光二極管光源模塊

精密旋轉檢偏器機構

高靈敏度光電探測系統

數據采集與信號處理單元

強度調制激光二極管光源

系統采用70°入射角配置，采樣率設置為2kHz，確保能夠準確捕捉最高330Hz的調制信號。

SiO?薄膜測量的精度

對硅片上40納米SiO?薄膜的實驗測量

強度隨檢偏器角度變化及數值擬合

通過對熱生長的40nm SiO?/Si樣品進行系統測試，獲得了令人信服的實驗結果：

數據質量：從時域信號中經傅里葉變換提取的三個波長強度曲線均表現出良好的信噪比和周期性。

參數提取：根據旋轉檢偏器角度相關的強度變化，計算出405 nm、639 nm和833 nm波長對應的(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?薄膜光學模型，通過最小二乘擬合得到薄膜厚度為41.07 ± 0.13 nm，與標稱值高度吻合。

SiO?薄膜測量的長期穩定性測試

在超過9小時的連續測試中，系統表現出優異的穩定性，厚度測量值的標準偏差僅為0.07 nm，證明了FDM-SE技術在工業環境中長期運行的可靠性。

4

與商用儀器對比：精度相當，效率更優

FDM-SE與RC2 測量結果對比

為客觀評估FDM-SE的測量性能，研究團隊使用商用RC2橢偏儀對同一系列SiO?樣品（厚度范圍3-500nm）進行對比測量。結果表明：

精度一致性：在全部厚度點上，兩種方法測得的厚度差異平均小于0.5nm，達到商用儀器水平。

誤差分析：雖然FDM-SE的均方誤差值略高于經過優化的商用儀器，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，而非原理性限制。

5

FDM-SE 的核心優勢

flexfilm

FDM-SE技術的成功驗證為光譜橢偏測量開辟了新的發展方向，其獨特優勢體現在多個方面：

靈活的光源配置：激光二極管的使用使得系統能夠在特定波長下進行精確測量，避免了寬帶光源中不必要的波長成分干擾。

擴展性強大：通過增加激光器數量和優化調制頻率分配，可輕松擴展至更多測量波長。

適應特殊波段：在傳統上難以實現的真空紫外或中紅外波段，FDM-SE技術顯示出獨特應用潛力，可替代傳統的單色儀或傅里葉變換光譜方案。

系統集成優勢：采用反射光學元件和寬帶偏振器，可實現從深紫外到近紅外的寬波段測量，大大簡化了系統復雜度。

本研究成功開發并驗證了基于頻分復用的新型光譜橢偏技術FDM-SE。FDM-SE 通過“頻分復用技術 + 調制激光”，解決了傳統 SE “多波長測量效率低” 的痛點，同時保留了埃級精度。實驗證明，它能精準測量 SiO?薄膜厚度，與商用儀器精度相當，且在抗干擾、靈活性、寬波長適配性上更具優勢。作為一種簡潔、高效的新型橢偏技術，FDM-SE 可廣泛應用于半導體計量、材料科學等領域，為高精度薄膜測量提供了更優選擇。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

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

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發展。

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

*特別聲明：本公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，如涉及版權問題，敬請聯系，我們將在第一時間核實并處理。