在現代高科技產業如半導體和新能源領域，厚度低于一微米的薄膜被廣泛應用，其厚度精確測量是確保器件性能和質量控制的核心挑戰。面對超薄、多層、高精度和非破壞性的測量需求，傳統的接觸式或破壞性方法已難以勝任。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。

為解決這一難題，以光譜反射法(SR)和光譜橢偏法(SE)為代表的非接觸光學測量技術成為主流解決方案。光譜反射法通過分析薄膜反射的干涉光譜實現快速、大范圍的厚度檢測；光譜橢偏法進一步利用偏振態變化，不僅能測量極薄薄膜，還能同步獲取材料的光學常數。本文將系統綜述這兩類技術的原理、發展和應用，并探討其在未來精密制造領域向更高速度、更寬動態范圍和更可靠測量演進的關鍵路徑。

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光譜反射法(SR)

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光譜反射法通過將一束寬帶光（如白光）照射到薄膜樣品上，并收集其反射光譜來進行測量。光在薄膜的上下界面會發生多次反射和干涉，形成的干涉光譜中包含了薄膜厚度與光學常數的信息。

(a) 簡易反射儀的光學結構示意圖(b) 單層薄膜結構中兩個界面的反射與透射光路示意圖(c) 實測反射光譜與基于最小二乘法擬合的模型反射光譜對比圖

基本模型與厚度提取：

對于最簡單的單層膜結構（空氣/薄膜/襯底），總反射率可通過菲涅爾公式和干涉項進行計算。

菲涅爾公式

測量時，已知（或預先標定）薄膜與襯底的光學常數（折射率、消光系數）及入射角，通過將實測反射光譜與不同厚度下的理論模型光譜進行匹配（通常采用最小二乘法），即可反演出最匹配的薄膜厚度。

高數值孔徑物鏡中入射角對理論反射光譜建模的影響示意圖

技術演進與挑戰：

模型精化： 早期模型常忽略材料的吸收。對于吸收不可忽略的材料，需采用復折射率來建立更精確的模型。此外，當使用高數值孔徑物鏡時，入射光包含一個角度范圍，需引入“有效入射角”概念來修正模型。

分析效率： 傳統的全光譜擬合計算量較大。為提高速度，研究提出了多種優化算法，例如利用反射光譜的極值位置或光譜相位信息來快速估算厚度初值，再進行精修。

(a) 集反射法與干涉法兩種測量模式于一體的光學結構示意圖(b) 光譜分辨白光干涉測量法的光學結構示意圖

集成測量： 將SR與干涉測量技術結合，可實現對薄膜厚度與表面三維形貌的同步測量。通過巧妙的信號分離技術（如頻域分離），從同一組數據中提取出不同信息。

基于人工神經網絡算法的薄膜厚度分析流程示意圖(a) 訓練階段(b) 訓練完成的網絡預測階段

人工智能的引入：

為應對復雜模型擬合耗時、對初始值敏感等問題，人工神經網絡（ANN）等AI方法被應用于SR數據分析。通常使用大量基于理論模型生成的光譜-厚度數據對來訓練神經網絡。訓練完成后，網絡可直接、快速地從實測光譜預測出厚度。然而，AI模型的可靠性驗證是關鍵，研究提出了利用有證標準物質來評估其在實際測量環境中性能的方法。

多層膜測量與可靠性：

測量多層薄膜結構中每一層的厚度更具挑戰性。研究基于傳輸矩陣法建立多層膜反射模型，并結合優化算法進行反演。為確保測量結果的可靠性，韓國標準科學研究院的研究者提出了一種創新方法：在沉積多層膜的同時，制備一系列已知結構的輔助單層膜樣品，用以交叉驗證和評估整個測量系統的不確定度。

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光譜橢偏法(SE)

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橢偏法通過測量偏振光與樣品相互作用后，其偏振態的改變來表征樣品。它能同時測定薄膜的厚度和光學常數（復折射率 n 和 k），對超薄膜（可達亞納米級）極為敏感。

橢偏儀的基本組成元件與光路布局示意圖

系統構成與分類：

一臺典型橢偏儀的核心組件包括：光源、偏振態發生器、樣品臺、偏振態分析器和探測器。根據這些組件中可動元件（如偏振片、補償器）的類型和工作方式，橢偏儀主要分為五類：

單波長橢偏儀： 使用激光光源，結構簡單。

光譜橢偏儀： 使用寬帶光源和光譜儀，可獲取隨波長變化的光學信息，應用最廣。

旋轉元件橢偏儀： PSG或PSA中的元件（如偏振片）勻速旋轉，通過分析探測器信號的諧波成分來提取數據。

零值橢偏儀： 通過調整偏振元件方位角使檢測信號歸零，常用于成像橢偏儀。

相位調制橢偏儀： 使用光彈性調制器等元件，測量速度極快。

其中，旋轉元件光譜橢偏儀（RE-SE）因其良好的性能平衡，在工業在線檢測和科研中應用最為廣泛。

測量原理與數據分析：

橢偏測量的核心輸出是橢偏傳輸量（ETQ），用于描述偏振態的變化。對于各向同性樣品，最常用的ETQ是Ψ和Δ兩個角度，它們與樣品的光學參數和厚度通過復雜的物理模型相關聯。

RE-SE記錄隨旋轉元件角度變化的探測器信號

傅里葉分析提取諧波系數

測量時，RE-SE記錄隨旋轉元件角度變化的探測器信號，通過傅里葉分析提取諧波系數，最終計算出ETQ。

ETQ

為了從測得的ETQ光譜（Ψ(λ), Δ(λ)）反演出樣品的厚度和光學常數，需要構建精確的光學分析模型，并采用非線性最小二乘法進行擬合，尋找使理論ETQ與實測ETQ差異最小的參數解。

非線性最小二乘法

不確定度評估：

橢偏測量的可靠性依賴于嚴格的不確定度評估。其不確定度主要來源于兩部分：

ETQ測量值本身的不確定度（由儀器噪聲、元件校準誤差等引起）。

通過擬合分析得到樣品參數（厚度、折射率）時，由擬合過程引入的不確定度。

傳統方法在評估后者，尤其是針對復雜的光譜數據時存在局限。近期研究引入了基于隱函數定理的不確定度評估方法，能夠更完備地考量所有潛在誤差源的傳播效應，從而更可靠地評估測量結果的置信區間。

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技術對比與發展趨勢

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薄膜厚度測量是支撐現代精密制造的核心計量技術之一。本文詳細綜述了兩種主流的光學非接觸測量方法：光譜反射法和橢偏法。

光譜反射法原理直觀，系統相對簡單，通過與干涉等技術融合，功能不斷拓展，AI的引入顯著提升了其分析效率。

橢偏法信息量豐富，測量精度高，尤其擅長超薄膜與復雜光學常數的表征，其不確定度評估方法日趨完善。

兩類技術各有側重，并在不同應用場景下衍生出多種變體。

光譜反射法與光譜橢偏法是薄膜厚度光學測量的兩大支柱。光譜反射法SR在工程應用和集成測量方面展現出靈活性，而光譜橢偏法SE在極限精度和材料表征深度上具有不可替代的優勢。未來，隨著器件尺寸不斷縮小和新型材料涌現，對測量技術提出了“更快、更準、更廣、更可靠”的終極要求。兩大技術路徑將在自身優化（如算法、校準）與相互融合（如橢偏成像、集成式多技術傳感器）中持續演進，共同支撐前沿制造業的精密計量需求。

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。

#光譜橢偏法#光譜反射法#SE#SR

原文參考：《A Review ofThin?flm Thickness Measurements using Optical Methods》

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