薄膜干涉膜厚仪的原理

薄膜材料的厚度在纳米级薄膜的各项相关参数中，是制备和设计中一个重要的参量，也是决定薄膜性质和性能的关键参量之一。然而，由于其极小尺寸及表面效应的影响，纳米级薄膜的厚度准确测量变得困难。科研技术人员通过不断的探索研究，提出了新的薄膜厚度测量理论和技术，并将测量方法从手动到自动、有损到无损等不断改进。对于不同性质的薄膜，其适用的厚度测量方案也不相同。在纳米级薄膜中，采用光学原理的测量技术可以实现精度高、速度快、无损测量等优点，成为主要的检测手段。典型的测量方法包括椭圆偏振法、干涉法、光谱法、棱镜耦合法等。操作需要一定的专业技能和经验，需要进行充分的培训和实践。薄膜干涉膜厚仪的原理

傅里叶变换是白光频域解调方法中的一种低精度信号解调方法，起初由G.F.Fernando和T.Liu等人提出，用于低精度光纤法布里-珀罗传感器的解调。该解调方案的原理是通过傅里叶变换得到频域的峰值频率从而获得光程差，并得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优势是解调速度快，受干扰信号影响较小，但精度不高。根据数字信号处理FFT理论，若输入光源波长范围为[λ1,λ2]，则所测光程差的理论小分辨率为λ1λ2/(λ2-λ1)，因此该方法主要应用于解调精度要求不高的场合。傅里叶变换白光干涉法是对傅里叶变换法的改进。该方法总结起来是对采集到的光谱信号进行傅里叶变换，然后滤波、提取主频信号，接着进行逆傅里叶变换、对数运算，之后取其虚部进行相位反包裹运算，从而通过得到的相位来获得干涉仪的光程差。经实验证明，该方法测量精度比傅里叶变换方法更高。原装膜厚仪性价比高总之，白光干涉膜厚仪是一种应用很广的测量薄膜厚度的仪器；

基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置，其特征在于：该装置包括白光光源、显微镜、分束镜、干涉物镜、光纤传输单元、准直器、光谱仪、USB传输线、计算机；光谱仪主要包括六部分，分别是：光纤入口、准直镜、光栅、聚焦镜、区域检测器、带OFLV滤波器的探测器；

光源发出的白光经准直镜扩束准直后成平行光，经分束镜射入Michelson干涉物镜，准直透镜将白光缩束准直后垂直照射到待测晶圆上，反射光之间相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，完成干涉部分；

光纤传输的干涉信号进入光谱仪，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取诸如光强、反射率等信息，计算机对这些信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算晶圆膜厚。

光学测厚方法集光学、机械、电子、计算机图像处理技术为一体，以其光波长为测量基准，从原理上保证了纳米级的测量精度。同时，光学测厚作为非接触式的测量方法，被广泛应用于精密元件表面形貌及厚度的无损测量。其中，薄膜厚度光学测量方法按光吸收、透反射、偏振和干涉等光学原理可分为椭圆偏振法、分光光度法、干涉法等多种测量方法。不同的测量方法，其适用范围各有侧重，褒贬不一。因此结合多种测量方法的多通道式复合测量法也有研究，如椭圆偏振法和光度法结合的光谱椭偏法，彩色共焦光谱干涉和白光显微干涉的结合法等。通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度，利用膜层与底材的反射率和相位差来实现测量。

Michelson干涉物镜，准直透镜将白光缩束准直后垂直照射到待测晶圆上，反射光之间相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，完成干涉部分。光纤传输的干涉信号进入光谱仪，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取诸如光强、反射率等信息，计算机对这些信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算晶圆膜厚。光源采用氙灯光源，选择氙灯作为光源具有以下优点：氙灯均为连续光谱，且光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变；氙灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小；氙灯具有较高的电光转换效率，可以输出高能量的平行光等。它可以用不同的软件进行数据处理和分析，比如建立数据库、统计数据等。高精度膜厚仪技术指导

白光干涉膜厚测量技术可以应用于光学元件制造中的薄膜厚度管控。薄膜干涉膜厚仪的原理

由于不同性质和形态的薄膜对系统的测量量程和精度的需求不相同，因而多种测量方法各有优缺，难以一概而论。将各测量特点总结所示，按照薄膜厚度的增加，适用的测量方式分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的较薄薄膜，白光干涉轮廓仪的测量精度较低，分光光度法和椭圆偏振法较适合。而对于小于200nm的薄膜，由于透过率曲线缺少峰谷值，椭圆偏振法结果更加可靠。基于白光干涉原理的光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或者半透明薄膜，通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样，得到待测薄膜厚度。本章在详细研究白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性的基础上，分析得到了常用的基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上，我们提出了基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。薄膜干涉膜厚仪的原理