18Feb.2022
膜厚儀

【光學膜厚量測】『顯微分光法』與『橢圓偏光法』有什麼不同?

前言
光學式的膜厚量測有不會接觸(破壞)膜面,以及可以得知光學參數(折射率、消光係數)等優點。 現行光學薄膜膜厚量測法,可大致分為反射分光法與橢圓偏光法兩種。
有人說橢圓偏光比較準,真的是這樣嗎?
大塚電子本身就有這兩種原理的機台,究竟有什麼不同,請見下面內容。
 
原理概念

原理比較

  • 反射分光膜厚量測

    反射分光法也稱為光干涉法,搭載光譜儀的反射架構下,由反射率進一步求得光學膜厚。主要利用上圖R1(膜層表面的反射)以及R2(膜層介面的反射)兩道光的光程差進行演算求得。
  • 橢圓偏光膜厚量測

    橢圓偏光法是藉由入射光與反射光的偏振狀態不同,使用照射前的P偏振光以及S偏振光產生相位差做計算。
     
比較
一般而言橢圓偏光法較擅長量測超薄膜(約10nm)以下,但是也有下列問題
1.因為參數較多也提升分析難度。
2.因為需要收不同角度的偏振光,單一點位量測時間較長。
3.光斑spot大小為mm等級,若膜層表面平坦度不足或是有結構也無法量測。
4.僅能用特定不透光的底材(一般是以晶圓做基板)。

反射分光法可以搭配顯微鏡,又稱做顯微分光法。在量測膜厚可以完全克服上述橢圓偏光法的弱點,一般台灣的使用者會有一種迷思,薄膜量測一定要用橢圓分光法來做,是因為早期光譜儀感度不足,需要收更多的資訊(p、s偏振光)才能量到較薄的膜。但隨著硬體的進步,顯微分光法也可以量測到1nm的薄膜,可以滿足絕大多數薄膜量測的需求,又能提供更多的應用性。 下面簡單列舉兩種方法的比較。
  OPTM(顯微分光法) 橢圓偏光儀 說明
分光器波段 OPA1 : 230 ~ 800 nm
OPA2 : 360 ~ 1100 nm
OPA3 : 900 ~ 1600 nm
多為可視光 380 ~780 nm 因橢圓偏光收光角度的關係,無法接收太弱的光,一般為可視光波段。
膜厚量測範圍 OPA1 : 1 nm ~ 35 μm
OPA2 : 7 nm ~ 49 μm
OPA3 : 16 nm  ~ 92μm 
0.1 nm ~1 μm 因橢圓偏光儀使用可視光波段,無法量測較厚的膜。約1μm以上就會因為波形過於複雜而難以解析。
樣品種類 透明膜、半透明膜、有色膜 透明膜 同上,在可視光波段有吸收的膜橢圓偏光就難以量測。OPTM可選用其他波段(例如近紅外光)進行有色膜的量測。
量測下限 1 nm 0.1 nm 橢圓偏光因為多收集一個橢圓率的參數,在極薄膜(約10nm以下)有較好的分辨率。
基板底材 晶圓、玻璃、高分子膜 晶圓(不透光底材) 1.OPTM專利鏡頭可物理性去除透明基板底層的反射光(稱為背面反射),橢圓偏光若要量測玻璃等透明底材時,需要先塗黑。
2.高分子底材有光學異方性,以橢圓偏光在不同的方向入射時會得到不同的厚度,樣品只要稍微旋轉就會得到不同結果。OPTM使用垂直的反射,不受光學異方性干擾。
量測時間 1秒內 數分鐘 顯微分光膜厚搭配快速的對焦機制,對焦+量測不到1秒!
橢圓偏光需要變換角度後還需要旋轉,量測時間長達數分鐘。
分析難度 較容易 較複雜  
量測面積 最小約5μm 數mm等級 樣品有做patten,或是元件等量測面積很小的時候,就需要小面積的量測能力。
光學常數分析 可求得 可求得  
多層膜厚 可求得 可求得  



台灣大塚科技備有顯微分光OPTM的DEMO機,及專業量測人員。
跳脫過去薄膜只能用橢圓偏光的迷思,歡迎測試DEMO。
 

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