光譜學(xué)在薄膜制造中的應(yīng)用

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薄膜被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括半導(dǎo)體、微電子、顯示技術(shù)，當(dāng)然還有光學(xué)元件。雖然薄膜的最終應(yīng)用多種多樣，但都要求在鍍膜過(guò)程中精確控制每一個(gè)膜層的厚度。

而這個(gè)工作非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些膜層的厚度不盡相同，通常在 1 納米到 100 微米之間。精確測(cè)定薄膜厚度的方法之一就是使用光譜儀。對(duì)于這個(gè)范圍的膜層厚度來(lái)說(shuō)，目前通常有三種方法來(lái)量化表面厚度：輪廓測(cè)量法、橢圓光度法和光譜反射法（光譜法）。雖然包括原子力顯微鏡在內(nèi)的輪廓測(cè)量法能夠達(dá)到亞納米分辨率，但這個(gè)技術(shù)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，需要與被測(cè)物接觸，可能導(dǎo)致薄膜表面損壞。

另一方面，橢圓光度法和光譜反射法都是采用非接觸式光學(xué)技術(shù)，可以對(duì)樣品進(jìn)行大面積掃描，而且?guī)缀醪恍枰獦悠分苽洹E偏儀是一種很有效的測(cè)量?jī)x器，但通常比光譜儀大且價(jià)格昂貴。這是因?yàn)樗枰x軸測(cè)量和多重極化。而光譜反射法是一種與偏振無(wú)關(guān)的技術(shù)，它可以在正入射角度下完成，從而大大降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。

薄膜厚度對(duì)光譜反射的影響

當(dāng)光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，一定比例的光會(huì)從該界面反射回來(lái)。雖然用公式來(lái)描述這種相互作用可能會(huì)相當(dāng)繁瑣，但在垂直入射時(shí)，可以簡(jiǎn)化為僅與兩個(gè)介質(zhì)的折射率相關(guān)。公式 1 顯示了對(duì)于非吸收性材料，反射率 ( R ) 等于折射率差值的平方（n₁ 和 n₂) 除以折射率之和的平方。這個(gè)簡(jiǎn)單的方程式與您在日常生活中看到的許多物理現(xiàn)象有關(guān)，如您在天黑時(shí)可以在透明的窗戶中看到自己。此外，許多現(xiàn)代光電子產(chǎn)品，如 LED 和激光二極管就是利用這種關(guān)系來(lái)提高性能并降低成本。

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公式一

在處理單層薄膜的反射光譜時(shí)，有兩個(gè)不同的界面會(huì)發(fā)生反射，第一個(gè)是空氣-薄膜界面，第二個(gè)是薄膜-基底界面。根據(jù)薄膜的厚度和折射率，從每個(gè)表面以特定波長(zhǎng)反射的光會(huì)具有相位差，從而產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉或相消干涉。由于材料的折射率與波長(zhǎng)有關(guān)，這個(gè)相位差在寬帶光源的光譜范圍內(nèi)會(huì)有所不同。

這種與波長(zhǎng)相關(guān)的干涉圖產(chǎn)生啁啾正弦波譜，薄膜越厚，啁啾頻率越高，如公式 2 所示。在該公式中，d 表示薄膜的厚度， n(l) 表示折射率作為波長(zhǎng)的函數(shù)， l 是波長(zhǎng)，而 I(l) 是強(qiáng)度作為波長(zhǎng)的函數(shù)。

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公式2

雖然公式 2 進(jìn)行了許多簡(jiǎn)化和假設(shè)，但它可以用來(lái)理解光譜是如何作為薄膜厚度的函數(shù)而變化的。圖 1 是MgF₂光譜的一個(gè)理想示例，它清楚地表明了啁啾光譜的頻率隨著薄膜厚度的增加而變大。在實(shí)踐中，大多數(shù)絕緣材料在光通過(guò)時(shí)往往會(huì)吸收一些光，從數(shù)學(xué)上講，我們可以通過(guò)材料的復(fù)折射率來(lái)描述這種特性，其中 n 是折射率， k 是吸收系數(shù)。需要注意的是雖然吸收系數(shù)在數(shù)學(xué)上是虛構(gòu)的，但它又是一個(gè)真實(shí)的特性，在對(duì)一個(gè)薄膜厚度的反射光譜進(jìn)行準(zhǔn)確建模時(shí)必須要把材料的吸收系數(shù)考慮進(jìn)去。

圖 1：MgF2薄膜的理論反射光譜（假設(shè)沒(méi)有吸收），厚度值分別為(A) 100 nm (B) 200 nm (C) 400 nm (D) 600 nm。

典型的薄膜反射光譜測(cè)量系統(tǒng)

除了探頭角度外，薄膜反射光譜測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的反射測(cè)量系統(tǒng)非常相似。薄膜反射光譜測(cè)量系統(tǒng)的照明端和采集端都必須垂直于樣品表面，這與大多數(shù)反射率測(cè)量中使用的45度角形成對(duì)比。該裝置包括Avantes公司的 AvaSpec-Mini2048CL 或 AvaSpec-ULS2048CL-EVO光譜儀，Avalight-HAL-S-Mini鹵鎢燈光源和FCR-7UV200-2-ME光纖反射探頭。對(duì)于紫外應(yīng)用，可以使用Avalight-DH-S氘鹵鎢燈光源。注意一定要確保反射探頭要牢固固定，而且探頭和參考之間的距離必須要等于探頭和樣品間的距離。圖 2 顯示了典型的測(cè)量裝置。

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圖 2：反射法測(cè)量薄膜厚度的典型實(shí)驗(yàn)裝置

薄膜測(cè)量

薄膜測(cè)量要先對(duì)未鍍膜的參考基底采集參考光譜，然后在相同條件下測(cè)量鍍膜的基底，用AvaSoft 軟件（圖 3）就可以確定薄膜厚度。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量，必須將基底厚度和基底材料種類以及薄膜的設(shè)計(jì)厚度和薄膜材料種類輸入到軟件中。這些數(shù)據(jù)允許軟件訪問(wèn)其數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料折射率和吸收系數(shù)，將測(cè)得的反射光譜與給定薄膜厚度的理論曲線相關(guān)聯(lián)。圖 3 顯示了使用 AvaSoft 軟件中的薄膜測(cè)量模塊，所得到的在 Si 基底上涂覆的 655 nm厚的 SiO2 薄膜的反射光譜。除了軟件內(nèi)置的常用基底和薄膜材料庫(kù)外，用戶還可以對(duì)自己感興趣的每個(gè)波長(zhǎng)通過(guò)輸入一系列折射率( n ) 和吸收系數(shù)( n ) 來(lái)創(chuàng)建自己的“*.nk"文件。

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圖 3：硅基底鍍SiO2膜層的反射光譜的屏幕截圖，顯示計(jì)算出的薄膜厚度為 655.3 nm

總結(jié)

通過(guò)在薄膜測(cè)量過(guò)程中利用反射光譜，工程師現(xiàn)在能夠在制造過(guò)程的所有階段快速且經(jīng)濟(jì)高效地測(cè)試薄膜厚度。Avantes 公司可以提供多種系列的微型光譜儀、光源和探頭，與AvaSoft 薄膜測(cè)量軟件配合使用，可以對(duì)厚度從 10 nm 到 50 μm 的單層薄膜進(jìn)行測(cè)量，分辨率為1 nm。我們提供可選的薄膜標(biāo)準(zhǔn)樣品，這些標(biāo)準(zhǔn)樣品包括沒(méi)有鍍膜的基底和已知膜層厚度的鍍膜基底，用于確認(rèn)和驗(yàn)證鍍膜過(guò)程的可靠性和可重復(fù)性。

AvaSpec 光譜儀可以進(jìn)行高速觸發(fā)或連續(xù)測(cè)量，非常適合于薄膜測(cè)量。此外，上文中提到的那些光譜儀也可提供OEM 模塊，可集成到多通道可安裝型工業(yè)機(jī)箱中，非常適合薄膜過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。Avantes光譜儀中的AS-7010電路板包括USB、以太網(wǎng)和多功能I/O接口，可以極其方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信。此外，Avantes還提供DLL 開(kāi)發(fā)包，以及在Delphi、Visual Basic、C#、C++、LabView、MatLab等編程環(huán)境中的示例程序，使用戶自己可以開(kāi)發(fā)薄膜應(yīng)用程序代碼。該軟件開(kāi)發(fā)工具包對(duì)于集成到自動(dòng)采樣系統(tǒng)或分析需要定制代碼的復(fù)雜多層薄膜特別有用。

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