引言：ThetaMetrisis 公司的 FR-tools 系列產(chǎn)品（包括 FR-pRo、FR-ES、FR-Scanner、FR-uProbe/FR-Mic、FR-Ultra）專用于測(cè)量介電質(zhì)、光刻膠、金屬及半導(dǎo)體薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)（折射率 n 與消光系數(shù) k），其測(cè)量厚度范圍為 1 nm 至 5000 μm。FR-tools 的工作原理是基于白光反射光譜技術(shù)，這是一種精確、快速且無(wú)損的測(cè)量方法，幾乎無(wú)需或完全不需要樣品制備。

FR-tools 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了白光反射光譜技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)利用光強(qiáng)來(lái)測(cè)量薄膜或多層膜堆在不同波長(zhǎng)下的反射情況，入射光垂直照射于樣品表面。這種光譜反射技術(shù)能夠評(píng)估各類(lèi)薄膜的厚度、粗糙度、均勻性以及光學(xué)常數(shù)。WLRS 技術(shù)并不直接測(cè)量物理屬性，而是測(cè)量由這些屬性在系統(tǒng)內(nèi)所激發(fā)的光學(xué)響應(yīng)。因此，求解這一逆問(wèn)題需要借助數(shù)值方法，通過(guò)使測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)達(dá)到最佳擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此，便可推斷出待測(cè)的實(shí)際物理屬性——例如薄膜的層厚及光學(xué)特性。

白光反射光譜技術(shù)系統(tǒng)包含一個(gè)光源、一臺(tái)微型光譜儀以及一根反射探頭。光源發(fā)出的光通過(guò)一根反射式光學(xué)探頭（對(duì)應(yīng)圖 1a 中的光纖 a1 至 a6）引導(dǎo)至待表征的樣品上。典型的樣品結(jié)構(gòu)是在反射型或透射型襯底（如硅晶圓、玻璃載玻片）上覆蓋一層或多層透明及半透明薄膜。來(lái)自光源的光束與樣品相互作用（圖 1b），反射光由同一根反射探頭收集（通過(guò)圖 1a 中的光纖 b），并傳導(dǎo)至光譜儀。由于各光束之間存在光程差，光譜儀上會(huì)觀測(cè)到干涉條紋。圖 2 展示了一個(gè)典型的位于硅襯底上的二氧化硅層的反射光譜。在同一幅圖中，同時(shí)也展示了入射光（參考）光譜。干涉條紋的數(shù)量和形狀取決于膜層的厚度及其折射率。通過(guò)將反射光譜與合適的物理模型及算法進(jìn)行擬合，即可計(jì)算出薄膜的厚度和折射率，如圖 3 所示。

圖 1： 典型的白光反射光譜技術(shù)裝置示意圖。(a) 反射探頭結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，(b) 光穿過(guò)雙層樣品的光路細(xì)節(jié)。

圖 2： 來(lái)自二氧化硅/硅樣品的反射光譜（白色曲線）、理想反射體的反射光譜（橙色曲線）以及暗光譜（藍(lán)色曲線）。

圖 3： 歸一化鏡面反射（干涉）光譜：實(shí)驗(yàn)曲線（紅色曲線），擬合曲線（綠色曲線）。

樣品：本表征報(bào)告聚焦于兩片鍍膜8英寸硅晶圓的厚度測(cè)量。樣品清單如下：

? 樣品1 - 區(qū)域1：鉑鈦層上的鋰磷氧氮薄膜
? 樣品1 - 區(qū)域2：硅基底上二氧化硅層之上的鋰磷氧氮薄膜
? 樣品2 - 區(qū)域1：硅基底上的二氧化硅層

測(cè)量在選定的芯片上進(jìn)行。芯片上執(zhí)行測(cè)量的具體區(qū)域如下圖所示。黑色方框?qū)?yīng)光斑尺寸，即反射信號(hào)的收集區(qū)域。

本次樣品表征采用配備5倍物鏡的 FR-Scanner-AllInOne-Mic-XY200 可見(jiàn)光/近紅外型號(hào)設(shè)備完成。該設(shè)備工作光譜范圍為 380-1020 nm，可測(cè)量的薄膜厚度范圍為 15 nm 至 90 μm。光斑尺寸約為 50 μm，此處指采集反射信號(hào)的方形區(qū)域邊長(zhǎng)。

FR-Scanner-AllInOne-Mic-XY200 設(shè)備將先進(jìn)的光學(xué)、電子及機(jī)械模塊集成于一體，可對(duì)圖形化及非圖形化薄膜進(jìn)行高精度、高準(zhǔn)確度的表征。典型應(yīng)用實(shí)例包括（但不限于）：微圖形化表面、粗糙表面等多種場(chǎng)景。晶圓置于真空吸盤(pán)上，該吸盤(pán)可支持最大直徑 200 mm 的各種尺寸晶圓，并配備有反射率標(biāo)準(zhǔn)件。表征工作由強(qiáng)大的光學(xué)模塊執(zhí)行，其光斑尺寸可小至數(shù)微米。電動(dòng) XY 載物臺(tái)在每個(gè)軸向上均可提供 200 mm 的行程范圍，具有高速、超高精度及優(yōu)異的重復(fù)性。本次分析采用的分析方法為快速傅里葉變換。