半导体制造涉及氧化、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、化学机械抛光（CMP）及先进封装等多个工艺环节。不同工艺使用的材料、膜厚范围和控制指标存在差异，检测设备需要与具体工艺需求匹配。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

全光谱椭偏仪（SE）通过测量不同波长下反射光偏振状态的变化，结合光学模型分析薄膜厚度、折射率（n）和消光系数（k）。这种非接触、非破坏的测量方式适用于多种半导体薄膜，也可用于晶圆不同位置的膜厚分布分析。设备选型不能只看标称膜厚精度。实际应用需要综合考虑目标膜层、材料类型、测量参数、膜层结构、重复性和测量产能。

全光谱椭偏测量原理示意

薄膜沉积：膜厚是基础，光学常数提供更多信息

半导体薄膜沉积工艺示意

化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和原子层沉积（ALD）都会形成不同类型的薄膜，是全光谱椭偏仪的主要应用场景。

常见材料包括二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（SiNₓ）、氮氧化硅（SiON）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化铪（HfO₂）、氮化铝（AlN）、非晶硅（a-Si）、氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AlGaN）等。

膜厚是最直接的工艺控制参数。折射率和消光系数则用于表征薄膜的光学性质。在适当的材料模型下，n、k的变化还可以辅助分析薄膜组成、致密程度及缺陷相关变化，但不能仅凭光学常数变化就确定具体缺陷类型或浓度。

对于多层膜结构，需要根据基底、膜层数量、材料光学常数和厚度范围建立模型，再利用不同波长下的偏振数据进行拟合。膜层越复杂，参数之间的相关性越需要控制。

ALD工艺的单次生长厚度较小，对膜厚灵敏度、重复性和模型稳定性要求较高。量产环境还需要控制单点测量时间，并通过多个测量位置评价晶圆面内膜厚均匀性。

因此，薄膜沉积段选型应优先考察膜厚灵敏度、光谱范围、n/k测量能力、多层膜拟合能力和重复性，再结合产线节拍评估测量产能。

光刻：重点检测光刻胶和抗反射层

光刻工艺示意

光刻工艺中的全光谱椭偏仪主要用于光刻胶、底部抗反射层（BARC）和硬掩膜等薄膜的厚度及光学常数检测。

光刻胶厚度会影响曝光、显影及后续图形转移。对于BARC，折射率和消光系数也属于重要参数，因为它们会影响曝光光的反射和吸收。

全光谱椭偏仪利用不同波长下的偏振变化建立薄膜模型，可以拟合膜厚、n和k。对于透明或半透明的光刻胶及介质膜，这种方法较为适用。

光刻段通常要求较高的测量效率和重复性。生产线上需要在有限时间内完成多个位置的检测，并比较晶圆面内膜厚分布。

如果工艺只需要控制光刻胶膜厚，模型应尽量简洁。膜厚、折射率和消光系数之间可能存在参数相关性，模型设置过于复杂会增加拟合不稳定的风险。

因此，光刻段选型应重点关注光刻胶材料模型、膜厚重复性、测量速度和晶圆面内分布测量能力。对于图形关键尺寸（CD）和侧壁角等参数，则应采用适合图形结构的专用计量方法，不能直接视为常规全光谱椭偏仪的标准测量能力。

刻蚀：通过膜厚变化计算材料去除量

刻蚀工艺中的全光谱椭偏仪主要用于检测刻蚀前后的薄膜状态。

例如，二氧化硅、氮化硅、硬掩膜或光刻胶经过刻蚀后，可以分别测量刻蚀前后的膜厚，再计算材料去除量。

假设某层膜刻蚀前厚度为100 nm，刻蚀后剩余72 nm，在测量位置、样品状态和光学模型具备可比性的条件下，膜厚变化为28 nm。该数值仅用于说明计算关系，并非特定工艺的实测数据。（注：文中的数值示例“100 nm、72 nm、28 nm”仅用于解释膜厚差的计算关系，并非论文实测数据）

对于多层膜结构，需要根据各层材料的光学性质建立分层模型，分析刻蚀前后不同膜层的厚度变化。

全光谱椭偏仪适合薄膜去除量和残余膜厚控制，但不能与三维轮廓测量混为一谈。沟槽深度、侧壁角及高深宽比结构底部形貌属于不同的计量对象，不能简单用常规膜厚测量能力替代。

刻蚀段选型时，应重点确认目标膜层厚度、刻蚀前后厚度差、模型稳定性、重复性和测量效率。

离子注入：利用光学性质变化分析材料状态

离子注入不会像薄膜沉积那样直接形成独立的新膜层，而是改变材料内部的晶格结构、缺陷状态和载流子性质。

这些变化可能引起材料折射率和消光系数变化。全光谱椭偏仪可以通过注入前后的光谱差异，分析材料光学性质的变化，并结合光学模型研究注入损伤相关信息。

硅（Si）、锗（Ge）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和碳化硅（SiC）等材料均可作为相关研究对象。具体能否获得可靠结果，取决于损伤层的光学响应、材料模型及仪器的测量能力。

这一应用与薄膜沉积存在明显差异。薄膜沉积主要通过膜厚变化判断生长量，离子注入则主要通过材料光学性质变化进行间接分析。

如果工艺目标是掺杂浓度、掺杂激活率或电阻率，全光谱椭偏仪不能单独承担这些参数的定量检测，应结合二次离子质谱（SIMS）及电学测试等方法进行验证。

因此，离子注入段更适合将全光谱椭偏仪用于材料光学性质和注入损伤相关变化的表征，而不是直接替代掺杂浓度或电学参数测试。

化学机械抛光：重点检测残余膜厚和去除量

化学机械抛光（CMP）工艺示意

化学机械抛光（CMP）的主要工艺目标是材料去除和平坦化。全光谱椭偏仪适合承担其中的薄膜计量任务。

典型应用包括介质层和阻挡层等薄膜的CMP前后厚度检测。通过比较两个工序状态下的膜厚，可以计算材料去除量，并通过多个测量点分析晶圆面内均匀性。

对于包含多种材料的结构，光学模型需要区分不同膜层。例如，同一位置同时存在铜（Cu）、阻挡层和介质层时，单一膜厚参数无法完整描述整个结构，需要根据实际膜系建立多层模型。

CMP产生的凹陷（dishing）、侵蚀（erosion）和复杂三维表面形貌，并不是常规全光谱椭偏仪最适合独立测量的对象。这类参数通常需要结合适用的表面形貌或其他专用计量方法进行评估。

CMP段选型应重点考察残余膜厚、材料去除量、测量重复性、晶圆面内分布测量能力和测量效率。

先进封装：材料种类更多，膜厚范围更复杂

先进封装中的重布线层（RDL）与硅通孔（TSV）结构示意

先进封装中的薄膜材料与前道工艺存在差异。

重布线层（RDL）、硅通孔（TSV）和晶圆级封装工艺可能涉及聚酰亚胺（PI）、聚苯并噁唑（PBO）、苯并环丁烯（BCB）、SiO₂、SiNₓ及金属阻挡层等材料。

其中，聚合物介质层的厚度通常高于前道栅介质。不同聚合物的透明性、吸收特性和光学常数也存在差异，需要建立与材料及膜层结构相匹配的光学模型。

先进封装的膜厚跨度较大，设备既要满足较薄介质膜的检测要求，也可能需要测量较厚的聚合物膜。不能仅凭设备的超薄膜测量能力判断其是否适合厚膜应用，具体范围应以设备的有效测量能力和目标材料验证结果为准。

对于RDL介质膜和钝化层，膜厚及n、k可以作为主要控制参数；对于TSV相关工艺，则可以重点检测绝缘层和阻挡层等薄膜。

先进封装段选型应关注膜厚测量范围、材料模型、厚膜适用性、重复性和自动化程度。

不同工艺段，选型重点并不相同

同一台设备面对不同工艺，评价指标也会发生变化。

超薄介质膜更关注膜厚灵敏度和模型稳定性；光刻胶更关注材料模型和测量速度；刻蚀与CMP更看重前后膜厚差异的重复性；先进封装则需要兼顾不同厚度范围的聚合物膜和介质膜。

不存在脱离材料、膜厚和工艺目标的通用最优配置。 设备的实际适用性需要通过目标样品和工艺条件验证。

全光谱椭偏仪如何选型

实际选型可以从六个方面入手。

①确定膜厚范围

明确目标膜层的最小和最大厚度，判断设备是否覆盖实际工艺窗口。对于极薄膜，需要确认测量灵敏度和模型适用性；对于厚膜，则要验证实际材料的测量能力。

②确定材料类型

SiO₂、SiNₓ、Al₂O₃、HfO₂、GaN、AlGaN、光刻胶和聚合物的光学性质不同，需要确认设备是否具备相应材料模型，以及模型是否经过目标样品验证。

③确定测量参数

如果工艺只需要膜厚，可以采用相对简洁的模型；如果还需要折射率和消光系数，则需要考察光谱范围、参数拟合能力和模型稳定性。

④确定膜层结构

单层膜、双层膜和复杂多层膜对模型的要求不同。膜层数量增加后，厚度与光学常数之间的相关性可能增强，需要通过合理的模型约束和样品验证提高结果可靠性。

⑤确定精度和重复性

标称精度不能直接等同于实际工艺测量能力。更合理的评价方式是使用目标样品，在实际膜厚、材料和测量条件下验证重复性、再现性及测量不确定度，并与工艺窗口比较。

⑥确定测量产能

量产环境需要考察单点测量时间、晶圆多点测量效率、自动上下片、晶圆面内分布测量及数据统计能力。设备的单点性能与整片晶圆的实际检测效率，需要分别评价。

全光谱椭偏仪在半导体制造中的主要定位是薄膜计量。从薄膜沉积到光刻胶、刻蚀后残余膜，再到CMP和先进封装介质层，它可以围绕膜厚、折射率、消光系数及晶圆面内均匀性开展检测。

设备选型不宜只比较一个膜厚精度数字。目标膜层、所需参数、工艺窗口和每日晶圆检测量确定后，再比较光谱范围、膜厚灵敏度、模型能力、重复性和测量产能，才能判断设备是否适合。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析半导体领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

n 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

n 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

n 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。

n 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器（Flexfilm）全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

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