芯片制造中高精度膜厚测量与校准：基于红外干涉技术的新方法

在先进光学、微电子和材料科学等领域，透明薄膜作为关键工业组件，其亚微米级厚度的快速稳定测量至关重要。芯片制造中，薄膜衬底的厚度直接影响芯片的性能、可靠性及功能实现，而传统红外干涉测量方法受机械振动、环境光干扰及薄膜倾斜等因素限制，测量精度难以满足高精度工业需求。为此，本研究提出一种融合红外干涉与激光校准的薄膜厚度测量新方法，旨在突破传统技术瓶颈，实现更精准、鲁棒的厚度检测。FlexFilm单点膜厚仪凭借其卓越的光学干涉技术，在薄膜厚度测量中展现出高精度、快速检测的优势，为本文研究提供了有力的数据支撑。

整体光路设计:包含红外测厚系统（左）和激光校正系统（右）

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传统测量方法局限

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薄膜基板（如蓝宝石、硅片）是芯片制造的核心部件，其厚度均匀性直接影响器件性能。现有测量技术存在显著局限：

• 扫描电镜（SEM）：精度达纳米级，但破坏样本且无法在线检测；
• 椭偏仪：对厚膜（>500μm）测量失效，多层反射导致相变复杂化；
• 红外干涉法：虽适于工业环境，但受限于两大痛点：

• 环境噪声（振动/杂散光）使原始频谱最大频率提取误差达±1.5μm；
• 薄膜倾角仅1°即可引入0.3μm误差（以500μm膜为例），难以满足高精度产线需求。

红外测厚原理

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厚度测量原理

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方案流程图

• EMD-LSP算法（ELA）

ELA算法流程

基于光的干涉原理，红外干涉测量通过分析薄膜上下表面反射光的干涉光谱计算厚度。理论模型中，干涉光强 I(λ) 与波长 λ 的关系可表示为：其中，n 为薄膜折射率，d 为厚度。为解决传统 FFT 算法在非平稳信号处理中的局限性，本研究提出EMD-LSP 算法（ELA），通过经验模态分解（EMD）过滤原始光谱噪声，再利用 Lomb-Scargle 周期图提取最大频率fj_peak，最终厚度公式为：该算法有效提升了频率提取精度，为厚度计算奠定基础。

• 激光干涉倾角校准系统

厚度校正方案

针对工业生产中薄膜放置倾斜问题，构建基于激光干涉的厚度校正系统。通过斐索干涉光路检测薄膜前表面形状，利用泽尼克多项式拟合波前相位，获取 x 和 y 方向的倾斜分量 βx、βy，并通过几何关系推导校正公式：其中，dm为红外干涉测量值，dr为校正后的实际厚度。该系统实现了对机械振动或操作误差引起的倾斜误差的自适应校正。

• 系统集成设计

双光路架构：红外测量光路：960–1080nm波段获取厚度原始光谱；激光校准光路：632.8nm激光监测薄膜倾角；两通路光谱分离避免干扰，计算机统一控制实现实时反馈。

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工业级精度验证

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测量精度对比实验

蓝宝石基底AFM图像(a)二维；(b,c)三维使用 6 组不同厚度的蓝宝石衬底（82.03μm 至 751.88μm）进行实验，分别采用 FFT、LSP 和 ELA 算法处理原始光谱。不同厚度薄膜的测量结果测厚实验数据分析：(a)平均误差；(b)方差

结果表明，ELA 算法较 LSP 提升测量精度约87.92%，较 FFT 提升约95.6%；测量稳定性较 LSP 和 FFT 分别提升67.96%和93.86%。这得益于 EMD 对环境噪声的有效过滤及 LSP 对非平稳信号的适应性。

• 倾角校正效果

倾斜薄膜厚度校正结果

• 未校准时：倾角3°时751μm膜误差达4.7μm；
• 校正后：误差降至0.07μm（修正率97.87%），证实系统对≤3.75°倾角耐受性。

实验数据证明，该方法在复杂工业环境中具有可靠的抗干扰能力。本研究提出的红外干涉与激光校准融合方法，通过EMD-LSP 算法提升了光谱分析精度，结合激光干涉实现了倾斜误差的自适应校正。实验结果显示，该方法较传统技术测量精度提升约 90%，稳定性提升约 70%，且对倾斜薄膜的测量误差校正效果显著。其高精度、紧凑低成本的系统特性，满足了工业生产中高效快速的测量需求。

FlexFilm单点膜厚仪

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FlexFilm单点膜厚仪是一款专为纳米级薄膜测量设计的国产高精度设备，采用光学干涉技术实现无损检测，测量精度达±0.1nm，1秒内即可完成测试，显著提升产线效率。

高精度测量：光学干涉技术，精度±0.1nm，1秒完成测量，提升产线效率。

智能灵活适配：波长覆盖380-3000nm，内置多算法，一键切换材料模型。

稳定耐用：光强均匀稳定（CV＜1%）年均维护成本降低60%。

便携易用：整机＜3kg，软件一键操作，无需专业培训。

本研究通过算法-光路协同创新借助FlexFilm 单点膜厚仪的先进技术，实现了工业薄膜厚度的“测量-校准”一体化。ELA算法解决了噪声敏感痛点，激光干涉倾角校正攻克了机械振动下的精度退化难题，为国产芯片制造装备的膜厚监测模块提供了新范式。原文出处:《A method for measuring and calibrating the thickness of thin films based on infrared interference technology》

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