分光反射法测量膜厚的原理

一、参数拟合

基于光谱反射法的膜厚测量方法有多种，包括参数拟合法和峰/谷法。我们在这里讨论参数拟合方法。

二、薄膜的干扰

当光束入射到透明薄膜上时，一部分光束在表面反射，但其余部分穿过并击中与下方基材的边界。剩余光束的一部分在那里被反射并返回到薄膜表面。当两束反射光束（一束来自表面，另一束来自边界）相遇时，它们会产生干涉。这就是薄膜干涉。事实上，实际发生的情况要复杂得多。从边界反射的光束的某些部分不穿过表面。它被薄膜表面反射并返回边界。它再次被边界反射，同样的现象会重复很多次。薄膜干涉是由多束光束叠加产生的。

三、绝对反射率

材料的绝对反射率是其表面反射光强度与入射光强度之间的比率。如果材料上没有薄膜且入射光垂直于表面，则绝对反射率由表面的菲涅耳指数决定。然而，如果材料上覆盖有透明薄膜，则绝对反射率由三个参数决定，即薄膜表面的菲涅尔指数、薄膜与基材之间边界的菲涅尔指数以及薄膜厚度。表面的菲涅耳指数由空气和薄膜的光学常数（折射率和消光系数）决定。同样，边界的菲涅耳指数由薄膜和基底的光学常数决定。

四、绝对反射率模拟

使用以下参数计算薄膜干涉的绝对反射率：入射光的波长、薄膜厚度、薄膜的光学常数、基底的光学常数。

下图显示了单层薄膜绝对反射率的模拟示例。在此示例中，计算了具有三个不同厚度值（100nm、200nm 和 300nm）的薄膜的反射光谱。应用相同的光学常数来获得所有三个反射光谱。您可以看到反射光谱随厚度而变化。

五、通过光谱反射法测量膜厚

从光学测量的角度来看，上述模拟中使用的参数考虑如下。

入射光的波长、膜的光学常数和基材的光学常数是已知参数。绝对反射率是可使用反射率标准进行光学测量的参数。

假设您有一张厚度未知的薄膜。您可以通过将实际测量数据与模拟进行拟合来计算厚度。在下面的示例中，薄膜的测量数据与其厚度从 0nm 到 350nm 以 1nm 间隔变化的模拟数据进行拟合。测量数据符合300nm厚度的模拟。当薄膜厚度小于1μm时，参数拟合是一种有效的方法。

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