仪器仪表学报

作者：刘曌燃，白承沛，王子腾，王子政，胡春光

单位：刘曌燃,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072,,白承沛,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072,,王子腾,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072,,王子政,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072,,胡春光,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072,cghu@tju.edu.cn,

关键词：差分反射光谱;粗糙表面;空间分辨;纳米薄膜;膜厚测量

基金：国家重点研发计划（2022YFF0605501）、天津市科技重大专项与工程（24ZXZSSS00400）、国家自然科学基金（52475566）项目资助

纳米薄膜厚度是决定微纳器件性能的重要参数，尤其在粗糙表面条件下，其空间分辨测量面临光散射干扰和成像不均匀性等挑战。随着微纳制造技术的快速发展，具有复杂结构的纳米薄膜广泛应用于半导体、光电子器件、能源和传感器等领域，对大面积、粗糙表面薄膜厚度高精度测量的需求不断提高。针对传统方法存在扫描面积有限、测量耗时长、信号易受散射干扰及成像不均匀等问题，故提出一种基于差分反射光谱的成像式膜厚测量新方法。首先，通过优化选择测量波长，在保证测量精度的前提下显著提高测量效率；其次，设计了具有共轭成像关系的显微光学系统，确保物像严格对应，并在厘米级区域实现均匀显微成像；然后，采用多帧平均策略，有效抑制系统噪声引入的测量误差，提高测量的信噪比和稳定性；最后，结合有效介质模型和相位变化模型对信号解算进行补偿，进一步提升非线性拟合精度。在此基础上，搭建了相应的实验系统，并分别对光滑SiO2/Si、光滑TiO2/Ti及粗糙TiO2/Ti样品进行了膜厚测量实验。结果表明，该系统能够在约1cm2粗糙表面区域内实现纳米薄膜厚度的高空间分辨率精确测量，验证了所提出方法的有效性及较强的工程适用性。

来源：2025年第9期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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