前言：為什麼薄膜厚度量測很重要？
在電子、光學、半導體等領域，薄膜的厚度與光學性質常常直接影響元件性能與可靠性。
若無法正確量測薄膜厚度或光學常數（折射率 nn、消光係數 k），產品可能偏離設計規格、導致效能不良。
本文將比較兩種主流光學量測技術 —— 顯微分光法（reflection spectroscopy / 微型反射干涉法）與 橢圓偏光法（ellipsometry），探討它們的原理、優缺點與適用場景，幫助你選擇最適合的薄膜量測方法。
目錄
- 光學薄膜厚度量測的基本原理
- 顯微分光法（含反射分光法）介紹
- 橢圓偏光法介紹
- 顯微分光 vs 橢圓偏光：比較表與案例分析
- 選擇策略：什麼時候用哪一法？
- 應用示例與注意事項
- 結語與未來展望
1. 光學薄膜厚度量測的基本原理
光學式薄膜厚度量測的優勢在於非接觸、不破壞樣品，還能量測光學參數（n,k）。
目前常見的方法可歸為兩類：
- 反射分光法 / 顯微分光法：利用反射光的干涉現象分析膜厚與折射率
- 橢圓偏光法：分析入射光與反射光之偏振相位差，計算膜厚與光學參數
這兩種方法各有優勢與限制，適合不同應用條件。
2. 顯微分光法（反射分光法 + 顯微鏡結合）
原理簡述
在系統中設計反射架構，收集從薄膜表面及內部介面的反射光（R1、R2），透過光路差干涉演算法，從反射率隨波長變化的曲線中回推膜厚與折射率。
如果在系統中加入微型鏡頭或顯微鏡構造，就稱為顯微分光法。
優點
- 可搭配顯微鏡觀察，量測小區域（spot size 可下探數 µm）
- 可處理透明、半透明、有色薄膜，尤其若光譜儀具多波段能力
- 量測範圍廣（可從 nm 等級到µm）
- 量測速度快，可在對焦後在 1 秒內完成量測
- 對基板不透明或結構複雜樣品更具彈性
限制
- 當膜非常薄時（如 < 10 nm），干涉訊號可能較弱，誤差較大
- 若樣品表面粗糙或光學異方性強，可能干擾干涉模式
- 需有適當校正與參考樣本以提升精度
3. 橢圓偏光法（Ellipsometry）
原理簡述
橢圓偏光法利用偏振光（P、S 偏振分量）入射薄膜，在反射後產生偏振變化。量測入射與反射光之間的相位差與振幅比，可透過模型擬合得到膜厚與 n,k。
優點
- 對於超薄膜（10 nm 以下）具有較高靈敏度
- 可提供更多光學參數（如光學常數）資訊
- 在模型與參數條件足夠正確的情況下，解析更精細
限制
- 分析模型較複雜，參數多，對用戶技術門檻高
- 量測時間較長（因須多角度取偏振光資料）
- 偏振法對某些有色膜、吸收膜、或基板不透光的情況有侷限
- 光斑通常較大，不適合極小結構或局部量測
4. 顯微分光 vs 橢圓偏光 — 技術比較
下表將這兩法在主要參數上的差異做對比：
案例舉例：
- 顯微分光法（如 OPTM 系列）量測範圍可達 1 nm ~ 多十 µm，且具備可對焦 + 快速測量能力。
- 橢圓偏光（如 FE-5000S）可提供更高靈敏度於極薄膜層的分析能力。
5. 選擇策略：什麼時候用哪一法？
下面是根據不同需求，選擇量測方法的建議：
實務上，有些設備可以結合兩種方法的優點，或者在開發、量產階段分別採用不同方式。
6. 應用示例與操作注意事項
應用示例
- 半導體晶圓製程中：使用顯微分光法快速檢測局部膜厚
- 高階光學鍍膜：對極薄高反膜，用橢圓偏光法做參數精算
- 異形 / 微結構樣品：顯微分光法可搭配顯微鏡對應結構位置量測
操作注意事項
- 校正與參考樣本：兩種方法皆需可靠的參考樣品進行校正
- 模型擬合選擇：尤其對橢圓偏光法，模型選擇好壞直接影響準確度
- 樣品表面處理：表面粗糙或異方性會對干涉或偏振造成誤差
- 光斑大小控制：小結構樣品需考慮光斑尺寸與取樣位置
- 背面反射影響：在透明基板時要注意來自背面反射的干擾（某些顯微分光儀有排除背面反射設計）
7. 結語與未來展望
當前薄膜技術日益進步，愈來愈多元與複雜的膜層結構使得厚度與光學參數量測更具挑戰性。未來可能出現以下趨勢：
- 混合量測法整合：結合顯微分光與橢圓偏光優勢的複合系統
- 自動化與 AI 擬合演算法：加速模型擬合流程，降低操作門檻
- 奈米等級高精度量測：對極薄膜（< 1 nm）量測能力持續提升
- 現場／線上應用：在製程中直接量測而不取樣
總之，選對合適的量測方法比單純追求“最精度”更重要。了解樣品特性、量測需求與設備限制，才能在成本與效率間取得平衡。
✅ 結尾推薦-量測能力媲美橢圓偏光儀的OPTM
在實務應用上，若量測需求涵蓋 從奈米級到數十微米的膜厚範圍，又同時希望能 針對微小區域快速定位與量測，顯微分光式量測系統會是較具彈性的選擇。
大塚科技推出的 OPTM 系列顯微反射式薄膜量測儀，結合了：
- 高速量測（對焦後 1 秒內完成）
- μm 等級量測光斑，可對應晶圓局部、MEMS、微結構
- 多波段光源支援透明 / 半透明 / 有色薄膜
- 具備背面反射抑制與多層膜擬合功能
因此，不僅可用於研發階段膜厚確認，也能整合於製程監控或來料檢查流程中，提高一致性與效率。
若你仍在猶豫顯微分光與橢圓偏光哪一種更適合，建議可以實際提供樣品進行測試比對，往往能更快速得出最佳方案。
臺灣大塚科技備有顯微分光OPTM的DEMO機，及專業量測人員。
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