《橢偏儀性能測試》團體標準（征求意見稿）

ICSXX.XXX

CCSXXX

團體標準

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測試

PerformanceTestingforEllipsometer

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTM00XXX-202X

前言

本文件參照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的規(guī)

則起草。

請注意本文件的某些內(nèi)容有可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別這些專利的責任。

本文件由中國材料與試驗標準化委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)標準化領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）提出。

本文件由中國材料與試驗標準化委員會基礎(chǔ)與共性技術(shù)標準化領(lǐng)域委員會（CSTM/FC00）歸口。

II

T/CSTM00XXX-202X

引言

在微電子制造領(lǐng)域，微納米尺度薄膜厚度作為其核心參數(shù)之一，廣泛應用于器件中。橢偏儀是測量

微納米尺度薄膜厚度的主要方法之一，利用光的偏振特性測量薄膜的厚度，具有測量精度高、非接觸、

無破壞且不需要真空等優(yōu)點，廣泛應用于半導體、微電子、材料、物理、化學、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的研

究、開發(fā)和制造過程中。膜厚的準確測量，對器件制造的一致性和可靠性起著決定性作用。因此，規(guī)范

對橢偏儀進行性能測試，對保證儀器性能可靠和薄膜厚度準確測量的意義重大。本文件的制定，將提供

橢偏儀的性能測試方法，統(tǒng)一橢偏儀的性能測試過程，對科學研究、高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量監(jiān)控具有

指導作用。

III

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測試

1范圍

本文件規(guī)定了橢偏儀的性能測試項目和方法等。

本文件適用于激光橢偏儀和光譜橢偏儀（以下簡稱儀器）的性能測試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本文件。

JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示

GB/T31225-2014橢圓偏振儀測量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3術(shù)語和定義

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的術(shù)語和定義適用于本文件。

4方法原理

橢偏儀是利用橢圓偏振光在被測樣品表面發(fā)生反射時的偏振變換，通過菲涅爾公式得到光學參數(shù)和

偏振態(tài)之間的關(guān)系來確定被測樣品厚度和折射率。橢偏術(shù)的數(shù)學模型見公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：

ρ——橢偏函數(shù)；

Ψ——偏振角；

?——兩個偏振分量的相位差經(jīng)薄膜后所發(fā)生的變化；

d——薄膜厚度；

n0——空氣折射率；

n1——薄膜折射率；

n2——襯底折射率；

φ——入射角度；

λ——入射光波長。

5要求

1

T/CSTM00XXX-202X

5.1外觀

儀器上應標有名稱、型號、出廠編號、生產(chǎn)廠家等儀器信息；儀器所有連接件應連接良好，各調(diào)節(jié)

旋鈕、按鍵和開關(guān)均能正常工作。

5.2測試條件

環(huán)境溫度為（20~25）℃，使用溫度波動范圍不超過±2℃。相對濕度≤60％。

6測試

6.1測試前準備

6.1.1儀器預熱

按儀器使用說明啟動儀器自檢，打開光源，預熱和穩(wěn)定時間按儀器說明書進行。

6.1.2儀器狀態(tài)調(diào)整

儀器狀態(tài)調(diào)整包括光路的準直和色散元件兩部分。光路的準直性是光學儀器的最基本要求，如果一

束光從入射到出射都沒有偏移，則認為光路準直；色散元件的調(diào)整則是基于儀器的組成和測量原理進行

的。不同廠家儀器的調(diào)整方法不同，參照儀器說明書進行。儀器調(diào)整后是否處于最佳狀態(tài)，以及測量結(jié)

果是否準確，需要標準物質(zhì)進一步測試來檢驗。

6.1.3標準物質(zhì)選擇

選擇覆蓋待測樣品厚度范圍的3種或3種以上不同厚度的膜厚國家有證標準物質(zhì)，并盡可能均勻分

布。標準物質(zhì)編號及量值范圍參照但不限于附錄A。

6.1.4擬合模型選擇

根據(jù)所選標準物質(zhì)，在數(shù)據(jù)庫中選擇合適的材料和色散模型，建立擬合模型。

6.2測試項目和測試方法

6.2.1橢偏儀的膜厚測量示值誤差

將選取的一種薄膜厚度標準物質(zhì)置于橢偏儀樣品臺，調(diào)節(jié)樣品臺的X、Y軸位置，使光源入射在樣

品中心區(qū)域，并調(diào)節(jié)Z軸位置進行對焦、調(diào)平。設定實驗條件：

（1）對于激光橢偏儀，實驗條件包括光源波長、入射角度等；

說明：入射角度選擇范圍：70°~80°。

（2）對于光譜橢偏儀，實驗條件包括光譜范圍、入射角度、步長、積分時間等。

說明：入射角度選擇范圍：70°~80°；500nm厚度以下的樣品，建議步長不大于10nm（或0.05eV）；

500nm及其以上厚度的樣品，建議步長不大于5nm（或0.02eV）；積分時間的設置應能保證測量曲線

有足夠的信噪比。

按上述方法依次對不同厚度樣品進行測試，記錄實驗條件、保存實驗數(shù)據(jù)。

用6.1.4選擇的擬合模型進行建模擬合，通過最小均方差（MSE，χ2）判斷擬合結(jié)果的優(yōu)劣，計算

公式見公式（2）。

2

T/CSTM00XXX-202X

（2）

式中，M為測量數(shù)據(jù)點數(shù)目；P為擬合參數(shù)數(shù)目，ΨMes(λi)、Ψcal(λi)、?Mes(λi)、?Cal(λi)分別為第i

個點的測量值、擬合值，σΨ(λi)、?Ψ(λi)分別ΨMes(λ)、?Mes(λ)的標準偏差。

一般來說，χ2越小，擬合得越好。當χ2較大時，說明儀器存在問題，或是建立的擬合模型不理想，

需要排查原因。

根據(jù)式（3）計算示值誤差：

Δt=t-ts（3）

式中：

Δt——示值誤差，nm；

t——膜厚測量結(jié)果，nm；

ts——膜厚標準物質(zhì)的認定值，nm。

根據(jù)式（4）計算膜厚測量示值相對誤差r(Δt)：

t

r(t)100%

ts（4）

取各膜厚示值相對誤差絕對值中的最大值作為膜厚測量的示值誤差。

如需對示值誤差的不確定度進行評定，參見附錄B。

6.2.2橢偏儀的膜厚測量重復性

任選一種厚度的標準物質(zhì)，采用6.2.1所用相同實驗條件和擬合模型，重復測量至少5次，根據(jù)式

（5）計算標準偏差。

n

2

tit

sti1（5）

n1

式中：

s(t)——測量重復性，nm；

ti——膜厚的單次測量值，nm；

t——膜厚測量平均值，nm；

n——測量次數(shù)。

7報告

報告包含但不限于以下信息：

1）委托方信息，包括名稱、地址；

2）測試儀器信息，包括生產(chǎn)廠家、型號、編號；

3）測試依據(jù)文件的編號；

4）測試日期，及測試人員

5）選用的標準物質(zhì)及其相關(guān)信息；

3

T/CSTM00XXX-202X

6）測試條件，包括光譜范圍、入射角度、步長、積分時間（對于光譜橢偏儀）；光源波長、入射

角度（對于激光橢偏儀）；

7）膜厚測量示值誤差結(jié)果；

8）膜厚測量重復性結(jié)果。

測試報告格式參見附錄C。

4

T/CSTM00XXX-202X

附錄A

（資料性）

薄膜厚度標準物質(zhì)

表A.1二氧化硅薄膜膜厚標準物質(zhì)

二氧化硅薄膜膜厚（nm）

編號

標準值不確定度(k=2)

GBW1395712.560.30

GBW1395820.870.36

GBW1395957.550.50

GBW13960106.11.7

表A.2氮化硅薄膜膜厚標準物質(zhì)

氮化硅薄膜膜厚（nm）

編號

標準值不確定度(k=2)

GBW1396152.670.28

GBW13962104.910.32

GBW13963151.81.0

GBW13964205.01.5

5

T/CSTM00XXX-202X

附錄B

（資料性）

橢偏儀膜厚測量示值誤差的不確定度評定

B.1測量方法

橢偏儀的膜厚測量示值誤差是用薄膜厚度標準物質(zhì)進行測量的。按要求進行必要的儀器狀態(tài)調(diào)整

后，設定好相關(guān)的測量程序和條件，選擇符合要求的具有明確材料和厚度的膜厚標準物質(zhì)，按照6.2.1

中的測量方法測量認定值為ts的膜厚標準物質(zhì)，儀器的測量示值t與膜厚標準物質(zhì)的認定值ts進行比較，

計算儀器的示值誤差Δt。

B.2數(shù)學模型

Δt=t-ts（B.1）

式中：

Δt——示值誤差，nm；

t——膜厚測量結(jié)果，nm；

ts——膜厚標準物質(zhì)對應的認定值，nm。

B.3方差和靈敏系數(shù)

tt

因，所以靈敏系數(shù)：，（）

Δt=t-tscic11c21B.2

tts

令u1、u2分別表示t、ts的標準不確定度，因u1、u2相互獨立，則合成標準不確定度uc為：

22

tt22

u2uucucuu2u2（B.3）

ctts112212

tts

B.4標準不確定度分量的計算

橢偏儀測量過程引入的不確定度主要有儀器測量重復性引入的不確定度及標準物質(zhì)引入的不確定

度。

B.4.1儀器測量重復性引入的不確定度分量u1

儀器測量重復性引入的不確定度分量可以通過至少5次重復測量得到，取算術(shù)平均值為測量結(jié)果，

則測量重復性引入的不確定度u1根據(jù)式（B.4）計算：

st

（）

u1B.4

n

式中：

s(t)——測量重復性，nm；

n——測量次數(shù)。

B.4.2膜厚標準物質(zhì)引入的不確定度分量u2

膜厚標準物質(zhì)引入的不確定度主要來源于膜厚標準物質(zhì)的厚度測量結(jié)果不確定度，可根據(jù)標準物質(zhì)

6

T/CSTM00XXX-202X

證書給出的擴展不確定度U和包含因子k通過式（B.5）來計算。

U

u（B.5）

2k

B.5合成標準不確定度uc

u1、u2均按近似正態(tài)分布，合成標準不確定度uc為近似正態(tài)分布。

22（）

ucu1u2B.6

B.6擴展不確定度U

取包含因子k=2，則擴展不確定度為

U=kuc（B.7）

用相對擴展不確定度表示時：

U（）

Urel100%B.8

ts

式中：

ts——膜厚標準物質(zhì)對應的認定值，nm。

7

T/CSTM00XXX-202X

附錄C

（資料性）

測試報告格式示例

表C.1橢偏儀測試報告格式

委托方名稱

委托方地址

生產(chǎn)廠家

儀器型號儀器編號

實驗室溫度℃實驗室濕度%RH

測試依據(jù)

測試日期測試人員

1.外觀

2.測試條件

光譜橢偏儀

光譜范圍步長

入射角度積分時間

激光橢偏儀

光源波長入射角度

備注

3.膜厚測量示值誤差

標準值測量值示值誤差示值相對誤差

標準物質(zhì)名稱標準物質(zhì)編號

（nm）（nm）（nm）（%）

擴展不確定度

（%）k=2

材料色散模型

8

T/CSTM00XXX-202X

4.膜厚測量重復性

重復測量1234567

（nm）

平均值標準偏差

（nm）（nm）

備注

9

T/CSTM00XXX-202X

附錄D

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：

本文件主要起草人：

10

T/CSTM00XXX-202X

參考文獻

[1]GB/T31225-2014橢圓偏振儀測量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

[2]ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

[3]IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

_________________________________

11

T/CSTM00XXX-202X

目次

前言..............................................................................II

引言.............................................................................III

1范圍.................................................................................1

2規(guī)范性引用文件.......................................................................1

3術(shù)語和定義...........................................................................1

4方法原理.............................................................................1

5要求.................................................................................1

6測試.................................................................................2

7報告.................................................................................3

附錄A（資料性）薄膜厚度標準物質(zhì)........................................................5

附錄B（資料性）橢偏儀膜厚測量示值誤差的不確定度評定....................................6

附錄C（資料性）測試報告格式示例........................................................8

附錄D（資料性）起草單位和主要起草人...................................................10

參考文獻..............................................................................11

I

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測試

1范圍

本文件規(guī)定了橢偏儀的性能測試項目和方法等。

本文件適用于激光橢偏儀和光譜橢偏儀（以下簡稱儀器）的性能測試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本文件。

JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示

GB/T31225-2014橢圓偏振儀測量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3術(shù)語和定義

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的術(shù)語和定義適用于本文件。

4方法原理

橢偏儀是利用橢圓偏振光在被測樣品表面發(fā)生反射時的偏振變換，通過菲涅爾公式得到光學參數(shù)和

偏振態(tài)之間的關(guān)系來確定被測樣品厚度和折射率。橢偏術(shù)的數(shù)學模型見公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：