《椭偏仪性能测试》团体标准（征求意见稿）

ICSXX.XXX

CCSXXX

团体标准

T/CSTM00XXX-202X

椭偏仪性能测试

PerformanceTestingforEllipsometer

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTM00XXX-202X

前言

本文件参照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规

则起草。

请注意本文件的某些内容有可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）提出。

本文件由中国材料与试验标准化委员会基础与共性技术标准化领域委员会（CSTM/FC00）归口。

II

T/CSTM00XXX-202X

引言

在微电子制造领域，微纳米尺度薄膜厚度作为其核心参数之一，广泛应用于器件中。椭偏仪是测量

微纳米尺度薄膜厚度的主要方法之一，利用光的偏振特性测量薄膜的厚度，具有测量精度高、非接触、

无破坏且不需要真空等优点，广泛应用于半导体、微电子、材料、物理、化学、生物、医药等领域的研

究、开发和制造过程中。膜厚的准确测量，对器件制造的一致性和可靠性起着决定性作用。因此，规范

对椭偏仪进行性能测试，对保证仪器性能可靠和薄膜厚度准确测量的意义重大。本文件的制定，将提供

椭偏仪的性能测试方法，统一椭偏仪的性能测试过程，对科学研究、高新产业产品研发、质量监控具有

指导作用。

III

T/CSTM00XXX-202X

椭偏仪性能测试

1范围

本文件规定了椭偏仪的性能测试项目和方法等。

本文件适用于激光椭偏仪和光谱椭偏仪（以下简称仪器）的性能测试。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本文件。

JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示

GB/T31225-2014椭圆偏振仪测量硅表面上二氧化硅薄层厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3术语和定义

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的术语和定义适用于本文件。

4方法原理

椭偏仪是利用椭圆偏振光在被测样品表面发生反射时的偏振变换，通过菲涅尔公式得到光学参数和

偏振态之间的关系来确定被测样品厚度和折射率。椭偏术的数学模型见公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：

ρ——椭偏函数；

Ψ——偏振角；

∆——两个偏振分量的相位差经薄膜后所发生的变化；

d——薄膜厚度；

n0——空气折射率；

n1——薄膜折射率；

n2——衬底折射率；

φ——入射角度；

λ——入射光波长。

5要求

1

T/CSTM00XXX-202X

5.1外观

仪器上应标有名称、型号、出厂编号、生产厂家等仪器信息；仪器所有连接件应连接良好，各调节

旋钮、按键和开关均能正常工作。

5.2测试条件

环境温度为（20~25）℃，使用温度波动范围不超过±2℃。相对湿度≤60％。

6测试

6.1测试前准备

6.1.1仪器预热

按仪器使用说明启动仪器自检，打开光源，预热和稳定时间按仪器说明书进行。

6.1.2仪器状态调整

仪器状态调整包括光路的准直和色散元件两部分。光路的准直性是光学仪器的最基本要求，如果一

束光从入射到出射都没有偏移，则认为光路准直；色散元件的调整则是基于仪器的组成和测量原理进行

的。不同厂家仪器的调整方法不同，参照仪器说明书进行。仪器调整后是否处于最佳状态，以及测量结

果是否准确，需要标准物质进一步测试来检验。

6.1.3标准物质选择

选择覆盖待测样品厚度范围的3种或3种以上不同厚度的膜厚国家有证标准物质，并尽可能均匀分

布。标准物质编号及量值范围参照但不限于附录A。

6.1.4拟合模型选择

根据所选标准物质，在数据库中选择合适的材料和色散模型，建立拟合模型。

6.2测试项目和测试方法

6.2.1椭偏仪的膜厚测量示值误差

将选取的一种薄膜厚度标准物质置于椭偏仪样品台，调节样品台的X、Y轴位置，使光源入射在样

品中心区域，并调节Z轴位置进行对焦、调平。设定实验条件：

（1）对于激光椭偏仪，实验条件包括光源波长、入射角度等；

说明：入射角度选择范围：70°~80°。

（2）对于光谱椭偏仪，实验条件包括光谱范围、入射角度、步长、积分时间等。

说明：入射角度选择范围：70°~80°；500nm厚度以下的样品，建议步长不大于10nm（或0.05eV）；

500nm及其以上厚度的样品，建议步长不大于5nm（或0.02eV）；积分时间的设置应能保证测量曲线

有足够的信噪比。

按上述方法依次对不同厚度样品进行测试，记录实验条件、保存实验数据。

用6.1.4选择的拟合模型进行建模拟合，通过最小均方差（MSE，χ2）判断拟合结果的优劣，计算

公式见公式（2）。

2

T/CSTM00XXX-202X

（2）

式中，M为测量数据点数目；P为拟合参数数目，ΨMes(λi)、Ψcal(λi)、∆Mes(λi)、∆Cal(λi)分别为第i

个点的测量值、拟合值，σΨ(λi)、∆Ψ(λi)分别ΨMes(λ)、∆Mes(λ)的标准偏差。

一般来说，χ2越小，拟合得越好。当χ2较大时，说明仪器存在问题，或是建立的拟合模型不理想，

需要排查原因。

根据式（3）计算示值误差：

Δt=t-ts（3）

式中：

Δt——示值误差，nm；

t——膜厚测量结果，nm；

ts——膜厚标准物质的认定值，nm。

根据式（4）计算膜厚测量示值相对误差r(Δt)：

t

r(t)100%

ts（4）

取各膜厚示值相对误差绝对值中的最大值作为膜厚测量的示值误差。

如需对示值误差的不确定度进行评定，参见附录B。

6.2.2椭偏仪的膜厚测量重复性

任选一种厚度的标准物质，采用6.2.1所用相同实验条件和拟合模型，重复测量至少5次，根据式

（5）计算标准偏差。

n

2

tit

sti1（5）

n1

式中：

s(t)——测量重复性，nm；

ti——膜厚的单次测量值，nm；

t——膜厚测量平均值，nm；

n——测量次数。

7报告

报告包含但不限于以下信息：

1）委托方信息，包括名称、地址；

2）测试仪器信息，包括生产厂家、型号、编号；

3）测试依据文件的编号；

4）测试日期，及测试人员

5）选用的标准物质及其相关信息；

3

T/CSTM00XXX-202X

6）测试条件，包括光谱范围、入射角度、步长、积分时间（对于光谱椭偏仪）；光源波长、入射

角度（对于激光椭偏仪）；

7）膜厚测量示值误差结果；

8）膜厚测量重复性结果。

测试报告格式参见附录C。

4

T/CSTM00XXX-202X

附录A

（资料性）

薄膜厚度标准物质

表A.1二氧化硅薄膜膜厚标准物质

二氧化硅薄膜膜厚（nm）

编号

标准值不确定度(k=2)

GBW1395712.560.30

GBW1395820.870.36

GBW1395957.550.50

GBW13960106.11.7

表A.2氮化硅薄膜膜厚标准物质

氮化硅薄膜膜厚（nm）

编号

标准值不确定度(k=2)

GBW1396152.670.28

GBW13962104.910.32

GBW13963151.81.0

GBW13964205.01.5

5

T/CSTM00XXX-202X

附录B

（资料性）

椭偏仪膜厚测量示值误差的不确定度评定

B.1测量方法

椭偏仪的膜厚测量示值误差是用薄膜厚度标准物质进行测量的。按要求进行必要的仪器状态调整

后，设定好相关的测量程序和条件，选择符合要求的具有明确材料和厚度的膜厚标准物质，按照6.2.1

中的测量方法测量认定值为ts的膜厚标准物质，仪器的测量示值t与膜厚标准物质的认定值ts进行比较，

计算仪器的示值误差Δt。

B.2数学模型

Δt=t-ts（B.1）

式中：

Δt——示值误差，nm；

t——膜厚测量结果，nm；

ts——膜厚标准物质对应的认定值，nm。

B.3方差和灵敏系数

tt

因，所以灵敏系数：，（）

Δt=t-tscic11c21B.2

tts

令u1、u2分别表示t、ts的标准不确定度，因u1、u2相互独立，则合成标准不确定度uc为：

22

tt22

u2uucucuu2u2（B.3）

ctts112212

tts

B.4标准不确定度分量的计算

椭偏仪测量过程引入的不确定度主要有仪器测量重复性引入的不确定度及标准物质引入的不确定

度。

B.4.1仪器测量重复性引入的不确定度分量u1

仪器测量重复性引入的不确定度分量可以通过至少5次重复测量得到，取算术平均值为测量结果，

则测量重复性引入的不确定度u1根据式（B.4）计算：

st

（）

u1B.4

n

式中：

s(t)——测量重复性，nm；

n——测量次数。

B.4.2膜厚标准物质引入的不确定度分量u2

膜厚标准物质引入的不确定度主要来源于膜厚标准物质的厚度测量结果不确定度，可根据标准物质

6

T/CSTM00XXX-202X

证书给出的扩展不确定度U和包含因子k通过式（B.5）来计算。

U

u（B.5）

2k

B.5合成标准不确定度uc

u1、u2均按近似正态分布，合成标准不确定度uc为近似正态分布。

22（）

ucu1u2B.6

B.6扩展不确定度U

取包含因子k=2，则扩展不确定度为

U=kuc（B.7）

用相对扩展不确定度表示时：

U（）

Urel100%B.8

ts

式中：

ts——膜厚标准物质对应的认定值，nm。

7

T/CSTM00XXX-202X

附录C

（资料性）

测试报告格式示例

表C.1椭偏仪测试报告格式

委托方名称

委托方地址

生产厂家

仪器型号仪器编号

实验室温度℃实验室湿度%RH

测试依据

测试日期测试人员

1.外观

2.测试条件

光谱椭偏仪

光谱范围步长

入射角度积分时间

激光椭偏仪

光源波长入射角度

备注

3.膜厚测量示值误差

标准值测量值示值误差示值相对误差

标准物质名称标准物质编号

（nm）（nm）（nm）（%）

扩展不确定度

（%）k=2

材料色散模型

8

T/CSTM00XXX-202X

4.膜厚测量重复性

重复测量1234567

（nm）

平均值标准偏差

（nm）（nm）

备注

9

T/CSTM00XXX-202X

附录D

（资料性）

起草单位和主要起草人

本文件起草单位：

本文件主要起草人：

10

T/CSTM00XXX-202X

参考文献

[1]GB/T31225-2014椭圆偏振仪测量硅表面上二氧化硅薄层厚度的方法

[2]ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

[3]IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

_________________________________

11

T/CSTM00XXX-202X

目次

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

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

1范围.................................................................................1

2规范性引用文件.......................................................................1

3术语和定义...........................................................................1

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

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

6测试.................................................................................2

7报告.................................................................................3

附录A（资料性）薄膜厚度标准物质........................................................5

附录B（资料性）椭偏仪膜厚测量示值误差的不确定度评定....................................6

附录C（资料性）测试报告格式示例........................................................8

附录D（资料性）起草单位和主要起草人...................................................10

参考文献..............................................................................11

I

T/CSTM00XXX-202X

椭偏仪性能测试

1范围

本文件规定了椭偏仪的性能测试项目和方法等。

本文件适用于激光椭偏仪和光谱椭偏仪（以下简称仪器）的性能测试。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本文件。

JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示

GB/T31225-2014椭圆偏振仪测量硅表面上二氧化硅薄层厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3术语和定义

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的术语和定义适用于本文件。

4方法原理

椭偏仪是利用椭圆偏振光在被测样品表面发生反射时的偏振变换，通过菲涅尔公式得到光学参数和

偏振态之间的关系来确定被测样品厚度和折射率。椭偏术的数学模型见公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：