IR 如何量測 EPI 膜厚？從原理到三種解析方法完整解讀

作者利泓科技
日期2026-01-08
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在外延層(Epi)製程與品質分析中，EPI膜厚是關鍵的製程與品質指標。紅外反射IR量測因其非破壞、快速、可重複的特性，已逐漸成為EPI膜厚分析的重要工具。然而在實際應用時，即使是同一片Wafer”同一組光譜訊號資料，使用不同解析方法仍可能得到略有差異的膜厚數值。這並非量測本身的錯誤，而是不同解析沿用不同數值處理原理所導致的差異結果。

本文將從物理原理出發，拆解IR如何量測EPI厚度、三種常見解析方法的技術差異與適用情境，並說明如何建立可信的判讀邏輯，以支援製程監控與品質管理需求。

為什麼同一片 Wafer，用 IR 量測會得到不同的 EPI 膜厚？

在EPI製程與研發中，膜厚數值常被視為單一結果。然而在實際使用IR反射量測時，即使是同一片Wafer、同一組光譜資料，仍可能因不同計算方法而得到略有差異的厚度結果。這些差異並非測量錯誤，而是源於：

  • 不同解析方法的數值處理邏輯不同

  • 訊號品質與背景雜訊的影響

  • 多重反射與吸收特徵使干涉訊號更複雜

因此，理解各種方法的物理基礎與適用條件，才是建立可信判斷結果的關鍵。

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IR 量測 EPI 膜厚的物理基礎

當紅外光照射到晶圓外延層時，光在 EPI 表面與 EPI／基底界面會產生反射。這些反射光互相干涉後，會在 IR 光譜中形成週期性的干涉訊號。

由於干涉的 光程差（ΔL）與 EPI 層厚、材料折射率(n)與入射角(θ)緊密關聯，因此透過反射光的干涉頻率，我們可以反推 EPI 層厚資訊。

如上圖，當紅外光從空氣入射至 EPI 層，部分在 EPI 表面反射 (R1)，剩餘穿過 EPI 層，到達 EPI/基底介面再反射 (R2)，兩束反射光路差造成干涉，形成週期性反射／傳輸波紋。

該路差 Δ = 2·n·d·cosθ（n 為EPI折射率，d為層厚，θ 為入射角 → 因此從反射譜中的干涉週期 (波數／波長 ) 可反算 d

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EPI 膜厚的三種 IR 解析方法與適用情境
（FFT / Fit-Freq / Fringe Count）

EPI 膜厚的 IR 解析並不是一種萬用公式，而是依照干涉訊號品質與樣品條件選用不同數值處理方式。以下是三種常見的解析方法：

FFT Method｜從干涉訊號找出主要週期

FFT Method 是以量測所得到的干涉圖（Interferogram）作為分析基礎，透過傅立葉轉換（Fast Fourier Transform, FFT），將原本位於時間域或光程域的干涉訊號，轉換到頻率域或 Cepstrum 圖中進行解析。

由於 EPI 膜層上下界面所造成的多重反射，會在干涉圖中留下具有明顯週期性的干涉訊號，因此在經過 FFT 轉換後，這些週期性成分通常會在頻率域中以峰值的形式呈現。當樣品結構相對單純、干涉條紋清晰時，與 EPI 膜厚對應的主要週期，往往能在頻率分佈中被直接辨識出來。

在實際分析流程中，通常會先取得樣品與參考基板的干涉訊號，並透過適當的訊號處理，使由 EPI 結構所貢獻的週期性成分更加明顯。接著對處理後的干涉訊號進行 FFT 分析，在頻率域或 Cepstrum 圖中觀察主要峰值分佈，其中最顯著的峰值，即可視為由 EPI 膜層所造成的光程差週期。

由 FFT 分析所得到的主要週期 ΔL，便可進一步代入薄膜干涉關係式，將光程差轉換為實際的 EPI 膜厚。由於 FFT Method 能夠快速提供膜厚的初步估算結果，因此在實務上常被作為膜厚分析的第一步判斷工具。

需要注意的是，當樣品背景雜訊較高，或具有多層結構與多重反射來源時，頻率域中可能同時出現多個峰值，這些峰值可能分別對應不同結構所造成的光程差，使厚度判讀的複雜度提高。因此在多層結構或高雜訊條件下，FFT Method 通常會搭配其他解析方法進行交叉驗證，以確保結果的合理性與穩定性。

Fit-Freq Method｜以光譜頻率擬合反推出 EPI 膜厚

Fit-Freq Method 的分析思路，並不再回到干涉圖本身，而是將重點放在反射光譜中可清楚辨識的干涉條紋週期。

在此方法中，干涉圖會先經傅立葉轉換取得反射光譜，接著從光譜中選擇一段干涉條紋清晰且訊號穩定的波段區間。由於反射率的週期性變化可近似視為正弦函數，因此可以利用非線性最小平方擬合的方法，同時對干涉條紋的頻率、相位與振幅進行擬合，使擬合曲線與實際量測到的干涉條紋達到最佳吻合。

透過頻率擬合所得到的干涉週期 Δσ（cm⁻¹），即可進一步換算成對應的光程差，並代入薄膜干涉公式，反推出 EPI 的實際膜厚。由於 Fit-Freq Method 是直接針對光譜中清楚可辨的干涉週期進行分析，因此能有效降低背景雜訊對結果的影響。

在高吸收材料或非理想量測條件下，例如 SiC EPI 樣品，干涉訊號往往較弱且容易受到背景影響。此時，Fit-Freq Method 通常能提供較高的穩定性與再現性，因此在實務應用上，常被用於製程監控與長期品質管理，以確保在條件變動下仍能取得可信的膜厚結果。

Fringe Count Method｜由反射光譜週期直接反推 EPI 膜厚

Fringe Count Method 是三種方法中概念最為直觀的一種，其核心在於直接計算反射光譜中干涉條紋的數量變化，來估算對應的膜厚。

在實際分析時，會先選擇一段干涉條紋清楚且訊號穩定的波段範圍，並假設反射率的週期性變化可近似為正弦行為。當干涉條紋由第 m₁ 條增加到第 m₂ 條時，其條紋數差 N = m₂ − m₁，即對應於該波數區間內的光程差變化。透過已知的折射率、入射角與分析波段範圍，即可將條紋數量轉換為 EPI 膜厚。

由於 Fringe Count Method 不需要進行 FFT 或頻率擬合，整體操作流程相對簡單，因此非常適合作為快速估算膜厚的工具，或是用來對 FFT 與 Fit-Freq Method 的分析結果進行交叉驗證。

然而，在雜訊較高或存在強吸收特徵的光譜中，干涉條紋的判讀可能受到影響，導致條紋數量不易準確辨識。因此在使用 Fringe Count Method 時，需特別留意分析區段的選擇，以避免因條紋模糊而影響結果可靠度。

從單一數值到可信判斷：IR 量測 EPI 膜厚的關鍵思維

IR 量測 EPI 膜厚的核心，不在於單一算法本身，而是在於理解干涉訊號來源與各方法的適用性，進而形成可重複、可靠的判讀邏輯。

以下是實務中常見的判斷思維：

  • FFT Method 能快速從干涉訊號中抓出主要週期，適合用於訊號清晰的初步厚度判斷。
  • Fit-Freq Method 透過頻率擬合提升抗雜訊能力，在高吸收或非理想條件下仍能保持穩定結果。
  • Fringe Count Method 以直覺方式快速估算厚度，常作為其他方法的交叉驗證工具。

透過多種方法互相比較與驗證，可以降低單一算法發生偏誤的風險，使膜厚數據更具可信度，也真正支援製程控制與品質管理的需求。

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