ISO 23131-22026 椭偏测量 第2部分体材料模型标准立项发展报告

椭偏测量第2部分：体材料模型标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Ellipsometry—Part2:BulkMaterialModel摘要椭偏测量技术作为一种高精度、非破坏性的光学计量方法，在半导体、薄膜光伏、生物传感及先进材料表征等领域具有不可替代的地位。随着纳米制造工艺的不断演进，业界对椭偏测量数据解释的标准化需求日益迫切。本报告围绕国际标准化组织（ISO）于2026年1月30日正式发布的ISO23131-2:2026《椭偏测量第2部分：体材料模型》开展全面分析，系统阐述该标准的立项背景、编制历程、核心技术框架及其行业影响。报告指出，该标准首次在国际层面规范了椭偏测量中体材料光学响应建模的统一框架，明确了介电函数参数化、光学常数数据库结构及模型验证流程，填补了椭偏测量领域在数据解释和模型标准化方面的国际空白。该标准的发布将显著提升跨平台、跨实验室测量数据的一致性和可比性，为高端制造中的膜厚与光学常数精确测量提供权威的技术依据。报告还重点介绍了主导修订工作的国际主要技术单位及其在标准制定中的贡献，并展望了该标准在未来智能光学计量和工业4.0背景下的应用前景与发展方向。关键词：椭偏测量；体材料模型；介电函数；光学常数；国际标准；计量学；数据标准化Keywords:Ellipsometry;BulkMaterialModel;DielectricFunction;OpticalConstants;InternationalStandard;Metrology;DataStandardization1.引言1.1技术背景与标准化需求椭偏测量术（SpectroscopicEllipsometry）通过分析偏振光经样品反射后的偏振态变化，以获取材料的厚度、光学常数（折射率n和消光系数k）及微观结构信息。该技术自20世纪70年代实用化以来，已从实验室研究工具迅速演变为半导体工业在线质量控制的核心手段。尤其是在极紫外光刻（EUVL）、高深宽比沟槽结构监测以及二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）的介电特性研究中，椭偏测量的精度和可靠性直接影响着工艺良率与器件性能。然而，业界长期面临一个不容忽视的瓶颈：不同椭偏仪制造商（如J.A.Woollam、SENTECH、Horiba等）在数据处理流程、体材料光学模型构建方式及介电函数参考数据库方面各成体系，导致同一材料在不同平台上的测量结果存在系统性差异。现行的ISO23131-1标准（椭偏测量第1部分：基本原理）虽对测量原理和仪器性能指标进行了统一规范，但在数据解释层面——即如何从原始椭偏参数（Ψ,Δ）可靠地提取材料光学常数——仍缺乏实质性指导。这种标准缺位已成为制约产业链协同和测量结果互认的技术壁垒。1.2ISO23131系列标准架构ISO23131系列标准由国际标准化组织（ISO）下设的相关技术委员会（TC172/SC9，光学与光子学/光电测量）负责制定。该系列标准旨在构建覆盖椭偏测量全流程的标准化体系：|标准编号|标准名称|状态|核心内容||---------|---------|------|---------||ISO23131-1|椭偏测量第1部分：基本原理|已发布|测量原理、仪器规范、术语定义||ISO23131-2|椭偏测量第2部分：体材料模型|已发布（2026）|体材料光学响应建模、介电函数参数化、数据库结构||ISO23131-3|椭偏测量第3部分：薄膜模型|制定中|多层膜结构建模、界面层与粗糙度处理|本报告所聚焦的第2部分，即ISO23131-2:2026，正是针对数据解释阶段中最为基础的环节——体材料光学模型的构建与验证——提出了一套全球统一的技术要求。1.3标准基本信息-标准编号：ISO23131-2:2026-英文名称：Ellipsometry—Part2:Bulkmaterialmodel-中文名称：椭偏测量第2部分：体材料模型-发布日期：2026年1月30日-发布机构：国际标准化组织（ISO）-ICS分类号：17.020（计量学和测量综合）-标准状态：现行-语言：英语-文件格式：电子版加密PDF（含数字版权保护）2.立项背景与编制历程2.1立项动因：工业界的迫切需求ISO23131-2:2026的立项可追溯至2019年前后。彼时多家国际半导体制造龙头企业（包括台积电、三星电子、Intel等）在其供应链质量管控中多次反馈：同一批次晶圆在不同椭偏仪厂商的设备上测量膜厚和光学常数时，结果偏差超出工艺允许范围（通常为±0.5%以下）。追根溯源后发现：尽管仪器硬件本身经校准后性能达标，但在将椭偏数据反演为材料光学常数的过程中，各厂商采用的体材料模型假设、Kramers-Kronig一致性约束策略及介电函数参数化方法存在显著差异，直接导致最终输出结果不一致。另一方面，学术界亦面临数据复用与交叉验证的困境。美国国家标准与技术研究院（NIST）和德国联邦物理技术研究院（PTB）在联合开展薄膜标准参照物质的比对实验中确认，不同实验室在分析同一样品的椭偏数据时，因采用不同的体材料光学模型，获得的折射率峰值偏差可达0.01–0.03。这一偏差对精密光学镀膜和半导体超薄膜表征已构成不可忽视的干扰。2.2起草过程2019年9月，在ISO/TC172/SC9第32次全体会议上，由中国国家标准化管理委员会（SAC）和德国标准化协会（DIN）联合提交了《椭偏测量体材料模型》新工作项目提案（NWIP）。提案获得多数成员国赞成后，正式成立WG7工作组，由来自中国、德国、美国、日本、韩国、法国等9个国家的17名专家组成起草团队。标准草案历经以下阶段：-WD阶段（工作草案，2020.03–2021.06）：确定标准适用范围与技术框架；-CD阶段（委员会草案，2021.11–2022.08）：完成体材料模型分类体系初稿；-DIS阶段（国际标准草案，2023.02–2024.01）：全球范围内征求意见，收到来自12个成员体的共计96条评论意见；-FDIS阶段（最终国际标准草案，2025.01–2025.09）：技术内容最终定稿；-正式发布（2026年1月30日）。值得关注的是，第2部分的编制过程恰逢机器学习辅助光学建模及散射测量（Scatterometry）技术的快速发展期。起草组在标准中前瞻性地引入了针对数据驱动建模方法的规范接口，使标准具有面向未来的可扩展性和包容性。3.标准核心内容解析ISO23131-2:2026正文共分为9章、4个资料性附录和1个规范性附录，全文约42页。以下对核心技术内容进行结构化阐述。3.1范围与适用边界该标准明确规定其适用范围：适用于基于光谱椭偏测量技术对均匀、各向同性的体材料（块体材料）进行光学常数表征的场景，涵盖从深紫外（DUV，190nm）到远红外（FIR，1000μm）的光谱范围。标准明确排除以下情形：-多层膜结构中的单层膜光学参数提取（由第3部分覆盖）；-各向异性材料（如方解石、液晶聚合物等）的完整张量表征；-原位（in-situ）动态过程中的实时模型切换；-涉及强非线性光学效应的超快椭偏测量。3.2核心术语与模型分类标准在第3章定义了18个关键术语，其中最具创新性的是对“体材料模型”（BulkMaterialModel）的规范化定义：>体材料模型：用于描述电磁辐射在均匀半无限介质中传播与反射行为的光学响应函数集合，以介电函数ε(E)（等效为复折射率Ñ(E)）为核心，并满足因果性、时间平移对称性和空间色散可忽略等物理约束条件。标准将体材料模型划分为三大类型：|模型类型|子类|典型应用||---------|------|---------||物理基模型|Lorentz振子模型、Drude模型、Tauc-Lorentz模型、Cody-Lorentz模型|半导体、金属、非晶薄膜||数值/数学基模型|B-Spline（B样条）模型、逐点拟合模型（Point-by-point）|未知材料、多层膜反演起始点||参考数据库模型|基于权威测量数据的固定/可插值光学常数表|工业在线测量、快速筛查|3.3介电函数参数化与约束条件标准在第6章（规范性要求）中，对体材料模型的建立过程提出了以下关键性技术要求：-Kramers-Kronig一致性验证：任何经数值反演得到的介电函数虚部与实部关系必须满足Kramers-Kronig变换在数值精度内的一致性。标准给出了一套具体的数值验证协议（含频点选取规则和容差判据）；-物理合理性约束：模型参数必须限定在物理合理范围内（如振子能量E₀>0、展宽Γ>0、介电常数实部ε₁在高频段趋近于1等）；-拟合收敛判据：定义了均方根误差（MSE）和加权残差分布偏度系数的容差限，防止过拟合与欠拟合；-光谱覆盖要求：体材料光学常数的表征需至少覆盖目标使用波段两端各扩展一个倍频程，以保证插值与外推的可靠性。3.4光学常数数据库的兼容性格式当前各椭偏仪厂商提供的材料数据库格式各异（如XML、MAT、CSV等自定义格式）。ISO23131-2:2026在第8章提出了通用的光学常数数据交换格式（OCEF,OpticalConstantsExchangeFormat），基于JSONSchema定义，包含以下核心字段：-材料标识信息（名称、化学式、晶相、制备方法）；-波长/能量网格定义（均匀/非均匀网格，线性/对数标度）；-复折射率数据对(n,k)及其测量不确定度；-模型来源信息（测量仪器、拟合模型类型、温度等辅助条件）。这一格式的引入将扫清跨平台数据共享的结构性障碍，为光学常数数据的可溯源性和互操作性奠定标准基石。3.5数据质量评价与验证标准新增了体材料模型结果验证的三级方案：1.内部一致性验证：同一仪器、同一样品、不同测量位置的四次重复测量，光学常数偏差应小于仪器重复性指标；2.交叉验证：同一模型分别用变入射角（VASE）和变波长（SE）两种模式反演，结果应一致；3.独立方法验证：与掠入射X射线反射率（GIXRR）或光谱反射率测量进行交叉比对，偏差应不超过±0.5%（折射率）和±10%（消光系数<0.1的情形）。4.核心技术价值与行业影响4.1填补国际标准空白ISO23131-2:2026是全球首个专门针对椭偏测量数据解释环节——尤其是体材料光学建模——制定的国际标准。此前，椭偏测量的标准制定主要聚焦于仪器校准和基本测量规程（如ASTME1685），而对模型构建这一决定最终结果精度的核心步骤缺乏统一规范。该标准的出台有效弥合了“硬件标准化”与“软件/数据处理标准化”之间的断层。4.2促进测量结果互认依据国际实验室认可合作组织（ILAC）和ISO/IEC17025体系的要求，获得认可的测量实验室须保证其测量结果的可追溯性和可比性。ISO23131-2:2026为椭偏测量实验室统一数据解释流程提供了技术基准，有助于实现：-不同品牌椭偏仪之间的等效测量；-同一材料在不同实验室的光学常数数据一致性提升至±0.3%以内；-标准参照物质（SRM）定值程序的规范化。4.3赋能先进制造与研发在半导体先进节点（≤5nm）的量测环节中，薄膜厚度精确控制在原子层级别，对光学常数的精确性要求空前提高。应用ISO23131-2:2026所规范的体材料模型，将使高κ栅介质、金属栅叠层、低κ互连介质等关键材料的椭偏表征结果更加稳健和可重复。此外，在钙钛矿太阳能电池、锂离子电池电极材料、生物芯片表面功能膜等新兴应用领域，该标准也为科研与产业化之间的数据贯通提供了桥梁。5.主要起草单位介绍ISO23131-2:2026的制定汇集了全球范围内椭偏测量技术领域的顶尖研发机构和标杆企业。其中，作为该标准草案的主要起草和试验验证单位，成立于1993年的德国SENTECH仪器有限公司（SENTECHInstrumentsGmbH）发挥了不可替代的核心技术支撑作用。SENTECHInstrumentsGmbH总部位于德国柏林阿德勒斯霍夫科技园区，是一家专注从事光谱椭偏仪和等离子体刻蚀/沉积设备研发与制造的高科技企业。公司自20世纪90年代初期便开始自主研制光谱椭偏仪，其SEN系列椭偏仪在全球高校、科研院所及半导体Fab中拥有广泛的装机基础。在公司超过200名员工中，研究与工程技术人员占比超过40%，其中多人具有物理学或电子工程博士学位。在本标准的研制过程中，SENTECH主要承担了以下关键任务：1.体材料模型分类体系草案的拟定：SENTECH的技术团队基于其超过二十年在椭偏数据分析软件开发（SpectraRay软件平台）中累积的工程经验，提出了从“物理基模型”到“数值基模型”到“参考数据库模型”的三维分类架构。该架构在WG7讨论中得到了成员国专家的普遍认可，构成标准第5章的主体框架。2.光学常数交换格式（OCEF）的试验验证：SENTECH率先在其SpectraRay/3软件中实现了OCEF格式的导入和导出功能原型，并对标准中规定的数据文件字段、数值精度和元数据结构进行了多轮内部试验。其反馈意见直接促成了OCEF第2版技术规范的修正。3.交叉验证试验的牵头组织：SENTECH协调组织了中国计量科学研究院（NIM）、德国PTB和美国NIST三家国家计量院，对标准中第9章所规定的一套交叉验证流程进行了联合验证试验，试验结果确认了标准所提验证方案的可行性和有效性。此外，中国的中国计量科学研究院（NIM）作为国内椭偏计量领域的权威机构，在标准草案的评审和国内意见征集方面也发挥了重要的协调作用；美国J.A.Woollam公司在振子模型参数化方法方面也提供了重要的技术输入。6.结论与展望6.1标准制定完成的意义ISO23131-2:2026的发布是椭偏测量标准化进程中一座重要的里程碑。作为该系列标准“从仪器到数据”延伸的关键一环，它解决了长期以来困扰学术界和工业界的数据解释标准化问题。该标准以介电函数模型构建与验证为核心线索，将Kramers-Kronig一致性、物理合理性约束和交叉验证等专业物理概念制度化为可操作的国际规范，不仅显著提升了椭偏测量数据的科学可信度，也为标准化检测报告的编制和纳米量值溯源传递体系的完善提供了坚实支撑。6.2未来展望面向未来，ISO23131-2:2026的实施预计将沿着以下路径产生持续而深远的影响：-与人工智能技术的深度融合：机器学习驱动的光谱反演方法正快速发展，标准中规范的模型接口和数据格式为数据驱动建模工具提供了统一的输入/输出协议，有望催生新一代智能椭偏数据分析平台。-推动散射测量与椭偏测量的一体化：随着半导体量测技术向OCD（光学临界尺寸）散射测量方向发展，ISO23131-2所确立的体材料模型规范将作为散射测量正向建模中的关键输入，支撑更为复杂的结构参数反演。-向更高光谱维度扩展：当前标准以常规光谱椭偏为主要适用对象。随着红外光谱椭偏成像、Mueller矩阵椭偏成像等新型技术的产业化进程加速，未来该标准有望增设相应附录或衍生新分册。-促进国际比对与量值互认的常态化：基于标准统一的模型验证流程，国家计量院之间可据此建立常态化的椭偏测量国际比对项目，为全球纳米制造质量管理体系提供更加可靠的光学计量支撑。我们有理由相信，ISO23131-2:2026将成为椭偏测量领域学术研究与产业应用之间重要的桥梁，在推动全球高端制造业质量基础设施建设的进程中，展现出日益重要的标准化价值。参考文献[1]ISO23131-1:2021,Ellipsometry—Part1:Principles[S].Geneva:InternationalOrganizati