量测平台的复杂性和光学原理上的局限性制约着测量系统的应用，直到真空紫外光谱反射仪的出现，这种状况才得到改变。
为了控制漏电流,保证先进栅结构等效栅氧化层（EOT）可以持续地等比例缩小，工业界开始应用铪基高介电常数(高k)栅绝缘层介质，而这需要精确的工艺监控和控制。铪基薄膜以及位于高k栅介质和硅衬底之间的界面层（IL）的厚度与组分的细微偏差，都将极大的影响到晶体管最终的电学性能。随着器件按照摩尔定律快速地等比例缩小，如何便捷可靠地监控栅叠层薄膜的物理特性，成为量测技术的关键挑战。
半导体器件制造过程中，光学光谱法主要用于薄膜的测量，已经逐渐成为工艺流程中必不可少的环节。然而，量测平台的复杂性以及光学原理的局限都制约着现代测量系统在先进技术节点上的应用，直到真空紫外光谱反射仪（VUVSR）的出现，这一状况终于得到了改变。的确，常规量测系统无法同时完成高k薄膜和IL的测量。例如光谱型椭圆偏振仪这样的光学系统，由于本身硬件受低波长范围的限制，不能分辨宽带隙薄膜，如位于铪基高k介质和硅衬底之间的二氧化硅界面层。
除了上述这些挑战，高k薄膜淀积后的热处理过程会导致其结构
发生改变，产生的漏电流会降低关键器件（CD）的性能。幸运的是，VUVSR为复杂的先进栅介质叠层提供了一种无损的薄膜测量手段。单一宽带（800nm到120nm）光谱测量可以分辨多层薄膜。由于较短波（特别是波长小于150nm）可以穿透薄膜，这使得VUVSR可以精确测量薄膜叠层内各层的厚度和组分，而现有的紫外光（UV）和X光量测方法都很难做到这一点。
实验
实验所用晶圆样品由Sematech负责制造，样品由厚度各异、组分不同的高k和IL薄膜组成，用来验证VUVSR测量方法可以同时解析介质叠层中每一层薄膜的能力。采用原位水汽生长技术（ISSG）在200mm（100）硅衬底上淀积厚度约为20?的二氧化硅薄膜，接下来通过湿法刻蚀将晶圆靠近边缘半圈的二氧化硅层去除，这样在晶圆半径50~100mm的圆环上形成厚度为10?的二氧化硅层。最后在IL上均匀覆盖(HfO2)x (SiO2)1-x 层（x=1~0.8），薄膜厚度范围控制在15~30?之间（图1）。
额外的样品经过退火工艺，通过逐渐升温(T1-T4)来表征淀积后退火（PDA）对薄膜造成的影响。所有的晶圆都采用Metrosol VUVSR系统进行测量。通过高分辨率透射电子显微镜（TEM）对IL厚度和薄膜晶体质量进行检验，淀积后样品图如图2中左图所示，经过高温退火后的TEM图如图2中右图所示。通过高分辨率TEM可以获得每层薄膜的厚度，同时观察到高k薄膜从退火前的非晶状态转变为退火后的晶体状态。并且，通过Corona-二氧化硅-硅（COS）测量EOT、X射线衍射（XRD）测量晶体质量，来验证VUVSR所获得的测量结果。
应用聚焦
光谱特征的细微变化直接反映了光学特征与被测量薄膜厚度变化之间的相互关系。因此，实际的VUVSR测量依赖于光学模型，减少因强烈的吸收特性与薄膜厚度变化所产生的影响，才能精确测量被测参数。图3展示了VUVSR同时解析不同薄膜的能力。棕色曲线表征了晶圆中心部分高k薄膜下厚度为20?的二氧化硅IL薄膜，黑色曲线所代表的是晶圆外圈部分厚度为10?的二氧化硅IL薄膜。图中展示了铪基高k样品退火后（晶体状态）和退火前（非晶状态）的测量曲线。捕获120~150nm真空紫外线波段的光谱特征，使得VUVSR具有这样的测量能力。不同的薄膜在测量光谱上对应不同位置的吸收峰（消光因子），这样，高k薄膜对于波长135 nm以下的光学特性贡献较大，而二氧化硅IL则对应于120 nm波长（图3）。
VUVSR测量方法可以用于样品退火前后各层厚度以及铪硅化物组分的提取。样品作为多层薄膜进行处理，采用有效介质近似（EMA）模型追踪光学特征的变化，从而获得铪基材料中硅的组分。这个模型使用三个自由变量：高k薄膜厚度、高k EMA含量以及其下IL二氧化硅层厚度。EMA含量与退火前后铪氧化物（HfO2）中硅含量（x=1、0.9和0.8）的名义值有关系。IL采用一套光学特征进行模拟。
图4所示为一样品沿晶圆X轴方向61个位置测量（厚度、组分）的结果，测量过程采用光学特征进行模拟（图3），测量时间仅为几分钟。这些结果表明VUVSR可以同时（且独立）确定栅叠层系统中三个关键的工艺参数。整片晶圆范围内，无论是高k薄膜的组分（x=0.82，二氧化硅含量为18%）还是厚度（约31?）都相对恒定，表明用于高k薄膜淀积的原子层淀积（ALD）工艺具有良好的均匀性和台阶覆盖能力。此外，测量结果还精确地确定了IL厚度在晶圆上的分布曲线，即从晶圆边缘到中心，厚度从10?左右变为20?左右。
更引人注目的是