(高清版)GBT 40279-2021 硅片表面薄膜厚度的測(cè)試 光學(xué)反射法

ICS77.040硅片表面薄膜厚度的測(cè)試光學(xué)反射法國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T40279—2021本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件由全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC203)與全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料分技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC203/SCGB/T40279—2021硅片表面薄膜厚度的測(cè)試光學(xué)反射法1范圍本文件規(guī)定了采用光學(xué)反射法測(cè)試硅片表面二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜厚度的方法。本文件適用于測(cè)試硅片表面生長(zhǎng)的二氧化硅薄膜和多晶硅薄膜的厚度，也適用于所有光滑的、透明試范圍為15nm～10?nm。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T14264半導(dǎo)體材料術(shù)語(yǔ)3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T14264界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。4方法原理入射光接觸薄膜表面后，穿透薄膜到達(dá)基底，在薄膜的上下界面分別發(fā)生反射和折射，總反射光是這兩部分反射光的疊加。因?yàn)楣獾牟▌?dòng)性，這兩部分反射光的相位可能干涉相長(zhǎng)(強(qiáng)度相加)或干涉相消(強(qiáng)度相減),而相位關(guān)系取決于這兩部分反射的光程差。光程是由薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)、光的波長(zhǎng)、反射率和折射率決定的。當(dāng)薄膜內(nèi)光程等于光波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，兩組反射光相位相同，則干涉相長(zhǎng)，即呈現(xiàn)測(cè)試圖形波峰位波谷位置。通過(guò)光譜儀收集不同波長(zhǎng)下的反射信號(hào)，得到薄膜上下表面的反射干涉光譜曲線。用人工圖解或借助儀器自帶軟件完成曲線擬合并取極值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最終獲得薄膜的厚度。5干擾因素5.2樣品的表面粗糙度也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，在非鏡面樣品表面的直接測(cè)試會(huì)因?yàn)榻缑娌黄教箮?lái)測(cè)試結(jié)果的誤差增大，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，對(duì)樣品表面進(jìn)行鏡面拋光處理可解決上述問(wèn)題，達(dá)到良好的測(cè)長(zhǎng)的二氧化硅薄膜厚度來(lái)完成的。同時(shí)應(yīng)保證樣品表面潔凈，以免影響光程差。5.3樣品表面的薄膜與作為樣品襯底的材料有時(shí)候不能擬合出理想的曲線，需要在兩者之間加一層其12GB/T40279—2021他材料。例如，測(cè)試硅片表面的多晶硅薄膜厚度時(shí)，需要在硅單晶拋光片表面先生長(zhǎng)一層二氧化硅薄膜，在該二氧化硅薄膜表面再生長(zhǎng)多晶硅薄膜。5.4本方法測(cè)試的薄膜如果太薄，達(dá)不到一個(gè)周期的反射率振蕩，則不能產(chǎn)生足夠的信息來(lái)確定薄膜厚度計(jì)算時(shí)的系數(shù)A和B(見(jiàn)第11章),因而影響薄膜厚度計(jì)算的準(zhǔn)確性，這時(shí)需要通過(guò)調(diào)節(jié)入射波長(zhǎng)等條件達(dá)到理想的擬合曲線。用單一的厚度校準(zhǔn)樣品也會(huì)引起測(cè)試的不準(zhǔn)確，甚至錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果，因此對(duì)不同材料、不同的厚度范圍的樣品建議使用不同的校準(zhǔn)樣品。6試驗(yàn)條件6.1測(cè)試宜在GB/T25915.1—2010規(guī)定的6級(jí)或優(yōu)于6級(jí)的潔凈實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，溫度23℃±3℃,相對(duì)濕度30%～50%。6.2測(cè)試臺(tái)不應(yīng)有較強(qiáng)振動(dòng)和電磁場(chǎng)干擾。6.3樣品不應(yīng)受到強(qiáng)光直射。7儀器設(shè)備7.1光學(xué)反射法的測(cè)試設(shè)備一般由光源、光譜儀、光纖、組合鏡頭、樣品臺(tái)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。入射光入射光光源反射光計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)圖1測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖7.2光源：波長(zhǎng)范圍為190nm～1050nm的白光和紫外光光束，通常使用鹵鎢燈和氘燈。7.4光纖和組合鏡頭：用于傳輸和接收發(fā)射光和反射光。7.5樣品臺(tái)：用于承載測(cè)試樣品。7.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：用于控制測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。8樣品8.1二氧化硅薄膜樣品：在硅單晶拋光片表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜獲得的樣品。8.2多晶硅薄膜樣品：在硅單晶拋光片表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜表面生長(zhǎng)多晶硅薄膜獲得的樣品。3GB/T40279—20219校準(zhǔn)9.1空白校準(zhǔn)：將沒(méi)有二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜的潔凈硅單晶拋光片置于樣品臺(tái)上并測(cè)試，進(jìn)行空白校準(zhǔn)。9.2二氧化硅薄膜厚度校準(zhǔn)：使用二氧化硅薄膜厚度校準(zhǔn)樣品(硅單晶拋光片表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜)進(jìn)行校準(zhǔn)，二氧化硅薄膜厚度的測(cè)試偏差應(yīng)不超過(guò)±0.5%,否則重新從9.1開(kāi)始操作。9.3多晶硅薄膜厚度校準(zhǔn)：使用多晶硅薄膜厚度校準(zhǔn)樣品(硅單晶拋光片表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜表面生長(zhǎng)多晶硅薄膜)進(jìn)行校準(zhǔn)，多晶硅薄膜厚度的測(cè)試偏差應(yīng)不超過(guò)±1.5%,否則重新從9.1開(kāi)始操作。10試驗(yàn)步驟10.1將待測(cè)樣品放置于樣品臺(tái)上。10.2根據(jù)測(cè)試樣品類(lèi)型選定好測(cè)試程序。測(cè)試二氧化硅薄膜樣品時(shí)，應(yīng)預(yù)設(shè)二氧化硅薄膜厚度和測(cè)試波長(zhǎng)范圍；測(cè)試多晶硅薄膜樣品時(shí)，應(yīng)預(yù)設(shè)多晶硅薄膜厚度、隔離層二氧化硅薄膜厚度和測(cè)試波長(zhǎng)范圍。10.3按照設(shè)備說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試時(shí)測(cè)試曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線應(yīng)滿(mǎn)足波峰對(duì)波峰，波谷對(duì)波谷的要求。10.4記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)第11章，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)或人工進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到薄膜厚度。11試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理11.1薄膜厚度d按公式(1)計(jì)算：式中：…………d薄膜厚度，單位為納米(nm)。時(shí)對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)，單位為納米(nm);λm——擬合曲線上取極值點(diǎn)m時(shí)對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)，單位為納米(nm)。詳細(xì)的薄膜厚度計(jì)算按附錄A進(jìn)行。11.2測(cè)試不同材料表面薄膜厚度時(shí)，λ和nλ會(huì)有不同的取值。例如，硅片表面二氧化硅薄膜厚度的相應(yīng)參數(shù)取值見(jiàn)表1。表1硅片表面二氧化硅薄膜厚度測(cè)試對(duì)應(yīng)參數(shù)要求波峰(m)波谷波峰(m+1)波長(zhǎng)λ/nm427折射率nx4GB/T40279—202112精密度各取3片薄膜厚度300nm～800nm的二氧化硅薄膜樣品和薄膜厚度800nm～1200nm的多晶硅薄膜樣品在4個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巡回測(cè)試，每個(gè)樣品分別測(cè)試10次。單個(gè)實(shí)驗(yàn)室二氧化硅薄膜厚度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01nm～0.16nm,多晶硅薄膜厚度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01nm～0.48nm。多個(gè)實(shí)驗(yàn)室二氧化硅薄膜厚度測(cè)試的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.24%～0.65%,多晶硅薄膜厚度測(cè)試的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.56%～1.21%。13試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：a)測(cè)試日期；b)操作者；c)測(cè)試設(shè)備及型號(hào)；d)樣品名稱(chēng)及類(lèi)型；e)樣品編號(hào)；f)測(cè)試結(jié)果；g)本文件編號(hào)。5GB/T40279—2021(規(guī)范性)薄膜厚度的計(jì)算A.1根據(jù)菲涅耳(Fresnel)公式，垂直入射時(shí)兩束反射光形成干涉，光譜曲線見(jiàn)公式(A.1):式中：R——薄膜上下界面兩束反射光形成干涉光的反射率；R?—-—薄膜上表面反射光的反射率；nx——薄膜在入射光波長(zhǎng)λ下的光學(xué)折射率；d——薄膜厚度，單位為納米(nm);公式(A.1)表明，對(duì)于確定的光程nd,薄膜上下界面反射形成的干涉光與入射光波長(zhǎng)倒數(shù)1/λ存在生更多的振蕩，較薄的薄膜產(chǎn)生較少的振蕩，并且常常只有一個(gè)振蕩的一部分。在測(cè)試薄膜厚度時(shí)，利用函數(shù)曲線兩個(gè)或兩個(gè)以上的極值點(diǎn)(如m點(diǎn)和),計(jì)算出每個(gè)極值點(diǎn)處的波長(zhǎng)值λ以及相應(yīng)的nx值。圖A.1反射率R與入射光波長(zhǎng)λ的關(guān)系曲線A.2設(shè)置系數(shù)A、B,分別見(jiàn)公式(A.2)、公式(A.3):A=R?+R?…………(A.2) B=2√R?√R?則公式(A.1)簡(jiǎn)化為公式(A.4):6GB/T40279—2021當(dāng)此時(shí)R為最大值，即波峰位置處；,則公式(A.4)等于公式(A.5):R,=A+B………………,則公式(A.4)等于公式(A.6):此時(shí)R為最小值，即波谷位置處。在波谷的關(guān)系見(jiàn)公式(A.8):