(高清版)GBT 40279-2021 硅片表面薄膜厚度的測試 光學反射法

ICS77.040硅片表面薄膜厚度的測試光學反射法國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會IGB/T40279—2021本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件由全國半導體設備和材料標準化技術委員會(SAC/TC203)與全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會(SAC/TC203/SCGB/T40279—2021硅片表面薄膜厚度的測試光學反射法1范圍本文件規(guī)定了采用光學反射法測試硅片表面二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜厚度的方法。本文件適用于測試硅片表面生長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容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應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半導體材料術語3術語和定義GB/T14264界定的術語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。因為光的波動性，這兩部分反射光的相位可能干涉相長(強度相加)或干涉相消(強度相減),而相位關系取決于這兩部分反射的光程差。光程是由薄膜厚度、光學常數、光的波長、反射率和折射率決定的。當薄膜內光程等于光波長的整數倍時，兩組反射光相位相同，則干涉相長，即呈現測試圖形波峰位波谷位置。通過光譜儀收集不同波長下的反射信號，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進行計算，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影響測試結果，在非鏡面樣品表面的直接測試會因為界面不平坦帶來測試結果的誤差增大，甚至產生錯誤的結果，對樣品表面進行鏡面拋光處理可解決上述問題，達到良好的測長的二氧化硅薄膜厚度來完成的。同時應保證樣品表面潔凈，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，測試硅片表面的多晶硅薄膜厚度時，需要在硅單晶拋光片表面先生長一層二氧化硅薄膜，在該二氧化硅薄膜表面再生長多晶硅薄膜。5.4本方法測試的薄膜如果太薄，達不到一個周期的反射率振蕩，則不能產生足夠的信息來確定薄膜厚度計算時的系數A和B(見第11章),因而影響薄膜厚度計算的準確性，這時需要通過調節(jié)入射波長等條件達到理想的擬合曲線。用單一的厚度校準樣品也會引起測試的不準確，甚至錯誤的測試結果，因此對不同材料、不同的厚度范圍的樣品建議使用不同的校準樣品。6試驗條件6.1測試宜在GB/T25915.1—2010規(guī)定的6級或優(yōu)于6級的潔凈實驗室中進行，溫度23℃±3℃,相對濕度30%～50%。6.2測試臺不應有較強振動和電磁場干擾。6.3樣品不應受到強光直射。7儀器設備7.1光學反射法的測試設備一般由光源、光譜儀、光纖、組合鏡頭、樣品臺和計算機控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。入射光入射光光源反射光計算機控制系統(tǒng)圖1測試系統(tǒng)結構示意圖7.2光源：波長范圍為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：用于承載測試樣品。7.6計算機控制系統(tǒng)：用于控制測試和數據處理。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二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜表面生長多晶硅薄膜獲得的樣品。3GB/T40279—20219校準9.1空白校準：將沒有二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜的潔凈硅單晶拋光片置于樣品臺上并測試，進行空白校準。9.2二氧化硅薄膜厚度校準：使用二氧化硅薄膜厚度校準樣品(硅單晶拋光片表面生長二氧化硅薄膜)進行校準，二氧化硅薄膜厚度的測試偏差應不超過±0.5%,否則重新從9.1開始操作。9.3多晶硅薄膜厚度校準：使用多晶硅薄膜厚度校準樣品(硅單晶拋光片表面生長二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜表面生長多晶硅薄膜)進行校準，多晶硅薄膜厚度的測試偏差應不超過±1.5%,否則重新從9.1開始操作。10試驗步驟10.1將待測樣品放置于樣品臺上。10.2根據測試樣品類型選定好測試程序。測試二氧化硅薄膜樣品時，應預設二氧化硅薄膜厚度和測試波長范圍；測試多晶硅薄膜樣品時，應預設多晶硅薄膜厚度、隔離層二氧化硅薄膜厚度和測試波長范圍。10.3按照設備說明書進行操作，開始測試。測試時測試曲線和標準曲線應滿足波峰對波峰，波谷對波谷的要求。10.4記錄數據，根據第11章，計算機軟件系統(tǒng)或人工進行數據處理，計算得到薄膜厚度。11試驗數據處理11.1薄膜厚度d按公式(1)計算：式中：…………d薄膜厚度，單位為納米(nm)。時對應的入射光波長，單位為納米(nm);λm——擬合曲線上取極值點m時對應的入射光波長，單位為納米(nm)。詳細的薄膜厚度計算按附錄A進行。11.2測試不同材料表面薄膜厚度時，λ和nλ會有不同的取值。例如，硅片表面二氧化硅薄膜厚度的相應參數取值見表1。表1硅片表面二氧化硅薄膜厚度測試對應參數要求波峰(m)波谷波峰(m+1)波長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個實驗室進行巡回測試，每個樣品分別測試10次。單個實驗室二氧化硅薄膜厚度測試的標準偏差為0.01nm～0.16nm,多晶硅薄膜厚度測試的標準偏差為0.01nm～0.48nm。多個實驗室二氧化硅薄膜厚度測試的相對標準偏差為0.24%～0.65%,多晶硅薄膜厚度測試的相對標準偏差為0.56%～1.21%。13試驗報告試驗報告應至少包括以下內容：a)測試日期；b)操作者；c)測試設備及型號；d)樣品名稱及類型；e)樣品編號；f)測試結果；g)本文件編號。5GB/T40279—2021(規(guī)范性)薄膜厚度的計算A.1根據菲涅耳(Fresnel)公式，垂直入射時兩束反射光形成干涉，光譜曲線見公式(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λ下的光學折射率；d——薄膜厚度，單位為納米(nm);公式(A.1)表明，對于確定的光程nd,薄膜上下界面反射形成的干涉光與入射光波長倒數1/λ存在生更多的振蕩，較薄的薄膜產生較少的振蕩，并且常常只有一個振蕩的一部分。在測試薄膜厚度時，利用函數曲線兩個或兩個以上的極值點(如m點和),計算出每個極值點處的波長值λ以及相應的nx值。圖A.1反射率R與入射光波長λ的關系曲線A.2設置系數A、B,分別見公式(A.2)、公式(A.3):A=R?+R?…………(A.2) B=2√R?√R?則公式(A.1)簡化為公式(A.4):6GB/T40279—2021當此時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R為最小值，即波谷位置處。在波谷的關系見公式(A.8):