GB/T40279-2021
硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法
Testmethodforthicknessoffilmsonsiliconwafersurface—Opticalreflectionmethod
- 中国标准分类号（CCS）H21
- 国际标准分类号（ICS）77.040
- 实施日期2022-03-01
- 文件格式PDF
- 文本页数9页
- 文件大小638.14KB
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硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法
国家标准 GB/T40279一2021 硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法 Testethodforthieknessoffilmsonsiliconwafersurftace一 Optiealreleetionmethod 2021-08-20发布 2022-03-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花管理委员会国家标准
GB/40279一2021 前 言 本文件按照GB/T1.1一2020<标准化工作导则第1部分;标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草
本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)与全国半导体设备和材料标准 化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/sC2)共同提出并归口
本文件起草单位;有研半导体材料有限公司.山东有研半导体材料有限公司,浙江金瑞泓科技股份 有限公司、优尼康科技有限公司、中环领先半导体材料有限公司、浙江海纳半导体有限公司、麦斯克电子 材料股份有限公司、翌颖科技(上海)有限公司、开化县检验检测研究院
本文件主要起草人:徐继平、宁永铎,卢立延、孙燕、张海英、由佰玲、潘金平、李扬、胡晓亮、张雪因、 楼春兰、盘健冰
GB/T40279一2021 硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法 范围 本文件规定了采用光学反射法测试硅片表面二氧化硅薄膜,多晶硅薄膜厚度的方法
本文件适用于测试硅片表面生长的二氧化硅薄膜和多晶硅薄膜的厚度,也适用于所有光滑的、透明 或半透明的、低吸收系数的薄膜厚度的测试,如非晶硅、氮化硅,类金刚石镀膜、光刻胶等表面薄膜
测 试范围为15nm10nm 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款
其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件
GB/T14264半导体材料术语 术语和定义 GB/T14264界定的术语和定义适用于本文件
方法原理 人射光接触薄膜表面后,穿透薄膜到达基底,在薄膜的上下界面分别发生反射和折射,总反射光是 这两部分反射光的叠加
因为光的波动性,这两部分反射光的相位可能干涉相长(强度相加)或干涉相 消(强度相减),而相位关系取决于这两部分反射的光程差
光程是由薄膜厚度、光学常数、光的波长、反 射率和折射率决定的
当薄膜内光程等于光波长的整数倍时,两组反射光相位相同,则干涉相长,即呈现测试图形波峰位 置;相反,薄膜内光程是波长整数倍的二分之一时,两组反射光相位相反,则干涉相消,即呈现测试图形 波谷位置
通过光谱仪收集不同波长下的反射信号,得到薄膜上下表面的反射干涉光谱曲线
用人工图解或 借助仪器自带软件完成曲线拟合并取极值点进行计算,最终获得薄膜的厚度
干扰因素 5.1环境中强光、磁场、温度、湿度等波动会影响测试结果
5.2样品的表面粗糙度也会影响测试结果,在非镜面样品表面的直接测试会因为界面不平坦带来测试 结果的误差增大,甚至产生错误的结果,对样品表面进行镜面抛光处理可解决上述问题,达到良好的测 试效果,例如,测试硅腐蚀片表面的二氧化硅薄膜,通常是用硅单晶抛光片作为陪片,测试在抛光面上生 长的二氧化硅薄膜厚度来完成的
同时应保证样品表面洁净,以免影响光程差
5.3样品表面的薄膜与作为样品衬底的材料有时候不能拟合出理想的曲线,需要在两者之间加一层其
GB/T40279一202 他材料
例如,测试硅片表面的多晶硅薄膜厚度时,需要在硅单晶抛光片表面先生长一层二氧化硅薄 膜,在该二氧化硅薄膜表面再生长多晶硅薄膜
5.4本方法测试的薄膜如果太薄,达不到一个周期的反射率振荡,则不能产生足够的信息来确定薄膜 厚度计算时的系数A和B(见第11章),因而影响薄膜厚度计算的准确性,这时需要通过调节人射波长 等条件达到理想的拟合曲线
5.5对于不同材料的薄膜,其折射率、反射率、消光系数都是不同的,同时,对于较宽泛的厚度范围,使 用单一的厚度校准样品也会引起测试的不准确,甚至错误的测试结果,因此对不同材料、不同的厚度范 围的样品建议使用不同的校准样品
6 试验条件 6.1测试宜在GB/T25915.1一2010规定的6级或优于6级的洁净实验室中进行,温度23C士3C 相对湿度30%一50%
6.2测试台不应有较强振动和电磁场干扰
6.3样品不应受到强光直射
仪器设备 7.1光学反射法的测试设备一般由光源、光谱仪、光纤、组合镜头、样品台和计算机控制系统组成,如 图1所示
入射光 光源 光纤 光谱仪 反射光 组合镜头 计算机 样品 控制系统 样品台 测试系统结构示意图 7.2光源;波长范围为190nm~10501 nm的白光和紫外光光束,通常使用卤钨灯和爪灯
7.3光谱仪;用于接收反射光束
7.4光纤和组合镜头:;用于传输和接收发射光和反射光
7.5样品台;用于承载测试样品
7.6计算机控制系统;用于控制测试和数据处理
8 样品 8.1二氧化硅薄膜样品:在硅单晶抛光片表面生长二氧化硅薄膜获得的样品
8.2多晶硅薄膜样品:在硅单晶抛光片表面生长二氧化硅薄膜,然后在二氧化硅薄膜表面生长多晶硅 薄膜获得的样品
GB/40279一2021 校准 g.1空白校准将没有二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜的洁净硅单晶抛光片置于样品台上并测试,进行空白 校准
9.2二氧化硅薄膜厚度校准;使用二氧化硅薄膜厚度校准样品硅单晶抛光片表面生长二氧化硅薄膜 进行校准,二氧化硅薄膜厚度的测试偏差应不超过士0.5%,否则重新从9.1开始操作
9.3多晶硅薄膜厚度校准:使用多晶硅薄膜厚度校准样品硅单晶抛光片表面生长二氧化硅薄膜,然后 在二氧化硅薄膜表面生长多晶硅薄膜)进行校准,多晶硅薄膜厚度的测试偏差应不超过士1.5%,否则重 新从9.1开始操作
10 试验步骤 10.1将待测样品放置于样品台上
根据谢试样品类型选定好测试程序
测试二氧化硅薄膜样品时,应预设二氧化硅薄膜厚度和测 10.2 试波长范围;测试多晶硅薄膜样品时,应预设多晶硅薄膜厚度、隔离层二氧化硅薄膜厚度和测试波长 范围
10.3按照设备说明书进行操作,开始测试
测试时测试曲线和标准曲线应满足波峰对波峰,波谷对波 谷的要求
0.4记录数据,根据第11章,计算机软件系统或人工进行数据处理,计算得到薄膜厚度
试验数据处理 1.1薄膜厚度d按公式(1)计算: n入中 1入 式中: 薄膜厚度,单位为纳米(n nm 薄膜在人射光波长入丽+时的光学折射率
n 朋 拟合曲线上取极值点m十时对应的人射光波长,单位为纳米(nm) 入后+寸 薄膜在人射光被长入
时的光学折射率; n动 拟合曲线上取极值点朋时对应的人射光波长,单位为纳米(nm) 详细的薄膜厚度计算按附录A进行
1.2测试不同材料表面薄膜厚度时,入和川会有不同的取值
例如,硅片表面二氧化硅薄膜厚度的相 应参数取值见表1
表1硅片表面二氧化硅薄膜厚度测试对应参数 要求 项目 波峰(m 波峰(m十1 波谷(m十 波长入/nm 427 587 856 折射率n 1.46748 1.45832 1.45291
GB/T40279一2021 12精密度 各取3片薄膜厚度300nm一800nm的二氧化硅薄膜样品和薄膜厚度800 nm1200nm的多晶 硅薄膜样品在4个实验室进行巡回测试,每个样品分别测试10次
nm0.16nm， 单个实验室二氧化硅薄膜厚度测试的标准偏差为0.01" 多晶硅薄膜厚度测试的标准 偏差为0.01nm~0.481 nm
多个实验室二氧化硅薄膜厚度测试的相对标准偏差为0.24%0.65%,多 晶硅薄膜厚度测试的相对标准偏差为0.56%1.21%
3试验报告 试验报告应至少包括以下内容: 测试日期; a b 操作者 测试设备及型号; c 样品名称及类型; d 样品编号; e 测试结果; f 本文件编号 8
GB/40279一2021 附录 A 规范性 薄膜厚度的计算 A.1根据菲涅耳(Fresnel)公式,垂直人射时两束反射光形成干涉,光谱曲线见公式(A.1): 4Tn;d R=Ri十R十2、R、R.cos A.1 式中: 薄膜上下界面两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; R -薄膜下表面反射光的反射率; 薄膜在人射光波长入下的光学折射率 n 薄膜厚度,单位为纳米(nm) 人射光波长,单位为纳米(nmm).
公式(A.1)表明,对于确定的光程nd,薄膜上下界面反射形成的干涉光与人射光波长倒数1/A存在 余弦关系,如图A.I所示
随人射光波长入的增大,丽数曲线周期变宽,在相同的波长下,较厚的薄膜产 生更多的振荡,较薄的薄膜产生较少的振荡,并且常常只有一个振荡的一部分 在测试薄膜厚度时利用函数曲线两个或两个以上的极值点(如m点和m十点),计算出每个极 值点处的波长值入以及相应的n，值
45 40 35 30 孜 20 15 10 m+1/2 400 500 600 700 900 000 800 被长/nm 图A.1反射率R与入射光波长入的关系曲线 A.2设置系数A,B,分别见公式(A.2),公式A.3) A=R十R A.2 A.3 B=2、RR 则公式(A.1)简化为公式(A.4)
GB/T40279一202 4Tnd R=A十Bcos A.4 4TnAdl 4Tnadd 当 =2开m时，cos =1,则公式(A.4)等于公式(A.5): R
=A十B A.5 此时R为最大值,即波峰位置处; 4Tnadl 4Tnadl 时，cos 当 =2不(m十 =-1,则公式(A.4)等于公式(A.6): R.+
=A一B (A.6 此时R为最小值,即波谷位置处
A.3在波峰m处,,n，与m的关系见公式(A.7): 4Tnd =2rm A.7) 在该谷+一处众
与n十号的关系见公式(a的 xnd A.8 -2x("+戈 入m+ 公式(A.7)和公式(A.8)组方程组,可获得薄膜厚度的计算公式,见公式(A.9): 一- (A.9 根据不同极值点对应的入和n即可计算出青颗厚度山,通过计算机概很可以得到更精准的以值
GB/40279一2021 考文献 参 [1]GB/T25915.1一2010洁净室及相关受控环境第1部分;空气洁净度等级
硅片表面薄膜厚度的测试光学反射法GB/T40279-2021
硅片是半导体材料中重要的工业原料之一。而表面薄膜是硅片加工中必不可少的一环，其厚度对于半导体器件的特性有着至关重要的影响。
在表面薄膜制备过程中，如何精准地测量薄膜的厚度是一个关键问题。传统的测试方法主要有剥离法、扫描探针显微镜法等。然而这些方法都存在各自的局限性，比如剥离法会破坏样品；扫描探针显微镜法受到样品位置、形状的限制。
相对于传统的方法，光学反射法具有无损、无接触、测量范围广等优点。因此，本文将介绍光学反射法GB/T40279-2021在硅片表面薄膜厚度测试中的应用。
首先，我们需要准备一台具有自动化控制的反射光谱仪。接着，通过样品与参考样品的对比来获取反射率曲线。最后，使用拟合算法处理反射率曲线，从而得到样品的薄膜厚度。
需要注意的是，在进行实验前，我们需要按照标准要求对设备进行校准，而且在操作过程中，还需确保样品的表面光洁度等环境条件符合要求，以避免误差的产生。
总之，光学反射法是一种可靠、高效、精准的硅片表面薄膜厚度测试方法，其在半导体器件研究和制备中具有重要意义。
