一種光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法，包括如下步驟：第一步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料；第二步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的薄膜厚度，使得在所述薄膜厚度下得到的橢偏角能夠覆蓋所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀橢偏角的范圍；第三步，制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片；第四步，使用多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)光譜型橢偏儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角的標(biāo)準(zhǔn)值，即為定標(biāo)；第五步，使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的橢偏角進(jìn)行校準(zhǔn)，橢偏角的測(cè)量誤差由所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的橢偏角測(cè)量值與橢偏角的標(biāo)準(zhǔn)值相比較確定。本發(fā)明能根據(jù)需要全面覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角的測(cè)量范圍，校準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠。
【專利說(shuō)明】
一種光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及光譜型橢偏儀技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜型橢偏儀是半導(dǎo)體和微電子領(lǐng)域使用最廣泛的薄膜厚度測(cè)量?jī)x器。
[0003] 光譜型橢偏儀在測(cè)量薄膜厚度時(shí)，得到的直接測(cè)量值為橢偏角，樣片的厚度值是 通過(guò)測(cè)量模型擬合得到的。橢偏儀測(cè)量薄膜厚度的準(zhǔn)確性，是建立在橢偏角準(zhǔn)確測(cè)量基礎(chǔ) 上的，只有保證橢偏角測(cè)量準(zhǔn)確，才能確保薄膜厚度測(cè)量值的準(zhǔn)確。因此，有必要對(duì)光譜型 橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。
[0004] 橢偏儀是利用橢圓偏振術(shù)對(duì)透明薄膜進(jìn)行無(wú)損測(cè)量的一種技術(shù)，該方法是利用偏 振光在薄膜上下表面的反射，通過(guò)菲涅耳公式得到光學(xué)參數(shù)和偏振態(tài)之間的關(guān)系來(lái)確定光 學(xué)薄膜折射率和厚度。該方法因其準(zhǔn)確度高且為非破壞性測(cè)量，是測(cè)量光學(xué)薄膜折射率和 厚度最常用的一種。公式(2)給出了橢圓偏振術(shù)的數(shù)學(xué)模型。
式中，Ψ一偏振角； 4 一兩個(gè)偏振分量的相位差經(jīng)薄膜后所發(fā)生的變化； (6/一薄膜厚度； /? 一空氣折射率； Λ-薄膜折射率； /32-襯底折射率； Φ-入射角度； 入一入射光波長(zhǎng)。
[0006] Ψ和△分別反映了偏振光經(jīng)過(guò)薄膜反射前后強(qiáng)度和相位的變化，統(tǒng)稱為橢偏角。 目前驗(yàn)證橢偏角準(zhǔn)確度的方法是:使用光譜型橢偏儀的入射光直接照射其接收器，由于偏 振光直接經(jīng)過(guò)空氣進(jìn)入接收器，可以認(rèn)為偏振光狀態(tài)并未發(fā)生改變，因此公式(2)右側(cè)的結(jié) 果為1，通過(guò)求解公式(2)得到： Ψ=45〇 Δ=〇° 因此，只需要驗(yàn)證光譜型橢偏儀測(cè)量得到的橢偏角是否與理論值相同即可驗(yàn)證其橢偏 角的測(cè)量準(zhǔn)確度。但是，以上方法只是給出了橢偏角在一個(gè)固定點(diǎn)上結(jié)果的驗(yàn)證，不能保證 橢偏角在全范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果同樣準(zhǔn)確。半導(dǎo)體和微電子領(lǐng)域內(nèi)使用光譜型橢偏儀對(duì)薄膜 厚度測(cè)量時(shí)，其橢偏角的覆蓋范圍為15°<屯<90°，90°<八<270°，因此，有必要給出一種 更為完善的橢偏角校準(zhǔn)方法，以保證光譜型橢偏儀橢偏角測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光譜型橢偏儀橢 偏角的校準(zhǔn)方法，能根據(jù)需要全面覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角的測(cè)量范圍，校準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種光譜型橢偏儀橢偏角的 校準(zhǔn)方法，包括如下步驟： 第一步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料； 第二步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的薄膜厚度，使得在所述薄膜厚度下得到的橢偏角能夠覆 蓋所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀橢偏角的范圍； 第三步，制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片； 第四步，使用多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)光譜型橢偏儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角的標(biāo) 準(zhǔn)值，即為定標(biāo)； 第五步，使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的橢偏角進(jìn)行校準(zhǔn)，橢偏角的 測(cè)量誤差由所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的橢偏角測(cè)量值與橢偏角的標(biāo)準(zhǔn)值相比較確定。
[0009] 優(yōu)選地，第一步中所述膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的襯底材料為硅，薄膜材料為二氧化硅。
[0010] 進(jìn)一步地，第二步中確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的薄膜厚度的方法為:首先，建立硅襯底上 二氧化硅薄膜的單層結(jié)構(gòu)模型；其次，確定每一層介質(zhì)的折射率和消光系數(shù);最后，使用軟 件對(duì)建立的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真算法得到覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角的范圍所對(duì)應(yīng) 的薄膜厚度。
[0011 ] 進(jìn)一步地，通過(guò)仿真得到三個(gè)不同厚度4nm、40nm、50nm的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，分別對(duì)所 需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的橢偏角進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0012] 優(yōu)選地，第三步中使用半導(dǎo)體熱氧化工藝制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片。
[0013] 進(jìn)一步地，在4寸硅晶圓片上使用半導(dǎo)體熱氧化工藝制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，為了保證 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)橢偏儀的準(zhǔn)確性，在研制的膜厚樣片上設(shè)計(jì)特殊圖形，標(biāo)記出膜厚標(biāo)準(zhǔn) 樣片的定標(biāo)位置。
[0014] 優(yōu)選地，第四步中為了確保膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確，分別使用三 臺(tái)光譜型橢偏儀對(duì)膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角進(jìn)行測(cè)量，取三臺(tái)橢偏儀測(cè)量結(jié)果的平均值作為 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角的標(biāo)準(zhǔn)值;定標(biāo)時(shí)將測(cè)量裝置安裝在凈化間中，整個(gè)定標(biāo)過(guò)程在凈 化間中進(jìn)行，避免由環(huán)境中的漂浮顆粒對(duì)定標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生的影響；定標(biāo)前對(duì)膜厚樣片進(jìn)行解 吸附處理，降低空氣分子吸附對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響。
[0015] 優(yōu)選地，第五步中所述橢偏角的測(cè)量誤差采用公式(1)計(jì)算：
式中，E f偏振角的測(cè)量誤差； Ε ψ?一所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的偏振角的測(cè)量值； Υ Ψ?一偏振角的標(biāo)準(zhǔn)值； -相位差變化的測(cè)量誤差； i?&一所需校準(zhǔn)的光譜型橢偏儀的相位差變化的測(cè)量值； 1%·-相位差變化的標(biāo)準(zhǔn)值。
[0016] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明提供一種光譜型橢偏儀橢偏角 的校準(zhǔn)方法，能根據(jù)需要全面覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角的測(cè)量范圍，校準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠，保證光 譜型橢偏儀能夠獲得準(zhǔn)確的橢偏角，進(jìn)而保證得到準(zhǔn)確的薄膜厚度和折射率。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流程不意圖； 圖2是圖1中膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作工藝流程圖； 圖3是圖1中膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的形狀示意圖； 圖4是圖1中光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范 圍不局限于以下所述。
[0019] 如圖1所示，為本發(fā)明一種光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法的一個(gè)實(shí)施例。
[0020] 第一步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料。通常情況下，光譜型橢偏儀被用來(lái)測(cè)量硅上的 二氧化硅薄膜的厚度，因此膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料選擇為:襯底材料為硅，薄膜材料為二氧化 娃。
[0021] 第二步，利用仿真算法確定能夠覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角范圍所需要的薄膜厚 度。如圖1所示，首先，建立硅襯底上二氧化硅薄膜的單層結(jié)構(gòu)模型；其次，確定每一層介質(zhì) 的折射率和消光系數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表1，表1中λ為入射光波長(zhǎng);最后，使用MATLAB軟件對(duì)建立 的結(jié)構(gòu)模型按照公式(2)所示的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真得到:使用三個(gè)不同厚度的膜 厚標(biāo)準(zhǔn)樣片即可覆蓋橢偏角的大部分范圍，具體的薄膜厚度和覆蓋的橢偏角的范圍見(jiàn)表2。

[0022]第三步，使用半導(dǎo)體熱氧化工藝制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片。選擇干氧氣氧化工藝制作膜 厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，具體工藝流程圖如圖2所示。
[0023] 其中清洗工藝過(guò)程為:在足夠的1#清洗液中，于80°090°C煮lOmin~15min，用水沖 洗至中性。在氫氟酸中浸泡2min，用水沖洗至中性。在足夠的2#清洗液中，于80 °〇90 °C煮 lOmin~15min，用水沖洗至中性。清洗后的晶圓片使用經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾的氮?dú)獯蹈杉纯?。清?液配比如下： 1#清洗液為:水:氨水:過(guò)氧化氫=4:1:1 (體積比） 2#清洗液為:水:鹽酸:過(guò)氧化氫=4:1:1 (體積比）
氧化程序如表3所示： 如圖3所示，膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片在4寸硅晶圓片上制作，由于區(qū)域較大，為了保證使用膜厚標(biāo) 準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)橢偏儀結(jié)果的準(zhǔn)確，樣片定標(biāo)時(shí)應(yīng)規(guī)定好定標(biāo)區(qū)域。因此，在研制的膜厚樣片上 設(shè)計(jì)特殊圖形，標(biāo)記出膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的定標(biāo)位置。
[0024] 第四步，選擇使用多臺(tái)橢偏儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的橢偏角。為了確 保膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片橢偏角定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確，分別使用三臺(tái)光譜型橢偏儀對(duì)研制的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣 片的橢偏角進(jìn)行測(cè)量，取三臺(tái)橢偏儀測(cè)量結(jié)果的平均值作為膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片橢偏角的定標(biāo)結(jié) 果。
[0025] 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片定標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題:定標(biāo)環(huán)境潔凈度對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響、空氣 分子吸附對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響。為了降低以上因素的影響，定標(biāo)前需要開(kāi)展以下準(zhǔn)備工作： 首先，將定標(biāo)裝置安裝在凈化間中，整個(gè)定標(biāo)過(guò)程在凈化間中進(jìn)行，避免由環(huán)境中的漂 浮顆粒對(duì)定標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生的影響。
[0026] 其次，定標(biāo)前對(duì)膜厚樣片進(jìn)行解吸附處理，降低空氣分子吸附對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響。
[0027] 第五步，使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)光譜型橢偏儀的橢偏角進(jìn)行校準(zhǔn)，橢偏角的測(cè)量誤 差由光譜型橢偏儀的測(cè)量結(jié)果與膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的標(biāo)準(zhǔn)值相比較確定。如圖4中所示的 標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)，是被校光譜型橢偏儀測(cè)量膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片得到一系列隨波長(zhǎng)變化的橢偏角的數(shù) 據(jù)Xi ;所示" ?"標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)樣片定標(biāo)結(jié)果隨波長(zhǎng)變化的橢偏角的數(shù)據(jù)Yi。橢偏角測(cè) 量誤差采用公式（1)進(jìn)行計(jì)算。
[0028]采用上述技術(shù)方案后，提供一種光譜型橢偏儀橢偏角的校準(zhǔn)方法，能根據(jù)需要全 面覆蓋光譜型橢偏儀橢偏角的測(cè)量范圍，校準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠，保證光譜型橢偏儀能夠獲得準(zhǔn)確 的橢偏角，進(jìn)而保證得到準(zhǔn)確的薄膜厚度和折射率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括如下步驟： 第一步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的材料； 第二步，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的薄膜厚度，使得在所述薄膜厚度下得到的楠偏角能夠覆 蓋所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀楠偏角的范圍； 第Ξ步，制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片； 第四步，使用多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)光譜型楠偏儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的楠偏角的標(biāo) 準(zhǔn)值，即為定標(biāo)； 第五步，使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀的楠偏角進(jìn)行校準(zhǔn)，楠偏角的 測(cè)量誤差由所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀的楠偏角測(cè)量值與楠偏角的標(biāo)準(zhǔn)值相比較確定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，第一步中 所述膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的襯底材料為娃，薄膜材料為二氧化娃。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，第二步中 確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的薄膜厚度的方法為:首先，建立娃襯底上二氧化娃薄膜的單層結(jié)構(gòu)模 型；其次，確定每一層介質(zhì)的折射率和消光系數(shù);最后，使用軟件對(duì)建立的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿 真，通過(guò)仿真算法得到覆蓋光譜型楠偏儀楠偏角的范圍所對(duì)應(yīng)的薄膜厚度。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，通過(guò)仿真 得到Ξ個(gè)不同厚度4nm、40nm、50nm的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，分別對(duì)所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀的楠 偏角進(jìn)行校準(zhǔn)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，第Ξ步中 使用半導(dǎo)體熱氧化工藝制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，在4寸娃 晶圓片上使用半導(dǎo)體熱氧化工藝制作膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，為了保證膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)楠偏儀的 準(zhǔn)確性，在研制的膜厚樣片上設(shè)計(jì)特殊圖形，標(biāo)記出膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的定標(biāo)位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，第四步 中為了確保膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的楠偏角定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確，分別使用Ξ臺(tái)光譜型楠偏儀對(duì)膜厚標(biāo) 準(zhǔn)樣片的楠偏角進(jìn)行測(cè)量，取Ξ臺(tái)楠偏儀測(cè)量結(jié)果的平均值作為膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的楠偏角的 標(biāo)準(zhǔn)值;定標(biāo)時(shí)將測(cè)量裝置安裝在凈化間中，整個(gè)定標(biāo)過(guò)程在凈化間中進(jìn)行，避免由環(huán)境中 的漂浮顆粒對(duì)定標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生的影響；定標(biāo)前對(duì)膜厚樣片進(jìn)行解吸附處理，降低空氣分子吸 附對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜型楠偏儀楠偏角的校準(zhǔn)方法，其特征在于，第五步 中所述楠偏角的測(cè)量誤差采用公式(1)計(jì)算：C1)： 式中，偏振角的測(cè)量誤差； Εκ -所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀的偏振角的測(cè)量值； Υκ-偏振角的標(biāo)準(zhǔn)值； 怎心一相位差變化的測(cè)量誤差； -所需校準(zhǔn)的光譜型楠偏儀的相位差變化的測(cè)量值； ?%'-相位差變化的標(biāo)準(zhǔn)值。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK106091952SQ201610375187
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】李鎖印, 韓志國(guó), 馮亞南, 梁法國(guó), 趙琳, 許曉青, 吳愛(ài)華
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所