CN101182993A - 硅球表面氧化层形貌测量机构 - Google Patents

Abstract

硅球表面氧化层形貌测量机构属于薄膜厚度及折射率测量技术领域，特别涉及应用于单晶硅球表面氧化层厚度及折射率测量技术的一种新的薄膜形貌测量机构，其特征在于采用椭圆偏振测量技术测量硅球表面单点的氧化层信息，采用硅球扫描机构对硅球表面氧化层进行扫描式多点测量，并采用拟合算法对测量数据进行拟合，精确得到硅球表面氧化层的二维形貌信息。它有效解决了现有方法的不足，可对硅球表面氧化层的形貌进行精确描述，从而提高对硅球直径测量结果的修正精度。

Description

硅球表面氧化层形貌测量机构

技术领域

本发明属于薄膜厚度及折射率测量技术领域，特别涉及应用于单晶硅球表面氧化层厚度及折射率测量技术的一种新的薄膜形貌测量机构。

背景技术

千克是国际单位制七个基本量中唯一用实物基准定义的单位，由于实物基准的不稳定性和不可复现性，需要用自然基准取代实物基准。阿伏加德罗常数NA可以精确定义质量基准，是目前国际上比较通用的一种方式，NA一般采用测量标准单晶硅球获得，NA由硅原子摩尔质量，硅球的宏观密度，硅原子晶格常数共同确定，其中硅球密度的测量成为精确确定NA的关键。为了精确测量密度，需要测量由高纯度单晶硅制成的直径约94mm、质量约1kg的近乎理想硅球的直径。硅球直径的精确测量通常利用平面波前激光干涉法，此种方法主要误差来自硅球表面氧化层对干涉测量相位的影响。由于加工工艺影响，硅球表面不可避免覆盖一层透明氧化层薄膜，厚度大约1nm～20nm，成分复杂，并且厚度分布不均。为了得到更高精度的直径测量结果，必须测量出氧化层的厚度，再通过计算补偿直径测量偏差。

目前能够精确测量类似氧化层薄膜厚度的仪器主要有椭圆偏振测量仪(Ellipsometer)，X光谱仪(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)，卢瑟福后向散射式光谱仪(RutherfordBackscattering Spectroscopy)等。国际上测量该氧化层的主要方法是在硅球表面选取有限个特征点进行单点测量，国内尚无相关研究。已有方法的缺点在于单点测量统计平均的不确定度较大，不能对硅球表面氧化层的分布情况进行细致分析，因而不能对硅球直径测量结果进行有效地修正。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的硅球表面氧化层形貌测量机构，有效解决现有方法的不足，可对硅球表面氧化层的形貌进行精确描述，从而提高对硅球直径测量结果的修正精度。

本发明的特征在于，含有：带有光斑会聚组件的椭圆偏振测量仪，待测硅球以及硅球转动扫描部，其中：

带有光斑会聚组件的椭圆偏振测量仪，含有：

入射臂1、接收臂2、精密度盘3、支撑架4，以及第一底座11，其中：

入射臂1在出光端装有光斑会聚组件，输入到入射臂的光束，经起偏、补偿、光斑会聚后，输出一束会聚的入射偏振光；

接收臂2，包含偏振光检测元件和光电探测器，其接收端装有光斑会聚组件，接收经待测硅球表面正上方顶端一点处反射回的光束；

精密度盘3，悬挂入射臂1和接收臂2，能精确定位对称于该精密度盘3的刻度尺中心和待测硅球中心的连线的入射臂1和接收臂2的倾斜角度，能使入射臂1发出的入射偏振光聚焦在所选待测硅球表面正上方顶端一点处；

支撑架4，从精密度盘3的底部支撑悬挂有入射臂1和接收臂2的精密度盘3；

第一底座11，固定在支撑架4的底部，用于支撑所述椭圆偏振测量仪及硅球转动扫描部；

硅球转动扫描部，含有：橡皮吸盘6、第一步进电机7、Y形支架8、第二步进电机9以及第二底座10，其中：

橡皮吸盘6，对称地紧密吸附于待测硅球5水平方向的两侧，各有一个，这两个橡皮吸盘6吸附区域中心点的连线经过待测硅球5的球心；

第一步进电机7，同轴连接橡皮吸盘6，且通过橡皮吸盘6驱动待测硅球5以通过其球心的水平线为轴转动，该第一步进电机7每旋转一周的步进数为N_x，步进角度为360/N_x度；

Y形支架8，支撑待测硅球5及作为其连接部件的橡皮吸盘6和第一步进电机7；

第二步进电机9，同轴驱动Y形支架8以通过待测硅球5球心的竖直线为轴转动，第二步进电机9旋转一周的步进数为N_y，每次步进的角度为360/N_y度，每当第一步进电机7旋转一周，第二步进电机9便旋转一个步进角度，接着，第一步进电机7再旋转一周，如此循环，直到第二步进电机9旋转一周后，所述椭圆偏振测量仪便扫描了待测硅球5的整个表面，测得待测硅球5表面薄膜上每一点的厚度d和折射率n；

第二底座10，通过第二步进电机9与Y形支架8的底部相连接，并放置在第一底座11上。

附图说明

图1：硅球表面氧化层形貌测量机构。

图2：椭圆偏振测量技术原理示意图，含有：光源12，起偏器13，补偿器14，检偏器15，探测器16，环境媒质N₀ 17，薄膜N₁ 18和基底N₂ 19。

图3：多光束干涉原理示意图。

图4：硅球表面氧化层形貌测量机构工作流程示意图。

具体实施方式

本发明的实验机构如图1所示。该机构包括两个部分：椭圆偏振测量仪和硅球旋转扫描部。其中入射臂1，接收臂2，精密度盘3，支撑架4和第一底座11组成椭圆偏振测量仪。橡皮吸盘6，第一步进电机7，Y形支架8，第二步进电机9和第二底座10组成硅球旋转扫描机构。其中，第二底座10固定在第一底座11上。

本发明装置的工作流程如图4所示。其中N_x表示第一步进电机7旋转一周的步进数，则每次步进的角度为360/N_x度；N_y表示第二步进电机9旋转一周的步进数，每次步进的角度为360/N_y度。N_x和N_y的数值均可通过软件来设定。S_x和S_y分别表示第一步进电机7和第二步进电机9当前的累计步进数。N_x，N_y，S_x，S_y的值均为非负整数。

当初始调校完成之后，软件自动将第一步进电机7和第二步进电机9的当前累计步进数置零，椭圆偏振测量仪开始测量；测量完成之后，数据回传给计算机；计算机确认收到数据有效之后，首先判断当前累计步进数S_x是否等于N_x：若是，则表示硅球已沿其经度方向旋转一周，则驱动第二步进电机9转动一个单位角度360/N_y并将累计步进数S_y加1；否则，驱动第一步进电机7转动一个单位角度360/N_x，并将累计步进数S_x加1。然后，计算机通过S_x和S_y的当前值来判断硅球是否按照预设的方案扫描了整个球面：若否，则进行下一次测量；若是，则整个测量过程结束。

在测量完成之后，采用拟合或插值算法对测量数据进行分析处理，即可得到硅球表面氧化层的二维形貌信息。

其中，椭圆偏振测量技术测量膜厚的原理如下。

椭圆偏振测量技术能够用来测量光学薄膜厚度及折射率是基于这样一个原理：当一束偏振光入射到薄膜表面时，反射光或透射光的偏振态相对于入射前将发生变化，且该变化量与薄膜的物理厚度和光学折射率存在函数关系。因此，通过测量出射光束偏振态的变化量可以反推出薄膜的厚度和折射率等信息。由于薄膜很小的厚度变化可以引起较大的光束偏振态变化，因此该技术可以实现对光学薄膜的高精度测量，通常可以达到纳米或亚纳米的测量准确度。

椭圆偏振测量仪是基于椭圆偏振测量技术原理设计的、能够对光学薄膜的厚度和折射率进行精确测量的精密仪器，其基本布局如图2所示。

椭圆偏振测量技术中的基本方程为：

其中，R_P和R_S为出射偏振光中p分量和s分量的复振幅，

表示p分量和s分量的振幅之比，Δ表示两分量的相位差。

利用图2所示的测量系统，对于图3所示的环境媒质-薄膜-基底结构，其对应的折射率分别为n₀，n₁，n₂。利用菲涅尔公式和多光束干涉的原理，可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{r_{01}}^P+{r_{12}}^P{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{{r_{01}}^S+{r_{12}}^S{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}\·\frac{1+{r_{12}}^S\·{r_{01}}^S{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}{1+{r_{12}}^P\·{r_{01}}^P{e}^{-i2\mathrm{\δ}}}...\left(2\right)$

其中： ${r_{\mathrm{mn}}}^P=\frac{n_n\cos {\mathrm{\φ}}_m-n_m\cos {\mathrm{\φ}}_n}{n_n\cos {\mathrm{\φ}}_m+n_m\cos {\mathrm{\φ}}_n}{r_{\mathrm{mn}}}^S=\frac{n_m\cos {\mathrm{\φ}}_m-n_n\cos {\mathrm{\φ}}_n}{n_m\cos {\mathrm{\φ}}_m+n_n\cos {\mathrm{\φ}}_n},$ m＝0，1，n＝1，2。

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{\π}\left(\frac{d}{\mathrm{\λ}}\right)n_1\cos \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\φ}}_2\right)\right).$

以上三式中，上标P，S分别代表光波中电场的p分量和s分量，d为薄膜厚度，λ为入射光波波长，φ₀为环境媒质中入射光的入射角，φ₁，φ₂分别为光在薄膜和基底中的折射角，三者之间遵从Snell定律，即满足n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁＝n₂sinφ₂。

从而又可以得到：

tan和Δ是椭圆偏振测量仪可以探测的量，通过上式可知，如果知道六个未知参数中的若干个，即可求解其余的几个。多数情况是环境媒质、基底的折射率，入射角，光波波长等已知，即可求解薄膜的厚度和折射率信息。

质量是目前七个国际单位制基本单位中唯一一个用实物来复现的单位。它的实物基准是1878年由英国利用铂铱合金制成的千克原器。但是实物基准具有受环境影响大、易损坏、材料易老化和复现准确度不高等缺点。将实物基准和某个恒定的物理常数联系在一起以重新定义七个基本单位是目前国际计量学界公认的有效方法，即建立基本单位的自然基准。目前，能够用来定义质量基准的物理常数有普朗克常数h和阿伏加德罗常数NA两个，对应的实现途径分别为“移动线圈功率天平法”和“单晶硅粒子法”。其中，“单晶硅粒子法”测量NA的不确定度已达到10^-7，并有望在不久的将来达到10^-8，是目前最有可能实现质量基准重新定义的有效途径。

采用“单晶硅粒子法”测NA，需要测量由高纯度单晶硅制成的直径约94mm、质量约1kg的近乎理想硅球的直径。为精确测量直径，需要对硅球表面附着的氧化层的厚度和折射率及其分布情况进行高精度测量。

本专利提出的硅球表面氧化层形貌测量机构如图1所示，其工作流程如图4所示。采用该测量机构，既可以精确测量硅球表面氧化层的单点厚度和折射率，又可以测得硅球表面氧化层分布的形貌信息。从而可提高对硅球直径测量结果的修正精度。

Claims (1)

1.硅球表面氧化层形貌测量机构，其特征在于，含有：带有光斑会聚组件的椭圆偏振测量仪，待测硅球以及硅球转动扫描部，其中：

带有光斑会聚组件的椭圆偏振测量仪，含有：

入射臂(1)、接收臂(2)、精密度盘(3)、支撑架(4)，以及第一底座(11)，其中：

入射臂(1)在出光端装有光斑会聚组件，输入到入射臂的光束，经起偏、补偿、光斑会聚后，输出一束会聚的入射偏振光；

接收臂(2)，包含偏振光检测元件和光电探测器，其接收端装有光斑会聚组件，接收经待测硅球表面正上方顶端一点处反射回的光束；

精密度盘(3)，悬挂入射臂(1)和接收臂(2)，能精确定位对称于该精密度盘(3)的刻度尺中心和待测硅球中心的连线的入射臂(1)和接收臂(2)的倾斜角度，能使入射臂(1)发出的入射偏振光聚焦在所选待测硅球表面正上方顶端一点处；

支撑架(4)，从精密度盘(3)的底部支撑悬挂有入射臂(1)和接收臂(2)的精密度盘(3)；

第一底座(11)，固定在支撑架(4)的底部，用于支撑所述椭圆偏振测量仪及硅球转动扫描部；

硅球转动扫描部，含有：橡皮吸盘(6)、第一步进电机(7)、Y形支架(8)、第二步进电机(9)以及第二底座(10)，其中：

橡皮吸盘(6)，对称地紧密吸附于待测硅球(5)水平方向的两侧，各有一个，这两个橡皮吸盘(6)吸附区域中心点的连线经过待测硅球(5)的球心；

第一步进电机(7)，同轴连接橡皮吸盘(6)，且通过橡皮吸盘(6)驱动待测硅球(5)以通过其球心的水平线为轴转动，该第一步进电机(7)每旋转一周的步进数为N_x，步进角度为360/N_x度；

Y形支架(8)，支撑待测硅球(5)及作为其连接部件的橡皮吸盘(6)和第一步进电机(7)；

第二步进电机(9)，同轴驱动Y形支架(8)以通过待测硅球(5)球心的竖直线为轴转动，第二步进电机(9)旋转一周的步进数为N_y，每次步进的角度为360/N_y度，每当第一步进电机(7)旋转一周，第二步进电机(9)便旋转一个步进角度，接着，第一步进电机(7)再旋转一周，如此循环，直到第二步进电机(9)旋转一周后，所述椭圆偏振测量仪便扫描了待测硅球(5)的整个表面，测得待测硅球(5)表面薄膜上每一点的厚度d和折射率n；

第二底座(10)，通过第二步进电机(9)与Y形支架(8)的底部相连接，并放置在第一底座(11)上。

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