CN101319886A - 硅衬底薄膜膜厚的测量方法 - Google Patents

硅衬底薄膜膜厚的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅衬底薄膜膜厚的测量方法，涉及薄膜测量技术，为解决当前非透明薄膜测试所需探头较多、导致测量成本较高而提出，所采用的技术方案是：A.选取至少两种厚度的薄膜并分别沉积于硅衬底上，标定出所述至少两种厚度薄膜的尺寸；B.对所述至少两种厚度的薄膜进行射线激发，利用硅探头分别检测被激发的硅电子特征信号的强度值；C.利用所标定的薄膜尺寸及所检测的硅电子特征信号强度值建立薄膜厚度与硅电子特征信号强度之间的函数关系；D.对待测量的硅衬底薄膜进行射线激发，利用硅探头检测被激发的硅电子特征信号的强度值，根据步骤C所建立的函数关系确定所述待测量硅衬底薄膜的厚度。本发明降低了测量成本且实现简单。

Description

硅衬底薄膜膜厚的测量方法
技术领域
本发明涉及薄膜测量技术，尤其涉及一种利用硅探头进行硅衬底薄膜膜厚的测量方法。
背景技术
微电子技术是当今高新技术领域中最为重要的领域之一，而支持微电子技术发展的重要材料之一就是薄膜材料。薄膜是人工制作的厚度在1微米(10-6米)以下的固体膜，一般都是被制备在一个衬底如玻璃、半导体硅等上，薄膜厚度(膜厚)是薄膜材料的一个最为基本、最为重要的物理量，它在很大程度上决定着薄膜材料的物理特性，如电学性质、光学性质、磁学性质、力学性质、铁电性质等，因此，膜厚的测量在薄膜材料的科研开发和生产中占有非常重要的地位。
目前，测量各种薄膜膜厚的方法有很多种，对于透明薄膜，一般采用光学方法测量其膜厚，通过在薄膜上垂直照射可视光，光的一部分在膜的表面反射，另一部分透进薄膜，在膜与衬底之间的界面反射。薄膜表面反射的光和薄膜底部反射的光产生干涉现象，利用干涉现象实现对薄膜厚度的测量。对于非透明薄膜，一般是利用射线对薄膜进行激发，薄膜中电子受激后进行跃迁，利用各种薄膜的专用探头来测量电子跃迁所释放的特征信号的强度，不同的元素释放的电子特征信号强度不同，通过测量电子特征信号的强度值来确定薄膜厚度，其原理是，由于射线可穿透整个薄膜的膜层，因此，薄膜越厚，经射线激发所释放的电子特征信号强度就越强，在射线可穿透整个薄膜的膜层情况下，电子特征信号的强度值与薄膜厚度成线性关系。各薄膜专用探头即是利用这一原理进行薄膜厚度测量的。一般来说，薄膜专用探头测量的是含有某一元素的薄膜的厚度，例如，硅薄膜的膜厚测量就得选用硅探头，同样地，含钛、铝、钨等的薄膜需要分别选用钛探头、铝探头及钨探头进行测量。由于薄膜种类较多，因此所需的专用探头种类也比较多，而每种探头的价格均比较昂贵，专用探头测量的专用性使得专用探头的使用效率较低，但又必须配备，这导致了薄膜测量部门的投入成本及维护成本比较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅衬底薄膜膜厚的测量方法，利用硅探头即可实现对多种硅衬底薄膜的膜厚进行测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种硅衬底薄膜膜厚的测量方法，包括以下步骤：
A、选取至少两种厚度的薄膜并分别沉积于硅衬底上，标定出所述至少两种厚度薄膜的尺寸；
B、对所述至少两种厚度的薄膜进行射线激发，利用硅探头分别检测被激发的硅电子特征信号的强度值；
C、利用所标定的薄膜尺寸及所检测的硅电子特征信号强度值建立薄膜厚度与硅电子特征信号强度之间的函数关系；
D、对待测量的硅衬底薄膜进行射线激发，利用硅探头检测被激发的硅电子特征信号的强度值，根据步骤C所建立的函数关系确定所述待测量硅衬底薄膜的厚度。
优选地，步骤B和步骤D中的射线强度相等，所述射线强度能穿透薄膜但不能穿透硅衬底。
优选地，所述射线为X射线，由X射线管发射。
优选地，所述薄膜标定由专用薄膜标定设备标定或通过专用薄膜探头测量薄膜的厚度。
优选地，步骤B中所述函数为线性函数。
优选地，所述薄膜为除纯硅薄膜外的任一薄膜。
优选地，所述薄膜包括：钛薄膜、铝薄膜、钨薄膜、氮化钛薄膜、钨硅薄膜、二氧化硅薄膜、氮化铝薄膜、碳化钛薄膜。
本发明根据待测量薄膜的种类，选取该类型薄膜的至少两种厚度进行标定，利用硅探头进行测量，根据所检测的硅特征信号强度值与所标定的薄膜尺寸建立薄膜厚度与硅特征信号强度之间的函数关系。利用硅探头对待测量的硅衬底薄膜进行测量时，测量出待测量硅衬底薄膜的硅特征信号强度值，根据所确定的函数关系即可确定出待测量硅衬底薄膜的厚度。本发明适合于任何硅衬底的单材质薄膜厚度的测量，测量成本低且实现简单。
附图说明
图1为本发明实施例中硅衬底薄膜膜厚的测量方法流程图。
具体实施方式
传统的非透明薄膜厚度测量方法，基本上是基于单元素薄膜理论进行的，如测量钛(Ti)薄膜、氮化钛(TiN)薄膜的膜厚时选用Ti探头进行测量，测量钨硅(WSi)薄膜、钨(W)薄膜的膜厚时选用W探头进行测量，测量铝(Al)薄膜膜厚时选用Al探头进行测量；非透明薄膜厚度测量的基本理论是，X射线激发出的某种元素的特征能谱可被该种元素的专用探头所接收，在薄膜可被X射线穿透的情况下，薄膜越厚，被激发的所述元素的特征能谱即特征信号强度就越强，特征信号强度与薄膜厚度成线性关系，确定这种线性关系后，专用探头根据所测量的特征信号强度即可确定薄膜厚度。一般来讲，薄膜厚度在1微米以下，对薄膜激发的X射线能穿透薄膜而深入到薄膜下的衬底内部，但并不能穿透整个衬底，这样，衬底中硅电子也会被激发而产生跃迁，薄膜对射线有阻档效果，薄膜越厚，衬底中的硅电子释放的特征信号强度就会越低，衬底中被激发的硅电子特征信号强度与薄膜厚度之间也成线性关系。本发明正是基于这一原理，通过测量薄膜下衬底中的硅电子特征信号强度来确定薄膜厚度的。由于衬底多为纯硅衬底，因此，本发明提出一种基于硅探头的硅衬底薄膜厚度测量方法。以下进行详细说明，以更好地理解本发明的技术方案。
图1为本发明实施例中硅衬底薄膜膜厚的测量方法流程图，如图1所示，本发明的硅衬底薄膜膜厚的测量方法包括以下步骤：
步骤101：选取至少两种厚度的薄膜并分别沉积于硅衬底上，标定出所述至少两种厚度薄膜的尺寸。由于衬底中被激发的电子特征信号强度与薄膜厚度之间成线性关系，而确定线性函数至少需要两组二维参数，因此，在对某种薄膜进行测量之前，首先确定出衬底中被激发的硅电子特征信号强度与薄膜厚度之间线性函数关系。步骤101及下述的步骤102是确定所述函数关系的基础步骤。这里，标定可由专门的标定部门利用专用的薄膜标定设备进行标定，或通过该种薄膜的专用探头测量出的薄膜厚度作为标定值。薄膜厚度标定值越精确，本发明的测量结果也越精确。
步骤102：对步骤101中所标定的所述至少两种厚度的薄膜进行射线激发，利用硅探头分别检测被激发的硅电子特征信号的强度值。对标定出厚度的薄膜，利用射线进行激发，并通过硅探头检测出被激发的硅电子特征信号的强度值。这里，射线为X射线，由X射线管发射。
步骤103：利用步骤101中所标定的薄膜尺寸及步骤102中所检测的硅电子特征信号强度值建立薄膜厚度与硅电子特征信号强度之间的函数关系。如果所标定的薄膜仅有两种厚度，则可得到两组二维参数(薄膜尺寸，硅电子特征信号强度值)，由于薄膜厚度与硅电子特征信号强度之间的关系为线性关系，该线性关系即满足线性函数y＝ax+b，其中，x表示受激发硅电子特征信号强度值，y表示硅衬底上的薄膜尺寸。通过两组二维参数即可确定出a和b的值，从而确定出线性函数。当所得到的二维参数多于两组时，可以x、y分别作为二维坐标的两轴，将所得到的二维参数对应的坐标点分别标示于二维坐标上，根据这些坐标点分布标定出最佳曲线作为线性函数y＝ax+b。本领域技术人员应当理解，利用坐标点标定函数曲线为公知常识，这里不再赘述。
步骤104：对待测量的硅衬底薄膜进行射线激发，利用硅探头检测被激发的硅电子特征信号的强度值，根据步骤103中所建立的函数关系确定所述待测量硅衬底薄膜的厚度。步骤103的线性函数确定后，测量出硅衬底薄膜被激发后的硅电子特征信号强度值，通过线性函数y＝ax+b即可确定薄膜厚度。
需要说明的是，步骤102和步骤104中所选用的射线种类和强度是完全相同的，只有这样，上述的线性函数才是恒定的，射线强度能穿透薄膜，但不会穿透衬底。另外，本发明适合于硅衬底上的所有非纯硅的单材质薄膜的测量，如果硅衬底上的薄膜类型有多种或薄膜材质为纯硅薄膜，本发明即不适用。这里，单材质薄膜为非纯硅的任一薄膜，例如钛薄膜、铝薄膜、钨薄膜、钨硅薄膜、二氧化硅(SiO2)薄膜、氮化钛薄膜、氮化铝(AlN)薄膜、碳化钛(TiC)薄膜等。
本领域技术人员应当理解，本发明中所述的硅探头、X射线管可选用现有市售产品的任一款。
本发明利用硅探头即可实现大部分硅衬底单材质薄膜厚度的测量，无需配备其他探头如钛、铝、钨等探头，也可实现对含有此类元素的薄膜进行膜厚测量，大大降低了测量成本，本发明实现简单，适用于非纯硅的任何单材质薄膜膜厚的测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、选取至少两种厚度的薄膜并分别沉积于硅衬底上，标定出所述至少两种厚度薄膜的尺寸；
B、对所述至少两种厚度的薄膜进行射线激发，利用硅探头分别检测被激发的硅电子特征信号的强度值；
C、利用所标定的薄膜尺寸及所检测的硅电子特征信号强度值建立薄膜厚度与硅电子特征信号强度之间的函数关系；
D、对待测量的硅衬底薄膜进行射线激发，利用硅探头检测被激发的硅电子特征信号的强度值，根据步骤C所建立的函数关系确定所述待测量硅衬底薄膜的厚度。
2、根据权利要求1所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，步骤B和步骤D中的射线强度相等，所述射线强度能穿透薄膜但不能穿透硅衬底。
3、根据权利要求1所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，所述射线为X射线，由X射线管发射。
4、根据权利要求1所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，所述薄膜标定由专用薄膜标定设备标定或通过专用薄膜探头测量薄膜的厚度。
5、根据权利要求1所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，步骤B中所述函数为线性函数。
6、根据权利要求1至5中任一项所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，所述薄膜为除纯硅薄膜外的任一薄膜。
7、根据权利要求6所述的硅衬底薄膜膜厚的测量方法，其特征在于，所述薄膜包括：钛薄膜、铝薄膜、钨薄膜、氮化钛薄膜、钨硅薄膜、二氧化硅薄膜、氮化铝薄膜、碳化钛薄膜。
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