CN101865641B - 一种测量半导体薄膜厚度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量半导体薄膜厚度的方法，用于提高计算薄膜厚度的效率，并且获得较准确的薄膜厚度。所述方法包括：测出待测半导体薄膜的实际反射光谱；确定实际反射光谱中透明区域对应的实际反射曲线段；获得多条仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段，其中多条仿真反射光谱包括与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的反射光谱；将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合；测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。本发明还公开了用于实现所述方法的装置。

Description

一种测量半导体薄膜厚度的方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体和光学领域，特别是涉及测量半导体薄膜厚度的方法及装置。

背景技术

利用分光光度计测量半导体薄膜厚度是一项十分重要并被广泛使用的技术，该技术的基本原理是通过对样品的透射或反射光谱进行拟合，找出与之匹配的折射率、消光系数和薄膜厚度。

现有技术之一是采用人工输入薄膜的折射率n和消光系数k，在此基础上，通过理论拟合计算出薄膜厚度。由于薄膜样品微观结构的复杂性，不同薄膜样品的折射率n和消光系数k并不完全相同，因此人为输入的光学参数与薄膜的实际光学参数往往存在较大的偏差，这将导致分析结果存在较大的偏差。

现有技术之二是设定薄膜折射率n、消光系数k和薄膜厚度d的所有可能值，算出每个(n，k，d)组合的理论反射光谱，并与实测反射光谱进行比较，找出偏差最小的理论反射光谱，该光谱对应的薄膜厚度d即为待测薄膜的厚度。利用该方法测量薄膜厚度时，需要对所有可能的n、k、d组合进行分析，分析过程主要包括以下几个步骤：

步骤1：测量半导体薄膜样品的实际反射或透射光谱。

步骤2：对所有可能的折射率、消光系数和薄膜厚度进行组合，并算出每种组合的理论反射或理论透射光谱。

步骤3：把计算出的理论反射(或透射)光谱与实测的样品反射(或透射)光谱进行比较，找出最为接近的理论光谱，该光谱的厚度即为待测薄膜的厚度。

现有技术之二存在以下缺点：

计算次数多，所需时间长。以a-Si薄膜为例，设薄膜的折射率n、消光系数k和薄膜厚度d的范围及步长分别为：3.000＜n＜5.000，步长0.001；0.000＜k＜3.000，步长0.001，100＜d＜800nm，步长0.1nm。按照现有技术进行分析，需要进行4.2E(10)次周期运算，处理的数据量过大。

发明内容

本发明实施例提供一种测量半导体薄膜厚度的方法及装置，用于提高计算薄膜厚度的效率，并且获得较准确的薄膜厚度。

一种测量半导体薄膜厚度的方法，包括以下步骤：

测出待测半导体薄膜的实际反射光谱；

将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；或者将实际反射光谱中等于衬底反射率的多个点之间的实际反射曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；

获得多条与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段；

将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合；

测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

一种获得薄膜的仿真反射光谱的方法，包括以下步骤：

确定薄膜透明区域的波长范围；

在所述波长范围内，将不同厚度代人反射公式，得到薄膜在不同厚度下的反射光谱。

一种用于测量半导体薄膜厚度的装置，包括：

测量模块，用于测出待测半导体薄膜的实际反射光谱；

透明区域分析模块，用于将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；或者将实际反射光谱中等于衬底反射率的多个点之间的实际反射曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；

仿真模块，用于获得多条与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段；

拟合模块，用于将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合；

比较模块，用于测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

一种用于获得薄膜的仿真反射光谱的装置，包括：

波长确定模块，用于确定薄膜透明区域的波长范围；

测量模块，用于在所述波长范围内，将不同厚度代人反射公式，得到薄膜在不同厚度下的反射光谱。

本发明实施例将实际反射光谱的透明区域与多条仿真反射光谱的透明区域进行拟合，然后测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。这样，本发明实施例减少了反射光谱的吸收区对拟合结果的影响，提高了拟合结果的准确度，进而实现了获得较准确的薄膜厚度。并且由于采用了部分反射光谱进行拟合，而不是对完整的反射光谱的拟合，所以提高了拟合效率，从而提高了获得薄膜厚度的效率。

附图说明

图1为本发明实施例中获得薄膜的反射光谱的方法流程图；

图2为本发明实施例中测量半导体薄膜厚度的主要方法流程图；

图3为本发明实施例中厚度不变时的反射光谱图；

图4为本发明实施例中折射率不同时的反射光谱图；

图5为本发明实施例中单层膜的膜基系统光学过程示意图；

图6为本发明实施例中折射率一定时不同厚度的反射光谱图；

图7为本发明实施例中实际反射光谱的示意图；

图8A为本发明实施例中实际反射光谱与仿真的膜基系统总反射光谱拟合的示意图；

图8B为本发明实施例中测量半导体薄膜厚度的详细方法流程图；

图9为本发明实施例中仿真装置的结构图；

图10为本发明实施例中测量装置的结构图。

具体实施方式

本发明实施例将实际反射光谱的透明区域与多条仿真反射光谱的透明区域进行拟合，然后测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。这样，本发明实施例减少了反射光谱的吸收区对拟合结果的影响，提高了拟合结果的准确度，进而实现了获得较准确的薄膜厚度。并且由于采用了部分反射光谱进行拟合，而不是对完整的反射光谱的拟合，所以提高了拟合效率，从而提高了获得薄膜厚度的效率。

参见图1，本实施例中获得薄膜的仿真反射光谱的方法流程如下：

步骤101：确定薄膜透明区域的波长范围。

步骤102：在所述波长范围内，将不同厚度代人反射公式，得到薄膜在不同厚度下的反射光谱。

以上为仿真过程，得到的是一种材料的半导体薄膜在多个厚度下的仿真反射光谱，还可以得到多种材料的半导体薄膜在多个厚度下的仿真反射光谱。有了该仿真反射光谱，便可以在实际应用中对半导体薄膜的厚度进行测量。

参见图2，本实施例中测量半导体薄膜厚度的主要方法流程如下：

步骤201：测出待测半导体薄膜的实际反射光谱。

步骤202：确定实际反射光谱中透明区域对应的实际反射曲线段。

步骤203：获得多条仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段。其中多条仿真反射光谱包括与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的透明区域的反射光谱。

其中，步骤203也可以在步骤201之前执行，或者与步骤201和202同时进行。

步骤204：将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合。

步骤205：测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

半导体薄膜样品的反射和透射光谱可采用分光光度计进行测量。常用的分光光度计有日本岛津(Shimmadzu)公司的UV-3150、美国珀金埃尔默(PerkinElmer)仪器有限公司的Lambda 750等。

关于透明区域的确定，固态的半导体和绝缘体材料的导带和价带之间存在光学带隙，当入射光子的能量大于材料的光学带隙时，能够使价带电子发生带间跃迁，产生光吸收，此时半导体材料的消光系数k＞0，该波段成为该材料的吸收区。当入射光子的能量小于材料的光学带隙时，不能激发价带电子发生带间跃迁，不产生光吸收，此时半导体材料的消光系数k＝0，该波段称为该材料的透明区。

图3是在玻璃基底(n＝1.5，k＝0)上制备的具有不同消光系数的两种薄膜的理论反射光谱(即仿真反射光谱)。101是空白玻璃基底的理论反射光谱，102是k＝0的透明薄膜的理论反射光谱，103是k＝0.3的吸光薄膜的反射光谱。当薄膜的消光系数为0时，来自薄膜表面和膜基界面的两束反射光发生干涉，形成等幅波动的反射光谱。当薄膜的消光系数不为0时，随着波长变短，薄膜的吸收能力增加，因此来自膜基界面的反射光越来越弱，致使波动幅度逐渐减小。因此，在透明区，反射光谱为等幅波动的曲线，该曲线的极大值由薄膜(和衬底)的折射率决定，极小值由衬底决定(等于衬底的单面反射率)，可据此找出薄膜的透明区，在该区域内，薄膜的消光系数k＝0。

图4是在玻璃基底(n＝1.5，k＝0)上制备的具有不同折射率的透明半导体薄膜(k＝0)的理论反射光谱。线401为n＝2.3，k＝0时的反射光谱；线402为n＝1.9，k＝0时的反射光谱；线403为n＝1.38，k＝0时的反射光谱；线404为n＝1.23，k＝0时的反射光谱；线405为玻璃衬底(或称基底)的反射光谱。从图4可以看出，反射光谱均以玻璃基底的反射光谱为基准，另一极值随薄膜折射率的增大而增大，是薄膜折射率的单调函数。因此，在已知玻璃基底的光学参数时，可根据膜基系统反射光谱的极值(当薄膜的折射率n_f＞衬底(或称基底)的折射率n_s时选极大值，当n_f＜n_s时选极小值)确定薄膜的折射率。其中，当衬底的折射率为n_s时，薄膜的折射率

时上述规律才成立。对玻璃基底来说，几乎所有的固体薄膜都满足该条件。

在已知薄膜的折射率n、消光系数k和衬底光学参数的条件下，设定薄膜厚度d的值，可以算出不考虑基底下表面作用时的膜基系统的理论反射光谱，具体算法参见《现代光学薄膜技术》一书的第28-30页所提供的方法。需要注意的是，该计算结果没有衬底与空气的界面对入射光的反射作用，而光度计测试结果包括了衬底空气界面对入射光的反射作用。

图5是实际测试结果中光能来源的示意图。从图5可以看出，膜基系统共包括三个界面，即薄膜表面、膜基界面及衬底下表面。由于薄膜的厚度和入射光的波长可以进行比较，因此来自薄膜表面和膜基界面的两束反射光发生干涉。由于衬底的厚度远大于光的波长，因此来自衬底下表面的反射光不与来自其它两个界面的反射光发生干涉。令膜基系统的反射率为R、透射率为T(不考虑基底下表面的作用)，玻璃基底的单面反射率为R_s，光从玻璃上表面达到下表面时的吸收率为A_s，则膜基系统的总反射率R_T为：

$R_T=R+\underset{i=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{T}^2{\left[{(1-A_s)}^2{R}_s\right]}^i{R}^{i-1}---\left(1\right)$

其中，R对应图5中的501，是未经过基底下表面作用的直接反射率，i＝1时的结果(即第二项)对应图5中的502，是经过基底下表面的一次反射并穿透玻璃和薄膜的反射光。i＝2时

的结果(即第三项)对应图5中的503，是经过基底下表面的二次反射并穿透玻璃和薄膜的反射光。依次类推，有第四、五、...等项的意义与此相同。A表示薄膜内的光路过程，T_s表示基底到空气的折射光。其中，R、T可依据《现代光学薄膜技术》一书中介绍的方法算出，Rs可依据菲涅尔(Fresnel)公式算出：

R_s＝(n-1-ik)(n-1-ik)^*/[(n-1-ik)(n-1-ik)^*]  (2)

As可依据吸收吸收与光程的关系算出：

A_s＝1-exp(-4πk_sd_s)                        (3)

其中，k_s和d_s分别为衬底的消光系数和厚度。

公式(1)中的级数部分为收敛级数，当i＝2时，膜基系统的反射光503的强度已经衰减到0.01％的量级，小于光度计的检测精度，因此，通常统计到第四项即可。

图6是具有相同折射率(n＝1.9)和消光系数(k＝0)的不同厚度(d分别为170nm、190nm、210nm)的半导体薄膜的理论反射光谱。601为厚度是170nm时的理论反射光谱，602为厚度是190nm时的理论反射光谱，603为厚度是210nm时的理论反射光谱。从图6可以看出，各样品的波形完全一致，位置由薄膜厚度决定(实际上，反射率的极小值等于玻璃基底的单面反射率，极大值取决于薄膜的折射率n，峰位由n和d共同决定。本例中三个样品的n和k完全相同，因而位置变化体现在d的变化上)。因此，在已知薄膜的折射率n、消光系数k和衬底光学参数的条件下，把不同厚度d对应的理论反射光谱与实测光谱相比较，当二者重合时，理论反射光谱的厚度即为待测薄膜的厚度。该过程可由程序控制执行，计算时先设定待测薄膜的厚度范围及采样间隔，然后算出该范围内每个厚度对应的理论反射光谱，再算出每个理论反射光谱与实测光谱之间的偏差，并保留偏差最小的理论反射光谱及相关参数。理论反射光谱与实测反射光谱之间的偏差可以用绝对偏差的平均值来表示：

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}|R_{\mathrm{theory}}-R_{\mathrm{experiment}}|---\left(4\right)$

式(4)中，m为测试的波长点数，R_theory和R_experiment分别为理论反射光谱和实际反射光谱上任意波长点的反射率。

本实施例中实际反射光谱参见图7所示，在λ＝1310nm时，膜基系统的反射光谱701与空白玻璃基底的反射光谱702相切，表明此处位于薄膜的透明区。随着波长减小，干涉极小值逐渐偏离空白玻璃基底的反射光谱，表明薄膜开始发生吸收。因此可以将1300nm-2000nm作为薄膜的透明区，并通过程序筛选，找出该区的反射率极大值，本例的反射率极大值为：68.05％，对应的波长为1730nm，此时玻璃基底的折射率为1.494、消光系数为0，厚度为3.5mm。

根据反射率极大值为：68.05％可算出薄膜在1730nm处的折射率为：3.9147。在透明区，薄膜的消光系数随波长变化很小，因此，可近似认为，该薄膜在1300nm-2000nm范围内的折射率为3.9147，消光系数为0。

根据沉积速率和沉积时间估算，可知本例中待测样品的厚度约为300nm-400nm。在计算过程中，设薄膜的厚度范围为100nm-800nm，间隔为1nm，分别算出100nm-800nm范围的701个厚度对应的理论反射光谱。

将理论反射光谱与实测光谱进行拟合，计算每个厚度下的理论反射光谱与实测光谱之间的绝对偏差的平均值。当绝对偏差的平均值最小时，理论反射光谱与实测光谱符合的最好，该理论反射光谱对应的薄膜厚度最接近样品的实际厚度。该过程只需进行701次周期运算，是现有技术之二的运算次数的1/6000000，是对现有技术的重大改进。

图8A中802是实测的膜基系统反射光谱，803是计算出的膜基系统理论反射光谱，是802个厚度的光谱中与实测光谱匹配最好的，801是二者之间的偏差。值得注意的是，在1300nm-1800nm范围内，绝对偏差值接近于0，理论拟合结果与实测结果几乎完全重合，这表明输入的薄膜厚度非常接近真实厚度。当波长小于1300nm和波长大于1800nm时，偏差逐渐增大，这是薄膜折射率色散造成的影响，而非薄膜厚度偏离实际厚度的体现。计算结果表明，薄膜的厚度为335nm，理论拟合的平均绝对偏差为1.025％。

参见图8B，本实施例中测量半导体薄膜厚度的详细方法流程如下：

步骤811：测出待测半导体薄膜的实际反射光谱。

步骤812：将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段。

步骤813：确定实际反射曲线段的极值。

步骤814：根据实际反射曲线段的极值确定实际反射光谱的折射率。

步骤815：根据实际反射光谱的折射率得到在第一厚度下仿真反射光谱，并将该仿真反射光谱对应的各参数保存在寄存器A1中。其中消光系数为0，第一厚度为预设的厚度范围中的任一厚度。此步具体实现时，可以先得到所有可能的折射率和厚度对应的仿真反射光谱，然后从所有可能的仿真反射光谱中查找出实际反射光谱的折射率对应的所有可能厚度的仿真反射光谱。或者，将实际反射光谱的折射率代入仿真过程，直接得到实际反射光谱的折射率对应的所有可能厚度的仿真反射光谱。

步骤816：将实际反射光谱(尤其是实际反射曲线段)与步骤815中的仿真反射光谱(尤其是透明区域的仿真反射曲线段)进行拟合，得到误差值，并保存到寄存器A2中。

步骤817：根据实际反射光谱的折射率得到下一厚度下仿真反射光谱，并将该仿真反射光谱对应的各参数保存在寄存器B1中。

步骤818：将实际反射光谱(尤其是实际反射曲线段)与步骤817中的仿真反射光谱(尤其是透明区域的仿真反射曲线段)进行拟合，得到误差值，并保存到寄存器B2中。

步骤819：判断寄存器A2中的误差值是否大于寄存器B2中的误差值，若是，则继续步骤820，否则继续步骤821。

步骤820：将寄存器B1中的参数值赋给寄存器A1中的参数，以及将寄存器B2中的参数值赋给寄存器A2中的参数。

步骤821：判断是否已遍历预设的厚度范围中的所有厚度值，若是，则继续步骤822，否则继续步骤817。

步骤822：输出寄存器A1和A2中的参数值。此时寄存器A1中的厚度值即为待测半导体薄膜的厚度。

通过以上描述了解了薄膜厚度测量的原理和实现过程，该过程可由装置实现，下面对装置的结构和功能进行介绍。

本实施例无论在仿真过程还是实际的厚度测量过程中都需要获得薄膜的反射光谱。将待测半导体薄膜样品置于分光光度计系统的样品室中，经过待测半导体薄膜样品的反射光从分光光度计系统射出后进入光电转换器，由光电转换器将光信号转换为模拟电信号，再由模/数转换器将模拟电信号转换为数字信号，并将数字信号发送给计算机设备。计算机设备根据数字信号计算并绘制出待测半导体薄膜样品的反射光谱。

参见图9，本实施例中用于获得薄膜的反射光谱的仿真装置包括：波长确定模块901和测量模块902。仿真装置可为计算机设备。

波长确定模块901用于确定薄膜透明区域的波长范围。

测量模块902用于在所述波长范围内，将不同厚度代人反射公式，得到薄膜在不同厚度下的反射光谱。

参见图10，本实施例中用于测量半导体薄膜厚度的测量装置包括：测量模块1001、透明区域分析模块1002、仿真模块1003、拟合模块1004和比较模块1005。测量装置可为计算机设备。

测量模块1001用于测出待测半导体薄膜的实际反射光谱。

透明区域分析模块1002用于确定实际反射光谱中透明区域对应的实际反射曲线段。透明区域分析模块1002具体用于将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段。

仿真模块1003用于获得多条仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段，其中多条仿真反射光谱包括与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的反射光谱。仿真模块1003可以在测量半导体薄膜厚度时现获得多条仿真反射曲线段，可节省存储空间。也可以预先获得多条仿真反射曲线段，并存储在测量装置的存储模块中。

拟合模块1004用于将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合。

比较模块1005用于测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

测量装置还包括：极值模块1006用于确定实际反射曲线段的极值。仿真模块1003具体用于获得与实际反射曲线段具有相同极值的多条仿真反射曲线段。

用于实现本发明实施例的软件可以存储于软盘、硬盘、光盘和闪存等存储介质。

本发明实施例将实际反射光谱的透明区域与多条仿真反射光谱的透明区域进行拟合，然后测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。这样，本发明实施例减少了反射光谱的吸收区对拟合结果的影响，提高了拟合结果的准确度，进而实现了获得较准确的薄膜厚度。并且由于采用了部分反射光谱进行拟合，而不是对完整的反射光谱的拟合，所以提高了拟合效率，从而提高了获得薄膜厚度的效率。以及，本发明实施例中的多条仿真反射光谱与实际反射光谱具有相同的反射率极值，不需要计算半导体薄膜的折射率，也不需要将实际反射光谱与所有的仿真反射光谱(包括折射率、消光系数和薄膜厚度的所有组合对应的仿真反射光谱)进行拟合，明显减少了拟合次数，提高了计算薄膜厚度的效率，并且获得较准确的薄膜厚度。并且，本发明实施例采用膜基系统总反射光谱进行拟合，提高了拟合的准确度，进而提高了薄膜厚度测量的准确度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种测量半导体薄膜厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

测出待测半导体薄膜的实际反射光谱；

将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；或者将实际反射光谱中等于衬底反射率的多个点之间的实际反射曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；

获得多条与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段；

将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合；

测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定实际反射光谱中透明区域对应的实际反射曲线段之后，确定实际反射曲线段的极值；

获得多条仿真反射曲线段的步骤包括：获得与实际反射曲线段具有相同极值的多条仿真反射曲线段。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实际反射光谱和仿真反射光谱均为膜基系统总反射光谱。

4.一种用于测量半导体薄膜厚度的装置，其特征在于，包括：

测量模块，用于测出待测半导体薄膜的实际反射光谱；

透明区域分析模块，用于将实际反射光谱中的等幅曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；或者将实际反射光谱中等于衬底反射率的多个点之间的实际反射曲线段确定为透明区域对应的实际反射曲线段；

仿真模块，用于获得多条与待测半导体薄膜具有相同折射率的薄膜样品在不同厚度下的仿真反射光谱中透明区域对应的仿真反射曲线段；

拟合模块，用于将实际反射曲线段与多条仿真反射曲线段进行拟合；

比较模块，用于测得拟合误差最小的仿真反射光谱对应的厚度为所述待测半导体薄膜的厚度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：极值模块，用于确定实际反射曲线段的极值；

仿真模块具体用于获得与实际反射曲线段具有相同极值的多条仿真反射曲线段。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，实际反射光谱和仿真反射光谱均为膜基系统总反射光谱。

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