CN105004697A - 一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，对于单一材料利用能量计分别测量入射于被测表面的入射光能量E₁和经被测表面反射的反射光能量E₁’后，计算获得在空气中的半导体器件材料反射率R₁＝E₁’/E₁，对于双层材料分别测量两种相接触的材料在空气中的反射率r₁和r₂后，根据材料界面处反射率公式和计算获得两种材料的折射率n₁和n₂，其中n₃表示空气的折射率，进而计算获得两种材料接触面处的反射率上述光学测量方法弥补了当前反射率测量方法仅限于平行光的问题，能够实现对不同聚焦程度光束的反射率测量。

Description

一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法

技术领域

本发明涉及半导体器件材料参数的测量技术领域，具体涉及一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法。

背景技术

聚焦的激光微束能够与半导体器件相互作用，以此技术能够实现的应用领域包括：用于失效分析的光子发射显微镜、扫描光束技术和共聚焦激光扫描显微镜，用于故障注入的密码芯片激光攻击安全评测技术，用于器件抗辐照能力测试的脉冲激光模拟单粒子效应和瞬态剂量率效应试验技术。上述应用领域的一个共同特征在于聚焦的激光微束需要穿过器件衬底材料或正面钝化层，定位于器件内部的特定区域才能完成试验测试。在光与材料的作用过程中，包括了器件材料表面和界面处的反射，光穿过材料引起的能量衰减等。为方便将聚焦激光微束定位于器件指定位置，并能得到指定区域的激光能量数值，需要明确器件材料的反射率。

针对半导体材料表面反射率的测量，分光光度法是测量多数材料及元件反射率最常用的方法，如：美国专利US4831276A所揭示的利用测量入射平行光的能量与反射能量的比值得到材料表面的反射率；中国专利CN100561199C提出了一种准确测量待测物体表面反射率(尤其是曲面反射率)的方法；中国专利CN102169050B公开了一种测量任意反射率光学元件和大口径光学元件反射率的方法。但是，考虑聚焦的激光微束入射到材料表面或界面处时，入射光与表面会存在一定的入射角度而非平行光束，鉴于反射率与入射光角度存在一定关系，传统的平行光反射率测量已经不适用于前述的应用领域。同时，由于不同的应用领域及测试情况所使用的聚焦设备(如显微物镜的倍数)不尽相同，导致入射光的角度并不唯一。因此，新的测量系统必须能够与实际应用中使用的显微物镜兼容，才能测量得到器件材料实际的反射率，而传统测量方法并未考虑到这一因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于，为解决聚焦光束入射到半导体器件材料表面时，由于入射光与材料表面会产生一定入射角度的非平行光束，导致利用现有的平行光反射率测量方法不适用于材料表面反射率测量的技术问题，本发明提出了一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，利用该光学测量方法能够满足聚焦光束在器件材料表面反射率测量的要求。

为实现上述目的，本发明的一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，包括：

步骤1)判断置于空气中的半导体器件被测表面的材料表层是否单一，如果材料表层单一执行步骤2)，否则执行步骤3)；

步骤2)利用能量计分别测量入射于被测表面的入射光能量E₁和经被测表面反射的反射光能量E₁’后，计算获得在空气中的半导体器件材料反射率R₁＝E₁’/E₁；

步骤3)分别测量两种相接触的材料在空气中的反射率r₁和r₂后，根据材料界面处反射率公式和计算获得两种材料的折射率n₁和n₂，其中n₃表示空气的折射率；

步骤4)利用步骤3)中获得的两种材料的折射率n₁和n₂，计算获得两种材料接触面处的反射率

作为上述技术方案的进一步改进，所述的入射于被测表面的入射光采用聚焦激光微束。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的反射光能量E₁’＝E₂k，其中k表示反射光经被测表面传输至能量计的衰减系数。

本发明的创新性在于：

本发明的光学测量方法弥补了当前反射率测量方法仅限于平行光的问题，提出了一种利用聚焦光束进行反射率测量的方法，能够实现对不同聚焦程度光束的反射率测量。

附图说明

图1是本发明的用于半导体器件材料反射率的光学测量方法流程图。

图2是实施本发明光学测量方法的光学测量系统结构图。

图3是光学测量系统衰减系数的测量原理图。

图4是利用图2中的光学测量系统测量被测样品表面反射率的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的用于半导体器件材料反射率的光学测量方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，包括：

步骤1)判断置于空气中的半导体器件被测表面的材料表层是否单一，如果材料表层单一执行步骤2)，否则执行步骤3)；

反射率测量涉及半导体器件材料表面与空气接触面之间的反射率，以及半导体器件内的不同材料接触面之间的反射率两种情况。

步骤2)采用直接测量方式，通过能量计分别测量入射到材料被测表面处的入射光能量E₁和经被测表面反射的反射光能量E₁’数值，计算得到在空气中的半导体器件材料反射率R₁＝E₁’/E₁；

步骤3)这种反射率的测量需要分为两个步骤，首先是采用直接的测量方式，即利用步骤2)的方法分别测量两种相接触的材料在空气中的反射率r₁和r₂后，然后再依据材料界面处反射率公式和计算获得两种材料的折射率n₁和n₂(空气的折射率n₃取值为1)。

步骤4)利用步骤3)中获得的两种材料的折射率n₁和n₂，即可计算出光在两种材料接触面处的反射率

基于上述光学测量方法，所述的入射于被测表面的入射光可采用聚焦激光微束。

如图2所示，为实施本发明上述光学测量方法的光学测量系统结构，在实际测量中所使用的光学测量系统组成包括：完成入射光束分光的透反镜或其它具有分光功能的光学镜片组件、聚焦光束用的显微物镜和测量激光能量用的能量计。其中，对于透反镜的透反比例没有要求，所用显微物镜应该与实际应用领域中使用的显微物镜具有相同功能与参数。此处必须用分光镜片或系统，通过分光改变原来入射光的能量，从而使得能量计能够测量到反射光。只有这样才能保证照射到被测样品表面的光，再反射后能够有一部分透过分光镜直射到安装于系统上部的能量计4，如图1所示中那样。这样反射光的能量才能是可测试的，能够实现与入射到样品表面的能量进行比较，从而计算样品表面反射率的数值。所用能量计应该能够满足实际测量精度的要求。

利用上述结构的光学测量系统针对单一材料表面与空气接触面之间的反射率测量的实施方式为：

首先，判断材料的结构特性：被测样品必须是组成成分单一的材料，且不存在与空气外的其它材料相接触的界面，如果在被测材料表面的非被测面存在另一种材料层，则必须去除该材料层。例如，在测量半导体器件衬底材料表面的反射率时，器件正面的金属布线层与钝化层的混合材料必须去除，以避免光的二次反射对被测面反射率测量的影响。

其次，确定光学测量系统的衰减系数：图2中的可测量的入射光为直接照射到被测样品表面的光束，而可测量的反射光为由被测样品表面直接反射的光束，并经过显微物镜和透反镜衰减后的反射光能量，两者的比值并非被测样品表面在空气中的反射率。为此需要确定光学测量系统的衰减系数k，具体测量方法见图3所示，将光学测量系统中的被测样品换为全反射镜，可测量的入射激光能量E₁照射到全反射镜后全部反射到显微物镜中，经过衰减后获得可测量的反射光能量E₂，两者的比值E₂/E₁即为光学测量系统的衰减系数k。

最后，计算获得被测样品表面在空气中的反射率：在确定了光学测量系统的衰竭系数k后，在图4中可测量的入射光能量为E₁，经过被测样品的反射后光的能量为E₁’，经过光学测量系统的衰减后可测量的反射光能量为E₂，可得到被测样品表面在空气中的反射率R＝E₁’/E₁＝(E₂·k)/E₁。

利用上述结构的光学测量系统针对不同材料接触面之间的反射率测量的实施方式为：

对于被测样品表面具有两种材料层的折射率或反射率均未知或有一种材料未知，就必须使用间接测量方式测量两种材料接触面之间的反射率。

首先，分别测量出两种相接触的材料表面在空气中的反射率r₁和r₂，所述反射率r₁和r₂的测量采用上述单一材料表面与空气接触面之间的反射率测量的实施方式；如果一种材料的折射率为已知，则只要进行另一种材料折射率的测量即可。

然后，依据材料界面处反射率公式和计算获得这两种材料的折射率，其中n₁和n₂分别为两种材料的折射率(空气的折射率n₃取值为1)。

最后，再依据材料界面处反射率公式代入两种材料的折射率n₁和n₂得到这两种材料接触面之间的反射率R₂。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，其特征在于，包括：

步骤1）判断置于空气中的半导体器件被测表面的材料表层是否单一，如果材料表层单一执行步骤2），否则执行步骤3）；

步骤2）利用能量计分别测量入射于被测表面的入射光能量E₁和经被测表面反射的反射光能量E₁’后，计算获得在空气中的半导体器件材料反射率R₁=E₁’/E₁；

步骤3）分别测量两种相接触的材料在空气中的反射率r₁和r₂后，根据材料界面处反射率公式和计算获得两种材料的折射率n₁和n₂，其中n₃表示空气的折射率；

步骤4）利用步骤3）中获得的两种材料的折射率n₁和n₂，计算获得两种材料接触面处的反射率

2.根据权利要求1所述的用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，其特征在于，所述的入射于被测表面的入射光采用聚焦激光微束。

3.根据权利要求1所述的用于半导体器件材料反射率的光学测量方法，其特征在于，所述的反射光能量E₁’=E₂k，其中k表示反射光经被测表面传输至能量计的衰减系数。