CN109752321A - 一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法，主要是提供后续椭偏数据的分析方法，包括碳化硅衬底椭偏测量、碳化硅衬底基底折射率分析、碳化硅衬底变质层光学常数分析、碳化硅衬底变质层厚度分析。其中碳化硅衬底椭偏测量部分包括测量角度的选择。碳化硅衬底基底折射率分析部分包括分析波长的选择，色散模型及参数的选择。碳化硅衬底变质层光学常数分析部分包括变质层分析过程、色散模型参数的选择。碳化硅衬底变质层厚度分析部分包括厚度分析过程。本发明不仅可以实现抛光碳化硅衬底变质层厚度的测量，同时可以获取变质层以及基底层的光学常数。该方法不仅适用抛光碳化硅衬底，也适用其他抛光衬底片表面变质层的检测。

Description

一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法

技术领域

本发明涉及缺陷检测领域，是一种基于椭偏原理的碳化硅衬底抛光后表面变质层厚度和变质层光学常数的检测方法。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表，由于与硅等材料相比具有优越性能，是高功率器件制备的首选，在新能源汽车、新一代通信技术、航空航天领域等具有广泛的应用前景。材料制备和衬底加工技术是开发高性能SiC器件的前提。目前受限于长晶技术，SiC材料成本相当高。SiC衬底加工流程主要包括长晶、切片、研磨、抛光等工序。抛光过程作为衬底基片末端超精密加工工序，但仍然不可避免地存在表面损伤，目前碳化硅衬底抛光主流工艺主要是化学机械抛光或机械化学抛光，由于其现有加工工艺技术的限制，平坦化后表面不可避免会残余一层仅有几纳米厚度的变质层以及位错等缺陷。其中变质层的存在，会影响后续外延工艺晶格匹配，影响外延质量，甚至影响后续器件的性能。根据变质层厚度的检测指标，可完善SiC生产链的质量管控，用于加工工艺优化调控，提升衬底加工质量，提高材料利用率，并为后续外延提供基础质量指标。

本专利考察抛光后碳化硅衬底时，仅分析基底和变质层的两层组成。现有对变质层的检测方法主要借助材料学的分析测试手段，通过聚焦离子束蚀刻法裸露衬底变质层，再结合透射电子显微镜等进行亚表面损伤观测。聚焦离子束采用的是原子级剥离方式，结合透射电镜可以实现几纳米厚度损伤的检测，也是目前常用的变质层厚度检测的方法，但是该方法是有损检测方法，对样品具有破坏性，制样过程非常复杂，针对不同的样品制样流程需重新设计或改进，制样容易失败，测量周期长，测量成本高；样品与透射电镜位置关系也会直接影响测量厚度的精度，极易引起误差。另外针对SiC变质层的光学常数，目前尚未有具体测量说明。现有检测薄膜光学常数的方法主要有棱镜耦合测量、椭圆偏振测量等方法，其中棱镜耦合法膜厚测量范围在0.3～15微米，不适用于仅有几纳米厚度SiC变质层的测量，如：专利CN1071004A；椭圆偏振法可以实现纳米级厚度薄膜的光学常数的检测，但目前对于抛光后的体材料，椭偏检测往往忽略其表面的变质层，直接作为裸基底，直接求解裸基底的折射率，该方法尚未对超薄变质层的测量分析进行说明。

发明内容

针对背景技术所存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法，实现SiC衬底表面变质层厚度的无损非接触测量，并可同时得到其光学常数。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了1.一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)抛光后的碳化硅衬底椭偏数据获取：由宽光谱椭偏仪在反射模式下测量获得，所述椭偏数据描述的是输出光波与输入光波的振幅之比ψ和相位差Δ与波长λ的关系；

2)求解抛光后的碳化硅衬底基底折射率n(λ)、消光系数k(λ)求解：由Cauchy色散模型描述：

其中折射率n(λ)由三个参数A、B、C描述，消光系数k(λ)由A_k、B_k、λ_b三个参数描述，其中λ_b的值由分析者根据材料设定；建立碳化硅基底模型，即空气层-基底层，基底层光学常数由Cauchy色散模型替代，通过膜系传递矩阵建立光与样品的相互作用关系，从而生成入射角度α₁和α₂(远离布儒斯特角，基底层光学常数对椭偏数据ψ影响显著。)下仿真数据，即ψ关于λ的两条曲线，通过仿真数据与测量数据进行非线性拟合，基底层Cauchy模型参数A、B、C参与非线性拟合，消光系数k(λ)设为0，从而获取基底层的折射率。

3)抛光后的碳化硅衬底变质层光学常数分析：建立抛光碳化硅衬底模型，其几何结构由空气层、变质层以及基底层构成，空气层光学常数已知，变质层和基底层都由Cauchy模型替代，基底层Cauchy模型模型参数A、B、C由步骤2确定；通过透射电镜实验获取衬底变质层平均厚度，该厚度作为变质层厚度的参考值；

通过膜系传递矩阵建立光与样品的相互作用关系，从而生成入射角度α₃(靠近布儒斯特角，变质层厚度对椭偏数据Δ影响显著)下仿真数据，即ψ、Δ关于λ的曲线；

仿真数据与测量数据进行非线性拟合，变质层Cauchy模型参数A、B、C、A_k、B_k参与非线性拟合，若仿真曲线可以较好的匹配测量曲线，即可获取变质层的光学常数；若仿真曲线不能匹配测量曲线，说明基底层存在吸收，重新进行非线性拟合，将基底层Cauchy模型参数A_k、B_k也参与拟合，从而获取变质层光学常数；

第四步，抛光后的碳化硅衬底变质层厚度分析；不改变步骤3建立的光学模型，由步骤3分析结果固定变质层Cauchy模型参数以及基底层的Cauchy模型参数，变质层厚度参与拟合；对入射角度α₃下的每个位置的椭偏数据进行非线性拟合，提取每个位置变质层的厚度值，从而获取碳化硅衬底表面变质层厚度的分布情况。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本专利测量对象为抛光后衬底的基底(一般几百微米厚度)上的表面超薄损伤层即变质层(一般仅仅几个纳米)，可同时测量分析厚度和光学常数，可测量仅仅几个纳米的厚度，属于无损检测。而现有技术没有对超薄变质层的测量分析，仅有忽略变质层的块体光学常数分析，本专利涉及分析技术难度更大，方法更复杂，现有技术无法实现，对第三代半导体器件制备具有重要意义。

附图说明

图1为抛光碳化硅衬底表面变质层结构示意图；

图2为椭偏检测系统示意图；

图3为碳化硅衬底基底光学模型示意图；

图4为理想6H晶型纯碳化硅光学常数曲线图；

图5为碳化衬底光学模型示意图；

图6为55°、60°、65°入射角度下某商用碳化硅衬底某一位置的椭偏测量曲线；

图7为某商用碳化硅衬底数据分析后基底光学常数图；

图8为某商用碳化硅衬底数据分析后变质层光学常数图；

图9为某商用碳化硅衬底表面变质层厚度分布图。

具体实施方式

下文通过附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法：

第一步，抛光后碳化硅衬底椭偏测量数据获取。工艺碳化硅衬底基底以及变质层的几何结构示意图如图1所示。

首先将被测对象碳化硅衬底放于如图2所示的宽光谱椭偏仪检测平台上，抛光面朝上，选择合适的入射光强，采用多角度反射测量模式，光谱测量范围210nm-1650nm，入射角度α₁、α₂、α₃选择55°、60°、65°，入射角度α₁、α₂需要远离布儒斯特角，入射角度α₃需要靠近布儒斯特角，参考碳化硅布儒斯特角在69°附近。需要指出的是，不同类型及掺杂碳化硅的折射率不同，布儒斯特角则不同，需根据样片详情选择较为合适的测量入射角度。

根据被测样片尺寸，合理选取合适的测量位置，每个位置根据三个测量角度测量三次，最终获取多个位置以及每个位置不同入射角度的椭偏测量数据，椭偏测量数据描述的是输出光波与输入光波的振幅之比ψ和相位差Δ与波长λ的关系。

第二步，抛光碳化硅衬底基底折射率分析。将椭偏仪在55°、60°两个角度下测量获取的不同位置的椭偏数据ψ(λ)求平均，得到两条两个角度下的ψ(λ)曲线。建立碳化硅衬底基底的光学模型，如图3所示，其几何结构由空气层和一层基底层构成，空气层光学常数作为已知条件，基底层光学常数选用色散模型即Cauchy模型替代，可以表示为波长函数n(λ)、k(λ)：

折射率：

消光系数：

其中折射率由式1.1中三个参数A、B、C描述，式1.2是Cauchy普通模型的扩展式，A_k、B_k、λ_b三个参数可以描述材料轻微吸收，在回归分析期间，λ_b的值一般由分析者设定，建议将λ_b的值设置为在光谱区域中接近最短波长的值，波长λ以纳米单位给出。建立基底的光学模型后，通过光与样品的相互作用即膜系传递矩阵，获取55°、60°下ψ关于λ的仿真数据。通过最优化算法Levenberg-Marquardt调整模型参数，实现两个入射角度下ψ仿真数据与ψ测量数据的非线性拟合，波长范围选择500nm-1600nm(理想碳化硅晶体在500nm波长后吸收常数趋近于零，如图4所示)，得到最优模型参数，基底的Cauchy模型仅A、B、C参与拟合，k(λ)设置为0，从而获得碳化硅基底的折射率n(λ)。

第三步，抛光碳化硅衬底变质层光学常数分析。

建立抛光碳化硅衬底光学模型，其几何结构由空气层、变质层以及基底层构成，空气层光学常数已知，变质层和基底层都由Cauchy模型替代，如图5所示，基底层Cauchy模型模型参数A、B、C由第二步分析方法确定，不参与后续的拟合。通过透射电镜实验获取某个位置的变质层厚度，该厚度作为变质层厚度的参考值。通过膜系传递矩阵建立光与样品的相互作用关系，从而生成65°入射角度下仿真数据，即ψ、Δ关于λ的曲线。仿真数据与测量数据进行非线性拟合，波长范围选择500nm-1600nm，变质层厚度由透射电镜确定，变质层Cauchy模型参数A、B、C、A_k、B_k参与非线性拟合，若仿真曲线可以较好的匹配测量曲线，即可获取变质层的光学常数；若仿真曲线不能匹配测量曲线，说明基底存在吸收，重新进行非线性拟合，将基底Cauchy模型参数A_k、B_k也参与拟合，从而获取变质层光学常数。

第四步，抛光碳化硅衬底变质层厚度分析。不改变第三步建立的光学模型，由第三步固定变质层Cauchy模型参数以及基底层的Cauchy模型参数，变质层厚度参与拟合。对65°入射角度下的每个位置的测量椭偏数据进行非线性拟合，提取每个位置变质层的厚度值，从而获取碳化硅衬底表面变质层厚度的分布情况。

图6为55°、60°、65°三种入射角度下某商用碳化硅衬底某一位置的椭偏测量曲线，图7和图8展示了使用上述方法获得的该商用碳化硅衬底数据分析后基底光学常数图和变质层光学常数图，图9展示了该衬底表面变质层厚度分布图。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (1)

1.一种抛光碳化硅衬底变质层厚度和光学常数椭偏检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)抛光后的碳化硅衬底椭偏数据获取：由宽光谱椭偏仪在反射模式下测量获得，所述椭偏数据描述的是输出光波与输入光波的振幅之比ψ和相位差Δ与波长λ的关系。

2)抛光后的碳化硅衬底基底折射率n(λ)、消光系数k(λ)求解：由Cauchy色散模型描述：

其中折射率n(λ)由三个参数A、B、C描述，消光系数k(λ)由A_k、B_k、λ_b三个参数描述，其中λ_b的值由分析者设定；建立碳化硅基底模型，即空气层-基底层，基底层光学常数由Cauchy色散模型替代，通过膜系传递矩阵建立光与样品的相互作用关系，从而生成入射角度α₁和α₂(远离布儒斯特角，基底层光学常数对椭偏数据ψ影响显著)下仿真数据，即ψ关于λ的两条曲线，通过仿真数据与测量数据进行非线性拟合，基底层Cauchy模型参数A、B、C参与非线性拟合，消光系数k(λ)设为0，从而获取基底层的折射率。

3)抛光后的碳化硅衬底变质层光学常数分析：建立抛光碳化硅衬底模型，其几何结构由空气层、变质层以及基底层构成，空气层光学常数已知，变质层和基底层都由Cauchy模型替代，基底层Cauchy模型模型参数A、B、C由步骤2)确定；通过透射电镜实验获取衬底变质层的平均厚度，该厚度作为变质层厚度的参考值；

通过膜系传递矩阵建立光与样品的相互作用关系，从而生成入射角度α₃(靠近布儒斯特角，变质层厚度对椭偏数据Δ影响显著)下仿真数据，即ψ、Δ关于λ的曲线；

仿真数据与测量数据进行非线性拟合，变质层Cauchy模型参数A、B、C、A_k、B_k参与非线性拟合，若仿真曲线可以较好的匹配测量曲线，即可获取变质层的光学常数；若仿真曲线不能匹配测量曲线，说明基底层存在吸收，重新进行非线性拟合，将基底层Cauchy模型参数A_k、B_k也参与拟合，从而获取变质层光学常数。

第四步，抛光后的碳化硅衬底变质层厚度分析：不改变步骤3)建立的光学模型，由步骤3)分析结果固定变质层Cauchy模型参数以及基底层的Cauchy模型参数，变质层厚度参与拟合；对入射角度α₃下的每个位置的椭偏数据进行非线性拟合，提取每个位置变质层的厚度值，从而获取碳化硅衬底表面变质层厚度的分布情况。