CN110017798A - 一种检测薄膜厚度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测薄膜厚度的方法及装置，所述方法包括以下步骤：将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，激发样品发出X射线荧光；采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度；当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；当采用与薄膜同材质的块体标样作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。本发明可以通过调节入射电子束能量和角度以适应0.1nm‑100mm大范围内的厚度测量。

Description

一种检测薄膜厚度的方法及装置

技术领域

本发明涉及薄膜检测技术领域，尤其涉及一种适于检测纳米级薄膜厚度的方法及装置。

背景技术

薄膜已经被广泛应用于光电器件，其厚度是一个重要的参数，对器件的光电性能有重要的影响。再者由于光电薄膜制作成本高，因此要求测量必须是无损的。无损测量薄膜厚度的方法有很多，如光学干涉法，X射线荧光光谱法，椭偏仪法，光电子能谱和俄歇电子能谱法、石英晶体振荡器法、小角X射线衍射法和高分辨X衍射摇摆曲线法等。

光学干涉法只适用于10nm以上厚度的测量，而且要求薄膜有足够好的透光度及很高的平整度。基于X射线激发的X射线荧光法只能测量厚度10nm以上的薄膜厚度，而且一般只能测量含有较大原子序数(如13，铝)的薄膜。椭偏仪法虽然可测1nm甚至更小厚度薄膜的厚度，但是一般不适合测量金属和合金薄膜及其他不透光的膜。光电子能谱和俄歇电子能谱也能获得材料表面的信息，但是只能获得表面1nm量级内的元素分布信息，更深层的信息要配合氩离子刻蚀进行深度剖析。石英晶体振荡器法可以测量很薄的膜厚，但是只能在沉积过程中原位监控，无法对已经沉积的膜进行测量。小角X射线衍射法和高分辨X衍射摇摆曲线法可以无损测量薄膜的厚度，但是要求样品表面原子级平滑。

如CN107607051A公开了一种膜厚检测装置，包括：激光光源、光学镜组以及图像接收器；其中，所述光学镜组，用于接收所述激光光源出射的激光，生成第一光束和至少两次透过待测薄膜的第二光束，使所述第一光束与所述第二光束发生干涉；所述图像接收器，用于接收干涉光并确定干涉信息，根据所述干涉信息确定薄膜的厚度。

又如CN103994736A一种无损检测复合膜表面功能层厚度的方法，包括如下步骤：将样品放置于样品室；将不同能量的正电子分别入射至薄膜发生湮没并分别搜集湮没产生的伽马射线能谱；根据伽马能谱计算正电子湮没参数；根据正电子湮没参数与入射正电子能量的关系，可拟合计算薄膜厚度。

CN107076687A公开了一种荧光X射线分析装置，在该荧光X射线分析装置中，对试样照射一次X射线，该试样通过将单层或多层的薄膜形成于基板上的方式形成或单独地形成，根据所产生的二次X射线的测定强度，通过基本参数法，求出上述薄膜的组成和/或厚度的定量值。

发明内容

本发明提供了一种适于测量纳米级薄膜厚度的无损检测方法。

一种检测薄膜厚度的方法，所述薄膜沉积在衬底上，所述检测方法包括以下步骤：将将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，激发样品发出X射线荧光；采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度。

当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；

当采用与薄膜同材质的块体标样或厚膜样品作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

当电子束入射到样品上时，会激发样品发出X射线荧光，分析X射线荧光的能量分布即可获得样品成分的信息，此即扫描电子显微镜的EDS功能。一般而言，常规EDS分析时，因入射电子束能量较高，出射的X射线荧光的能量较大，两者在固体中的衰减均较小，即电子束的透入厚度和X射线荧光的出射深度均较大，因此一般认为EDS是体分析工具，并不适合表面分析，特别是纳米级厚度薄膜的测量。

但是，如果降低入射电子束的能量，那么电子束在固体中的衰减将明显增加，这与光电子和俄歇电子在固体中的运动情况相似，即能量为几个至几十个keV的电子在固体中运动时强度会发生衰减。由于电子束的能量是可以调节的，因此其电子束的透入深度也是可以灵活调节的。

所述靶元素即薄膜或衬底中的特定元素，它需要满足存在于薄膜或者衬底中，但不能同时存在于薄膜和衬底中，否则X射线荧光会有重叠，并且其发出的X射线可以被检测装置检测到。

根据参比样品的选择不同，本发明公开了两种计算薄膜厚度的方法，分别是衬底信号衰减法和薄膜信号增强法。

当采用空白衬底作为参比样品，通过衬底信号衰减法计算薄膜厚度，具体关系式如下：

其中，d为薄膜的厚度，I₀为参比样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，I为待测样品衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xs为衬底靶元素发出的X射线荧光在薄膜中的衰减系数，为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

μ_sub可以通过测量已知薄膜厚度的标样获得，即当然可以通过测试多组标样，通过曲线拟合求得。

当采用材质与薄膜相同的块体标样作为参比样品，则选择薄膜信号增强法计算薄膜厚度，所述关系式如下：

其中，d为薄膜的厚度，I_∞为参比样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，I为待测样品薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xf为薄膜靶元素发出的X射线荧光在薄膜中的衰减系数，为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

所述块体标样为成分和结构与待测薄膜相同且相对厚度为无穷大的块体，但是在实际操作中，若无块体样品，则可采用厚度的厚膜样品代替即可达到足够的精度。

μ_film同样可以通过测量已知厚度的样品计算得到，即

本发明还提供了一种检测薄膜厚度的装置，所述薄膜沉积在衬底上，包括：

电子束发生装置，形成电子束，投射在参比样品和待测样品上；

检测装置，检测两样品发出的X射线荧光的强度；

分析装置，采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度；

当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；

当采用与薄膜同材质的块体标样作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

优选的，所述电子束发生装置和检测装置的角度为可调节。

本发明可以通过调节入射电子束能量和角度以适应不同厚度薄膜的测量，对于入射电子束和出射X射线，一般情况下能量越大穿透能量越强，衰减越小，因此可以测量的薄膜厚度越大；反之，可测薄膜的厚度越小。另外，电子束的入射角和X射线的出射角越小，电子的入射路径和X射线的出射路径越短，可检测的薄膜厚度越大；反之，可测量的厚度越小。对普通的SEM电子显微镜，入电子束能量范围为1keV-40keV，本方法可以实现测量0.1nm-100um这样大范围内的厚度测量。

附图说明

图1为本发明检测装置的结构示意图。

图2为本发明衬底信号衰减法检测示意图，(a)为参比样品，(b)为待测样品。

图3为本发明薄膜信号增强法检测示意图。

图4为不同膜厚的待测样品的EDS能谱图。

图5为随着铝膜厚度增加硅对应的X射线荧光特征能量的强度变化曲线图。

图6为衬底信号衰减法与石英晶体振荡原位检测法的检测结果比较曲线。

图7为随着铝膜厚度增加铝对应的X射线荧光特征能量的强度变化曲线图。

图8为薄膜信号增强法与石英晶体振荡原位检测法的检测结果比较曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种薄膜厚度的检测装置，包括电子束发生装置2、测试平台4、检测装置3以及分析装置1，其中电子束发生装置2用于产生电子束，发出的电子束的能量及入射角度可以调节，电子束的能量范围为1-40keV，可以根据测试薄膜的厚度不同进行调节。

所述薄膜沉积在衬底上，当电子束投射在样品上，激发样品产生X射线荧光，检测装置3用于检测样品发出的X射线荧光强度的能量分布，获得EDS能谱。如果在已知元素X射线荧光特征能量的前提下，所述检测装置3可以只检测该元素特征能量的强度，而无需获得整个EDS能谱。

本发明无论是电子束产生装置2或者检测装置3均采用现有设备，如电子束产生装置可以是消除荷电用的中和电子枪或俄歇电子谱用的激发电子枪，检测装置可以是硅漂移探测器(SSD)。

测试平台4用于放置测试样品，因为整个装置处于真空环境中，为了便于摆放所述待测样品，测试平台4是可以移动的，当需要测试时，将测试平台3平移出密闭空间，摆放定位完成后，再返回测试位置，保持环境处于密封真空状态，一般情况下，在测试时所述环境处于高真空状态，其大气压应当不大于5×10^-4Pa。

各种元素都具有自己的X射线特征能量，能谱仪就是根据该原理测试样品的元素组成。本发明在该原理基础上，假设相同材质的样品中元素浓度及分布是相同的，同样能量和强度的电子束激发某元素发出的X射线荧光特征能量的强度也是相同的。由于电子束和X射线荧光在薄膜中有衰减，而且该衰减与薄膜厚度相关，本发明正是依据该原理检测薄膜的厚度。本发明所述的靶元素即为选中的元素，该元素只能存在于衬底或者薄膜中，不能同时存在于衬底和薄膜中，且其发出的X射线可被检测装置检测到。

分析装置1接收检测装置3获得的EDS能谱，找出其中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，依据相应的关系式计算薄膜的厚度。分析装置1具有存储器和控制器，所述存储器用于存储运行的软件、运算所用的常数以及检测数据，控制器调取上述内容进行运算，最终计算得到结果，输出到存储器存储及在显示装置上进行显示。

本发明根据参比样品不同，具有两种计算薄膜厚度的方法，分别是衬底信号衰减法和薄膜信号增强法。

如2所示，将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，其中参比样品为空白的衬底，待测样品为沉积有薄膜的衬底，电子束激发样品产生射线荧光，获得EDS能谱，EDS能谱记录了每个元素X射线荧光的特征能量。分析装置3找出某元素对应的X射线荧光特征能量的强度，计算两样品所述强度的比值，然后根据以下公式计算得到薄膜的厚度。

其中，d为薄膜的厚度，I₀为参比样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，I为待测样品衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xs为衬底发出的X射线荧光在薄膜中的衰减系数，α为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

如设置则公式(1)改写为：

公式(2)变换后即得：

当采用材质与薄膜相同的块体标样或厚膜样品作为参比样品时，采用薄膜信号增强法计算薄膜的厚度。如图3所示，当电子束I_e投射在样品上时，薄膜深度x处发出的X射线荧光强度I(x)为：

μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xf为X射线荧光在薄膜中的衰减系数，α为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

如设置公式(4)改写为：

则厚度为d的薄膜发出的X射线荧光强度I为：

如果厚度为无穷大的薄膜发出的X射线荧光强度I_∞为：

将公式(7)代入公式(6)即得：

因此，

本发明中的u_film和u_fsub与电子束和X射线荧光在样品中的衰减系数以及入射角和出射角关联，可以通过测量已知膜厚的样品计算得到，为了得到更精确的值，可以进行多次测量，然后求平均值。u_film和u_fsub也可以通过理论计算获得。

实施例1衬底信号衰减法

将未沉积薄膜的硅衬底和沉积了不同厚度铝膜的各样品分别置于测试平台4上，保持环境气压低于5×10^-4Pa，电子束产生装置2产生电子束依次投射在各样品上，电子束的能量为2keV，束流为50nA，检测装置3获得各样品的EDS能谱，如图4所示。衬底Si元素对应的X射线荧光特征能量为1.739keV。如图5所示，随着Al膜厚度的增加，Si元素对应的X射线荧光特征能量的强度逐渐减小。

对于衬底Si信号，强度随Al膜厚度的增加体现了指数衰减特性。指数拟合(图中实现)得到μ_sub＝0.154nm^-1。

以图4数据为依据，利用拟合的μ_sub值，结合衬底参比样品测得的强度信号I₀利用上述公式(3)计算得到的各样品的铝膜厚度，结果如图6所示。图6中横坐标为方法1获得的铝膜厚度，纵坐标为沉积时由石英晶体振荡器原位获得的数据。可见，利用本方法计算的得到的厚度与石英晶体振荡器原位测得的数据符合得较好。

实施例2薄膜信号增强法

将未沉积薄膜的硅衬底和沉积了不同厚度铝膜的各样品分别置于测试平台4上，保持环境气压低于5×10^-4Pa，电子束产生装置2产生电子束依次投射在各样品上，电子束的能量为2keV，束流为50nA，检测装置3获得各样品特征能量为1.485keV的Al元素对应的X射线荧光能谱，如图4所示。随着Al膜厚度的增加，Al元素对应的X射线荧光特征能量的强度逐渐增强。

对于薄膜中的Al信号，强度随Al膜厚度的增加体现了指数增加特性，见图7。指数拟合(图中实现)得到μ_film＝0.033nm^-1。

以图4数据为依据，利用拟合的μ_film值，结合块体Al参比样品的强度信号I_∞，利用上述公式(9)计算得到的各样品的铝膜厚度，结果如图8所示。图8中横坐标为方法2获得的铝膜厚度，纵坐标为沉积时由石英晶体振荡器原位获得的数据。可见，利用薄膜信号增强法也能获得厚度信息。

Claims (9)

1.一种检测薄膜厚度的方法，所述薄膜沉积在衬底上，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，激发样品发出X射线荧光；采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度；

当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；

当采用与薄膜同材质的块体标样或厚膜样品作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用空白衬底作为参比样品，所述关系式为：

其中，d为薄膜的厚度，I₀为参比样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，I为待测样品衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xs为衬底靶元素发出的X射线荧光在薄膜中的衰减系数，α为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用材质与薄膜相同的块体标样作为参比样品，所述关系式为：

其中，d为薄膜的厚度，I_∞为参比样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，I为待测样品薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度，μ_e为入射电子束在薄膜中的衰减系数，μ_xf为薄膜靶元素发出的X射线荧光在薄膜中的衰减系数，α为电子束的入射角，β为X射线荧光的出射角。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测在真空环境中进行，环境气压不大于5×10^-4Pa。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶元素仅存在于衬底或薄膜中。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子束的能量为1-40KeV。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，投射电子束后，获取两样品的EDS能谱，从EDS能谱中采集到两样品靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

8.一种检测薄膜厚度的装置，所述薄膜沉积在衬底上，其特征在于，包括：

电子束发生装置，形成电子束，投射在参比样品和待测样品上；

检测装置，检测两样品发出的X射线荧光的强度；

分析装置，采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度；

当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；

当采用与薄膜同材质的块体标样作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电子束发生装置和检测装置的角度为可调节。