CN111412843B - 一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法，涉及半导体测试技术领域。该方法包括：提供半导体外延片的侧表面；采用预处理溶液对侧表面处理预定时间段；采用光学显微镜在预设倍数下观测处理的侧表面，并利用显微镜相机获取对应的显微镜照片；对显微镜照片进行数据处理，获得膜层对应的像素个数数据；根据像素个数数据和像素标尺值计算获得膜层的厚度。通过采用溶液对侧表面进行处理，使含铝组分不同的外延层能够在照片中呈现不同的灰度图案，再利用预设算法获取厚度所对应的像素个数，并结合像素标尺值计算获得膜层厚度。该方法对测量设备的要求较低，仅利用配置有相机的光学显微镜和计算机即可完成对膜层厚度的测量，易于推广应用。

Description

一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法

技术领域

本发明涉及半导体测试技术领域，具体涉及一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法。

背景技术

在分子束外延(MBE)的大规模生产中，通常采用XRD(X射线衍射)技术来测量标定所生长的半导体外延片的外延结构中各个膜层的厚度。然而，对于由GaAs、AlGaAs、AlAs中的任何两种或三种材料彼此相邻堆叠而成的组合外延层，难以通过XRD技术区分该组合外延层中每一层的具体厚度。

在MBE生产中，通常，可以采用预设的生长速率标定结构分别确定Ga和Al的生长速率，然后在该生长速率下生长期望厚度的GaAs/AlGaAs/AlAs组合外延层。

然而，在对包含GaAs/AlGaAs/AlAs组合外延层的半导体外延片进行某些电学性能测试(例如，霍尔效应测试)时，需要对待测试的外延片上的至少一部分样品(例如，从待测试的外延片上解理获得一小块样品)进行蚀刻(例如湿法蚀刻)处理并制备电极，从而形成待测试样品。在对外延层结构进行湿法蚀刻时，由于GaAs/AlGaAs组合外延层通常难以实现高选择比的湿法腐蚀，并且湿法腐蚀溶液对外延层腐蚀速率会根据腐蚀操作条件(例如，环境温度、湿度、腐蚀过程中样品的晃动频率等)而有所差异，因此难以精确获知湿法腐蚀的深度。为解决该问题，可以采用光刻工艺配合台阶仪来实现深度测量，然而该方法工艺步骤复杂，并且台阶仪价格昂贵，台阶仪并不是分子束外延制造行业的常规必备设备。

配备有相机组件的半导体检测光学显微镜是分子束外延制造行业常规的必备检测设备，因此，针对含铝组分不同的堆叠组合外延层，期望提出一种能够借助于光学显微镜来测量半导体外延片中膜层厚度的方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法，以解决含铝组分不同的堆叠组合外延层中的膜层厚度的光学显微镜测量问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法，半导体外延片包括半导体衬底和在半导体衬底上的外延结构，外延结构至少包括第一膜层以及在第一膜层上并且紧邻第一膜层的第二膜层，第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构中的铝组分含量与第一膜层的铝组分含量不同，第二膜层的铝组分含量与第一膜层的铝组分含量不同，所述方法包括：

提供待测半导体外延片的侧表面，该侧表面与所述待测半导体外延片的上表面垂直；

采用预处理溶液对侧表面处理持续预定时间段，以获得经处理的侧表面，预处理溶液能够与含铝组分化合物材料进行化学反应；

采用光学显微镜在预设倍数下观测经处理的侧表面，并且利用光学显微镜配置的相机获取对应的显微镜照片；

采用预设算法对显微镜照片进行数据处理，以获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据；

根据像素个数数据和像素标尺值计算获得第一膜层的厚度，像素标尺值为预先获取的所述光学显微镜配置的相机在所述预设倍数下获取的照片中一个像素所对应的尺寸值。

可选地，半导体衬底的材料为如下中的任一种：InP、GaAs、Ge、Si、蓝宝石、GaN、SiC。

可选地，第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；第二膜层为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；第一膜层为铝组分高于0.4的含铝化合物半导体材料。

可选地，第一膜层的材料为如下中的任一种：InAlAs、InAlP、AlAs、AlP、AlGaAs、AlGaP、AlGaAsP、InGaAlAs。

可选地，预处理溶液为硫酸、双氧水和水的混合溶液。

可选地，在预处理溶液中，硫酸:双氧水的体积比范围为1:1至1:10；硫酸:水的体积比范围为1:5至1:500，并且双氧水:水的体积比范围为1:5至1:100，预定时间段的范围为5秒至60秒。

可选地，在预处理溶液中，硫酸:双氧水:水的体积比为1:7:450，预定时间段的范围为20秒至50秒。

可选地，采用预设算法对显微镜照片进行数据处理，以获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据，包括：

将显微镜照片的格式转变为灰度图；

获取灰度图中的预定区域对应的灰度像素值矩阵，预定区域沿垂直于外延片表面的方向包括完全覆盖第一膜层的厚度的第一子预定区域、覆盖第二膜层的至少一部分厚度的第二子预定区域以及覆盖第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构的至少一部分厚度的第三子预定区域，并且第一子预定区域分别与第二子预定区域和第三子预定区域紧邻；

在灰度像素值矩阵中，对沿平行于外延片表面的方向的每一列像素值中所有像素值求平均值，从而获得由每一列像素值对应的平均值构成的平均值数组，平均值数组中数据的个数等于灰度像素值矩阵中垂直于外延片表面的方向的像素列的个数，平均值数组中数据的相对位置与每一列像素值在灰度像素值矩阵中的相对位置对应；

对平均值数组进行归一化处理，从而获得归一化像素数据；

根据预设阈值，对归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据；

获取二值化像素数据中第一膜层的厚度所对应的像素数据的个数，并且将该个数作为第一膜层的厚度对应的像素个数数据。

可选地，预定区域为矩形区域，矩形区域的一边平行于外延片表面延伸的方向。

可选地，在所述根据预设阈值，对归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据之前，所述方法还包括：

结合外延结构，确定归一化像素数据对应的曲线图中的每一个凸起区域以及该凸起区域两侧预定范围内的左区域和右区域，凸起区域与外延结构中的第一膜层对应，左区域与第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构对应，右区域与第二膜层对应；

针对每一个凸起区域，确定在该凸起区域内的归一化像素数据的最大值、在左区域内的归一化像素数据的左最小值以及在右区域内的归一化像素数据的右最小值；

针对归一化像素数据对应的曲线图中左最小值对应的像素数据至最大值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*(最大值-左最小值)+左最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值；

针对归一化像素数据对应的曲线图中最大值对应的像素数据至右最小值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*(最大值-右最小值)+右最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的测量半导体外延片中膜层厚度的方法包括：提供待测半导体外延片的侧表面，该侧表面与所述待测半导体外延片的上表面垂直；采用预处理溶液对侧表面处理持续预定时间段，以获得经处理的侧表面，预处理溶液能够与含铝组分化合物材料进行化学反应；采用光学显微镜在预设倍数下观测经处理的侧表面，并且利用光学显微镜配置的相机获取对应的显微镜照片；采用预设算法对显微镜照片进行数据处理，以获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据；根据像素个数数据和像素标尺值计算获得第一膜层的厚度，像素标尺值为预先获取的所述光学显微镜配置的相机在预设倍数下获取的照片中一个像素所对应的尺寸值。通过采用预处理溶液对半导体外延片的侧表面进行处理，使得含铝组分不同的外延层能够在光学显微镜拍摄的照片中呈现不同的灰度图案，再利用预设算法获取待测膜层图案中其厚度所对应的像素个数，并结合预先标定的像素标尺值可以计算获得膜层厚度。该方法对测量设备的要求较低，仅利用配置有相机的光学显微镜和计算机即可以完成对膜层厚度的测量，易于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的测量半导体外延片中膜层厚度的方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的待测半导体外延片的侧表面的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的待测半导体外延片的经处理的侧表面的显微镜图像的形貌示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的膜层厚度测量方法获得的GaAs基外延片的经处理的侧表面的显微镜照片；

图5示出了图4中虚线框区域的数据处理曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在分子束外延的大规模生产中，在对包含GaAs/AlGaAs/AlAs组合外延层的半导体外延片进行某些电学性能测试(例如，霍尔效应测试)时，需要对待测试的外延片上的至少一部分样品(例如，从待测试的外延片上解理获得一小块样品)进行蚀刻(例如湿法蚀刻)处理并制备电极，从而形成待测试样品。在对外延层结构进行湿法蚀刻时，由于GaAs/AlGaAs组合外延层通常难以实现高选择比的湿法腐蚀，并且湿法腐蚀溶液对外延层腐蚀速率会根据腐蚀操作条件(例如，环境温度、湿度、腐蚀过程中样品的晃动频率等)而有所差异，因此难以精确获知湿法腐蚀的深度。为解决该问题，可以采用光刻工艺配合台阶仪来实现，然而该方法工艺步骤复杂，并且台阶仪价格昂贵，台阶仪并不是分子束外延制造行业的常规必备设备。

配备有相机组件的半导体检测光学显微镜是分子束外延制造行业常规的必备检测设备，因此，针对含铝组分不同的堆叠组合外延层，期望提出一种能够借助于光学显微镜来测量半导体外延片中膜层厚度的方法。下面将详细描述本发明实施例提供的借助于光学显微镜来测量半导体外延片中膜层厚度的方法，该方法无需借助台阶仪和光刻工艺即可实现对膜层厚度的测量。

图1示出了本发明实施例提供的测量半导体外延片中膜层厚度的方法的流程示意图。图2示出了本发明实施例提供的待测半导体外延片的侧表面的结构示意图。如图2所示，在本发明实施例提供的测量半导体外延片中膜层厚度的方法中，半导体外延片包括半导体衬底201和在半导体衬底201上的外延结构，外延结构至少包括第一膜层202以及在第一膜层202上并且紧邻第一膜层202的第二膜层203，第一膜层202的靠近衬底201的一侧的紧邻结构中的铝组分含量与第一膜层202的铝组分含量不同，第二膜层203的铝组分含量与第一膜层202的铝组分含量不同。应当注意，第一膜层202与第二膜层203是紧邻的，尽管图2中示出第一膜层202与衬底201紧邻，但是第一膜层202与衬底201之间还可以存在其他外延结构层，只要该外延结构层的铝组分含量与第一膜层202的铝组分含量不同即可。

如图1所示，所述方法包括：

步骤101、提供待测半导体外延片的侧表面。

该侧表面与待测半导体外延片的上表面垂直，具体地，该侧表面为与待测半导体外延片的上表面垂直的侧截面。实际应用中，可以通过对待测半导体外延片进行解理，以获得该侧表面。在侧表面中包含有每一外延层的厚度信息，具体地，图2中每一外延层沿与待测半导体外延片的上表面垂直的方向a的尺寸即为该层的厚度。通常情况下，由于每一层在显微镜下的颜色相同或近似，因此，该厚度信息不能用光学显微镜直接观测到。

步骤102、采用预处理溶液对侧表面处理持续预定时间段，以获得经处理的侧表面。

其中，预处理溶液能够与含铝组分化合物材料进行化学反应。由于预处理溶液能够与含铝组分化合物材料进行化学反应，而待测半导体外延片中第二膜层202的铝组分与其上下两层(例如，衬底201和第二膜层203)的铝组分含量不同，在侧表面经过预处理溶液处理持续预定时间段之后，铝组分含量不同的区域之间会在光学显微镜下呈现不同的颜色灰度，从而经处理的侧表面中实现了对不同层的区分。

步骤103、采用光学显微镜在预设倍数下观测经处理的侧表面，并且利用光学显微镜配置的相机获取对应的显微镜照片。

在侧表面经处理之后，含铝组分不同的层在光学显微镜下的颜色灰度不同，因而此时可以利用显微镜目镜中的标尺直接读取厚度信息。通常情况下，半导体检测光学显微镜(例如，奥林巴斯半导体检测光学显微镜)的最大放大倍数为1000倍，在该倍数下，显微镜目镜中的标尺的一格代表1微米，因此，采用光学显微镜直接读取厚度信息的精度最高仅能达到0.2-0.3微米，无法获得更高精度的厚度信息。在利用光学显微镜配置的相机获取对应的显微镜照片时，为了获得更高的精度，半导体检测光学显微镜的预设倍数通常设置在最大倍数例如1000倍下。光学显微镜可以在明场或偏光条件下进行测量拍照。

通常，采用分子束外延生长的外延层的单层厚度范围从几个纳米至数个微米。对于常规电学测试而言，湿法腐蚀处理的外延层厚度一般在几百个纳米量级或者更高，从实用性上，为了不出现过腐蚀或欠腐蚀，期望能够实现0.1微米精度或更高精度的厚度测量。因此，还需要进行如下步骤的处理。

步骤104、采用预设算法对显微镜照片进行数据处理，以获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据。

在获得显微镜照片之后，可以以显微镜照片的单个像素为单位，对显微镜照片进行处理，从而获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据。通常情况下，步骤103中所利用的相机的像素分辨率越高，所获得显微镜照片中一个像素所对应的尺寸就越小，厚度测量的精度就越高。同样，显微镜观测的预设倍数越大，厚度测量的精度就越高。在半导体检测光学显微镜的放大倍数为1000倍的情况下，显微镜照片的单个像素对应的尺寸通常可以小于50纳米，基于单个像素的数据处理，可以实现0.05微米精度或更高精度的厚度测量。

步骤105、根据像素个数数据和像素标尺值计算获得第一膜层的厚度。

像素标尺值为预先获取的光学显微镜配置的相机在预设倍数下获取的照片中一个像素所对应的尺寸值。针对某一光学显微镜配置的相机在某一预设倍数下获取的照片中的一个像素所对应的实际尺寸通常是不变的，因此，可以将厚度测量问题转换为确定像素个数的问题。在根据步骤104获得第一膜层的厚度对应的像素个数数据之后，将像素标尺值与像素个数数据相乘，即可将所得到的乘积作为第一膜层202的厚度。

在利用显微镜配置的相机对侧表面进行拍照时，一般情况下，半导体外延片的上表面之外(也就是空气)在照片中的颜色灰度与侧表面上的顶层的颜色灰度不一致，因此，可以通过对从第一膜层202至待测半导体外延片的上表面的像素个数进行计数来获知外延结构中第一膜层202及其之上全部结构的总厚度。

综上所述，通过采用预处理溶液对半导体外延片的侧表面进行处理，使得含铝组分不同的外延层能够在光学显微镜拍摄的照片中呈现不同的灰度图案，再利用预设算法获取待测膜层图案中其厚度所对应的像素个数，并结合预先标定的像素标尺值可以计算获得膜层厚度。该方法对测量设备的要求较低，仅利用配置有相机的光学显微镜和计算机即可以完成对膜层厚度的测量，易于推广应用。基于本发明提供的测量原理，可以获知本发明所能实现的测量精度要高于采用显微镜直接读取数据的精度。

可选地，半导体衬底201的材料为如下中的任一种：InP、GaAs、Ge、Si、蓝宝石、GaN、SiC。

可选地，第一膜层202的靠近衬底201的一侧的紧邻结构为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；第二膜层203为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；第一膜层202为铝组分高于0.4的含铝化合物半导体材料。

可选地，第一膜层202的材料为如下中的任一种：InAlAs、InAlP、AlAs、AlP、AlGaAs、AlGaP、AlGaAsP、InGaAlAs。第二膜层203的材料可以为如下中的任一种InAlAs、InAlP、AlAs、AlP、AlGaAs、AlGaP、AlGaAsP、InGaAlAs、InP、GaAs。

可选地，预处理溶液为硫酸、双氧水和水的混合溶液。

可选地，在预处理溶液中，硫酸:双氧水的体积比范围为1:1至1:10；硫酸:水的体积比范围为1:5至1:500，并且双氧水:水的体积比范围为1:5至1:100，预定时间段的范围为5秒至60秒。

可选地，在预处理溶液中，硫酸:双氧水:水的体积比为1:7:450，预定时间段的范围为20秒至50秒。通常情况下，预处理溶液中有效反应成分越高、处理的预定时间段越长，侧表面反应后的不同外延层的颜色差异越明显，但是同时由于反应导致的过腐蚀，会导致照片中膜层厚度数据偏离真实情况，因此，需要对预处理溶液的浓度以及处理时间进行优化选择，经实验发现，硫酸:双氧水:水的体积比为1:7:450，预定时间段的范围为20秒至50秒(优选30秒)能够获得高精度的测量结果。

可选地，采用预设算法对显微镜照片进行数据处理，以获得第一膜层厚度对应的像素个数数据，包括：将显微镜照片的格式转变为灰度图；获取灰度图中的预定区域对应的灰度像素值矩阵，预定区域沿垂直于外延片表面的方向包括完全覆盖第一膜层的厚度的第一子预定区域、覆盖第二膜层的至少一部分厚度的第二子预定区域以及覆盖第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构的至少一部分厚度的第三子预定区域，并且第一子预定区域分别与第二子预定区域和第三子预定区域紧邻；在灰度像素值矩阵中，对沿平行于外延片表面的方向的每一列像素值中所有像素值求平均值，从而获得由每一列像素值对应的平均值构成的平均值数组，平均值数组中数据的个数等于灰度像素值矩阵中垂直于外延片表面的方向的像素列的个数，平均值数组中数据的相对位置与每一列像素值在灰度像素值矩阵中的相对位置对应；对平均值数组进行归一化处理，从而获得归一化像素数据；根据预设阈值，对归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据；获取二值化像素数据中第一膜层的厚度所对应的像素数据的个数，并且将该个数作为第一膜层的厚度对应的像素个数数据。其中，二值化处理用于使得归一化像素数据中大于或等于预设阈值的数据值变为1，使得归一化像素数据中小于预设阈值的数据值变为0。可选地，预定区域为矩形区域，矩形区域的一边平行于外延片表面延伸的方向。

具体地，参照图3，将图3中矩形虚线框中的区域作为上述待获取的灰度像素值矩阵所对应的预定区域。该预定区域包括第一子预定区域302、第二子预定区域303和第三子预定区域301。预定区域的长度b的延伸方向与外延片表面延伸的方向垂直。长度b在第一子预定区域302中的部分即为第一膜层302的厚度。

可选地，在所述根据预设阈值，对归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据之前，所述方法还包括：结合外延结构，确定归一化像素数据对应的曲线图中的每一个凸起区域以及该凸起区域两侧预定范围内的左区域和右区域，凸起区域与外延结构中的第一膜层对应，左区域与第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构对应，右区域与第二膜层对应；针对每一个凸起区域，确定在该凸起区域内的归一化像素数据的最大值、在左区域内的归一化像素数据的左最小值以及在右区域内的归一化像素数据的右最小值；针对归一化像素数据对应的曲线图中左最小值对应的像素数据至最大值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*(最大值-左最小值)+左最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值；针对归一化像素数据对应的曲线图中最大值对应的像素数据至右最小值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*(最大值-右最小值)+右最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值。由于外延结构是已知的，并且同一材料层对应相同或相似的灰度值，不同铝组分的材料层对应不同的灰度值，因此，归一化像素数据对应的曲线图中凸起区域及其左右区域与外延结构中膜层的大致对应关系可以根据经验容易确定。每一凸起区域左侧的预定范围可以认为是左侧紧邻的同一材料覆盖的一部分或全部范围(例如，在该全部范围仅涉及几十个像素以内时，取全部范围作为预定范围，如果该全部范围涉及数百个或以上的像素，则可以取紧邻凸起区域的50至100个像素作为预定范围)，同理确定每一凸起区域右侧的预定范围。

图4示出了根据本发明实施例提供的膜层厚度测量方法获得的GaAs基外延片的经处理的侧表面的显微镜照片；图5示出了图4中虚线框区域的数据处理曲线图。下面将结合图4和图5的具体示例对本发明实施例提供的膜层厚度测量方法的过程进行详细说明。

图4中的显微镜照片所对应的半导体外延片的结构包括GaAs衬底401、Al_0.6Ga_0.4As层402、GaAs层403、Al_0.2Ga_0.8As层404，照片中还包括空气406以及外延片的顶表面与空气406之间的界面405。图4中所示的照片通过如下步骤获得：对半导体外延片进行解理，以获得新鲜的外延片侧表面，该侧表面与外延片的上表面垂直。该新鲜的外延片侧表面中各个层在显微镜下颜色大致相似，通常难以区分。因此，首先需要通过预处理溶液对外延片侧表面进行染色，具体地，采用硫酸:双氧水:水的体积比为1:7:450的溶液，对外延片的侧表面腐蚀处理30秒钟，从而含铝组分不同的层显示出不同的颜色灰度，然后在显微镜下对外延片经处理的侧表面进行观测拍照，以获得图4中所示的照片。尽管上述方法中仅指出用于测量第一膜层的厚度，但是应当理解，利用上述方法，也可以同时测量两个或更多个膜层的厚度。下面采用本发明实施例提供的方法测量图4结构中的Al_0.6Ga_0.4As层402和Al_0.2Ga_0.8As层404的厚度。

如图4所示，外延结构中的每一层沿L方向平行延伸，W方向垂直于每一外延层的延伸方向，每一外延层沿W方向的尺寸即为该外延层的厚度。从图4中可以看出，不同Al组分对应的灰度区域是不同的。在光学显微镜1000倍下，通过目镜直接读取Al_0.6Ga_0.4As层402的厚度在0.2微米至0.4微米范围内，Al_0.2Ga_0.8As层404在1微米至1.2微米范围内，难以通过目镜直接读取精度更高的厚度结果。

选定图4中的虚线框矩形区域为待获取灰度值矩阵的预设区域，该预设区域的边界延伸方向分别平行于W方向和L方向。该预设区域在W方向上必须完整覆盖待测量厚度区域，并且覆盖待测量区域左侧的至少一部分区域以及右侧的至少一部分区域。理论上，该预设区域在L方向上为至少一个像素长度即可，但是通常灰度照片的像素值含有一定的噪声，因此，该预设区域在L方向上通常选取整个照片沿L方向总长度的1/4至1/2，然后针对预设区域在W方向的任一像素位置Wi(对应于图5中的横坐标中的像素位置)，对Wi所对应的预设区域在L方向上的所有像素灰度值求平均值，并且将该平均值作为Wi所对应的像素值Pi(平均像素值)，以减小或消除噪声的影响。

然后，针对预设区域内的所有像素位置所对应的平均像素值进行归一化处理，具体地，确定所有平均像素值中的最大值Pmax和最小值Pmin，然后将(Pi-Pmin)/(Pmax-Pmin)作为像素位置Wi所对应的归一化像素数据。该归一化像素数据随像素位置的变化关系如图5所示。从图5中的归一化像素数据所示，并且结合外延片的外延结构，可以获知区域C处的凸起部对应于Al_0.6Ga_0.4As层402，区域C处的凸起部的像素的个数所对应的厚度为Al_0.6Ga_0.4As层402的厚度，同理，区域D处的凸起部对应于Al_0.2Ga_0.8As层404，区域D处的凸起部的像素的个数所对应的厚度为Al_0.2Ga_0.8As层404的厚度。为了分别获得区域C和区域D的像素个数，首先采用预设阈值对归一化像素数据进行二值化处理，二值化处理用于使得归一化像素数据中大于或等于预设阈值的数据值变为1，使得归一化像素数据中小于预设阈值的数据值变为0。由于不同像素灰度区域与其周边的对比度不同，因此，在进行二值化时，对于不同区域，采用不同的预设阈值。预设阈值的具体确定过程如下；对于区域C，区域C凸起部的最大值为1，区域C的左区域的最小值为0，因此，从区域C的左区域的最小值至区域C的最大值之间连续的像素位置区域进行二值化时对应的预设阈值为[0.5*(1-0)+0]＝0.5；区域C的右区域(区域C凸起部与区域D凸起部之间的凹陷区域)的最小值为0.05，因此，从区域C的最大值至区域C的右区域的最小值之间连续的像素位置区域的预设阈值为[0.5*(1-0.05)+0.05]＝0.525。对于区域D，区域D的凸起部的最大值为0.186，区域D的左区域的最小值为0.05，因此，从区域D的左区域的最小值至区域D的最大值之间连续的像素位置区域的预设阈值为[0.5*(0.186-0.05)+0.05]＝0.118；区域D的右区域(区域D凸起部与区域E凸起部之间的凹陷区域)的最小值为0.055，因此，从区域D的最大值至区域D的右区域的最小值之间连续的像素位置区域的预设阈值为[0.5*(0.186-0.055)+0.055]＝0.1205。根据如上确定的预设阈值，对归一化曲线进行二值化处理，得到的二值化像素数据如图5中所示，分别对区域C和区域D处值为1的像素点个数进行计数，获得区域C对应8个像素，区域D对应37个像素。

可以预先进行如下操作：采用上述获得凸起区域对应像素个数的方法，对标定外延片进行像素个数测量，该标定外延片中膜层厚度可以通过XRD精确测量，从而获知本发明实施例中的所述光学显微镜配置的相机在预设倍数下获取的照片中一个像素所对应的尺寸值，也就是像素标尺值，该像素标尺值与显微镜的放大倍数和相机的分辨率有关，并且该像素标尺值不随待测样品而变化。本发明实施例中预先获得的像素标尺值为27.3纳米，也就是说，每个像素对应的厚度为27.3nm。因此，区域C对应的厚度为27.3*8＝218.4nm；区域D对应的厚度为27.3*37＝1010.1nm。也就是说Al_0.6Ga_0.4As层402的厚度为218.4nm，Al_0.2Ga_0.8As层404的厚度为1010.1nm。另外，通过对区域C至界面405的像素个数进行计数，可以获知Al_0.6Ga_0.4As层402以及其上的全部外延结构的总厚度。

通过其他高精度测量手段(例如台阶仪等，精度为1-5nm)对本发明实施例样品的膜层厚度进行验证性测量，结果为：Al_0.6Ga_0.4As层402的厚度为241.5nm，与本发明方法的测量结果的误差为23.1nm；Al_0.2Ga_0.8As层404的厚度为1042.8nm，与本发明方法的测量结果的误差为32.7nm。从而可以看出，本发明实施例所采用的方法所获得的测量精度大致为约30nm，远高于直接采用显微镜目镜读取膜层厚度的测量精度。应当理解，尽管本实施例未测量图5中区域E对应的膜层厚度，但是，根据本发明实施例提供的上述方法，可以对区域E对应的膜层厚度进行测量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，所述半导体外延片包括半导体衬底和在所述半导体衬底上的外延结构，所述外延结构至少包括第一膜层以及在所述第一膜层上并且紧邻所述第一膜层的第二膜层，所述第一膜层的靠近所述衬底的一侧的紧邻结构中的铝组分含量与所述第一膜层的铝组分含量不同，所述第二膜层的铝组分含量与所述第一膜层的铝组分含量不同，所述方法包括：

提供待测半导体外延片的侧表面，所述侧表面与所述待测半导体外延片的上表面垂直；

采用预处理溶液对所述侧表面处理持续预定时间段，以获得经处理的侧表面，所述预处理溶液能够与含铝组分化合物材料进行化学反应，所述预处理溶液为硫酸、双氧水和水的混合溶液；

采用光学显微镜在预设倍数下观测所述经处理的侧表面，并且利用所述光学显微镜配置的相机获取对应的显微镜照片；

采用预设算法对所述显微镜照片进行数据处理，以获得所述第一膜层的厚度对应的像素个数数据；

根据所述像素个数数据和像素标尺值计算获得所述第一膜层的厚度，所述像素标尺值为预先获取的所述光学显微镜配置的相机在所述预设倍数下获取的照片中一个像素所对应的尺寸值，

所述采用预设算法对所述显微镜照片进行数据处理，以获得所述第一膜层的厚度对应的像素个数数据，包括：

将所述显微镜照片的格式转变为灰度图；

获取所述灰度图中的预定区域对应的灰度像素值矩阵，所述预定区域沿垂直于所述外延片表面的方向包括完全覆盖所述第一膜层的厚度的第一子预定区域、覆盖所述第二膜层的至少一部分厚度的第二子预定区域以及覆盖所述第一膜层的靠近所述衬底的一侧的紧邻结构的至少一部分厚度的第三子预定区域，并且所述第一子预定区域分别与所述第二子预定区域和所述第三子预定区域紧邻；

在所述灰度像素值矩阵中，对沿平行于所述外延片表面的方向的每一列像素值求平均值，从而获得由每一列像素值对应的平均值构成的平均值数组，所述平均值数组中数据的个数等于所述灰度像素值矩阵中垂直于所述外延片表面的方向的像素列的个数，所述平均值数组中数据的相对位置与所述每一列像素值在所述灰度像素值矩阵中的相对位置对应；

对所述平均值数组进行归一化处理，从而获得归一化像素数据；

根据预设阈值，对所述归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据；

获取所述二值化像素数据中所述第一膜层的厚度所对应的像素的个数，并且将该个数作为所述第一膜层的厚度对应的像素个数数据。

2.根据权利要求1所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，所述半导体衬底的材料为如下中的任一种：InP、GaAs、Ge、Si、蓝宝石、GaN、SiC。

3.根据权利要求2所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，所述第一膜层的靠近所述衬底的一侧的紧邻结构为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；所述第二膜层为不含铝的半导体材料或者铝组分小于0.25的含铝化合物半导体材料；所述第一膜层为铝组分高于0.4的含铝化合物半导体材料。

4.根据权利要求3所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，所述第一膜层的材料为如下中的任一种：InAlAs、InAlP、AlAs、AlP、AlGaAs、AlGaP、AlGaAsP、InGaAlAs。

5.根据权利要求4所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，在所述预处理溶液中，硫酸:双氧水的体积比范围为1:1至1:10；硫酸:水的体积比范围为1:5至1:500，并且双氧水:水的体积比范围为1:5至1:100，所述预定时间段的范围为5秒至60秒。

6.根据权利要求5所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，在所述预处理溶液中，硫酸:双氧水:水的体积比为1:7:450，所述预定时间段的范围为20秒至50秒。

7.根据权利要求1所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，所述预定区域为矩形区域，所述矩形区域的一边平行于所述外延片表面延伸的方向。

8.根据权利要求1或7所述的测量半导体外延片中膜层厚度的方法，其特征在于，在所述根据预设阈值，对所述归一化像素数据进行二值化处理，以得到二值化像素数据之前，所述方法还包括：

结合所述外延结构，确定所述归一化像素数据对应的曲线图中的每一个凸起区域以及该凸起区域两侧预定范围内的左区域和右区域，所述凸起区域与所述外延结构中的所述第一膜层对应，所述左区域与所述第一膜层的靠近衬底的一侧的紧邻结构对应，所述右区域与所述第二膜层对应；

针对每一个凸起区域，确定在该凸起区域内的归一化像素数据的最大值、在所述左区域内的归一化像素数据的左最小值以及在所述右区域内的归一化像素数据的右最小值；

针对所述归一化像素数据对应的曲线图中所述左最小值对应的像素数据至所述最大值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*（最大值-左最小值）+左最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值；

针对所述归一化像素数据对应的曲线图中所述最大值对应的像素数据至所述右最小值对应的像素数据之间的区域，将[0.5*（最大值-右最小值）+右最小值]作为该区域进行二值化处理时的预设阈值。

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