CN115790412A - 一种膜厚测试和均匀性调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜厚测试和均匀性调节方法，包括：步骤S1：在待测样品上选定多个测试点；步骤S2：获取多个测试点的反射率或透过率光谱图；步骤S3：选定参考波长、参考光谱和波长点。步骤S4：通过光学模拟软件模拟光谱曲线和光谱曲线对应的膜厚，得出膜厚和选定的波长点对应的反射率或透过率之间的推算公式；步骤S5：根据推算公式计算选定的波长点下所有测试点的膜厚。本发明克服了大批量或大尺寸样品膜厚测试耗时长、膜厚检测时样品破坏性等问题，通过获得的膜厚和波长的推算公式可快速获得所有测试点的膜厚，膜厚测试耗时大大缩短，给膜厚的均匀性调节留出了足够的时间。

Description

一种膜厚测试和均匀性调节方法

技术领域

本发明属于镀膜技术领域，具体为一种膜厚测试和均匀性调节方法。

背景技术

镀膜行业内，无论磁控溅射电子束蒸发，还是PECVD等镀膜方式，在涉及到大尺寸和量产性上，都会面临膜厚均匀性的检测和调节问题，目前主要的膜厚测试方法包括台阶仪测试物理膜厚、用椭偏仪来测试膜厚、通过扫描电镜看样品截面、测试反射光谱或者测试透射光谱的方式来测试膜厚等。当测试样品的数目不多时，目前常规的测试手段基本都能满足要求，但是目前行业内产品的尺寸有越做越大的趋势、对镀膜产品的光学要求越来越高，当产品尺寸越来越大时，代表测试的点位也会越来越多，当对产品光学要求越来越高时，也会要求测试的点位越来越精细。当测试任务越来越多时，上述传统测试方法的低效、耗时、非全面性的缺点就越来越突出。部分测试手段的误差也会增加整个膜厚测试过程的困难和故障率。某些测试方法需要制备的样品膜厚非常厚，造成镀膜成本的增加和浪费。

对于台阶仪测试膜厚时，需要将样品镀制成一个台阶模式，以马克笔划线的方式或者以贴遮挡片的方式形成一个镀膜和非镀膜区域的台阶，本方法属于破坏性的方法，测试的样品属于陪镀的方式，当膜厚较薄时也会存在比较大的误差，更重要的是如果测试样品众多，光一个测试任务就非常艰巨，如果测试样品众多，例如1000个测试样，以每一个测试样测试2min，那么需要2000min才能完成这批测试样品。

对于椭偏仪测试膜厚，椭偏仪需要用硅片或者蓝宝石等基片来做样片，也属于一种破坏性的测试，如果产品的尺寸偏大则无法放进椭偏仪器中进行测样，也是需要以陪镀样片的方式来进行样片制作，当测试样片较多时，测试任务也会花费巨大的时间量，如1000个测试样，以每一个测试样测试3min，那么需要3000min才能完成这批测试样品。

对于扫面电镜测试厚度，扫描电镜看截面属于成本非常高的测试方法，也是属于一个破坏性的测试手段，需要将样品切成截面来拍样品的截面图来得到膜厚，需要用陪镀片的方式来进行制样，测量成本是极高的，另外，这种测试耗时也非常长，例如1000个制样，以测量一个样品按10min计算，总耗时10000min。

目前行业内测试反射光谱或者测试透射光谱的方式来测试膜厚的方式，均是需要将制样的膜厚做得相对较厚，一般需要呈现出多个波峰波谷，厚度一般需要做到300～700nm的范围才能拿来作样，在测量完光学之后再用光学模拟软件进行模拟膜厚。目前行业内的做法也是比较耗时的，例如1000个测试样，以一分钟测试六个样计算，则需要166min才能完成这批测试样品，再加上分析和模拟的时间按1min两个模拟样的速度计算，模拟出膜厚需要500min，则得出这1000个样品膜厚的测试时间为666min。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供种一种膜厚测试方法，克服了大批量或大尺寸样品膜厚测试耗时长、膜厚检测时样品破坏性等问题，以光谱曲线为基础，利用光学模拟软件，通过某个波长点的反射率或透过率值和膜厚的线性关系，获得膜厚和波长的推算公式，利用excel表格或其它计算软件，通过推算公式可以快速获得所有测试点的膜厚，膜厚测试耗时大大缩短，给膜厚的均匀性调节留出了足够的时间，根据获得的膜厚的厚度值和均匀性值，可以准确进行镀膜条件各要素的调节，从而将膜层均匀性调节至理想范围。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种膜厚测试方法，包括如下步骤：

步骤S1：在待测样品上选定多个测试点；

步骤S2：获取多个测试点的反射率或透过率光谱图；

步骤S3：选定参考波长、参考光谱和波长点，参考波长为光谱图中各测试点的光谱曲线中有线性规则的一段波长范围，参考光谱为参考波长对应的所有光谱曲线段中的居中曲线所在的光谱曲线，波长点为参考波长中的一个具体波长点值。

步骤S4：通过光学模拟软件模拟光谱曲线和光谱曲线对应的膜厚，得出膜厚和选定的波长点对应的反射率或透过率之间的推算公式；

步骤S5：根据推算公式计算选定的波长点下所有测试点的膜厚。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤S1中，在待测样品的长度或宽度方向上均匀选定多个测试点。

步骤S4包括如下步骤：

步骤S41：将参考光谱导入光学模拟软件，设定模拟参数，得到参考光谱对应的模拟光谱曲线和模拟光谱曲线对应的膜厚；

步骤S42：在光学模拟软件中模拟出多条光谱曲线，多条光谱曲线对应的膜厚各不相同；

步骤S43：列出多条模拟出的光谱曲线在波长点对应的多个反射率或透过率与对应膜厚的推算公式。

在步骤S5进行前，先验证推算公式，验证方法为：将步骤S4中光学软件中多条模拟光谱曲线对应的膜厚和推算公式计算得到的膜厚进行比较，若两者一致则证明推算公式适用，若两者不一致，则返回步骤S3，重新选定参考波长和/或参考光谱和/或波长点，直至两者一致。

根据推算公式和波长点下所有测试点的反射率，在excel表格中计算得到所有测试点的膜厚。

所述光学模拟软件为TFC、麦克劳德、opticlayer中的其中一种或多种。

一种膜厚均匀性调节方法，基于上述的测试方法，步骤S5中还计算出均匀性：

其中，最大值是指步骤S5中所有测试点的膜厚当中的最大值，最小值是指步骤S5中所有测试点的膜厚当中的最小值。

操作人员根据膜厚数据和均匀性值调整镀膜条件，至所述均匀性下降至设定范围内。

调整镀膜条件时调整的要素为镀膜时的气氛、磁场和MASK中的一种或多种。

MASK调节尺寸＝各点对平均值的百分比*100*x

其中：

各点对平均值的百分比＝(对应点推算公式计算的膜厚-平均值)/平均值；

x＝经验调节1％对应的尺寸，

平均值指步骤S5中所有测试点的膜厚的平均值。

本发明的有益效果是：

1)克服了大批量或大尺寸样品膜厚测试耗时长的问题，一方面，本方案在测试反射率或透过率曲线的过程中，一分钟以内可以得到至少30个测试样，极大地提高了检测速度，另一方面，利用光学软件，可以在比较薄的膜厚范围内，通过某个波长点的反射率或透过率值和膜厚的线性关系，获得膜厚和波长的推算公式，利用excel表格或其它计算软件，通过推算公式可以快速获得所有测试点的膜厚，利用excel表格时，使用者只需要将所有测试点的反射率或透过率复制入表格，即可瞬间得到膜厚数据和均匀性数据，与目前行业常规测试方法相比，使用1/10不到的时间便可达到测试膜厚的目的，极大地提高了后续调节均匀性的效率。

2)膜厚测试耗时大大缩短，给膜厚的均匀性调节留出了足够的时间，根据获得的膜厚的厚度值和均匀性值，可以准确进行镀膜条件各要素的调节，从而将膜层均匀性调节至理想范围。

3)克服了膜厚检测时样品破坏性的问题。在制作样品时可以选择用陪镀片，也可以直接用样品来进行测试，当采用开放式的光谱测试仪时，可以直接对样品进行测试而不会破坏样品。

4)克服了测试样片镀层偏厚的问题。本方案需求的样品薄膜厚度可以控制在100nm以内，与其他光学方法需要将膜层镀制350～700nm的区间相比，本方案极大缩短了制样时间，同时也可以节省靶材和膜料。

5)所述检测方法高效、成本低。

附图说明

图1是本发明一个实施例的多个测试点的光谱图。

图2是本发明一个实施例的参考波长、参考光谱和参考点示意图。

图3是本发明一个实施例的参考光谱和参考光谱对应的模拟光谱曲线示意图。

图4是本发明一个实施例的多条模拟光谱曲线示意图。

图5是本发明一个实施例的推算公式示意图。

图6是本发明一个实施例的多个测试点的原始光谱图。

图7是本发明一个实施例的进行均匀调节后的多个测试点的光谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

一种膜厚测试和均匀性调节方法，包括如下步骤：

步骤S1：在待测样品长度或宽度方向上均匀选定多个测试点。

本实施例中，选取的待测样品为NB₂O₅膜层，通过宏大真空的型号为HD-SCK1800-ICP的设备作为实验机台镀制而成。选取的样品尺寸为300mm*1500mm，即样品膜层长度为1500mm、宽度为300mm。

本实施例中，在所述样品长度方向上进行膜厚测试，具体的，在1500mm范围内均匀选定53个测试点。

步骤S2：获取多个测试点的光谱图。

本实施例中，选取的光谱测试仪器为cm700d。对所述NB₂O₅膜层样品上选取的53个测试点进行光谱测试，得到53个测试点的光谱图，如图1所示，其中横坐标为波长(nm)、纵坐标为反射率。

步骤S3：选定参考波长和参考光谱，参考波长为光谱图中各测试点的光谱曲线中有线性规则的一段对应的波长范围，参考光谱为参考波长范围内对应的所有光谱曲线段中的居中曲线所在的光谱曲线。

本实施例中，选定的参考波长范围为470nm～520nm，图2中方框框出的区域即为选定的参考波长对应的测试点的光谱曲线，可看出，此参考波长范围内，各测试点的光谱线是其所在的整条光谱线中线性规则比较好的一段。

所述居中曲线的定义和选择方法为：在参考波长范围内选定一个波长点，所述波长点对应的各反射率中的中位数对应的光谱曲线或最接近中位数的反射率对应的光谱曲线即为居中曲线。

本实施例中，选定的波长点为500nm，将500nm处对应的各测试点的反射率取中位数或最接近中位数的反射率，取出的此反射率和波长点共同对应的光谱曲线即为选定的参考光谱。本实施例中，选定的参考光谱为第46个测试点对应的光谱曲线。

步骤S4：通过光学模拟软件模拟光谱曲线和光谱曲线对应的膜厚，得出膜厚和波长点对应各反射率的关系式。

在光谱曲线的模拟过程中，需要对应优化基材光学常数，以使模拟的基材等条件和现实条件对应。

可用的光学模拟软件包括但不限于TFC、麦克劳德、opticlayer等。

本实施例中，选用的光学模拟软件为TFC。

步骤S4包括如下步骤：

步骤S41：将参考光谱导入光学模拟软件，设定模拟参数，得到参考光谱对应的模拟光谱曲线和模拟光谱曲线对应的膜厚。

设参考光谱对应的模拟光谱曲线对应的膜厚为参考膜厚。

本实施例中，模拟材料氧化铌的光学常数，以达到参考光谱和参考光谱对应的模拟曲线完全重合，重合度越高代表光谱模拟膜厚越准确。

如图3所示，其中虚线为导入的参考光谱，实线为参考光谱对应的模拟光谱曲线，参考光谱对应的模拟光谱曲线是指和参考光谱重合度较高或基本完全重合的模拟光谱曲线。

本实施例中，参考光谱对应的模拟光谱曲线对应的膜厚，即参考膜厚为82.23nm。

步骤S42：在光学模拟软件中模拟出多条光谱曲线，多条光谱曲线对应的膜厚各不相同。

本步骤中，多条模拟光谱曲线基于相同的基材光学参数，多条模拟光谱曲线中，部分曲线对应的膜厚大于参考膜厚，部分曲线对应的膜厚小于参考膜厚。具体到本实施例中，共模拟出五条模拟光谱曲线，其中一条为参考光谱对应的模拟光谱曲线，另外四条模拟光谱曲线对应的膜厚分别为75.23nm、78.73nm、85.73nm、89.23nm，如图4所示。即本实施例中，基于参考膜厚，即82.23nm为基础，以3.5nm为间隔，选取两个大于82.23nm的膜厚值和两个小于82.23nm的膜厚值。实际操作中，可根据具体应用选择不同的间隔或采用不同的方法确定相应的膜厚和对应的模拟曲线。

步骤S43：列出多条模拟出的光谱曲线在波长点对应的多个反射率或透过率与对应膜厚的推算公式。

本实施例中，步骤S42中五条模拟光谱曲线在选定的波长点500nm处的反射率分别为26.6733、24.0155、21.1744、18.2707、15.4576，各反射率和对应的膜厚之间的关系图拟合后如图5所示，是非常有规则的线性关系，其中横坐标是反射率，纵坐标是膜厚，其推算公式为：

其中，Re为参考波长点500nm对应的反射率值。

步骤S5：根据推算公式计算选定的波长点下所有测试点的膜厚和膜厚平均值、均匀性。

此步骤前，先验证推算公式，验证方法为：将多条模拟光谱曲线对应的膜厚和推算公式计算得到的膜厚进行比较，若两者一致则证明推算公式适用，若两者不一致，则返回步骤S3，重新选定参考波长和/或参考光谱和/或波长点，直至两者一致。

本步骤中，所述一致是指在满足同样精度的条件下一致，例如精确到小数点后两位时两者一致。

本实施例中，五条模拟曲线对应的膜厚和通过推算公式计算的膜厚如表1所示。

表1：五条模拟曲线对应的膜厚和通过推算公式计算的膜厚

本实施例中，根据推算公式计算了500nm下53个测试点的膜厚和膜厚平均值、均匀性。

本实施例中，可根据得到的所述推算公式在excel上形成表格，计算得到500nm下53个测试点的膜厚。使用者只需要将所有测试点的反射率复制入公式，即可瞬间得到膜厚数据和均匀性数据，与目前行业常规测试方法相比，使用1/10不到的时间便可达到测试膜厚的目的，极大地提高了调节均匀性的效率。表2为多种方法测试1000个样品的耗时对比。

表2各方法测试1000个样品的耗时对比

由表2可知，与其它方法相比，本方案大大降低了膜厚测试用时。

本实施例中，得到的500nm下53个测试点的膜厚最大值为89.31707821nm，最小值为75.00050712nm，平均值为79.64852366nm，均匀性为8.71％。其中，

步骤S6：操作人员根据膜厚数据和均匀性值调整镀膜条件，至所述均匀性下降至设定范围内。

通过推算公式可以十分迅速地获得所有测试点的膜厚数据、均匀性数据，因此，操作人员可以根据膜厚数据和均匀性数据及时调整对应部位的气氛、磁场和MASK等，即快速进行均匀性调整。

设各点对平均值的百分比＝(对应点推算膜厚-平均值)/平均值。

MASK调节尺寸＝各点对平均值的百分比*100*x。

x＝经验调节1％对应的尺寸，即均匀性调节1％对应MASK的调节尺寸，例如原来均匀性8％，那么x就是将均匀性调节到7％时MASK的调节尺寸。

本实施中，按经验MASK调节标准，可以在一到两次将膜厚均匀性调节至1％以内。调解前和调节后的光谱图分别如图6和图7所示，进行一次MASK调节后均匀性达到0.83％。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜厚测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：在待测样品上选定多个测试点；

步骤S2：获取多个测试点的反射率或透过率光谱图；

步骤S3：选定参考波长、参考光谱和波长点，参考波长为光谱图中各测试点的光谱曲线中有线性规则的一段波长范围，参考光谱为参考波长对应的所有光谱曲线段中的居中曲线所在的光谱曲线，波长点为参考波长中的一个具体波长点值。

步骤S4：通过光学模拟软件模拟光谱曲线和光谱曲线对应的膜厚，得出膜厚和选定的波长点对应的反射率或透过率之间的推算公式；

步骤S5：根据推算公式计算选定的波长点下所有测试点的膜厚。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤S1中，在待测样品的长度或宽度方向上均匀选定多个测试点。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤S4包括如下步骤：

步骤S41：将参考光谱导入光学模拟软件，设定模拟参数，得到参考光谱对应的模拟光谱曲线和模拟光谱曲线对应的膜厚；

步骤S42：在光学模拟软件中模拟出多条光谱曲线，多条光谱曲线对应的膜厚各不相同；

步骤S43：列出多条模拟出的光谱曲线在波长点对应的多个反射率或透过率与对应膜厚的推算公式。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：在步骤S5进行前，先验证推算公式，验证方法为：将步骤S4中光学软件中多条模拟光谱曲线对应的膜厚和推算公式计算得到的膜厚进行比较，若两者一致则证明推算公式适用，若两者不一致，则返回步骤S3，重新选定参考波长和/或参考光谱和/或波长点，直至两者一致。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：根据推算公式和波长点下所有测试点的反射率，在excel表格中计算得到所有测试点的膜厚。

6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述光学模拟软件为TFC、麦克劳德、opticlayer中的其中一种或多种。

7.一种膜厚均匀性调节方法，基于权利要求1～6任一所述的测试方法，其特征在于，步骤S5中还计算出均匀性：

其中，最大值是指步骤S5中所有测试点的膜厚当中的最大值，最小值是指步骤S5中所有测试点的膜厚当中的最小值。

8.根据权利要求7所述的调节方法，其特征在于：操作人员根据膜厚数据和均匀性值调整镀膜条件，至所述均匀性下降至设定范围内。

9.根据权利要求8所述的调节方法，其特征在于：调整镀膜条件时调整的要素为镀膜时的气氛、磁场和MASK中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的调节方法，其特征在于：

MASK调节尺寸＝各点对平均值的百分比*100*x

其中：

各点对平均值的百分比＝(对应点推算公式计算的膜厚-平均值)/平均值；

x＝经验调节1％对应的尺寸，

平均值指步骤S5中所有测试点的膜厚的平均值。

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