CN209116974U - 一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，其特征在于：所述测量SiO2薄膜厚度是基于椭偏法采用微纳米薄膜厚度标准样片结合等效物理结构模型进行测量的，所述的等效物理结构模型是根据Si/SiO2薄膜的实际多层膜物理结构模型建立的简化等效物理结构模型，实际多层膜物理结构模型顺序包括表面粗糙层、SiO2薄膜层、中间混合层及Si基底，其中所述的中间混合层为Si基底与SiO2薄膜层之间反应产生的SixOy产物膜层。本实用新型可保证不同厂家、型号的椭偏仪建立薄膜物理结构模型的统一性与结果的一致性，为建立和完善微纳米薄膜量值溯源体系奠定基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种薄膜厚度测量的等效替代模型，特别是公开一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，根据微纳米薄膜厚度标准样片的计量、溯源性需求，简化建模步骤，实现不同厂家、品牌的椭偏仪在同种材料膜系结构的物理结构模型的标准化，用于校准椭偏类光学薄膜测量仪器。
背景技术
随着科学技术的不断创新，半导体工业、精密工程工业、纳系统技术（NEMS）和纳米材料科学迅速发展，致使对微纳结构高精度、准确地定量化测量的需求越来越迫切。纳米薄膜厚度这一特征参数在半导体加工、机械制造等先进产业逐渐受到重视，并且微型器件特征尺寸日益缩减，薄膜厚度尺寸越来越小，实现对薄膜厚度度参数的精确测量日益迫切。同时，薄膜技术和微型器件在航空、航天、医疗、半导体等产业中广泛应用，推动着薄膜测试技术对薄膜厚度的量值评价方法与结果的统一化发展，因此，研究微纳米薄膜的评价方法，建立微纳米薄膜厚度溯源体系已成为完善我国长度计量体系的首要任务。
为满足现阶段高精密行业发展的测试需求，保证测量仪器的可靠性，保证测量结果的一致性，微纳米薄膜标准样片作为实物标准，被广泛的应用于薄膜测量仪器的校准工作中。实际应用中，不同加工方式、不同测量原理等都会影响薄膜厚度评价结果的准确性。所以，为了提高薄膜厚度量值传递的一致性与可靠性，在微纳米薄膜标准样片的评价模型等方面建立统一的等效模型是实现微纳米薄膜厚度准确量值溯源的基础，也是促进微纳米薄膜相关产业持续健康发展的重要支撑。
发明内容
本实用新型的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，采用的是一种理想化Si/SiO2薄膜（即以Si硅片为基底，生长有SiO2的薄膜的微纳米薄膜）物理结构模型，根据椭偏法测量原理，对其结构模型进行等效替代，不仅简化了物理结构模型建模步骤，而且为建立微纳米薄膜测量溯源体系提供统一的结构模型，可保证不同厂家、型号的椭偏仪建立薄膜物理结构模型的统一性与结果的一致性，为建立和完善微纳米薄膜量值溯源体系奠定基础。
本实用新型是这样实现的：一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，其特征在于：所述测量SiO2薄膜厚度是基于椭偏法采用微纳米薄膜厚度标准样片结合等效物理结构模型进行测量的，所述的等效物理结构模型是根据Si/SiO2薄膜的实际多层膜物理结构模型建立的简化等效物理结构模型，实际多层膜物理结构模型顺序包括表面粗糙层、SiO2薄膜层、中间混合层及Si基底，其中所述的中间混合层为Si基底与SiO2薄膜层之间反应产生的SixOy产物膜层。
所述的微纳米薄膜厚度标准样片包括A、B、C三个区域，其中A区域为形状薄膜厚度测量区域，布置有循迹标尺，B区域为物性薄膜厚度测量区域，是微纳米光学类薄膜测试仪器的有效测量区域，布置有循迹标识，C区域为标识区域，布置有标准样片标识性的图案设计内容。
采用本实用新型进行测量SiO2薄膜厚度的测量方法包括下述步骤：
（1）将被测薄膜的实际物理结构特征简化为等效物理结构模型，
（2）根据被测薄膜的材料结构特征及光学特性建立光学色散模型，
（3）采用数值迭代反演求解椭偏参数，
（4）椭偏参数评价验证。
所述步骤（2）中光学色散模型采用柯西Cauchy模型，公式为：
n(λ)=A+B/λ2+C/λ4
其中A，B，C为三个柯西色散系数，因薄膜材料的不同而不同。当测定多组不同波长下的折射率n(λ)，代入柯西色散公式可得到联立方程式，求解联立方程式可知该种薄膜材料的三个柯西色散系数A，B，C的值。可根据柯西色散系数的值，计算其他波长下的折射率。
所述步骤（3）中采用数值迭代反演是指通过不断调整待求参数的假定值来求解评价函数最小值，当评价函数为求解范围内的最小值时，待求参数的值为需求解的椭偏参数的值。
所述的步骤（4）是采用评价函数用来表明由模型计算得到的椭偏参数数值与实验得到的椭偏参数数值之间差异的大小，其中评价函数的值越小，则参数拟合的越好，所采用的评价函数为：
式中，——根据模型预测得到的Ψ值；
——实验测量得到的Ψ值；
——M次实验测量得到的Ψ值的标准偏差；
——根据模型预测得到的Δ值；
——实验测量得到的Δ值；
——M次实验测量得到的Δ值的标准偏差。
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过实际分析薄膜物理结构模型，根据椭偏法测量原理，对微纳米薄膜测量材料的实际物理结构模型进行简化，实现简化椭偏仪的Si/SiO2薄膜结构建模过程，对微纳米薄膜的实际结构模型进行等效替代，将简化模型作为Si/SiO2实际椭偏应用的实际物理结构模型，并根据被测薄膜材料结构特征及光学特性，建立光学色散模型；采用数值迭代法反演求解椭偏参数并对拟合结果进行验证，保证测量结果的准确性。本实用新型在保证与薄膜材料光学色散模型的各项光学常数较好拟合的同时，满足不确定度范围内对Si/SiO2材料的结构模型标准化，提高了薄膜厚度的结构模型的统一化与标准化，实现薄膜厚度量值的可溯源性，可保证不同厂家、型号的椭偏仪建立薄膜物理结构模型的统一性与结果的一致性。通过本实用新型的等效物理结构模型能有效推动微纳米薄膜的评价结果统一性，为建立微纳米薄膜量值溯源体系奠定基础。
附图说明
图1是微纳米薄膜厚度标准样片结构布局示意图。
图2是采用椭偏仪对微纳米薄膜厚度标准样片均匀性测量评价的扫描路径。
图3是测量Si/SiO2时单层膜模型的拟合结构示意图。
图4是测量Si/SiO2时实际结构的多层膜模型的拟合结构示意图。
图中：A、形状薄膜厚度测量区域；B、物性薄膜厚度测量区域； C、标识区域；1、SiO2薄膜层；2、Si基底层；3、表面粗糙层；4、中间混合层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
根据附图1～4，本实用新型为一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，所述测量SiO2薄膜厚度的方法是基于椭偏法采用微纳米薄膜厚度标准样片结合等效物理结构模型进行测量的，所述的等效物理结构模型是根据Si/SiO2薄膜的实际多层膜物理结构模型建立的简化等效物理结构模型，顺序包括表面粗糙层3、SiO2薄膜层1、中间混合层4及Si基底2，其中所述的中间混合层4为Si基底与SiO2薄膜层之间反应产生的SixOy产物膜层。
本实用新型等效物理结构模型在测量SiO2薄膜厚度中的具体测量步骤如下：
（1）将被测薄膜的实际物理结构特征简化为等效物理结构模型，
（2）根据被测薄膜的材料结构特征及光学特性建立光学色散模型，
（3）采用数值迭代反演求解椭偏参数，
（4）椭偏参数评价验证。
根据附图1，所述的微纳米薄膜厚度标准样片包括A、B、C三区域，A区域为形状薄膜厚度测量区域，并布置有循迹标尺；B区域为物性薄膜厚度测量区域，是微纳米光学类薄膜测试仪器的有效测量区域，并布置有循迹标识；C区域为标识区域，用于布置标准样片的图案设计等标识性内容。
根据附图2，椭偏仪对Si/SiO2薄膜厚度的均匀性进行测量评价的扫描路径顺序为点①至点⑤，测量结果取五点测量结果的平均值。
根据附图3，测量Si/SiO2时双层膜模型的拟合结构示意图，微纳米薄膜厚度标准样片拟合双层物理结构模型SiO2薄膜层1，微纳米薄膜厚度标准样片拟合双层物理结构模型Si基底2。
根据附图4，微纳米薄膜厚度标准样片测量Si/SiO2实际结构的多层膜模型的拟合结构时，将Si/SiO2膜厚标准样片依次拟合等效物理结构模型的表面粗糙层3、SiO2薄膜层1、中间混合层4和Si基底2。
已知Si/SiO2镀膜理想工艺标准如图2，在Si基底表面附着一层均一、稳定的SiO2薄膜结构。但在实际加工中，受工艺条件和保存环境等因素影响，实际所形成的薄膜结构如图4所示，在SiO2薄膜与Si基底之间还存在有中间氧化物，如：Si2O3、SiO和Si2O等，形成中间混合层4。其原因是由于在镀膜时氧气和Si发生反应后，在硅片表面生成一层SiO2保护膜，在后续的氧化反应中，到达硅表面的氧气分子很有限，致使氧气不能够与硅充分发生反应，生成中间氧化产物。同时，在实际加工中由于薄膜厚度标准样片表面并不是理想光滑表面，为了使所建立的等效物理结构模型与薄膜厚度标准样片的实际膜系结构完全拟合，所以在环境与SiO2薄膜之间再引入一个虚拟膜层，为表面粗糙层3。因此，在使用椭偏仪测量时，需要通过对表面粗糙层3、中间混合层5的性质进行研究，将中间层作为一个实物薄膜层来考虑，建立中间混合层的模型，获得的薄膜厚度标准样片是由表面粗糙层3、SiO2薄膜层1、中间混合层4和Si基底2构成的多层膜结构。建立等效模型时将中间混合层的厚度和光学参数作为输入量来进行考虑，最终通过数据分析分别得到SiO2薄膜层1、中间混合层4和表面粗糙层3的真实厚度。
基于以上对Si/SiO2实际薄膜结构进行分析，将实际测量多层膜拟合物理结构的中间混合层4与表面粗糙层3的结果进行合并。分别建立理想单层膜物理结构模型以及实际测量多层膜拟合物理结构模型对不同标称值Si/ SiO2薄膜厚度标准样片进行测量分析。基于Si/SiO2薄膜实际多层膜物理结构模型建立简化等效物理结构模型，测量Si/SiO2薄膜厚度的具体步骤如下：
（1）、根据实际被测薄膜实际物理结构特征，简化为合理等效地物理结构模型；
将在实际加工中，由工艺条件和保存环境等因素影响，实际所形成的多层薄膜结构简化等效为单层膜结构。为建立微纳米薄膜测量溯源体系提供统一的结构模型，可保证不同厂家、型号的椭偏仪建立薄膜物理结构模型的统一性与测量结果的一致性。
（2）、根据被测薄膜材料结构特征及光学特性，建立光学色散模型；
对薄膜的椭偏光谱进行拟和时，需要根据待测材料不同的特性，赋予每层薄膜合适的色散关系，对于Si/ SiO2标准样片的物理结构以及透明特性，采用Cauchy模型，可以较好的反映薄膜的色散关系，这一关系表示为：
n(λ)=A+B/λ2+C/λ4
其中A,B,C为三个拟合得到的柯西色散系数，因薄膜材料的不同而不同。当测定多组不同波长下的折射率n(λ)，代入柯西色散公式可得到联立方程式，求解联立方程式可知该种薄膜材料的三个柯西色散系数A,B,C的值。可根据柯西色散系数的值，计算其他波长下的折射率。（3）、采用数值迭代反演求解椭偏参数；
采用数值迭代算法，通过搜寻评价函数的最小值来求解椭偏参数的值；假定一组待求参数初始值代入评价函数进行求解，通过不断调整待求参数的假定值来求解评价函数最小值，当评价函数为求解范围内的最小值时，待求参数的值为需求解的椭偏参数的值。
（4）、椭偏参数评价验证。
采用评价函数用来表明由模型计算得到的椭偏参数数值与实验得到的椭偏参数数值之间差异的大小，评价函数的值越小，说明参数拟合的越好。
式中，——根据模型预测得到的Ψ值；
——实验测量得到的Ψ值；
——M次实验测量得到的Ψ值的标准偏差；
——根据模型预测得到的Δ值；
——实验测量得到的Δ值；
——M次实验测量得到的Δ值的标准偏差。
使用椭偏仪对薄膜厚度标准样片均匀性测量评价的扫描路径如附图2所示。
基于以上对Si/SiO2实际薄膜结构进行分析，分别建立理想单层膜物理结构模型以及实际测量多层膜拟合物理结构模型对不同标称值Si/ SiO2膜厚标准样片进行测量分析。
表1 基于SiO2单层膜测量拟合结构模型薄膜厚度标准样片测量结果。
表2 基于SiO2实际测量多层膜拟合结构模型薄膜厚度标准样片测量结果。
由上述两表的测量结果：基于两个不同物理结构模型对多种标称值的薄膜厚度标准样片进行测量，测量结果偏差均小于5%。因此，在实际计量校准中，为简化建模流程，保证物理结构模型的一致性，可均采用Si/SiO2的理想结构模型为该种薄膜厚度测量建模的标准物理结构模型，等效替代Si/SiO2的实际物理结构模型进计量校准。
在基于椭偏法测量SiO2薄膜厚度的过程中，本实用新型是通过实际分析Si/SiO2薄膜物理结构模型，根据椭偏法测量原理，对其实际结构模型进行等效替代，可保证不同厂家、型号的椭偏仪建立薄膜物理结构模型的统一性与结果的一致性；根据被测薄膜材料结构特征及光学特性，建立光学色散模型；采用数值迭代法反演求解椭偏参数并对拟合结果进行验证，保证测量结果的准确性。
本实用新型结合现阶段微电子行业及精密制造业的发展需求，是理想化Si/SiO2薄膜物理结构模型，不仅简化了物理结构模型建模步骤，而且为建立微纳米薄膜测量溯源体系提供统一的结构模型，通过多次测量分析实验，验证替代模型的可实现性。实现了基于椭偏测量Si/SiO2薄膜厚度的物理结构模型等效替代测量，方便应用于不同椭偏类光学薄膜测量仪器产品的校准。
Claims (2)
1.一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，其特征在于：所述的等效物理结构模型是配合基于椭偏法并采用微纳米薄膜厚度标准样片对SiO2薄膜厚度进行测量用的物理结构模型，所述的等效物理结构模型是根据Si/SiO2薄膜的实际多层膜物理结构模型建立的简化等效物理结构模型，实际多层膜物理结构模型顺序包括表面粗糙层、SiO2薄膜层、中间混合层及Si基底，其中所述的中间混合层为Si基底与SiO2薄膜层之间反应产生的SixOy产物膜层。
2.根据权利要求 1 所述的一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型，其特征在于：所述的微纳米薄膜厚度标准样片包括A、B、C三个区域，其中A区域为设有循迹标尺的形状薄膜厚度测量区域，B区域为设有循迹标识的物性薄膜厚度测量区域，是微纳米光学类薄膜测试仪器的有效测量区域，C区域为设有标准样片标识性的图案设计内容的标识区域。
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| CN201821794604.8U CN209116974U (zh) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | 一种测量SiO2薄膜厚度用的等效物理结构模型 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112361973A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-12 | 华侨大学 | 一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法 |
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2018
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| CN112361973A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-02-12 | 华侨大学 | 一种金刚石薄膜厚度及光学常数检测方法 |
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