一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法

摘要

本发明公开了一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法，包括如下步骤：第一步，确定膜厚标准样片的材料；第二步，确定膜厚标准样片的薄膜厚度，使得在所述薄膜厚度下得到的椭偏角能够覆盖所需校准的光谱型椭偏仪椭偏角的范围；第三步，制作膜厚标准样片；第四步，使用多台标准光谱型椭偏仪进行比对测量，确定膜厚标准样片的椭偏角的标准值，即为定标；第五步，使用膜厚标准样片对所需校准的光谱型椭偏仪的椭偏角进行校准，椭偏角的测量误差由所需校准的光谱型椭偏仪的椭偏角测量值与椭偏角的标准值相比较确定。本发明能根据需要全面覆盖光谱型椭偏仪椭偏角的测量范围，校准准确可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱型椭偏仪技术领域。

背景技术

光谱型椭偏仪是半导体和微电子领域使用最广泛的薄膜厚度测量仪器。

光谱型椭偏仪在测量薄膜厚度时，得到的直接测量值为椭偏角，样片的厚度值是通过测量模型拟合得到的。椭偏仪测量薄膜厚度的准确性，是建立在椭偏角准确测量基础上的，只有保证椭偏角测量准确，才能确保薄膜厚度测量值的准确。因此，有必要对光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法进行研究。

椭偏仪是利用椭圆偏振术对透明薄膜进行无损测量的一种技术，该方法是利用偏振光在薄膜上下表面的反射，通过菲涅耳公式得到光学参数和偏振态之间的关系来确定光学薄膜折射率和厚度。该方法因其准确度高且为非破坏性测量，是测量光学薄膜折射率和厚度最常用的一种。公式（2）给出了椭圆偏振术的数学模型。

式中，Ψ—偏振角；

Δ—两个偏振分量的相位差经薄膜后所发生的变化；

d—薄膜厚度；

n₀—空气折射率；

n₁—薄膜折射率；

n₂—衬底折射率；

Ф—入射角度；

λ—入射光波长。

Ψ和Δ分别反映了偏振光经过薄膜反射前后强度和相位的变化，统称为椭偏角。目前验证椭偏角准确度的方法是：使用光谱型椭偏仪的入射光直接照射其接收器，由于偏振光直接经过空气进入接收器，可以认为偏振光状态并未发生改变，因此公式（2）右侧的结果为1，通过求解公式（2）得到：

Ψ=45°

Δ=0°

因此，只需要验证光谱型椭偏仪测量得到的椭偏角是否与理论值相同即可验证其椭偏角的测量准确度。但是，以上方法只是给出了椭偏角在一个固定点上结果的验证，不能保证椭偏角在全范围内的测量结果同样准确。半导体和微电子领域内使用光谱型椭偏仪对薄膜厚度测量时，其椭偏角的覆盖范围为15°≤Ψ≤90°，90°≤Δ≤270°，因此，有必要给出一种更为完善的椭偏角校准方法，以保证光谱型椭偏仪椭偏角测量结果的准确可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法，能根据需要全面覆盖光谱型椭偏仪椭偏角的测量范围，校准准确可靠。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法，包括如下步骤：

第一步，确定膜厚标准样片的材料；

第二步，确定膜厚标准样片的薄膜厚度，使得在所述薄膜厚度下得到的椭偏角能够覆盖所需校准的光谱型椭偏仪椭偏角的范围；

第三步，制作膜厚标准样片；

第四步，使用多台标准光谱型椭偏仪进行比对测量，确定膜厚标准样片的椭偏角的标准值，即为定标；

第五步，使用膜厚标准样片对所需校准的光谱型椭偏仪的椭偏角进行校准，椭偏角的测量误差由所需校准的光谱型椭偏仪的椭偏角测量值与椭偏角的标准值相比较确定。

优选地，第一步中所述膜厚标准样片的衬底材料为硅，薄膜材料为二氧化硅。

进一步地，第二步中确定膜厚标准样片的薄膜厚度的方法为：首先，建立硅衬底上二氧化硅薄膜的单层结构模型；其次，确定每一层介质的折射率和消光系数；最后，使用软件对建立的结构模型进行仿真，通过仿真算法得到覆盖光谱型椭偏仪椭偏角的范围所对应的薄膜厚度。

进一步地，通过仿真得到三个不同厚度4nm、40nm、50nm的膜厚标准样片，分别对所需校准的光谱型椭偏仪的椭偏角进行校准。

优选地，第三步中使用半导体热氧化工艺制作膜厚标准样片。

进一步地，在4寸硅晶圆片上使用半导体热氧化工艺制作膜厚标准样片，为了保证膜厚标准样片校准椭偏仪的准确性，在研制的膜厚样片上设计特殊图形，标记出膜厚标准样片的定标位置。

优选地，第四步中为了确保膜厚标准样片的椭偏角定标结果的准确，分别使用三台光谱型椭偏仪对膜厚标准样片的椭偏角进行测量，取三台椭偏仪测量结果的平均值作为膜厚标准样片的椭偏角的标准值；定标时将测量装置安装在净化间中，整个定标过程在净化间中进行，避免由环境中的漂浮颗粒对定标结果产生的影响；定标前对膜厚样片进行解吸附处理，降低空气分子吸附对定标结果的影响。

优选地，第五步中所述椭偏角的测量误差采用公式（1）计算：

式中，E_Ψ—偏振角的测量误差；

E_Ψi—所需校准的光谱型椭偏仪的偏振角的测量值；

Y_Ψi—偏振角的标准值；

E_Δ—相位差变化的测量误差；

E_Δi—所需校准的光谱型椭偏仪的相位差变化的测量值；

Y_Δi—相位差变化的标准值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法，能根据需要全面覆盖光谱型椭偏仪椭偏角的测量范围，校准准确可靠，保证光谱型椭偏仪能够获得准确的椭偏角，进而保证得到准确的薄膜厚度和折射率。

附图说明

图1是本发明一个实施例的流程示意图；

图2是图1中膜厚标准样片的制作工艺流程图；

图3是图1中膜厚标准样片的形状示意图；

图4是图1中光谱型椭偏仪椭偏角的校准结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为本发明一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法的一个实施例。

第一步，确定膜厚标准样片的材料。通常情况下，光谱型椭偏仪被用来测量硅上的二氧化硅薄膜的厚度，因此膜厚标准样片的材料选择为：衬底材料为硅，薄膜材料为二氧化硅。

第二步，利用仿真算法确定能够覆盖光谱型椭偏仪椭偏角范围所需要的薄膜厚度。如图1所示，首先，建立硅衬底上二氧化硅薄膜的单层结构模型；其次，确定每一层介质的折射率和消光系数，具体数值见表1，表1中λ为入射光波长；最后，使用MATLAB软件对建立的结构模型按照公式（2）所示的数学模型进行仿真，通过仿真得到：使用三个不同厚度的膜厚标准样片即可覆盖椭偏角的大部分范围，具体的薄膜厚度和覆盖的椭偏角的范围见表2。

第三步，使用半导体热氧化工艺制作膜厚标准样片。选择干氧气氧化工艺制作膜厚标准样片，具体工艺流程图如图2所示。

其中清洗工艺过程为：在足够的1#清洗液中，于80℃~90℃煮10min~15min，用水冲洗至中性。在氢氟酸中浸泡2min，用水冲洗至中性。在足够的2#清洗液中，于80℃~90℃煮10min~15min，用水冲洗至中性。清洗后的晶圆片使用经过干燥过滤的氮气吹干即可。清洗液配比如下：

1#清洗液为：水：氨水：过氧化氢=4:1:1（体积比）

2#清洗液为：水：盐酸：过氧化氢=4:1:1（体积比）

氧化程序如表3所示：

如图3所示，膜厚标准样片在4寸硅晶圆片上制作，由于区域较大，为了保证使用膜厚标准样片校准椭偏仪结果的准确，样片定标时应规定好定标区域。因此，在研制的膜厚样片上设计特殊图形，标记出膜厚标准样片的定标位置。

第四步，选择使用多台椭偏仪进行比对测量，确定膜厚标准样片的椭偏角。为了确保膜厚标准样片椭偏角定标结果的准确，分别使用三台光谱型椭偏仪对研制的膜厚标准样片的椭偏角进行测量，取三台椭偏仪测量结果的平均值作为膜厚标准样片椭偏角的定标结果。

膜厚标准样片定标时应考虑以下问题：定标环境洁净度对定标结果的影响、空气分子吸附对定标结果的影响。为了降低以上因素的影响，定标前需要开展以下准备工作：

首先，将定标装置安装在净化间中，整个定标过程在净化间中进行，避免由环境中的漂浮颗粒对定标结果产生的影响。

其次，定标前对膜厚样片进行解吸附处理，降低空气分子吸附对定标结果的影响。

第五步，使用膜厚标准样片对光谱型椭偏仪的椭偏角进行校准，椭偏角的测量误差由光谱型椭偏仪的测量结果与膜厚标准样片的标准值相比较确定。如图4中所示的“◇”标记数据点，是被校光谱型椭偏仪测量膜厚标准样片得到一系列随波长变化的椭偏角的数据Xi；所示“·”标记数据点为标准样片定标结果随波长变化的椭偏角的数据Yi。椭偏角测量误差采用公式（1）进行计算。

采用上述技术方案后，提供一种光谱型椭偏仪椭偏角的校准方法，能根据需要全面覆盖光谱型椭偏仪椭偏角的测量范围，校准准确可靠，保证光谱型椭偏仪能够获得准确的椭偏角，进而保证得到准确的薄膜厚度和折射率。