一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法，包括如下步骤：选取与待测样品工艺参数相同的样品作为校准样品；测量校准样品的方块电阻、膜厚、插损；依据校准样品测试数据获得金属薄膜插损‑膜厚关系曲线；测量待测样品的插损；依据插损‑膜厚关系曲线和待测样品的插损计算得到待测样品的金属薄膜厚度。本发明实现无损测量金属膜厚，而且能广泛应用于集成电路、太阳能电池、探测器等领域，具有一定的普适性。

说明书

技术领域

本发明属于金属薄膜厚度测量领域，特别涉及一种金属薄膜厚度测量方法。

背景技术

随着集成电路、太阳能电池、薄膜探测器等应用领域的不断发展，传统的金属薄膜厚度测量技术面临诸多限制，例如：台阶仪、扫描电子显微镜等测量方法无法实现薄膜厚度的无损、在线监测，椭偏法、白光干涉法等光学方法难以实现非透明薄膜的膜厚测量。因此，该领域迫切需要一种无损且对薄膜透光性没有要求的膜厚测量方法。

国外Usanov等人基于微波反射法测量了金属薄膜厚度，该方法难以实现导电性良好且膜厚较厚的薄膜厚度测量；Karel等人基于微波干涉法进行了金属薄膜厚度的测量，该方法测量电路复杂、且分辨率在微米量级，难以实现亚微米量级的膜厚测量；Ho等人采用介质谐振腔技术进行膜厚测量，该方法要求样品形貌与圆柱谐振腔尺寸匹配，对于样品的制备要求很高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法，利用四探针、台阶仪或扫描电子显微镜、波导传输线对校准样品进行方块电阻、膜厚、插损测量，依据测量结果获得插损-膜厚关联系数，通过利用波导传输线进行插损测试获得金属膜厚。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法，包括如下步骤：

(1)在基体上沉积金属薄膜，获得待测样品；

(2)选取与待测样品工艺参数中除膜厚控制参数(沉积时间)外其余参数相同的样品作为校准样品；将校准样品置于两段直波导传输线的法兰之间并用固定，在输入波导侧馈入指定频率的正弦微波信号，并在接收波导侧接收经由校准样品透射过来的正弦微波信号，用馈入微波幅度减去接收到的微波幅度得到嵌入校准样品后的波导插入损耗I_L；

(3)测量校准样品的方块电阻R_S；

(4)测量校准样品的金属膜厚h；

(5)由所测方块电阻R_S和金属膜厚h计算得到金属薄膜电导率σ＝1/(R_S*h)；

(6)由波导插入损耗I_L及方块电阻R_S得到插损-膜厚关联系数C＝(10^(I_L/20)-1)*R_S；

(7)将校准样品替换为待测样品置于两段直波导传输线的法兰之间并固定，并测量此时的波导插入损耗I_L,m；

(8)计算待测样品膜厚为h_m＝(10^(I_L,m/20)-1)/(σC)。

进一步的，步骤(1)中通过磁控溅射沉积工艺、热蒸发工艺或电子束蒸发工艺在基体上沉积金属薄膜。

进一步的，所述基体为绝缘衬底或半导体衬底。

进一步的，步骤(3)中采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_S。

进一步的，步骤(4)中采用台阶仪或扫描电子显微镜测量校准样品的金属膜厚h。

进一步的，步骤(2)和步骤(7)中采用插损测量装置测量波导插入损耗I_L和波导插入损耗I_L,m。

进一步的，所述插损测量装置为网络分析仪或类似微波信号发射与检测装置。

一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法，包括如下步骤：选取与待测样品工艺参数中除膜厚控制参数外其余参数相同的样品作为校准样品；测量校准样品的方块电阻、膜厚、插损；依据校准样品测试数据获得金属薄膜插损-膜厚关系曲线；测量待测样品的插损；依据插损-膜厚关系曲线和待测样品的插损计算得到待测样品的金属薄膜厚度。

进一步的，插损测量基于波导传输线完成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明选取与待测样品相同工艺条件的一个样品作为校准样品，利用四探针测量校准样品的方块电阻，利用台阶仪或扫描电子显微镜测量校准样品的膜厚，利用波导传输线和插损测量装置测量校准样品的插损，依据方块电阻、膜厚、插损测量结果进行数据处理获得“插损-膜厚”关联系数，测量待测样品的插损并依据关联系数计算得到待测样品膜厚。本发明将微波透射法(具体表现为对嵌入薄膜样品后的波导插损进行测量)应用于绝缘或半导体衬底表面亚微米金属薄膜的厚度测量，该方法可以无损地对非透明薄膜进行膜厚测量，膜厚测量范围涵盖了亚微米范围；本发明实现无损测量金属膜厚，而且能广泛应用于集成电路、太阳能电池、探测器等领域，具有一定的普适性。

附图说明

图1基于微波透射法的膜厚测量原理图；

图2磁控溅射银薄膜膜厚与插损关系图；

图3磁控溅射银薄膜的扫频插损测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，以磁控溅射沉积工艺为例说明，本发明为一种基于微波透射法的金属薄膜厚度测量方法，包括以下步骤：

(1)将金属薄膜3采用磁控溅射沉积工艺、热蒸发或电子书蒸发沉积到基底2(绝缘或半导体衬底)表面，得到待测样品；

(2)选取与待测样品工艺参数相同(膜厚控制参数除外)的样品作为校准样品；将校准样品置于两段直波导传输线1的法兰之间，并用螺栓将法兰固定，使用插损测量装置(比如网络分析仪)测量波导插入损耗I_L(在输入波导侧馈入指定频率的正弦微波信号，并在接收波导侧接收经由校准样品透射过来的正弦微波信号，用馈入微波幅度减去接收到的微波幅度得到嵌入校准样品后的波导插入损耗I_L)；

(3)采用四探针测试仪测量校准样品的方块电阻R_S(见表1第二列)；

(4)采用台阶仪或扫描电子显微镜测量校准样品的金属膜厚h(见表1第三列)；

(5)由所测校准样品的方块电阻R_S和金属膜厚h计算得到金属薄膜电导率σ＝1/(R_S*h)(见表1第四列)；

(6)由校准样品的插损I_L及方块电阻R_S得到插损-膜厚关联系数C＝(10^(I_L/20)-1)*R_S；

(7)将校准样品替换为待测样品置于两段直波导传输线1的法兰之间并固定，并测量此时波导插入损耗I_L,m(见表1第五列)；

(8)计算待测样品膜厚为h_m＝(10^(I_L,m/20)-1)/(σC)(见表1第六列)。

如图2所示，给出了膜厚与插损之间的依赖关系，可以看到实测结果(方块)与理论结果(实线)吻合良好(见表1第七列的膜厚相对误差绝对值)；

如图3所示，给出了在扫频测试条件下得到的4个样品的插损曲线，其中第四个样品给出了两次测量的结果，可以看到测试结果具有良好可重复性；

表1玻璃衬底表面磁控溅射银薄膜实验测试结果

第一列为样品编号，第二列为方块电阻测试结果，第三列为SEM测量得到的膜厚，第四列为依据方块电阻和膜厚得到的电导率，第五列为波导插损测量结果，第六列为依据插损测量结果计算得到的膜厚，第七列为膜厚相对误差。可以看到采用本方法得到的相对误差小于7％，从而验证了本方法的合理性。