SiO₂薄膜厚度的測量方法

2023-05-19 09:43:56 2

專利名稱：SiO2薄膜厚度的測量方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及採用光學方法計量厚度，具體地說是SiO2薄膜厚度的測量方法。
背景技術：
對於SiO2薄膜的製備和其厚度的測量是集成電路生產的重要步驟。SiO2薄膜厚度直接影響著集成電路的性能和穩定性。因此，SiO2薄膜厚度的測量是至關重要的。現有的SiO2薄膜厚度的測量方法有:稱重法、臺階儀、光幹涉法、橢圓偏振法、紅外線測量儀和隧道掃面電鏡測量方法。用稱重法測量SiO2薄膜厚度，精度不高；用臺階儀、光幹涉法或橢圓偏振法測量SiO2薄膜厚度，對SiO2薄膜會造成損傷；用紅外線測量儀或隧道掃面電鏡測量SiO2薄膜厚度，精度雖然較高，但所用設備的價格昂貴。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是:提供SiO2薄膜厚度的測量方法，是基於光纖雷射器的SiO2薄膜厚度的測量方法，克服了現有技術測量SiO2薄膜厚度的精度不高或所用設備的價格昂貴的缺點。本發明解決該技術問題所採用的技術方案是:Si02薄膜厚度的測量方法，是基於光纖雷射器的SiO2薄膜厚度的測量方法，分為測量在SiO2氧化爐中Si片上生長的SiO2薄膜厚度的動態測量方法和測量生長有SiO2薄膜的Si片上的SiO2薄膜厚度的靜態測量方法兩種，所用的儀器和部件包括光纖雷射器、載物架、接收屏、A/d轉換器和DSP微處理器，
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A.動態測量方法，步驟是:第一步，把待測生長SiO2薄膜厚度的Si片樣品放置在載物架上，再一起安放於SiO2氧化爐裡專門放樣品的地方，將光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方並緊挨著SiO2氧化爐壁，與上述Si片樣品垂直方向的角度為15° < a <75°，雷射入射角為15° < a彡75。，接收屏垂直置於與上述Si片樣品右上方的位置，接收屏與A/D轉換器通過有線連接，A/D轉換器與DSP微處理器通過有線連接；第二步，將第一步中設置的光纖雷射器發射的入射光以a角度入射到待測Si片樣品表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為il，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據；第三步，隨著待測Si片樣品在SiO2氧化爐裡氧化，待測Si片樣品上的SiO2薄膜按單原子層連續生長，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2，然後對數據進行如下第四步的數據的處理；第四步，數據的處理，得出待測SiO2薄膜厚度兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = Iil -12|，
待測SiO2薄膜的厚度X=l|^h;B.靜態測量方法，步驟是:第一歩，把待測SiO2薄膜厚度的已經生長了 SiO2薄膜的Si片樣品放置在載物架上，將光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方，與上述Si片樣品垂直方向的角度為15°彡a彡75°，雷射入射角為15°彡a彡75°，接收屏置於與上述Si片樣品右上方的位置，接收屏與A/D轉換器通過有線連接，A/D轉換器與DSP微處理器通過有線連接；第二步，將第一歩中設置的光纖雷射器發射的入射光以a角度入射到待測Si片樣品表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為il，作為採集待測SiO2薄膜的起始位置數據；第三步，對上述Si片上的SiO2薄膜進行刻蝕，刻蝕深度至Si — SiO2界面處，第四步，將第一步中設置的光纖雷射器發射的入射光以a角度入射到經第三步刻蝕後的Si片表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為i2，作為採集待測SiO2薄膜刻蝕後的位置數據，然後對數據進行如下第五步的數據的處理；第五步，數據的處理，得出待測SiO2薄膜厚度兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = |il — i2|，待測SiO2薄膜的厚度X=h/2。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，該方法在測量操作的實施中採用以下的在線實時測量操作或離線單獨測 量操作:在線測量實時操作是指將所用的測量儀器長期安置在固定地方，連續不斷地進行測量操作和數據處理，不斷得出待測SiO2薄膜的厚度並實時進行數據分析；離線單獨測量操作是指所用的測量儀器臨時安置在測量操作處，進行測量操作和數據處理，一次性測量得出待測SiO2薄膜的厚度，並對數據進行分析，測量完畢後即取下所臨時安置的測量裝置。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，在動態測量方法中，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據依然為H，而對於作為採集待測SiO2薄膜生長的作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2，優選採用下述八次測量求其平均值的操作方法，即把待測SiO2薄膜厚度的Si片樣品放置在載物架上並一起安放於SiO2氧化爐裡專門放樣品的地方之後，隨著待測Si片樣品在SiO2氧化爐裡氧化，待測Si片樣品上的SiO2薄膜按單原子層連續生長，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，當SiO2薄膜生長到所需厚度吋，DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據為i21，然後水平移動載物架七次，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，毎次移動距離L為5X 10_3mm，分別採集毎次移動距離L後的七個反射光坐標的位置數據，共得八個反射光坐標的位置數據，分別為i21、i22、i23、i24、i25、i26、i27和i28，每次測得的反射光坐標的位置數據均由DSP微處理器記錄並儲存後，求得i21 i28的平均值為i2，將該平均值i2作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據，然後對數據進行處理如下:兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = I il —平均值i2 I，待測SiO2薄膜的厚度X= — h。
上述SiO2薄膜厚度的測量方法，在靜態測量方法中，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據依然為il，而對於經刻蝕後的Si片表面的反射光則被接收屏接收並作為採集待測SiO2薄膜的當前位置數據的反射光坐標的位置數據i2，優選採用下述八次測量求其平均值的操作方法，第一次採集經刻蝕後的Si片表面的反射光坐標的位置數據為i21，之後水平移動載物架七次，每次移動距離L為5X 10_3mm，分別採集每次移動距離L後的七個反射光坐標的位置數據，共得八個反射光坐標的位置數據分別為i21、i22、i23、i24、i25、i26、i27和i28，每次的測得反射光坐標的位置數據均由DSP微處理器記錄並儲存後，求的i21 i28的平均值i2，將該平均值i2作為採集待測SiO2薄膜刻蝕後的當前位置數據，然後對數據進行處理如下:兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = I il —平均值i2 I，待測SiO2薄膜的厚度X=h/2。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所述DSP微處理器中的動態測量方法的操作程序的流程是:開始一初始化一採集待測SiO2薄膜的起始位置數據il —採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2 —作差h = |il — i2 I —求得SiO2薄膜厚度X—結束；或開始一初始化一採集待測SiO2薄膜的起始位置數據il —採集當前坐標位置i21 —分別採集每次移動距離L前後的7個反射光坐標的位置數據i22 i28 —用八個反射光坐標的位置數據i21 i28的平均值i2作差h = I il —平均值i2 I —求SiO2薄膜厚度均值X—結束。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所述DSP微處理器中的靜態測量方法的操作程序的流程是:開始一初始化一採集待測SiO2薄膜刻蝕的起始位置數據il —採集待測SiO2薄膜刻蝕後的位置數據i2 —作差h = I il-12 I —求得SiO2薄膜厚度X —結束；或開始一初始化一採集待測SiO2薄膜刻蝕的起始位置數據il —對SiO2薄膜進行刻蝕一分別採集每次移動距離L前後的八個反射光坐標的位置數據i21 i28 —用八個反射光坐標的位置數據i21 i28的平均值i2作差h = |11-平均值12| —求SiO2薄膜厚度均值X—結束。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所述光纖雷射器選用445nm 1550nm的光纖雷射器。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所用接收屏是電荷耦合元件。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所述光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方，其距離為2.5cm ;所述接收屏垂直置於與上述Si樣品右上方的位置未Icm處。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所說「左」 「右」方位是相應附

圖1和附圖2中顯示的位置而言(下同)。上述SiO2薄膜厚度的測量方法，所述測量裝置中的儀器和部件均通過公知的途徑獲得，測量裝置中的設備和部件的安裝方法和連接方法是本技術領域的技術人員所熟知的。
本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明SiO2薄膜厚度的測量方法的突出的實質性特點是:(I)在上述SiO2薄膜厚度的測量方法的動態測量方法中，由於SiO2分子密度是CSi02=2.2xl022/cm3,每個SiO2含ー個Si原子，所以SiO2所含的矽原子數也為(:_=2.2xl022/cm3。矽晶體的原子密度是Csi=5.0xl022/cm3，根據物質守恆原理，可以得出下面公式:L=L 79h其中，L為SiO2薄膜厚度，h為生長新的SiO2薄膜層的厚度所消耗Si的厚度。所以我們把測量SiO2薄膜的厚度，就轉化為待測Si片樣品的SiO2薄膜生長前後的SiO2薄膜厚度之差，即兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h。所用光纖雷射器的光不是垂直入射的，與被測Si片樣品之間有ー個夾角a，根據圖1和圖2的幾何關係，得出則待測SiO2薄膜的厚度X為:·
權利要求
1.SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:是基於光纖雷射器的SiO2薄膜厚度的測量方法，分為測量在SiO2氧化爐中Si片上生長的SiO2薄膜厚度的動態測量方法和測量生長有SiO2薄膜的Si片上的SiO2薄膜厚度的靜態測量方法兩種，所用的儀器和部件包括光纖雷射器、載物架、接收屏、A/D轉換器和DSP微處理器， A.動態測量方法，步驟是: 第一步，把待測生長SiO2薄膜厚度的Si片樣品放置在載物架上，再一起安放於SiO2氧化爐裡專門放樣品的地方，將光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方並緊挨著SiO2氧化爐壁，與上述Si片樣品垂直方向的角度為15° < a彡75。，雷射入射角為15° < a彡75。，接收屏垂直置於與上述Si片樣品右上方的位置，接收屏與A/D轉換器通過有線連接，A/D轉換器與DSP微處理器通過有線連接； 第二步，將第一步中設置的光纖雷射器發射的入射光以《角度入射到待測Si片樣品表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為il，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據； 第三步，隨著待測Si片樣品在SiO2氧化爐裡氧化，待測Si片樣品上的SiO2薄膜按單原子層連續生長，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2，然後對數據進行如下第四步的數據的處理； 第四步，數據的處理，得出待測SiO2薄膜厚度 兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = |il -12|， I 79 待測SiO2薄膜的厚度X= Yh; B.靜態測量方法，步驟是: 第一步，把待測SiO2薄膜厚度的已經生長了 SiO2薄膜的Si片樣品放置在載物架上，將光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方，與上述Si片樣品垂直方向的角度為15°彡a彡75°，雷射入射角為15°彡a彡75°，接收屏置於與上述Si片樣品右上方的位置，接收屏與A/D轉換器通過有線連接，A/D轉換器與DSP微處理器通過有線連接；第二步，將第一步中設置的光纖雷射器發射的入射光以《角度入射到待測Si片樣品表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為il，作為採集待測SiO2薄膜的起始位置數據； 第三步，對上述Si片上的SiO2薄膜進行刻蝕，刻蝕深度至S1-SiO2界面處， 第四步，將第一步中設置的光纖雷射器發射的入射光以a角度入射到經第三步刻蝕後的Si片表面，反射光則被接收屏接收，該接收屏將接收後的光信號轉換成電信號，經A/D轉換器轉換數位訊號，由DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據為i2，作為採集待測SiO2薄膜刻蝕後的位置數據，然後對數據進行如下第五步的數據的處理； 第五步，數據的處理，得出待測SiO2薄膜厚度 兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = |il -12|， 待測SiO2薄膜的厚度X=h/2。
2.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:該方法在測量操作的實施中採用以下的在線實時測量操作或離線單獨測量操作:在線測量實時操作是指將所用的測量儀器長期安置在固定地方，連續不斷地進行測量操作和數據處理，不斷得出待測SiO2薄膜的厚度並實時進行數據分析；離線單獨測量操作是指所用的測量儀器臨時安置在測量操作處，進行測量操作和數據處理，一次性測量得出待測SiO2薄膜的厚度，並對數據進行分析，測量完畢後即取下所臨時安置的測量裝置。
3.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:在動態測量方法中，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據依然為il，而對於作為採集待測SiO2薄膜生長的作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2，採用下述八次測量求其平均值的操作方法，即把待測SiO2薄膜厚度的Si片樣品放置在載物架上並一起安放於SiO2氧化爐裡專門放樣品的地方之後，隨著待測Si片樣品在SiO2氧化爐裡氧化，待測Si片樣品上的SiO2薄膜按單原子層連續生長，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，當SiO2薄膜生長到所需厚度吋，DSP微處理器記錄並儲存此反射光坐標的位置數據作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據為i21，然後水平移動載物架七次，反射光坐標的位置數據也隨之在接收屏上移動，毎次移動距離L為5X 10_3mm，分別採集毎次移動距離L後的七個反射光坐標的位置數據，共得八個反射光坐標的位置數據，分別為i21、i22、i23、i24、i25、i26、i27和i28，每次測得的反射光坐標的位置數據均由DSP微處理器記錄並儲存後，求得i21 i28的平均值為i2，將該平均值i2作為採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據，然後對數據進行處理如下: 兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = I il —平均值i2 I， 待測SiO2薄膜的厚度X=gh。
4.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:在靜態測量方法中，作為採集待測SiO2薄膜生長的起始位置數據依然為il，而對於經刻蝕後的Si片表面的反射光則被接收屏接收並作為採集待測SiO2薄膜的當前位置數據的反射光坐標的位置數據i2，優選採用下述八次測量 求其平均值的操作方法，第一次採集經刻蝕後的Si片表面的反射光坐標的位置數據為i21，之後水平移動載物架七次，毎次移動距離L為5X10_3mm，分別採集每次移動距離L後的七個反射光坐標的位置數據，共得八個反射光坐標的位置數據分別為i21、i22、i23、i24、i25、i26、i27和i28，每次的測得反射光坐標的位置數據均由DSP微處理器記錄並儲存後，求的i21 i28的平均值i2，將該平均值i2作為採集待測SiO2薄膜刻蝕後的當前位置數據，然後對數據進行處理如下: 兩次記錄並儲的反射光坐標的位置數據之差h = I il-平均值i2 I， 待測SiO2薄膜的厚度X=h/2。
5.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:所述DSP微處理器中的動態測量方法的操作程序的流程是: 開始一初始化一採集待測SiO2薄膜的起始位置數據il —採集待測SiO2薄膜生長的當前位置數據i2 —作差h = il - 12 I —求得SiO2薄膜厚度X —結束； 或 開始一初始化一採集待測SiO2薄膜的起始位置數據il —採集當前坐標位置i21 —分別採集毎次移動距離L前後的7個反射光坐標的位置數據i22 i28 —用八個反射光坐標的位置數據i21 i28的平均值i2作差h = I il —平均值i2 I —求SiO2薄膜厚度均值X—結束。
6.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:所述DSP微處理器中的靜態測量方法的操作程序的流程是: 開始一初始化一採集待測SiO2薄膜刻蝕的起始位置數據il —採集待測SiO2薄膜刻蝕後的位置數據i2 —作差h = il -12 —求得SiO2薄膜厚度X—結束； 或 開始一初始化一採集待測SiO2薄膜刻蝕的起始位置數據il —對SiO2薄膜進行刻蝕一分別採集毎次移動距離L前後的八個反射光坐標的位置數據i21 i28 —用八個反射光坐標的位置數據i21 i28的平均值i2作差h = I il —平均值i2 I —求Si02薄膜厚度均值X—結束。
7.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:所述光纖雷射器選用445nm 1550nm的光纖雷射器。
8.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:所用接收屏是電荷耦合元件。
9.根據權利要求1所述SiO2薄膜厚度的測量方法，其特徵在於:所述光纖雷射器置於該待測Si片樣品左上方，其距離為2.5cm ;所述接收屏垂直置幹與上述Si樣品右上方的位置為Icm處。
全文摘要
本發明涉及SiO2薄膜厚度的測量方法，涉及採用光學方法計量厚度，是基於光纖雷射器的SiO2薄膜厚度的測量方法，分為測量在SiO2氧化爐中Si片上生長的SiO2薄膜的厚度的動態測量方法和測量生長有SiO2薄膜的Si片上的SiO2薄膜厚度的靜態測量方法兩種，在測量操作的實施中採用在線實時測量操作或離線單獨測量操作，所用的儀器和部件包括光纖雷射器、載物架、接收屏、A/D轉換器和DSP微處理器，該測量方法對SiO2薄膜的膜的表面沒有損傷，克服了現有技術測量SiO2薄膜厚度的精度不高或所用設備的價格昂貴的缺點。
文檔編號G01B11/06GK103115575SQ20131001595
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者康志龍, 劉輝, 郭豔菊 申請人:河北工業大學