椭偏仪的校准方法研究

1、椭偏仪的校准方法研究作者：赵琳李锁印许晓青韩志国冯亚南梁法国（中国电子科技集团公司第十三研究所计 量中心，石家庄，050051）摘要：在微电子行业生产过程屮，膜厚测量是非常重要的工艺参数。木文主要介绍了用于测 量膜厚的测量仪器一一椭偏仪，并以膜厚标准样片的研制与定标方法为主要研究内容，对椭 偏仪的校進方法进行了分析研究，并对其进行了不确定度分析。关键词：膜厚，膜厚标准，椭偏仪，校准，不确定度0.引言在微电子制造领域，微纳米尺度膜厚作为其核心参数之一，广泛应用于器件中。膜厚的 精确测量，对器件制造的一致性和可靠性起着决定性作用，也是纳米测量技术中的一个重要 内容。当前，测量膜厚参数主要应用的有椭

2、偏仪、膜厚测量仪和台阶仪。椭偏仪属非接触测 量，利用光的偏振特性测量薄膜的厚度，其分辨率很高;膜厚测量仪是基于光的干涉原理， 通过测量光在衬底上的光谱和光经过薄膜后的光谱经过计算得到膜的厚度;台阶仪是触针式 测量仪器，接触式测量，要求被测物质形成台阶状，测量时触针滑过台阶，通过系统放大和 计算，给出被测量值。从理论上讲，凡是能形成台阶的物质，仪器都能测量，而且分辨率很 髙。经过多年的测试，这些仪器的重复性和稳定性良好，我们要解决的问题是如何确定这些 仪器的不确定度，就是仪器的示值误差。通俗的说就是仪器准不准?换言之是如何来校准这 些仪器?本文我们主要针对椭偏仪的校准方法进行分析研究。国内曾经对

3、该类仪器进行过比 对，但是比对结果不是很好，当前我们单位拥有有证的台阶仪和其标准样片，我们可以用台 阶仪来定标，制作一套可以用于校准椭偏仪的膜厚样片。1 膜厚标准的研究解决标准是关键。经过广泛调研和多年实践，我们认为利用本所现有的半导体技术设备, 制造一种适合椭偏仪的标准样片不仅在理论上是成立的，而且在实践上是完全可行的。我们在硅基（硅圆片）上用热氧化方法制作所需要的物质膜层sio2,然后把这层膜经过特 殊工艺刻饰处理，使其形成适合台阶仪测量的图形。硅和硅的牛成物都是硬度极高的物质, 做成标准样片，不变形，不易磨损，性能稳定，符合标准要求。我们首先以半导体集成电路工艺屮常用sio2膜厚为基础，

4、设计制作了一套sio2-si标准 样片，设计膜厚分别为 70nm> 180nm> 340nm> 750nm 1000nmo2膜厚标准样片的定标我们研制的膜厚标准样片的厚度分别为70nm、180nm、340nm. 750nm. looonm,我 们选用p-6型台阶仪对其进行标定。在标定前，先用vlsi的台阶标准样片对台阶仪进行了校 准。型号为shs-9400qc,编号为8897-49-09,台阶高度为（945.0±5.5）nm,此标准样片为最 新购买的，并且是在有效期内，符合溯源条件。测量数据如表2所示:表1样片测童数据丿测童次数qis (nm) &2- (n

5、m) q3= (nm) q42 (nm) &5s (nm) q272.3卩187.3347.3779.3104032a72.3a1s7.3347.3779.31040.272.4187.23479779.5&1040.3井72扣1s7.3347.2q779.21040.272.3187.23473779.2&10403272.2p1s7.2p347.277畑1040.0p7a7231s7.5p347.377931040.28p72.3a1s7.23463779 2a1040.272.3p1s73347.2779.2a10403平均值门723187.2347.2779公1

6、0403重复性q0.07亠0.17卩0.22a0.120.03通过这些数据证明，我们制作的这一套标准样片量值复现性良好，符合标准要求。3椭偏仪的校准及其不确定度分析3.1椭偏仪的校准椭偏仪的校准主要是依赖校准样片的精度，经过前面的分析研究，我们制作了一套适合 椭偏仪的膜厚标准样片，并采用台阶仪对其进行了定标。下而我们就采用这一系列标准样片 对我们的椭偏仪进行现场校准，测试数据如表2所示：表2椭偏仪测量数据心测童次数“is (nm) a2- (nm) q3= (nm) a4 (nm)亠5= (nm) q272.5卩1s73340.5&77631035.82q729187.2346.477

7、6.21035.33"72.7p1s7.1p346.5a776.5a1035.2p72q187. p346.4776.31035.35q72.6a1s7.1p346.2776.21035.26p72.5p1s7.1p346. 7q776.210353平均值q72.572187.02346.52"776.13a1035.85a重复性j0.08220.0420.120.1820.05a通过这些测量数据可以看出，校准结果是比较理想的。台阶仪和椭偏仪的测量数据得到了很好的统一。3.2不确定度分析3.2.1不确定度来源a）膜厚样片引入的不确定度分量；b）重复性引入的不确定度分量；c）

8、椭偏仪分辨力引入的不确定度分量。3.2.2标准不确定度评定a）膜厚样片引入的不确定度分量我们选用型号为p6的台阶仪和vlsi的标准样片一起为我们制作的膜厚样片进行了定标, 则其不确定度由两部分引入。（1） p-6型台阶仪的测量重复能力为0.6nm,按正态分布估计，取置信因子为2,贝u台阶 仪引入的不确定度为0 3nm（»查阅vlsi台阶标准样片的最佳不确定度可知：我们选用的标准样片的最佳不确定度为l=4.71nm.員信概率为2%,取包含因子q2.因此标准样片带来的不确定度分量为“u 4.71nmk 22.355nm则膜厚样片引入的不确定度为坷=+ （u；），« 2.374n

9、m®b）重复性引入的不确定度分量我们选择样片标称厚度为looonm的样片对椭偏仪进行重复性测量，市前面的测暈数据 知道，重复性为o.osnm;则重复性引入的不确定度为以2 = 0 05nmc）分辨力引入的不确定度分重丿査阅椭偏仪的相关资料，我们校准的椭偏仪的分辨力为o.ooolnm,假定其服从均勻分布，取包含因子ky ,因此台阶仪分辨力性引入的不确定度分量为u o.ooolnm n.卩js 0.00003nm 2v3323合成标准不确定度卩u juj + 2.374nm *3.2.4扩展不确定度首信概率取95%,取包含因子k=2.则，c= kuz= 2x2.374nm«4.

10、7nm,评定点在样片jt度为looonm处.卩4 结论大型仪器的校准是当前我们所急需解决的问题，比对是其中一种方法，但是比对的结果 很多时候不能达到理想的效果。本文通过对椭偏仪校准方法的研究，制作了一套标准样片， 并对其进行了定标，这使得解决椭偏仪的校准问题成为可能。但仍然存在很多问题：(1) 膜厚和台阶的量值处于纳米范围，其表面均匀性的影响不可忽略。所以要对制出的 样片进行严格挑选，反复测量，反复试验，挑选出符合要求的片子作为标准样片；(2) 标准样片图形屮要加工出测量图形标记，使得每次测量在同一位置，避免样片的误 差带到仪器的测量结果中；(3) 标准样片制成后是否稳定呢?也就是说它的两只是否能长期保持不变，并能随吋复现 呢?这也是们最关心的问题之一。这个问题需要时间验证。当前情况下我们只是对本单位的一台椭偏仪进行了现场校准，并评定了其不确定度，以 后还要尝试对其他的椭偏仪以及膜厚测量仪等进行校准，以期待解决更多的大型设备的校准 的问题。参考文献：1. 崔建军，高思田,杜华等纳米膜厚的量值