膜厚度测量设备与膜厚度测量方法技术

一种测量薄膜厚度的设备，它使第一能量和第二能量的电子束轰击形成在硅衬底上的待测量薄膜，并测量在第一能量的电子束轰击衬底时，在衬底内流动的电流的第一衬底电流值和在第二能量的电子束轰击衬底时，在衬底内流动的电流的第二衬底电流值。该薄膜测量设备获得表示膜厚度与作为变量的基准函数之间关系的基准数据，该基准函数具有在第一能量的电子束轰击标准采样时的衬底电流和第二能量的电子束轰击标准采样时的衬底电流，该薄膜测量设备还考虑基准数据，根据第一和第二衬底电流值计算在测薄膜的厚度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用电子束测量待测量膜的厚度的设备以及一种利用电子束测量待测量膜的厚度的方法。
技术介绍
在过去，例如，在第H6-273297号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法中，在使采样的厚度变薄以使采样具有类似于通过对采样辐照离子束配置的薄膜时，在对采样辐照离子束的同时，对其辐照电子束，并利用法拉第圆盘检测通过采样的电子束以避免过渡腐蚀采样。第H8-5528号日本未审专利公开(KOKAI)披露了一种技术，该技术利用离子束处理设备使采样用于传输电子显微镜，并且在电子束照射到待处理的位置上时，检测通过处理部分的电子束的电流量以控制处理的离子束量。然而，在第H6-273297号和第H8-5528号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法中，待测量的采样必须薄到这样的厚度，以致电子束可以通过它，这样难以测量形成在支持衬底上的薄膜的膜厚度，如在传统半导体器件中的支持衬底。为了解决相关技术中的上述问题，本专利技术的专利技术人已经成功开发出一种技术，该技术用于在使电子束轰击或照射成型在支持衬底上的薄膜时，通过测量流过衬底的衬底电流值，计算待测量薄膜的膜厚度，以及根据基准数据计算薄膜的膜厚度，而且本申请人已经提交了一份关于此技术的专利申请(第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI))。在此方法中，不是测量通过采样的电子束的数量，而是直接从衬底测量衬底电流值，因此，甚至可以测量成型在支持衬底上的薄膜的厚度。附图中的附图说明图1示出了第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的膜厚度测量设备的方框图。该设备具有电子枪3，将电子束照射到衬底1的薄膜2上；电极4，与衬底1的底部接触设置该电极4；以及电流测量部分5，用于测量在电极4采集的衬底电流值。利用电流放大器6和差动放大器7对在电流测量电极5测量的电流进行调节，并利用A/D转换器9将该电流转换为数字信号。膜厚度测量设备还具有测量电流存储部分10，用于存储被转换为数字信号的测量电流值；校准曲线数据存储部分11，用于存储利用现有标准采样测量的校准曲线数据；以及校准曲线数据比较器12，用于将校准曲线数据与测量电流值进行比较。具有上述配置的膜厚度测量设备能够测量膜的膜厚度，而且还适于测量薄膜的膜厚度，更适于测量超薄膜的厚度。第2000-180143号日本未审专利申请所述的专利技术采用如下原理。当用几百keV(电子伏特)和几个keV的低能电子束轰击采样时，采样表面附近区域发射二次电子。一般来说，导体和半导体的二次电子发射能力通常低，而绝缘体具有大的二次电子发射能力。例如，与硅具有的约0.9的二次电子发射能力相比，属于绝缘体的氧化硅膜具有约2的二次电子发射能力。因此，在使电子束辐射到在其硅衬底表面上形成由氧化硅膜构成的薄膜的半导体器件上时，氧化硅膜发射更多的二次电子。在发生此现象时，电子从硅衬底流入氧化硅膜以对氧化硅膜发射的二次电子进行补偿。也就是说，衬底电流流过硅衬底，该衬底电流是因为电子束轰击硅衬底产生的电流与在相反方向流过衬底的补偿电流之和。图2是上述原理的图解说明。如图2(a)所示，在由氧化硅构成的薄膜形成在硅衬底上的情况下，如果电子束中的一个电子轰击其表面，则氧化硅膜发射两个电子作为二次电子。因为氧化硅膜发射一个电子，所以为了对氧化硅膜发射的电子进行补偿，从该硅衬底流入氧化硅膜一个电子。在这种情况下，衬底电流以与电子束产生的电流方向的相反方向在硅衬底中流动。另一方面，如图2(b)所示，在硅衬底上没有氧化硅膜情况下，当一个电子束电子轰击衬底表面时，硅衬底发射0.9个电子作为二次电子发射。为此原因，其电子量为从这样轰击衬底产生的电子量中减去释放的电子量获得的电子量的衬底电流以该电子束产生的电流方向相同的方向在衬底中流动。如上所述，因为在硅衬底上没有氧化硅膜时发射的二次电子少，所以此电流的主要部分来源于电子束，但是由于增加了氧化硅膜的膜厚度，所以也提高了补偿电流。然而，因为提高了属于绝缘体的氧化硅膜的电阻值，所以当氧化硅膜的厚度进一步提高时，补偿电流难以流过，因此降低了衬底电流。图3示出说明衬底电流值与膜厚度之间关系的曲线图。如图3(a)所示，如果将以电子束引起的电流方向流动的电流看作正向电流，所以在氧化硅膜的厚度达到预定厚度d之前，负向电流在增加，此后，衬底电流值降低并收敛到0。因为第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)解决了测量栅极氧化物膜等的问题，栅极氧化物膜具有几纳米的较薄厚度，例如超薄膜，如图3(b)所示，衬底电流值与薄膜的膜厚度之间具有1∶1的关系。然而，对于从几十纳米到几千纳米范围内的较厚厚度，因为衬底电流值与膜厚度之间的关系变成1∶2，如图3(a)所示，所以我们发现存在的问题是，在测量衬底电流时，所测量的衬底电流值不具有唯一薄膜厚度。不仅在测量超薄膜的厚度时，而且在测量大厚度范围膜的厚度时，应用第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法也存在上述问题。为了解决上述问题，本专利技术对第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的技术进行了改进。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是提供用于测量成型在衬底上的膜(包括薄膜)的膜厚度的技术，具体地说，本专利技术提供了一种对大厚度范围膜的膜厚度进行测量的技术。为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术采用以下基本
技术实现思路
。具体地说，本专利技术提供了一种在电子束辐射成型在衬底上的待测量膜时，利用在衬底内流动的电流的衬底电流值，对成型在衬底上的膜的膜厚度进行测量的方法。本专利技术的基本技术概念是一种利用在电子束辐射形成在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的衬底电流值，对形成在衬底上的膜的膜厚度进行测量的方法，其中具有第一能量的第一电子束和具有不同于所述第一能量的第二能量的第二电子束分别照射其材料与成型在所述衬底上、事先已知特定厚度的待测量所述膜的材料相同或接近的膜的标准采样，以分别检测第一标准衬底电流值和第二标准衬底电流值，从而获得表示衬底电流值与膜标准采样的厚度之间的相关关系的基准数据；并且其中，第一和第二电子束分别照射形成在衬底上的待测量膜，以分别检测第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值；并且其中，以规定的计算方式，对第一和第二测试衬底电流值以及基准数据进行处理，计算待测量膜的厚度。更具体地说，根据本专利技术用于测量形成在衬底上的膜的厚度的方法包括如下处理过程，例如获得表示作为变量的基准函数与膜标准采样的膜厚度之间关系的基准数据，该基准函数包括在第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流值； 获得在第一电子束照射形成在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值；获得在第二电子束照射形成在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值；以及考虑基准数据，根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算待测量膜的膜厚度。在上述根据本专利技术的膜厚度测量方法中，在获得基准数据的步骤中，基准函数保持f(a，b)的形式(其中a和b分别表示在第一和第二电子束分别照射标准采样时的各个标准衬底电流)，并且膜的标准采样的厚度d与基准函数f(a，b)之间的关系保持d＝Γ形式。并且进一步在计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量膜厚度的方法，它利用当电子束照射形成在衬底上的待测量膜时，在所述衬底内流动的电流的衬底电流值来测量形成在所述衬底上的膜的厚度，其中具有第一能量的第一电子束和具有不同于所述第一能量的第二能量的第二电子束分别照射其材料与形成在所述衬底上、事先已知特定厚度的待测量所述膜的材料相同或接近的膜标准采样，以分别检测第一标准衬底电流值和第二标准衬底电流值，从而获得表示所述衬底电流值与所述膜标准采样的所述厚度之间的相关关系的基准数据；并且其中所述第一和第二电子束分别照射形成在所述衬底上的待测量膜，以分别检测第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值；并且其中采用规定的计算方式，对所述第一和所述第二测试衬底电流值以及所述基准数据进行处理，计算所述待测量膜的厚度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山田惠三，板垣洋辅，牛木健雄，
申请(专利权)人：法梭半导体，
类型：发明
国别省市：JP[日本]