一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法及装置。其中，该方法包括：构建硅衬底和自然氧化硅层组成的第一体系，测量其椭偏参量，确定第一体系对应的光学常数和厚度；构建硅衬底、自然氧化硅层及非吸收介质层组成的第二体系，测量其椭偏参量，根据该椭偏参量、所述第一体系对应的光学常数和厚度数据，确定非吸收介质层的光学常数和厚度；构建硅衬底、自然氧化硅层、非吸收介质层及金属膜层组成的第三体系，测量其椭偏参量，根据该椭偏参量、所述第一体系对应的光学常数和厚度数据、所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定金属膜层的光学常数和厚度数据。采用本发明专利技术公开的方法，能够提高超薄金属膜检测的精度和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法及装置
本专利技术涉及光学测量
，具体涉及一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法和装置。另外，还涉及一种利用光谱椭偏仪的超薄金属膜的光学表征方法及装置。
技术介绍
光谱椭偏仪是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或透射光)，以获得偏振光在反射(或透射)前后的偏振态变化(包括振幅比和相位差)，从而提取出待测样品的相关物理(如光学参数、薄膜厚度等)信息。椭偏测量技术由于其属于无损检测且具有高灵敏度、高精度、可用于超薄膜及其制备过程中的实时监测等特点，具有其他测厚仪器所无法比拟的优势，已成为薄膜厚度和光学常数精确测量的重要手段之一，在薄膜研究领域具有不可替代的地位。通过光谱椭偏仪进行椭偏测量，能够获得材料的折射率、消光系数和复介电函数等光学性质，还可以进一步计算得到包括材料反射率、吸收率、透射率、光学带隙在内的相关光学参数。同时，椭偏技术还可用于获取材料组分、界面层性质和粗糙度等综合信息。然而，利用常规椭偏方法测量材料参数/性质还存在诸多局限，比如包括：在测量超厚(或超薄)金属膜时，由于超厚(或超薄)金属膜严重衰减(几乎不改变)椭偏信号使得常规方法难以准确测定超厚(或超薄)金属膜的光学参数和物理厚度等；常规椭偏测量方法所基于的椭偏方程是一组超越方程，无法得到解析解，必须首先建立物理模型再通过反演的方法确定模型中的参数，即所谓的trialanderror方法，因此，在拟合过程中由于未知量的增加和限制条件的不足导致薄膜厚度和光学常数经常出现不唯一性；通常薄膜存在三种生长模式，即岛状生长，层状生长和岛-层混合生长，对于纳米尺度金属膜，薄膜形态受衬底表面、结构及形貌的影响较大，往往出现与常规薄膜或体材完全不同的形态或/和性质，利用椭偏仪分析这类薄膜(如表面粗糙，存在大量界面及孔洞等缺陷的薄膜)常需要谨慎选择合适的色散方程，约束方程的不足以及色散方程选择的复杂性使常规椭偏测量在弱信号条件下难以精确测定光学参量和物理参数等。近年来，随着各种器件的微型化及集成度的提高，纳米厚度金属膜在半导体芯片和各种器件制造中愈加重要。纳米厚度金属薄膜由于其不同于其相应体材的独特性质，在微电子、集成光学、太阳能电池、生物医学、化学及航天技术等领域应用愈加广泛，并且表现出特定的新型功能而不可或缺。目前，检测纳米厚度薄膜的手段包括原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、分光光度计以及各种膜厚仪等，这些手段或许能够实现亚纳米分辨率的检测，但由于其对器件的破坏性、操作复杂、检测效率低，而无法应用于实际生产线中。因此，无法满足快速发展的先进工艺控制及优化的检测要求。为了更好地解决纳米薄膜的厚度无法被快速、无损、高效地精确测量问题，尤其是针对常规椭偏测量无法精确测定超薄金属膜(比如厚度在10nm以下)的问题，目前人们已经提出了一些改进措施，包括发展了一些技术和方法，如多角度测量、干涉增强、介电函数参数化建模、将椭偏参数和透射率测量以及椭偏参数和反射率测量相结合等。比如：利用椭偏参量和反射率协同分析方法实现了厚度为2.86-12.6nm的金属Cu纳米膜厚度的测定；利用上述方法测得的厚度值为3.9nm，而采用AFM技术测得厚度为2.86nm，两者产生的厚度偏差高达36.4％(|椭偏测量厚度-AFM测量厚度|/AFM测量厚度×100)。因此，目前使用的方法测量的厚度偏差较大。由此可见，发展精确测量厚度为10nm以下超薄金属膜的新方法不仅对于科学研究十分重要，而且对于工业生产具有重要的实际意义和价值。
技术实现思路
为此，本专利技术提供一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法及装置，以解决现有技术中存在的测量方法测量数据偏差较大，灵敏度较差，导致无法满足实际使用需求的问题。本专利技术提供一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，包括：构建硅衬底和自然氧化硅层组成的第一体系，利用光谱椭偏仪测量所述第一体系中硅衬底和自然氧化硅层的椭偏参量；根据所述椭偏参量，确定所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据；在所述第一体系上制备非吸收介质层，构建硅衬底、自然氧化硅层及非吸收介质层组成的第二体系，利用光谱椭偏仪测量所述第二体系中非吸收介质层的椭偏参量；根据所述非吸收介质层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，确定所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据；在所述第二体系上制备金属膜层，构建硅衬底、自然氧化硅层、非吸收介质层及金属膜层组成的第三体系，利用光谱椭偏仪测量所述第三体系中金属膜层的椭偏参量；根据所述金属膜层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数、所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据以及所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定所述金属膜层的光学常数和厚度数据。进一步的，所述在所述第一体系上制备非吸收介质层，具体包括：在所述自然氧化硅层上采用化学气相沉积、磁控溅射沉积以及电子束蒸发沉积中的任意一种或者两种方式制备非吸收介质层。进一步的，所述非吸收介质层为在椭偏仪测量光谱范围内对光是非吸收的介质材料，所述非吸收介质层包含SiO2膜、Si3N4膜以及MgF2膜中任意一种；所述非吸收介质层的厚度数据为500nm～2um。进一步的，利用光谱椭偏仪测量椭偏参量的过程中，确定所述光谱椭偏仪的入射光的波长范围参数为190nm～2500nm以及所述入射光的入射角参数为45°～70°。进一步的，所述根据所述椭偏参量，确定所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，具体包括：构建所述第一体系对应的第一椭偏拟合模型，利用所述第一椭偏拟合模型对所述第一体系中硅衬底和自然氧化硅层的椭偏参量进行拟合，得到并记录所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据；所述根据所述非吸收介质层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，确定所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，具体包括：构建所述第二体系对应的第二椭偏拟合模型，利用所述第二椭偏拟合模型对所述第二体系中非吸收介质层的椭偏参量进行拟合，得到并记录所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据；所述根据所述金属膜层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数、所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据以及所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定所述金属膜层的光学常数和厚度数据，具体包括：构建所述第三体系对应的第三椭偏拟合模型，利用所述第三椭偏拟合模型对所述第三体系中金属膜层的椭偏参量进行拟合，得到所述金属膜层的光学常数和厚度数据。进一步的，所述金属膜层包括金、铂、钯、钛中的任意一种金属元素，所述金属膜层的厚度数据小于10nm。本专利技术提供一种利用光谱椭偏仪的超薄金属膜的光学表征方法，包括：设定光谱椭偏仪的操作参数；构建测量金属膜层的椭偏拟合模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，包括：/n构建硅衬底和自然氧化硅层组成的第一体系，利用光谱椭偏仪测量所述第一体系中硅衬底和自然氧化硅层的椭偏参量；根据所述椭偏参量，确定所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据；/n在所述第一体系上制备非吸收介质层，构建硅衬底、自然氧化硅层及非吸收介质层组成的第二体系，利用光谱椭偏仪测量所述第二体系中非吸收介质层的椭偏参量；根据所述非吸收介质层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，确定所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据；/n在所述第二体系上制备金属膜层，构建硅衬底、自然氧化硅层、非吸收介质层及金属膜层组成的第三体系，利用光谱椭偏仪测量所述第三体系中金属膜层的椭偏参量；根据所述金属膜层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数、所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据以及所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定所述金属膜层的光学常数和厚度数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，包括：
构建硅衬底和自然氧化硅层组成的第一体系，利用光谱椭偏仪测量所述第一体系中硅衬底和自然氧化硅层的椭偏参量；根据所述椭偏参量，确定所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据；
在所述第一体系上制备非吸收介质层，构建硅衬底、自然氧化硅层及非吸收介质层组成的第二体系，利用光谱椭偏仪测量所述第二体系中非吸收介质层的椭偏参量；根据所述非吸收介质层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，确定所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据；
在所述第二体系上制备金属膜层，构建硅衬底、自然氧化硅层、非吸收介质层及金属膜层组成的第三体系，利用光谱椭偏仪测量所述第三体系中金属膜层的椭偏参量；根据所述金属膜层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数、所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据以及所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定所述金属膜层的光学常数和厚度数据。


2.根据权利要求1所述的利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，所述在所述第一体系上制备非吸收介质层，具体包括：在所述自然氧化硅层上采用化学气相沉积、磁控溅射沉积以及电子束蒸发沉积中的任意一种或者两种方式制备非吸收介质层。


3.根据权利要求1所述的利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，所述非吸收介质层为在椭偏仪测量光谱范围内对光是非吸收的介质材料，包含SiO2膜、Si3N4膜以及MgF2膜中任意一种；所述非吸收介质层的厚度数据为500nm～2um。


4.根据权利要求1所述的利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，利用光谱椭偏仪测量椭偏参量的过程中，确定所述光谱椭偏仪的入射光的波长范围参数为190nm～2500nm以及所述入射光的入射角参数为45°～70°。


5.根据权利要求1所述的利用光谱椭偏仪检测超薄金属膜的方法，其特征在于，所述根据所述椭偏参量，确定所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，具体包括：
构建所述第一体系对应的第一椭偏拟合模型，利用所述第一椭偏拟合模型对所述第一体系中硅衬底和自然氧化硅层的椭偏参量进行拟合，得到并记录所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据；
所述根据所述非吸收介质层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数以及所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据，确定所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，具体包括：
构建所述第二体系对应的第二椭偏拟合模型，利用所述第二椭偏拟合模型对所述第二体系中非吸收介质层的椭偏参量进行拟合，得到并记录所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据；
所述根据所述金属膜层的椭偏参量、所述硅衬底对应的光学常数、所述自然氧化硅层对应的光学常数和厚度数据以及所述非吸收介质层的光学常数和厚度数据，确定所述金属膜层的光学常数和厚度数据，具体包括：
构建所述第三体系对应的第三椭偏拟合模型，利用所述第三椭偏拟合模型对所述第三体系中金属膜层的椭偏参量进行拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵乐，褚卫国，董凤良，陈佩佩，闫兰琴，田毅，宋志伟，徐丽华，胡海峰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11