半导体薄膜厚度测量丨基于光学反射率的厚度测量技术

在半导体制造中，薄膜的沉积和生长是关键步骤。薄膜的厚度需要精确控制，因为厚度偏差会导致不同的电气特性。传统的厚度测量依赖于模拟预测或后处理设备，无法实时监测沉积过程中的厚度变化，可能导致工艺偏差和良率下降。为此，研究团队开发了一种基于激光反射率的光学传感器，能够在真空环境下实时测量氧化膜（SiO₂）、氮化膜（Si₃N₄）和多晶硅（p-Si）的厚度。

FlexFilm单点膜厚仪可方便搭建各种光谱实验平台，实现对各种材料的光学特性、膜厚、材料的反射率、透过率等光谱特性的测试和分析实验。

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光学原理

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激光在薄膜界面反射和折射的光路图

入射光束（I）在薄膜上表面反射为（I₁），另一部分折射后在下表面反射并再次折射为（I₂）。

光程差公式：Δp = 2ndcosθ₁（n为折射率，d为厚度，θ₁为折射角）。

相位差（ΔΦ）导致干涉，影响反射光强度，从而关联到薄膜厚度。

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薄膜厚度测量装置

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激光入射角设置为30°、45°、60°，反射光信号转换为电压值（参考入射光电压8.14 V）。

测量原理：通过测量反射光的强度，并结合薄膜的光学性质，计算出薄膜的反射率，进而推导出薄膜的厚度。

测量目标：验证基于光学反射率的薄膜厚度测量方法的可行性和准确性。

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材料制备与表征

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三种不同类型薄膜厚度的测量结果

氧化物薄膜的测量误差在1.2%以内，显示出较高的测量精度。

氮化物薄膜的测量误差在1.6%到2.2%之间，整体误差也较小。

多晶硅薄膜的测量误差在-0.2%到3.6%之间，其中150 nm厚度的薄膜误差最大，可能与其光学性质与硅片相似有关。

氧化物、氮化物、多晶硅和单晶硅的光学性质

氧化物和氮化物薄膜：折射率分别为1.47和2.02，消光系数均为0，表明这些薄膜是透明的，没有吸收。

多晶硅薄膜：折射率为4.05，消光系数为0.05，表明多晶硅薄膜具有一定的吸收特性。

单晶硅薄膜：折射率为3.88，消光系数为0.019，表明单晶硅薄膜的吸收较小。

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理论模型

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多层薄膜结构中第N层薄膜的折射和反射过程

多层薄膜结构：展示了多层薄膜的折射和反射过程，特别关注第N层薄膜的行为。

光程差和相位差：通过计算光程差和相位差，可以推导出反射光的强度变化，进而用于薄膜厚度的测量。

反射率计算：反射率是反射光强度与入射光强度的比值，通过反射率的变化可以推导出薄膜的厚度。

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入射角依赖性分析

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不同角度下的反射率曲线

反射率的周期性变化：

氧化物和氮化物薄膜的反射率随厚度变化呈现出明显的周期性波动，这与薄膜的干涉效应有关。

多晶硅薄膜的反射率变化较为复杂，周期性不明显，主要由于其吸收特性。

入射角度的影响：

在较小的入射角度（45°和60°）下，反射率的变化较为明显，对薄膜厚度的变化更为敏感。

在较大的入射角度（80°、85°和89°）下，反射率的变化逐渐趋于平缓，但仍能观察到厚度对反射率的影响。

薄膜类型的差异：

氧化物和氮化物薄膜的反射率变化较为相似，主要由于它们都是透明薄膜，消光系数为零。

多晶硅薄膜的反射率变化较为复杂，主要由于其吸收特性。

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反射率与厚度关系

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三种薄膜的实测与理论反射率对比

薄膜厚度测量：

通过分析反射率的变化，可以精确测量薄膜的厚度，特别是对于透明薄膜（如氧化物和氮化物）。

对于半透明薄膜（如多晶硅），虽然反射率变化复杂，但仍然可以通过选择合适的波长和入射角度进行测量。

实验装置的设计提供了理论基础，帮助优化半导体制造工艺中的薄膜沉积和生长过程，确保薄膜厚度在控制范围内。

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多角度测量验证

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氧化物、氮化物、多晶硅三种薄膜反射率随厚度的变化

材料光学特性决定测量效果：

透明/半透明材料（氧化膜、氮化膜）因干涉效应显著，反射率与厚度强相关。

不透明材料（多晶硅）因光吸收（k≠0）导致干涉失效，反射率无厚度信息。

入射角选择策略：

高折射率材料（如氮化膜）适合低角度（30°），低折射率材料（如氧化膜）适合高角度（60°）。

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对比度分析

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氧化物、氮化物和多晶硅薄膜的对比度

通过对比度的分析，展示了不同薄膜类型在不同入射角度下的反射率变化的明显程度。对比度越高，反射率的变化越明显，薄膜厚度的测量越容易。从而优化测量方法，提高薄膜厚度测量的精度和可靠性。

一种基于光学反射率的薄膜厚度测量方法，能够在半导体制造过程中实时监测薄膜的沉积和生长厚度。通过激光反射率测量技术，成功实现了氧化膜（SiO₂）和氮化膜（Si₃N₄）薄膜厚度的实时、高精度监测，误差可控制在10 nm以内，最小误差低至0.68%。

该技术不仅为半导体行业提供了一种高效、低成本的厚度测量方案，也为光学薄膜表征领域的发展提供了新的思路，具有重要的工程应用价值和科学研究意义。

FlexFilm单点膜厚仪

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FlexFilm单点膜厚仪是一款专为纳米级薄膜测量设计的国产高精度设备，采用光学干涉技术实现无损检测，测量精度达±0.1nm，1秒内即可完成测试，显著提升产线效率。

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2.智能灵活适配：波长覆盖380-3000nm，内置多算法，一键切换材料模型。

3.稳定耐用：光强均匀稳定（CV＜1%）年均维护成本降低60%。

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