超厚薄膜的测量方法和测量装置与流程

本发明涉及半导体制作领域，尤其涉及一种超厚薄膜的测量方法和测量装置。

背景技术：

随着薄膜技术的发展，薄膜可以应用于集成电路、微型薄膜电容器、三维存储器等。在制备薄膜的工艺中，薄膜厚度是一个非常重要的参数，直接关系到应用该薄膜的元件能否正常工作，因此，在制备薄膜的工艺中精确地测量薄膜厚度，以保证薄膜厚度的准确性是十分必要的。

在实际工作中虽然可以利用各种传统的方法测定光学参数(如布儒斯特角法测介质膜的折射率、干涉法测膜厚等)，但椭圆偏振法(简称椭偏法)具有独特的优点，是一种较灵敏(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)、精度较高(比一般的干涉法高一至二个数量级)、并且是非破坏性测量，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。

椭圆偏正法测量薄膜厚度的基本原理是：将通过起偏器光入射的待测薄膜表面，通过测定待测薄膜表面入射光和反射光前后偏振态的变化(振幅比和相位差)，从而获得待测薄膜的厚度信息。

但是采用现有椭圆偏正法对薄膜厚度进行测量时，特别是厚度较大的薄膜进行测量时，难以给出可靠的测量结果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是怎样减小或防止光罩的变形。

为了解决上述问题，本发明提供了一种超厚薄膜的测量方法，包括步骤：

获得待测薄膜的红外光波段的全波段的量测光谱；

获得待测薄膜的材料对应的理论光谱；

计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

可选的，所述全波段量测光谱通过具备红外光波段的椭圆偏振厚度测量设备测量获得。

可选的，所述红外光波段的波长为960纳米-2200纳米。

可选的，所述全波段量测光谱为测量获得的光强随测量时红外波长变化的分布曲线。

可选的，所述理论光谱的获得过程包括步骤：提供回归分析物理模型，所述回归分析物理模型根据不同的厚度、特定材料的色散关系曲线计算生成光强对应红外光波长的分布曲线；根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段；在回归分析物理模型中设定所述特定材料为待测薄膜的材料以及特定红外光波段，回归分析物理模型根据相应的设定计算获得待测薄膜的不同厚度下的光强对应特定红外光波段的若干分布曲线，该若干分布曲线即为若干理论光谱。

可选的，所述根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段的过程为：基于回归分析物理模型，获得红外光波段的全波段内，待测薄膜的厚度进行最小分辨率量级变化时对应的光谱变化量，将光谱变化量除以系统噪音，获得信噪比；将信噪比大于3对应的红外光波段作为适于计算的特定红外光波段。

可选的，基于特定红外光波段，将全波段的量测光谱中与特定红外光波段相同的波段所对应的量测光谱与理论光谱进行峰位相关性的计算。

可选的，所述峰位相关性为理论光谱的各波峰与量测光谱的各波峰在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波谷与量测光谱的各波谷在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波峰和波谷与量测光谱的各波峰和波谷在沿波长方向上的平移对准性。

可选的，所述待测薄膜的材料为硅。

可选的，所述待测薄膜的厚度为1-35微米。

本发明还提供了一种超厚薄膜的测量装置，包括：

量测单元，用于获得待测薄膜的红外光波段的全波段的量测光谱；

理论光谱获得单元，用于获得待测薄膜的材料对应的理论光谱；

计算单元，用于计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，并将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

可选的，所述量测单元为具备红外光波段的椭圆偏振厚度测量设备。

可选的，所述红外光波段的波长为960纳米-2200纳米。

可选的，所述全波段量测光谱为测量获得的光强随测量时红外波长变化的分布曲线。

可选的，理论光谱获得单元包括：回归分析物理模型提供单元，用于提供回归分析物理模型，所述回归分析物理模型根据不同的厚度、特定材料的色散关系曲线计算生成光强对应红外光波长的分布曲线；特定红外光波段获取单元，用于根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段；设定单元，在回归分析物理模型中设定所述特定材料为待测薄膜的材料以及特定红外光波段，回归分析物理模型提供单元中的回归分析物理模型根据相应的设定计算获得待测薄膜的不同厚度下的光强对应特定红外光波段的若干分布曲线，该若干分布曲线即为若干理论光谱。

可选的，特定红外光波段获取单元根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段的过程为：基于回归分析物理模型，获得红外光波段的全波段内，待测薄膜的厚度进行最小分辨率量级变化时对应的光谱变化量，将光谱变化量除以系统噪音，获得信噪比；将信噪比大于3对应的红外光波段作为适于计算的特定红外光波段。

可选的，所述计算单元基于特定红外光波段，将全波段的量测光谱中与特定红外光波段相同的波段所对应的量测光谱与理论光谱进行峰位相关性的计算。

可选的，所述峰位相关性为理论光谱的各波峰与量测光谱的各波峰在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波谷与量测光谱的各波谷在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波峰和波谷与量测光谱的各波峰和波谷在沿波长方向上的平移对准性。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

本发明的超厚薄膜的测量方法，通过计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度，即本申请中对超厚薄膜进行测量时，相对于传统椭圆偏振法采用的内差法或者均方根偏差计算获得薄膜厚度的方法，通过理论光谱与量测光谱的峰位相关性而非特定波长上理论光谱与量测光谱光强的差值权重来作为厚度测量的依据，从而实现对超厚薄膜的厚度测量，并可以获得可靠的测量结果。并且由于进行测量时只需要极端峰位相关性，减小了计算的工作量，提高了测量速率。

进一步，在进行测量时采用的红外光的红外光波段的波长为960纳米-2200纳米，该波段的红外光能够穿透强吸收材料(比如硅)，因而测量时能获得待测薄膜底层的反射信息，并且长波段能进出可靠和可重复的回归分析计算，以获得精度较高的量测光谱。

进一步，获得理论光谱时，根据信噪比筛选出符合要求的红外光波段，以提高测量的精度，并减小后续进行峰位相关性计算时的计算量，提高计算的速率。

进一步，基于特定红外光波段，将全波段的量测光谱中与特定红外光波段相同的波段所对应的量测光谱与理论光谱进行峰位相关性的计算，以提高测量的精度，并减小进行峰位相关性计算时的计算量，提高计算的速率。

本发明的超厚薄膜的测量装置能实现对超厚薄膜的厚度测量，并可以获得可靠的测量结果。并且由于进行测量时只需要极端峰位相关性，减小了计算的工作量，提高了测量速率。

附图说明

图1-2为本发明一实施例超厚薄膜的测量过程的流程示意图；

图3-4为本发明一实施例超厚薄膜的测量装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例中测量光谱的结构示意图；

图6-8为本发明一实施例中理论光谱的结构示意图；

图9为本发明一实施例中测量光谱和理论光谱进行比较时的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，现有采用椭圆偏正法对薄膜厚度进行测量时，特别是厚度较大的薄膜进行测量时，难以获得可靠的测量结果。

研究发现，传统的椭圆偏振法进行厚度测量时，是根据量测光谱和理论光谱的拟合优度给出可靠的量测结果，所述拟合优度基于理论光谱与实际光谱的内差或均方根偏差计算，因而传统的椭圆偏振法对于较薄厚度或正常厚度的薄膜的厚度测量的精度是较高的，但是在对超厚(厚度大于1微米)薄膜的厚度进行测量时，超厚薄膜对光的吸收作用加强，使得量测光谱的信号质量由于材料的强吸收与随机散射下降，量测光谱与理论光谱难以精确拟合，同时量测光谱的震荡密度上升，接近大部分波段探测器的空间分辨率极限(在椭圆偏振获得的量测光谱中，材料一定的前提下，光谱的震荡密度单调正相关于样品厚度)，因而传统的椭圆偏振法无法根据合理的拟合优度给出超厚薄膜厚度的可靠测量结果。

为此，本发明提供了一种超厚薄膜的测量方法和测量装置，其中所述超厚薄膜的测量方法，通过计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度，即本申请中对超厚薄膜进行测量时，相对于传统椭圆偏振法采用的内差法或者均方根偏差计算获得薄膜厚度的方法，通过理论光谱与量测光谱的峰位相关性而非特定波长上理论光谱与量测光谱光强的差值权重来作为厚度测量的依据，从而实现对超厚薄膜的厚度测量，并可以获得可靠的测量结果。并且由于进行测量时只需要极端峰位相关性，减小了计算的工作量，提高了测量速率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1-2为本发明一实施例超厚薄膜的测量过程的流程示意图；图3-4为本发明一实施例超厚薄膜的测量装置的结构示意图；图5为本发明一实施例中测量光谱的结构示意图；图6-8为本发明一实施例中理论光谱的结构示意图；图9为本发明一实施例中测量光谱和理论光谱进行比较时的结构示意图。

参考图1，本实施例的超厚薄膜的测量方法，包括步骤：

s101，获得待测薄膜的红外光波段的全波段的量测光谱；

s102，获得待测薄膜的材料对应的理论光谱；

s103，计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

下面对前述过程进行详细的说明。

进行步骤s101，获得待测薄膜的红外光波段的全波段的量测光谱。

本实施例中，所述待测薄膜为硅衬底或硅晶圆，在硅衬底或硅晶圆进行减薄后需要进行厚度的测量。由于硅衬底或硅晶圆对于光具有强的吸收性，并且硅衬底或硅晶圆本身厚度较厚，采用传统的椭圆偏振法难以对减薄后的硅衬底或硅晶圆的厚度进行测量，且难以给出可靠的测量结果。在其他实施例中，所述待测薄膜可以为其他材料的薄膜，比如可以为介质层或金属层，所述介质层的材料可以为氧化硅、氮化硅或其他材料的介质层，所述金属层的材料可以为cu、w、ti、al、au或其他材料的金属。

在本实施例中，所述待测薄膜的厚度为1-35微米。在其他实施例中，所述待测薄膜可以为其他厚度。

所述全波段量测光谱通过具备红外光波段的椭圆偏振厚度测量设备测量获得，所述全波段量测光谱为测量获得的光强随测量时红外波长变化的分布曲线。

在一具体的实施例中，采用测量设备获得全波段量测光谱的过程可以包括：将红外光作为入射光，以一定的角度打到待测薄膜的特定位置，该入射光待测薄膜顶部和底部表面反射后，该入射光的偏振状态发生变化，接着，可以根据该偏振状态发生变化的情况产生量测光谱，并且在测量时，变换红外光的波长，获得两侧光谱为光强随红外波长变化的量测光谱。

在一实施例中，在进行测量时采用的红外光的红外光波段的波长为960纳米-2200纳米，该波段的红外光能够穿透强吸收材料(比如硅)，因而测量时能获得待测薄膜底层的反射信息，并且长波段能进出可靠和可重复的回归分析计算，以获得精度较高的量测光谱。

参考图5，图5为本发明一实施例中测量光谱的结构示意图，其中横轴x轴表示红外光波长，纵轴y轴表示测量获得的光强，光强可以通过量测设备中的ccd传感器获得。

参考图5，所述量测光谱21为960纳米-2200纳米的红外全波段内光强随测量时红外光波长变化的分布曲线。

需要说明的是，图5中所示的量测光谱21仅是作为示例以方便对本申请方案的理解和说明，其不应限制本申请的保护范围。

进行步骤s102，获得待测薄膜的材料对应的理论光谱。

在一实施例中，请参考图2，所述理论光谱的获得过程(s102)包括步骤：s1021，提供回归分析物理模型，所述回归分析物理模型根据不同的厚度、特定材料的色散关系曲线计算生成光强对应红外光波长的分布曲线；s1022，根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段；s1023，在回归分析物理模型中设定所述特定材料为待测薄膜的材料以及特定红外光波段，回归分析物理模型根据相应的设定计算获得待测薄膜的不同厚度下的光强对应特定红外光波段的若干分布曲线，该若干分布曲线即为若干理论光谱。

回归分析物理模型中建立有特定材料、特定材料的厚度、特定材料的色散曲线与检测的红外波长和光强的相应关系，通过设定特定材料的种类和厚度，回归分析物理模型能计算获得不同厚度下的光强对应红外光波段的分布曲线。

所述回归分析物理模型存在于现有的光谱分析软件中，比如kla-tencor测量设备的光谱分析软件中，回归分析物理模型也可以是技术人员根据实际需要自行建立。

请参考图6和图7，图6和图7为根据回归分析物理模型获得的某一特定材料在不同厚度下的全波段理论光谱23和24，其中横轴x轴表示红外光波长，纵轴y轴表示光强。需要的说明的是，图6和图7中所示的全波段理论光谱23和24仅是作为示例以方便对本申请方案的理解和说明，其不应限制本申请的保护范围。

全波段理论光谱23和24是根据回归分析物理模型获得的在960纳米-2200纳米的红外全波段内光强随红外光波长变化的分布曲线。

不同材料的全波段理论光谱是不同的，同一材料在不同厚度下的全波段理论光谱也是不同的。

在960纳米-2200纳米的红外全波段内，针对不同的材料和不同的厚度，在测量时，不同波段的红外光对应获得的光强的强度和频率变化是不同的，而由于测量设备在进行测量时存在系统噪音，因而某些波段红外光对应获得光强受到系统噪音的影响不能正常反应光强的强度和频率，给后续进行峰位相关性的判断时带来较大的误差，因而本申请中，需要根据信噪比筛选出符合要求的红外光波段，以提高测量的精度，并减小后续进行峰位相关性计算时的计算量，提高计算的速率。

在一实施例中，所述根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段的过程为：基于回归分析物理模型，获得红外光波段的全波段内，待测薄膜的厚度进行最小分辨率量级变化时对应的光谱变化量；将光谱变化量除以系统噪音，获得信噪比；将信噪比大于3对应的红外光波段作为适于计算的特定红外光波段。

所述光谱的变化量即为光强的变化量。

在选定待测薄膜的材料后，可以根据回归分析物理模型获得特定厚度t1下全波段第一理论光谱；然后将厚度变化t，t为测量设备在进行测量时的最小分辨率，根据回归分析物理模型获得特定厚度t1+t下全波段第二理论光谱；将第二理论光谱与第一理论光谱相减，获得全波段内的光谱变化量；将光谱变化量除以系统噪音，获得信噪比；将信噪比大于3对应的红外光波段作为适于计算的特定红外光波段。

本实施例中，所述系统噪音为量测设备在每次量测时自动报出。在其他实施例中，所述系统噪音的大小根据经验设定或者根据不同的测量设备，设定不同的系统噪音。

参考图8，图8为根据前述步骤获得的一理论光谱22结构示意图，经过信噪比筛选后，红外波段1600-2200纳米为符合要求或者适于计算的特定红外光波段。需要说明的是，图8中所示的理论光谱22仅是作为示例以方便对本申请方案的理解和说明，其不应限制本申请的保护范围。

图8中仅示出了红外波段1600-2200纳米内的一根理论光谱22，在实际进行计算时，每一个厚度都会对应获得红外波段1600-2200纳米内一根理论光谱。具体的：在回归分析物理模型中设定所述特定材料为待测薄膜的材料以及特定红外光波段(1600-2200纳米)，回归分析物理模型根据相应的设定计算获得待测薄膜的不同厚度下的光强对应特定红外光波段1600-2200纳米的若干分布曲线，若干分布曲线为不同厚度对应的若干理论光谱。及每一根理论光谱都代表特定材料的待测薄膜的一个厚度。

进行步骤s103，计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

在一实施例中，基于特定红外光波段，将全波段的量测光谱中与特定红外光波段相同的波段所对应的量测光谱与理论光谱进行峰位相关性的计算，以提高测量的精度，并减小进行峰位相关性计算时的计算量，提高计算的速率。具体的，进行峰位相关性的计算前，先将图5中所示全波段的量测光谱21中特定红外光波段1600-2200纳米对应的那一部分分布曲线作为进行计算时的量测光谱，以使得计算结果更为准确。

在进行峰位相关性计算时，将前述获得若干理论光谱均与量测光谱进行峰位相关性的计算，获得峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

具体的，请参考图9，在进行峰位相关性计算时，将理论光谱22和量测光谱21在一个坐标系中叠加，将理论光谱22的各波峰与量测光谱21的各波峰在沿波长方向(x轴)上的平移对准性作为相关性计算的依据，即所述峰位相关性为理论光谱的各波峰与量测光谱的各波峰在沿波长方向上的平移对准性。

在其他实施例中，所述峰位相关性为理论光谱的各波谷与量测光谱的各波谷在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波峰和波谷与量测光谱的各波峰和波谷在沿波长方向上的平移对准性。

以判断理论光谱22的中一个波峰a和量测光谱21中的一个波峰b的平移对准性作为示例：参考图9，理论光谱22的波峰a在波长方向(x轴)上对应的数值为w1，量测光谱21的波峰b在波长方向(x轴)上对应的数值为w2，当w1减w2的绝对值小于特定值s(在一实施例中所述s可以为0～10nm)时，认为波峰a和波峰b平移对准了，或者当w1除以w2的值为一特定值t(在一实施例中所述t可以为0.95-1.05)，认为波峰a和波峰b平移对准了。

对理论光谱22中每一个波峰和量测光谱21中对应的每一个波峰均进行平移对准的判断。对理论光谱22中每一个波谷和量测光谱21中对应的每一个波谷也均进行平移对准的判断，波谷平移对准的判断与波峰平移对准的判断相同。

在一实施例中，根据理论光谱22和量测光谱21中波峰对准的数量作为峰位相关性高低判断的标准，比如在进行计算时，需要判断是否平移对准的波峰的数量为100个，而某一理论光谱22和量测光谱21波峰平移对准的数量恰好为100个，其他理论光谱22和量测光谱21波峰对准的数量均小于100个，将波峰平移对准数量最大的理论光谱即为峰位相关性最高对应的理论光谱，即认为前述某一理论光谱22为峰位相关性最高的理论光谱，该理论光谱对应的厚度即为测量的厚度。

在另一实施例中，将峰位的平移对准性赋予一定的权重，比如前述所述的两个波峰w1减w2的绝对值小于特定值s(s可以为0～10nm)，认为两波峰完全对准，赋予权重为1；当w1减w2的绝对值大于特定值s小于特定值m(10≤m＜20nm)，认为两波峰欠对准，赋予权重0.95；当w1减w2的绝对值大于特定值m小于特定值l(20≤l＜40nm)，认为两波峰次对准，赋予权重0.90；当w1减w2的绝对值大于特定值l小于特定值n(40≤n＜100nm)，认为两波峰未对准，赋予权重0.5，最后将获得个权重取平均值，将该平均值作为峰位相关性高低判断的标准，即平均值最大的对应的理论光谱即为峰位相关性最高对应的理论光谱，该理论光谱对应的厚度即为测量的厚度。

本实施例的超厚薄膜的测量方法，通过计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度，即本实施例中对超厚薄膜进行测量时，相对于传统椭圆偏振法采用的内差法或者均方根偏差计算获得薄膜厚度的方法，通过理论光谱与量测光谱的峰位相关性而非特定波长上理论光谱与量测光谱光强的差值权重来作为厚度测量的依据，从而实现对超厚薄膜的厚度测量，并可以获得可靠的测量结果。并且由于进行测量时只需要极端峰位相关性，减小了计算的工作量，提高了测量速率。

本发明另一实施例还提供了一种超厚薄膜的测量装置，请参考图3，包括：

量测单元201，用于获得待测薄膜的红外光波段的全波段的量测光谱；

理论光谱获得单元202，用于获得待测薄膜的材料对应的理论光谱；

计算单元203，用于计算理论光谱与量测光谱的峰位相关性，并将峰位相关性最高的点对应的理论光谱所对应的厚度作为测量厚度。

具体的，所述量测单元201为具备红外光波段的椭圆偏振厚度测量设备测量。

所述红外光波段的波长为960纳米-2200纳米。

所述全波段量测光谱为测量获得的光强随测量时红外波长变化的分布曲线。

在一实施例中，请参考图4，所述理论光谱获得单元202包括：回归分析物理模型提供单元2021，用于提供回归分析物理模型，所述回归分析物理模型根据不同的厚度、特定材料的色散关系曲线计算生成光强对应红外光波长的分布曲线；特定红外光波段获取单元2022，用于根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段；设定单元2023，在回归分析物理模型中设定所述特定材料为待测薄膜的材料以及特定红外光波段，回归分析物理模型提供单元2021中的回归分析物理模型根据相应的设定计算获得待测薄膜的不同厚度下的光强对应特定红外光波段的若干分布曲线，该若干分布曲线即为若干理论光谱。

特定红外光波段获取单元根据信噪比，获取适于计算的特定红外光波段的过程为：基于回归分析物理模型，获得红外光波段的全波段内，待测薄膜的厚度进行最小分辨率量级变化时对应的光谱变化量，将光谱变化量除以系统噪音，获得信噪比；将信噪比大于3对应的红外光波段作为适于计算的特定红外光波段。

所述计算单元203基于特定红外光波段，将全波段的量测光谱中与特定红外光波段相同的波段所对应的量测光谱与理论光谱进行峰位相关性的计算。

所述峰位相关性为理论光谱的各波峰与量测光谱的各波峰在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波谷与量测光谱的各波谷在沿波长方向上的平移对准性，或者所述峰位相关性为理论光谱的各波峰和波谷与量测光谱的各波峰和波谷在沿波长方向上的平移对准性。

需要说明的是，本实施例中与前述实施例中相同或相似部分的描述或限定，在本实施例中不再赘述，请参考前述实施例相应部分的描述或限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。