多晶硅薄膜厚度测量技术

　　目前,多晶硅薄膜主要用于微电子工艺以及从微电子工艺衍生出来的MEMS工艺中。MEMS对多晶硅薄膜的要求与微电子不同,微电子主要控制其电学性质,而前者主要注重改善多晶硅薄膜的机械性质。在MEMS用多晶硅薄膜研究中,厚度的测量至关重要。

　　1　测量技术分类

　　多晶硅薄膜厚度测量可以按照材料破坏与否分为破坏性测量和非破坏性测量两种。破坏性测量是指在测量过程中或测量前期准备中对基片或薄膜产生破坏作用的测量方法。对基片的破坏作用主要表现在:基片的断开、破裂、磨损等;对薄膜的破坏作用主要表现在薄膜脱落、划痕等。非破坏性测量是指在测量过程中和测量前期准备中对基片和薄膜都不产生破坏作用的测量方法。

　　破坏性测量方法主要有:研磨法、台阶法等。非破坏性测量方法主要包括:称重法、椭圆偏振法以及采用其它最新测试设备直接对薄膜进行测量的方法。

　　2　破坏性测量技术

　　2·1　研磨法

　　研磨法原理是先把薄膜和衬底研磨出一个剖面,然后借助于显微镜测量剖面宽度。由于MEMS用多晶硅的厚度一般在1μm~3μm之间,如果采用垂直剖面,即使形成优良的薄膜剖面,也难以用显微镜等工具方便地测量。因此,采用特殊的研磨方法,把薄膜的垂直剖面进行横向扩展,使剖面与薄膜表面成一定的角度,从而加大了剖面宽度,方便用显微镜测量和减少误差。

　　研磨法主要有磨角法、滚球法、滚槽法等。

　　2·1·1　磨角法

　　采用倒角α较小的磨角器,一般选α为1°到5°,将样品用白蜡和松香等黏附在磨角器上,如图1所示。研磨后,在样品上就会形成一个与磨角器α角相同的削角,如图2所示。用读数显微镜测得L后,膜厚d可由式

　　(1)计算:d=L·sinα                        (1)

　　研磨料一般选用氧化铝、碳化硼、金刚砂的粉末,用水或油拌和而成。其颗粒度越小,研磨面越细,测量越精确,但所需时间也就越长。研磨一般用手工在平整的玻璃板上进行,为了使片子受到的研磨力均匀一致,常常按照单或多“8”字形路线进行研磨运动。

　　2·1·2　滚球法

　　用机械代替手工使薄膜垂直剖面作横向扩展的一种方法。该测试方法使用一个直径R远远大于薄膜厚度的钢球,在多晶硅薄膜上滚出一个如图3所示的球形凹槽。

　　根据勾股定理,可以推出薄膜厚度的计算公式为:

　　用读数显微镜测量出a、b的值,就可以求出膜厚d。

　　2·1·3　滚槽法

　　该测试方法使用一个直径R远远大于薄膜厚度的钢圆柱,在多晶硅薄膜上滚出一个圆筒形凹槽,其截面图和滚球法一样,如图3所示。