Определение толщины пленок двуокиси кремния

Толщину диэлектрических пленок определяют цветовым, интерференционным и эллипсометрическим методами.

Цветовой метод используют для экспресс-контроля толщины пленок SiO₂ от 0,05 до 1,5 мкм. Он основан на том, что прозрачные пленки разной толщины имеют разные цвета за счет интерференции в них одной из составляющих монохроматического света, длина волны которой кратна толщине пленки. Через некоторый диапазон толщин, например 0,27 – 0,46 мкм цвета повторяются. Порядковый номер каждого диапазона соответствует порядку отражения. Если номинальное значение толщины пленки неизвестно, то ее травят «на клин» и определяют порядок отражения по числу повторений цвета первой полосы (обычно самой яркой), начиная со стороны чистого кремния и заканчивая цветом нетравленного SiO₂. По цветовой шкале можно определить толщину пленки с точностью до 0,02 мкм.

Интерференционный метод определения толщины диэлектрических пленок основан на интерференции лучей, отраженных от поверхности пластины и пленки. Разность хода этих двух лучей определяется толщиной пленки, показателем преломления и углом преломления света. Измерения могут быть проведены с разрушением и без разрушения пленки. В первом случае часть пленки стравливают и получают ступеньку. В поле зрения микроинтерферометра (например, типа МИИ-4) наблюдают интерференционную картину в виде смещенных полос в месте ступеньки. Если целостность пленки не нарушать, то интерференционная картина будет в виде прямых полос. Когда спектр интерференционных полос от пучка, отраженного поверхностью пленки, имеет слабую интенсивность, на ступеньку напыляют тонкий (0,02 – 0,03 мкм) слой алюминия, который усиливает интенсивность картины и, кроме того, делает пленку непрозрачной. Методика определения толщины пленок, как правило, приводится в описании, прилагаемом к интерферометру. Погрешность интерференционного метода зависит от типа микроинтерферометра и обычно не превышает 10 %.

Для более точного определения толщины диэлектрических и поликремниевых пленок используют интерференционный метод, основанный на спектральной зависимости коэффициента отражения от поверхности раздела пленка – пластина в видимой области спектра (диапазон длин волн составляет 0.33 – 0.8 мкм). Положение минимальных и максимальных значений коэффициента отражения зависит от показателей преломления и поглощения, а также от толщины пленки Интерференционный спектр отражения контролируемого образца получают с помощью спектрофотометра, после чего результаты идентифицируют по имеющимся, например, номограммам и определяют толщину пленки. Погрешность измерения составляет в этом случае < 2 %.

Эллипсометрический метод измерения толщины диэлектрических пленок основан на отражении линейно-поляризованного лазерного луча от покрытой пленкой пластины. В результате образуется эллиптически-поляризованная отраженная волна. Измерив ее параметры (фазу и амплитуду), определяют, например по номограммам, толщину пленки и ее коэффициент преломления. Методом эллипсометрии можно выполнять контроль многослойных структур, например Si₃N₄ – SiO₂ – Si и др, но для этого нужно знать показатели преломления всех слоев и пластины.