摘要

本文旨在深入探討利用白光干涉技術(shù)測量非晶硅（a-Si）與多晶硅（poly-Si）材料厚度的方法論，特別是在復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)中，如晶圓硅基底與多晶硅層間嵌入二氧化硅層的結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合先進(jìn)的測量設(shè)備——如泓川科技提供的LT-IT50系統(tǒng)，以及Bruggeman光學(xué)模型的應(yīng)用，本文詳細(xì)闡述了測量步驟、方法原理，并通過模擬數(shù)據(jù)展示了該技術(shù)的精確性與可靠性，為硅基電子設(shè)備制造中的質(zhì)量控制提供了科學(xué)依據(jù)。

引言

在半導(dǎo)體工業(yè)中，非晶硅與多晶硅作為關(guān)鍵材料，其薄膜的厚度和光學(xué)性質(zhì)直接影響電子設(shè)備的性能與效率。精確測量這些參數(shù)對于優(yōu)化器件設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)良率至關(guān)重要。白光干涉技術(shù)因其高分辨率、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，成為測量薄膜厚度的理想選擇。本文將重點(diǎn)介紹如何利用這一技術(shù)，結(jié)合特定的光學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對非晶態(tài)與多晶硅材料厚度的精確測量。

理論背景

1. 白光干涉原理

白光干涉基于光的波動(dòng)性和干涉現(xiàn)象，當(dāng)兩束相干光波（一束來自參考面，另一束來自樣品表面或內(nèi)部界面）相遇時(shí)，會(huì)形成明暗相間的干涉條紋。通過分析這些條紋的間距和形狀，可以計(jì)算出樣品表面的形貌或薄膜的厚度。

2. Bruggeman光學(xué)模型

Bruggeman模型是一種有效介質(zhì)理論，用于描述由不同折射率材料組成的混合物的光學(xué)性質(zhì)。在多晶硅薄膜的情況下，該模型能夠考慮晶粒大小、分布及其對整體光學(xué)常數(shù)（折射率n和消光系數(shù)k）的影響，從而提高測量的準(zhǔn)確性。

測量步驟與方法

1. 樣品準(zhǔn)備

• 選取包含非晶硅、多晶硅及二氧化硅夾層的多層結(jié)構(gòu)樣品。

• 確保樣品表面清潔無污染，必要時(shí)進(jìn)行化學(xué)清洗或物理拋光。

2. 測量設(shè)備設(shè)置

• 使用泓川科技的LT-IT50白光干涉儀，配置高精度掃描模塊。

• 設(shè)定測量參數(shù)，包括掃描范圍、分辨率、光源類型（白光）等。

3. 數(shù)據(jù)采集

• 啟動(dòng)測量程序，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行白光干涉測量，記錄干涉圖譜。

• 利用設(shè)備內(nèi)置算法，初步處理數(shù)據(jù)，識別干涉條紋。

4. 數(shù)據(jù)分析與建模

• 導(dǎo)入干涉圖譜至專業(yè)分析軟件，應(yīng)用Bruggeman光學(xué)模型。

• 輸入初始猜測值（如各層折射率、厚度），通過迭代算法優(yōu)化模型參數(shù)，直至模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最佳匹配。

• 提取最終的非晶硅、多晶硅層厚度及光學(xué)常數(shù)（n, k）。

5. 校驗(yàn)與驗(yàn)證

• 對比測量結(jié)果與已知標(biāo)準(zhǔn)或采用其他獨(dú)立測量方法（如橢圓偏振光譜法）進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

• 考慮粗糙度影響，采用適當(dāng)?shù)男拚秸{(diào)整測量結(jié)果。

案例分析

假設(shè)一多層結(jié)構(gòu)樣品，由下至上依次為：硅基底、50nm二氧化硅層、300nm多晶硅層。使用LT-IT50測量得到的干涉圖譜經(jīng)處理后，得到如下初步結(jié)果：

• 多晶硅層厚度初步測量值為305nm，標(biāo)準(zhǔn)差±2nm。

• 應(yīng)用Bruggeman模型后，調(diào)整折射率n=3.5±0.05，消光系數(shù)k=0.02±0.01。

• 二氧化硅層厚度確認(rèn)為49.8nm，與預(yù)設(shè)值高度一致。

經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，最終確定的多晶硅層厚度為298nm，與預(yù)設(shè)值相差僅0.2%，驗(yàn)證了測量方法的準(zhǔn)確性。

結(jié)論

本研究通過白光干涉技術(shù)與Bruggeman光學(xué)模型的結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了對非晶硅與多晶硅材料厚度的精確測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅適用于簡單結(jié)構(gòu)，也能有效處理復(fù)雜多層體系，為硅基電子器件的制造提供了高效、準(zhǔn)確的檢測手段。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，白光干涉測量技術(shù)將在半導(dǎo)體工業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)材料科學(xué)與電子工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[此處應(yīng)列出相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、技術(shù)手冊或設(shè)備說明書等，由于是示例文章，未具體列出。]

本文通過構(gòu)建一個(gè)假想的測量案例，詳細(xì)闡述了白光干涉技術(shù)在非晶態(tài)與多晶硅材料厚度測量中的應(yīng)用，結(jié)合了理論分析與實(shí)際操作步驟，旨在為讀者提供一個(gè)全面、深入的理解框架。實(shí)際應(yīng)用中，具體參數(shù)和步驟可能需根據(jù)樣品特性和測量設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。