ICS29.045 H80 中华人民共和国国家标准 GB/T29505—2013 硅 片平坦表面的表面粗糙度测量方法 Testmethodformeasuringsurfaceroughnessonplanarsurfacesofsiliconwafer 2013-05-09发布 2014-02-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布目 次 前言 Ⅲ ………………………………………………………………………………………………………… 1 范围 1 ……………………………………………………………………………………………………… 2 规范性引用文件 1 ………………………………………………………………………………………… 3 术语和定义 1 ……………………………………………………………………………………………… 4 方法提要 2 ………………………………………………………………………………………………… 5 干扰因素 3 ………………………………………………………………………………………………… 6 仪器设备 3 ………………………………………………………………………………………………… 7 粗糙度测量步骤 5 ………………………………………………………………………………………… 8 报告 8 ……………………………………………………………………………………………………… 附录A(规范性附录) 粗糙度测量规范和有关输出的例子 9 …………………………………………… 附录B(资料性附录) 有关硅片粗糙度分布的试验和模型(源于SEMIM40附录) 11 ………………… 参考文献 25 …………………………………………………………………………………………………… ⅠGB/T29505—2013 前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)提出并归口。 本标准起草单位:有研半导体材料股份有限公司、中国有色金属工业标准计量质量研究所。 本标准主要起草人:孙燕、李莉、卢立延、翟富义、向磊。 ⅢGB/T29505—2013 硅片平坦表面的表面粗糙度测量方法 1 范围 本标准提供了硅片表面粗糙度测量常用的轮廓仪、干涉仪、散射仪三类方法的测量原理、测量设备 和程序,并规定了硅片表面局部或整个区域的标准扫描位置图形及粗糙度缩写定义。 本标准适用于平坦硅片表面的粗糙度测量;也可用于其他类型的平坦晶片材料,但不适用于晶片边 缘区域的粗糙度测量。 本标准不适用于带宽空间波长≤10nm的测量仪器。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T14264 半导体材料术语 3 术语和定义 GB/T14264界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 自相关函数 autocorrelationfunction 强谱线密度函数的傅立叶转换。它表示一个表面轮廓和经滑移或横向移动的同样轮廓之间关于其 自身的相似性。 3.2 自相关长度 autocorrelationlength 要求横向滑动以把自相关函数简化为一个等于e-1乘以它的0滑动值的值。有时使用10%或者 0值定义替代e-1。 3.3 双向反射分布函数 bi-directionalreflectancedistributionfunction;BRDF 由一个表面来描述光散射的分布,以不同的发光度(辐照度)归一化不同的发光(辐射率),并且近似 于每单位投射的立体角散射功率除以入射功率。 3.4 尼奎斯特准则 Nyquiscriterion 检测到的最短空间波长。它是两倍于取样间隔。 3.5 一维光栅方程式 one-dimensionalgratingequation 按最普通的形式,它是一个由一维正弦光栅给定衍射级位置的表达式。 3.6 功率谱密度(PSD)函数 powerspectraldensity(PSD)function 一个表面特征函数,它比例于表面的傅立叶变换系数的平方,并且可以看作是每单位空间频率的粗 1GB/T29505—2013 糙度率。 3.7 分辨能力的瑞利判据 Rayleighcriterionofresolvingpower 利用一个图形的最大与另一个图形的最小迭加来辨别一对衍射图形的条件。当一个透镜没有像差 时,点状物体的像呈现衍射图形。当一个图形原理上的最大与另外一个图形的第一个最小相遇时,把这 个像描述为被分解了。当从仪器的物镜观察点状物间的距离可分辨时,这个判据是适用的,对于圆形透 镜为: 0.61λ NA 其中NA是物镜的数值孔径(阑),λ是照射光波长。 3.8 空间频带宽度 spatialbandwidth 给定仪器运行的波长范围。 3.9 空间频率 spatialfrequency 空间波长(λspatial)的倒数。 3.10 空间波长 spatialwavelength 在一个纯正弦轮廓的相邻两峰间的间隔。 3.11 传递函数 transferfunction 在全部测量空间波长范围内仪器的响应。一个轮廓仪在全部测量空间波长范围内应有100%的响 应,每一个测量仪器对应于一个完美的响应,尤其是在低空间频率极限(截断长度)(traversinglength) 和高空间频率极限处应具有相同的偏离。可以利用能量谱来检查高空间频率响应附近的这个极限。 3.12 截断长度 traversinglength 沿一给定方向取样的最大距离。最大可测量的空间波长小于截断长度。 3.13 波长定标 wavelengthscaling 如果在某一波长可以使用的散射测量能够预测另一波长的散射测量,表明一个表面给予了波长定 标(标度)。 3.14 波纹 waviness 与粗糙度比较,表面结构是那种彼此更宽间距的组织构成。 4 方法提要 4.1 本标准包含对局部和整个面的表面特征的标准化扫描图形,然后以一组缩写代码形式描述粗糙度 及测量条件。 4.2 硅片的表面粗糙度测量通常涉及三种类型的粗糙度测量仪器,这些类型包括但不局限于: ———轮廓仪:AFM和其他扫描探针显微镜;光学轮廓仪;高分辨机械探针系统。 ———干涉仪:干涉显微镜。 ———散射仪:全积分散射仪(TIS),角分辨光散射仪(ARIS),扫描表面检查系统(SSIS)。 2GB/T29505—2013 4.3 硅片表面粗糙度使用最广泛的是均方根(rms)粗糙度(Rq)和平均粗糙度(Ra)。其他粗糙度检测 参数也可利用。 5 干扰因素 5.1 硅片表面粗糙度测量使用了如轮廓高度测量方法、光学干涉方法以及光学散射方法等不同类型的 技术,由于各种不同方法对测量点的限制或测量区域不同、方法精度不同等因素的影响可能造成对同一 硅片测量绝对值的较大差异。 5.2 不同粗糙度参数表征的含义不同,数值差异明显。测量参数是使用者根据研究对象、研究工艺等 感兴趣的目的选择的,因此不注明测试方法或测试设备的粗糙度参数数值没有实用意义。 5.3 粗糙度测量的一个共同特性是它们都依赖于使用仪器的带宽和传递功能。第一种是测量仪器的 带宽,测量仪器的带宽或使用的带宽可能严重影响粗糙度测量结果,第二种带宽影响来自分析软件,因 此应使用规定的波长单位,且轮廓仪应能够调节扫描长度和带宽。另外,通用的高或低的空间频率滤光 片也对测量结果有影响。这些都造成了相同表面使用不同测量仪器报告的数值会有很大的不同。本标 准规范了仪器带宽及其传递功能方面的使用,并在测试报告中体现这些信息。 5.4 粗糙度在一个晶片表面上可以有相当大的变化。它可能有一个择优的方向或者是各向异性,被称 为“方向性”,例如切割工艺的硅片可以产生低对称性,而单片抛光能产生高对称性。而很多测量方法被 限制在一个很小的测量范围内并且限制在一个或两个扫描方向。因此本标准提出并定义了使用标准化 图形的方法,能够清楚地表述扫描位置,且测量图形可以获得有代表性的和可重复的结果。同时这些图 形应与不同的制造步骤在硅片上观察到效果一致,这些工艺步骤能够在硅片表面产生从镜面到无穷大 分布的旋转对称的特征。在附加的相关信息中包括了描述几种类型的粗糙度变化,扫描图形以及报告 的结果之间关系的模型,以帮助使用者说明和解释这些变数。 5.5 薄膜的存在可影响光散射方法的测量。 6 仪器设备 6.1 轮廓仪(profilometers) AFM,机械和光学剖面(轮廓)仪的高空间频率极限分别和机械触点的半径或激光斑点的直径和强 度分布近似。其响应函数复杂,并且在某些情况下是探针和被测表面的综合效果。为了获得合理的、可 比较的并且可重复的测量,需要设定这种仪器的高端空间频率极限,或者选择适度地远离设定的高端空 间频率极限。 6.2 干涉显微镜(interferencemicroscope) 干涉仪的高端空间频率极限是由调焦光学所限定,在某些情况下由探测器阵列的像素间隔所决定。 为了获得合理的、可比较的并且可重复的测量,需要设定这种仪器的高端空间频率极限,或者选择适度 地远离设定的高端空间频率极限。 6.3 散射仪(scatteringinstruments) 6.3.1 对于相当平滑的表面来说,光散射强度和粗糙度之间仅存在一种简单的关系。式(1)和式(2)给 出了平滑表面的瑞利判据,它常常用于估计平滑表面的极限。 1 24×π·acosθi é ëêêù ûúúλ2 ≪1 ………………