4H-SiC 器件中的超薄SiO₂层承担栅介质与表面预处理层两类功能,膜厚直接决定器件效率与长期稳定性。SiC的电学与热学性能使其成为高功率、高频与高温应用的首选材料,超薄氧化层的测量精度因此成为工艺链上的硬指标。

光谱反射法在这个量级不够用。已有研究表明,反射法对 50 nm 以下的 SiO₂层灵敏度不足,10 nm 以下基本测不准。SiO₂硬掩膜刻蚀的终点监控受制于同一限制:刻蚀后必须判断氧化层是否彻底去净,残留的极薄氧化层会阻碍后续工艺步骤,而反射法分辨不出这层残留。

光谱椭偏仪(Spectroscopic Ellipsometer, SE)提供了另一条路径。它是绝对测量方法,不依赖标样,通过解析光在样品表面反射后偏振态的变化得到膜厚与光学常数。

本文给出的方案包含两个要点:把入射角对准 4H-SiC 的布儒斯特角 70°,用微光斑刀口法把衬底背面反射挡在探测器之外。两项措施落地后,膜厚检出下限低于 1 nm,分辨能力优于 ±0.5 nm。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

实验方法

样品为 4H-SiC 衬底表面的自然氧化层,对照样品为 4H-SiC 上的 2.9 nm SiO₂层。选择自然氧化层做验证,是因为它的膜厚落在 1 nm 量级,谱线自身的变化幅度已经很小,能直接检验方案在最薄区间的可用性。Koerfer 等人在文献中专门改进过 4H-SiC 上氧化层的反射光谱测量,结论是反射法在这个量级难以为继。

表征设备为光谱椭偏仪,入射角按样品分别设定:4H-SiC 取 70°,对应该材料在折射率 2.747 下的布儒斯特角;2.9 nm 对照样品取 75°,用于展示偏离布儒斯特角时的谱线形态。

拟合方面,各向异性衬底的光学色散,受背面反射影响的谱线用 4×4 Berreman 矩阵法计算,并启用 SEA 的背面反射修正功能;衬底内部的多次内反射与波干涉纳入模型,相干分量与不相干分量分别表达。

测量原理与灵敏度优化

布儒斯特角附近 SiO₂膜厚对 Δ(相位差角)的灵敏度:a为SiC 衬底,入射角70°;b为 Si 衬底,入射角75°

椭偏仪输出 Ψ 与 Δ 两条谱:Ψ 是 p 偏振与 s 偏振菲涅尔反射系数的振幅比,Δ 是二者之间的相位差。布儒斯特角定义为反射光与折射光互相垂直时的入射角,由材料折射率决定。入射角接近衬底布儒斯特角时,p 偏振分量的反射强度被压低,理想情况下膜厚为 0 nm 处 Δ 出现陡峭的 180° 跃变;膜厚增加,Δ 随膜厚变化的斜率逐步变缓。膜越薄越依赖这段陡峭区,薄层测厚的首要步骤是把入射角选在布儒斯特角附近。

4H-SiC 衬底引入额外变量。衬底属于各向异性材料,光穿过衬底从背面返回,在光谱上叠加干涉条纹。

背面反射在 4H-SiC 上之所以突出,有三个物理原因:衬底在测量波段内高度透明,光可以穿透整个衬底;折射率高(2.747),界面反射强;衬底厚度有限,背面返回光与正面反射光的光程差落在相干范围内。三条叠加,背面返回的光就以干涉条纹的形式压在谱线上,与薄膜自身的信号混在一起。衬底的双折射让情况再复杂一层,寻常光与非常光在衬底内走不同路径,返回的两束光各自成一套干涉。

背面反射与各向异性修正

SiC衬底上2.9 nm SiO₂结构的 Ψ(振幅比角)谱及模型拟合曲线;插图为4H-SiC的寻常光折射率与非常光折射率

Ψ谱表明,干涉图样的形态由寻常光折射率与非常光折射率之差、以及衬底厚度共同决定。部分波段干涉条纹消失,对应消光系数 k 谱上的吸收峰:光在这些波段被衬底吸收,无法返回探测器。

这套建模方式在科学上成立,在产线上不实用。处理这类谱线要靠参数化建模:用一组参数描述各向异性背面反射,需要时把衬底厚度也放进拟合参数,一次测量能多拿到衬底信息,代价是模型复杂度上升。把衬底厚度纳入模型并在面扫描中逐点拟合,分析时间会拉长;衬底厚度与膜厚之间存在参数相关性,拟合会吃掉对膜厚的灵敏度。本文给出的替代方向是不让背面反射光进入探测器,参数减少、相关性减弱,对薄氧化层的灵敏度反而提高。

微光斑系统与硬件改进

微光斑系统排除背面反射的原理示意图;膜厚与衬底厚度未按比例绘制

排除背面反射依靠微光斑系统,SE采用刀口法:把正面反射光与背面反射光在空间上分离,只让正面反射光到达探测器;特定配置下也能只接收背面反射、排除正面反射。这套系统要发挥作用,配置必须精确,光斑、刀口位置与探测光路三者要匹配,否则两束光分离不干净,条纹仍然残留。

实现路径是投影缩斑。光源经光学系统投影到样品表面缩小测量光斑,检测侧用同一套光学配置反向工作,既放大光斑,也拉开正面反射光与背面反射光虚像之间的距离,间距越大刀口越容易切割。继续改善的方向是缩小光斑:减小聚焦物镜与准直光学元件的焦距比,或者减小物方尺寸。后者更直接,在灯前加针孔即可缩小取光面积,这也是 Ultra Microspot 选件的实现方式。

灵敏度验证

4H-SiC表面自然氧化层的实测谱模拟曲线;虚线与点线直观显示布儒斯特角条件下谱线对膜厚微小变化的灵敏度

自然氧化层的实测谱与拟合结果,拟合膜厚d = 1.201 nm,同模型下另给出膜厚d±0.5 nm 的两条模拟谱。测量同时采用前述两项措施:70°入射角提供对膜厚微小变化的灵敏度,微光斑系统配合超微光斑针孔把背面反射压到噪声水平。虚线与点线显示,在布儒斯特角条件下,0.5 nm 的膜厚差能在谱上分辨出来。综合结果为膜厚检出下限低于 1 nm,分辨能力优于 ±0.5 nm。

椭偏仪能够高灵敏度测量 4H-SiC 上的超薄氧化层,前提是处理衬底高透明度、高折射率与有限厚度带来的影响:抑制各向异性背面反射,把入射角对准布儒斯特角。完成这两项之后,椭偏仪有条件成为宽禁带材料的常规工艺控制手段,在薄氧化层监控要求严格的环节尤其适用。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析半导体领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

n 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

n 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

n 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。

n 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器（Flexfilm）全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《Challenges in Measuring Thin SiO₂Layers on 4H-SiC via Spectroscopic Ellipsometry》

*特别声明：本账号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本账号相关权益的行为。文章内容仅供参考，如涉及版权问题，请及时联系我司进行删除。