CN106441124A - 基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以获得外延(或者近似外延)生长在斜切衬底上的薄膜的厚度的无损测量新方法，这种方法采用脉冲宽度小于20ns紫外的短脉冲激光辐照薄膜，短脉冲激光作为一个瞬时热源加热外延薄膜表面，在垂直于薄膜表面的方向上产生温度梯度，然后在薄膜表面沿薄膜的斜切方向，探测由于温差所产生横向热电电压信号(称为LITV信号)随时间的衰减，得到LITV信号由峰值衰减到峰值的1/e时所需要的时间τ_d，基于τ_d的平方根与薄膜的厚度d的线性关系获得斜切衬底上薄膜的厚度测量值。

Description

基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法

技术领域：

本发明涉及一种基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，特别是一种测量斜切衬底上外延(或者近似外延)薄膜厚度的无损测量方法，属于薄膜厚度的光学测量技术领域。

背景技术：

对于在纳米尺度的光电薄膜器件和微电子薄膜器件而言，薄膜的厚度无论是对器件的性能还是对工艺参数的稳定都很关键，有必要尽可能精确地测量出外延薄膜的厚度。

目前，薄膜厚度的测量方法主要可以划分为非光学方法和光学方法。

非光学方法主要是通过扫描探针、电子显微镜等观察测量薄膜的厚度。例如：探针扫描法(也称为轮廓法)是利用微小的机械探针接触待测薄膜的表面来测量薄膜的厚度，这种方法需要制备用于测试的薄膜厚度台阶，因此，探针的大小和台阶的陡峭程度决定了测量的精度。因此，对高频率薄膜的粗糙度以及薄膜台阶制备不理想的样品，无法得到良好的测试效果，并且该方法还会对薄膜的表面带来一定的损伤。

扫描电子显微镜(SEM)也常用于用于检测薄膜的厚度，这种方法利用聚焦电子束作为探针，在被测薄膜表面做光栅式的扫描，探测由入射电子在被测薄膜表面所激发的二次电子，经过放大和数据处理后，得到一副高放大倍数的扫描电子图像，通过SEM观察薄膜样品的横断面可以获得薄膜厚度的信息。采用SEM观察薄膜样品要求样品及其表面导电，因此对非导体薄膜进行测量时，需要在被测薄膜的表面镀一层导电的金属膜，这会影响测量精度。

相对非光学方法而，采用光学方法测量薄膜的厚度具有对样品无损伤的优点。目前，用于薄膜厚度测量的光学方法主要有光谱法、椭圆偏振法和光学薄膜位相方法。

光谱法根据在薄膜与基底界面光束的透射(或者反射)会引起双光束或者多光束干涉，不同厚度的薄膜将有着不同的光谱反射率(或透射率)，通过检测薄膜的光谱特性来反演推导出薄膜的厚度。目前薄膜的透射率和反射率主要采用光栅测试分析系统进行测试，并且根据不同测量要求，光谱法需要通过选择合适的优化方法或者使用多种方法联立，才能够实现较为高精度的薄膜厚度测量。另外，该方法还要求膜层较厚以便产生一定的干涉振荡，且只能用于测量弱吸收膜。椭圆偏振法的测量原理是通过检测偏振光束通过薄膜反射(或透射)后其偏振态的变化来反演推导薄膜的厚度。采用椭圆偏振法测量高吸收衬底上的介电薄膜厚度时，其测量精度比光学干涉方法高一个数量级，甚至具有原子层级的灵敏度。然而，椭圆偏振法存在一个膜厚周期，如果测量范围超过这个周期，则薄膜的厚度将有多个不确定值，因此，采用椭圆偏振法测量厚度在10nm左右的薄膜样品，测量效果最佳。采用这种方法不仅需要精确测得反射光强，而且需要精确测得分析偏振强度，这意味着需要高精度的移动光学器件，测量成本较高。光学薄膜位相方法指利用干涉仪探测得到干涉信号来求取与薄膜厚度有关的反射(或者透射)位相，通过测量反射(或者透射)位相来反演推导出薄膜厚度的精确值。相对于椭圆偏振法而言，测量装置结构简单，成本低，适合应用于多层膜厚度的高精度测量。由于光学薄膜位相方法受限于薄膜非线性位相的灵敏度，理论上能够精确重复实现的最小薄膜厚度测量值只有0.18μm，对于厚度更薄的纳米薄膜样品的厚度测量，其测量误差较大。

因此，基于薄膜厚度对材料器件性能的重要影响，和传统薄膜厚度测量方法的各种弊端，需要一种在纳米尺度范围内测量精度高，并且成本低的无损测量方法来精确测量薄膜的厚度。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种可以获得生长在斜切衬底上的薄膜的厚度的无损测量新方法。采用这种方法可以测量的薄膜厚度的范围在50nm—1000nm，测量成本低廉，测量精度较高，并且方便快捷。采用的技术方案为:

本发明的工作机理为：激光辐照薄膜后在薄膜表面产生一个瞬态的热源以加热薄膜的上表面，在薄膜的上下表面形成温度梯度。由于薄膜较薄，并且热声子在薄膜中的扩散迁移要比在空气介质中扩散迁移的速率大得多，因此，薄膜上下表面的温度场的变化主要源于热声子由薄膜上表面向薄膜的下表面运动，热声子的运动使得薄膜的上下表面最终达到热平衡。本发明方法通过测量热声子扩散迁移到热平衡所需要的时间，然后乘以热声子在薄膜中的热扩散速率，从而获得薄膜的厚度。

薄膜表面的瞬态热源采用脉冲宽度小于20ns紫外的短脉冲激光辐照薄膜产生。紫外激光在薄膜中的穿透深度小，短脉冲可以确保光热转换过程中热声子还来不及扩散迁移，薄膜的上表面在吸收光子能量后表面温度瞬间达到最大。

热扩散使薄膜上下表面逐渐达到热平衡，这个过程所需要的时间通过测量在薄膜表面所产生的横向光电压的衰减时间获得。生长在斜切衬底表面的薄膜由于存在非对角的热电系数S_zx，在薄膜上下表面产生的温度差T₀(t)-T_d(t)可以在薄膜表面诱导产生横向电压响应(称之为LITV信号)，其大小U(t)，如下式：

S_ab，S_c对应薄膜材料在ab晶面和沿c轴晶向的热电系数，l和d分别为薄膜的曝光长度和薄膜的厚度，θ是斜切衬底的斜切角度；A是与时间无关的常数，T₀(t)和T_d(t)分别为t时刻薄膜上下表面的温度，因此，由于热扩散，U(t)随薄膜上下表面温差的逐渐减小而同步衰减。

探测由于温差所产生的LITV信号随时间的衰减，得到LITV信号由峰值衰减到峰值的1/e(其中：e≈2.71828)时所需要的时间τ_d(τ_d又可称之为LITV信号的衰减时间常数)。LITV信号的衰减时间τ_d与薄膜的厚度d的关系如下式：

D为薄膜材料的热扩散系数，K为常数。

采用如下两种方式，由LITV信号的衰减时间获得薄膜厚度的测量值。其一，将薄膜的热扩散系数的值和LITV信号的衰减时间的测量值，直接代入(2)式计算得到薄膜的厚度。其二，选取已知厚度的同种材料的薄膜样品1—5个作为标准样品，探测标准样品在激光辐照的下的LITV信号的衰减时间常数，通过薄膜的厚度d和τ_d的平方根的线性关系，如式(3)，得到待测薄膜的常数K。测量其他待测薄膜的LITV信号的衰减时间常数，通过(3)式即可获得薄膜厚度的精确值。通过这种方式同时还可以获得薄膜的热扩散系数的值。如下式：

附图说明：

图1薄膜厚度测量系统的原理图；

图2 YBa₂Cu₃O₇薄膜的LITV信号的时间演变曲线；

图3 YBa₂Cu₃O₇薄膜的厚度d与LITV信号衰减时间τ_d的平方根的线性关系；

图4(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄的LITV信号的时间演变曲线；

具体实施方式：

本发明采用脉冲宽度小于20ns的紫外的短脉冲激光辐照薄膜，产生一个瞬时热源以加热外延薄膜表面，在垂直于薄膜表面的方向产生温度梯度，然后在薄膜表面沿薄膜的斜切方向上，探测由于温差所产生横向的LITV信号随时间的衰减，得到LITV信号的衰减时间常数τ_d，然后，基于τ_d的平方根与薄膜的厚度d的线性关系获得斜切衬底上薄膜的度精确值。

薄膜厚度测量系统的原理图如图1所示，测量系统包括短脉冲激光器，用于探测LITV信号的探头，LITV信号采集系统和数据处理和计算系统。生长在斜切衬底上的薄膜沿衬底斜切方向通过导电夹具固定在两个电极之间，脉冲宽度小于20ns的紫外的短脉冲激光辐照薄膜，产生一个瞬时热源时加热外延薄膜的上表面，在垂直于薄膜表面的方向产生温度梯度，由此产生的LITV信号通过同轴电缆传输到示波器(或者高数数采集卡)进行数据采集和记录，获得LITV信号的时间演变曲线，示波器(或者高数数采集卡)的时间精度要求高于1ns。如果所测薄膜在激光辐照下所产生的LITV信号较小，可以通过增大入射激光能量大小和两电极夹具的间距来增大LITV响应，提高信噪比。

由LITV信号的时间演变曲线，得到LITV信号到达峰值的时间t₁，和由峰值电压衰减到峰值电压的1/e的时间t₂，LITV信号的衰减时间常数τ_d＝t₂-t₁。同样，也可以采用(5)式的指数衰减函数对LITV信号的衰减过程进行拟合，可得到LITV信号的衰减时间常数。

最后，由τ_d的平方根与d的线性关系获得斜切衬底上薄膜的厚度精确值。

实施例1，YBa₂Cu₃O₇薄膜厚度的测量，YBa₂Cu₃O₇薄膜外延地生长在斜切的LaAlO₃单晶衬底表面，衬底的倾斜方向为(001)晶面向(100)晶面倾斜了15度。将YBa₂Cu₃O₇薄膜通过导电夹具固定在两个电极之间，电极的间距为2mm，采用波长为248nm的脉冲激光辐照薄膜，激光的脉冲宽度为20ns，激光能量密度为0.26mJ/mm²，所产生的LITV信号通过同轴电缆传输到示波器进行数据采集和记录。如图2所示为在YBa₂Cu₃O₇薄膜表面探测到的LITV信号的时间演变曲线。

由图2中的数据得到LITV信号到达峰值的时间t₁，和由峰值电压衰减到峰值电压的1/e的时间t₂，LITV信号的衰减时间常数τ_d＝t₂-t₁。或者采用(5)式对LITV信号的衰减过程进行拟合，可得到LITV信号的衰减时间常数τ_d，代入YBa₂Cu₃O₇薄膜的热扩散系数D值，由公式(2)计算得到薄膜厚度为204nm。

按照如上描述方法，分别测量不同厚度的YBa₂Cu₃O₇薄膜的LITV信号的响应时间，得到LITV信号的衰减时间常数τ_d的平方根与薄膜的厚度d的线性关系如图3所示。其他薄膜厚度的确定可以通过测量待测薄膜的LITV信号的衰减时间，根据图(3)所示的线性关系亦可得到薄膜的厚度。同时，通过(3)式和图(3)的结果可以计算得到YBa₂Cu₃O₇薄膜热扩散系数为6.98×10^-7m²/s。

实施例2，(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄薄膜厚度的测量，(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄薄膜外延地生长在斜切的LaAlO₃当晶体衬底表面，衬底的倾斜方向为(001)晶面向(100)晶面倾斜了15度。将(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄薄膜通过导电夹具固定在两个电极之间，电极的间距为2mm，采用波长为248nm的脉冲激光辐照薄膜，激光的脉冲宽度为20ns，激光能量密度为0.26mJ/mm²，所产生的LITV信号通过同轴电缆传输到示波器进行数据采集和记录。如图4所示为在(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄薄膜表面探测到的LITV信号的时间演变曲线。

由图4中的数据得到LITV信号到达峰值的时间t₁，和由峰值电压衰减到峰值电压的1/e的时间t₂，LITV信号的衰减时间常数τ_d＝t₂-t₁。或者采用(5)式对LITV信号的衰减过程进行拟合，可得到LITV信号的衰减时间常数τ_d为134ns，将测得的τ_d值和(La_1.45Nd_0.4)Ba_0.15CuO₄薄膜的热扩散系数D值代入公式(2)，计算得到薄膜厚度为196nm。

Claims (7)

1.基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于先采用紫外激光辐照薄膜，让紫外激光作为一个瞬时热源加热外延薄膜的上表面，在垂直于薄膜表面的方向产生温度梯度，从而在薄膜表面沿薄膜的斜切方向上诱导产生横向的光电压信号(简称LITV信号)；热扩散使薄膜上下表面逐渐达到热平衡，相应地LITV信号随之同步衰减，探测LITV信号的时间演变，获得LITV信号由峰值衰减到峰值的1/e时所需要的时间τ_d，基于τ_d的平方根与薄膜的厚度d的线性关系获得斜切衬底上薄膜厚度的测量值。

2.根据权利要求1所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述测量的薄膜厚度的范围在50nm—1000nm。

3.根据权利要求1所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述紫外激光为脉冲宽度小于20ns紫外短脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述热扩散使薄膜上下表面达到热平衡所需要的时间与LITV信号的衰减时间相对应，通过测量在薄膜表面所产生的横向光电压(LITV)的衰减时间τ_d获得；生长在斜切衬底表面的薄膜存在非对角的热电系数S_zx，t时刻薄膜上下表面的温度差T₀(t)-T_d(t)可以在薄膜表面诱导产生横向的LITV响应U(t)，如下式：

U(t)＝∫S_zxΔT＝A[T₀(t)-T_d(t)] (1)

式中：A是与时间无关的常数，

T₀(t)和T_d(t)分别为t时刻薄膜上下表面的温度。

由于热扩散，U(t)随薄膜上下表面的温差的逐渐减小而同步衰减；测量LITV信号的时间演变曲线，得到LITV信号到达峰值的时间t₁，和由峰值电压衰减到峰值电压的1/e的时间t₂，即可以得到LITV信号的衰减时间常数τ_d＝t₂-t₁；

或者，采用指数衰减函数对LITV信号的衰减过程进行拟合得到LITV信号的衰减时间常数τ_d。

5.根据权利要求1所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述LITV信号由峰值衰减到峰值的1/e时所需要的时间τ_d，横向热电信号LITV信号的衰减时间τ_d与薄膜的厚度d的关系如下式：

$d=\frac{\mathrm{\π}\sqrt{D}}{2}\sqrt{{\mathrm{\τ}}_d}---\left(2\right)$

$d=K\sqrt{{\mathrm{\τ}}_d}---\left(3\right)$

式中：d为薄膜的厚度，

τ_d为衰减时间，

D为薄膜材料的热扩散系数，

K为常数。

6.根据权利要求1所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述由LITV信号的衰减时间得到薄膜厚度的测量值是采用下列两种方式获得：

其一，将薄膜的热扩散系数的值和LITV信号的衰减时间的测量值，直接代入(2)式计算得到薄膜的厚度；或者

其二，选取已知厚度的同种材料的薄膜样品1—5个作为标准样品，探测标准样品在激光辐照的下的LITV信号的衰减时间常数，通过薄膜的厚度d和τ_d的平方根的线性关系，如式(3)，得到待测薄膜的常数K，测量其他待测薄膜的LITV信号的衰减时间常数，通过(3)式即可获得薄膜厚度，通过这种方式同时可以获得薄膜的热扩散系数的值。如下式：

$D={\left(\frac{2K}{\mathrm{\π}}\right)}^2---\left(4\right).$

7.根据权利要求6所述的基于激光感生热电电压的时间响应测量薄膜厚度的新方法，其特征在于所述获得斜切衬底上薄膜的厚度的测量值，如果所测薄膜在激光辐照下所产生的LITV信号较小，可通过增大入射激光能量大小和增大用于采集LITV信号的两个电极的间距来增大LITV响应，提高信噪比。