CN104576429B - 一种薄膜层应力的测量方法和*** - Google Patents

一种薄膜层应力的测量方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄膜层应力的测量方法，包括：在基片表面形成多个标记，记录每个标记在基片表面的原始坐标值；在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值，得到每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。本发明的测量精确度很高，由此得到的薄膜层的应力值精确度也很高，解决了现有技术中对应力测量精度较低的技术问题。

Description

一种薄膜层应力的测量方法和***
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺领域，尤其涉及一种薄膜层应力的测量方法和***。
背景技术
薄膜层的应力，通常而言包括内应力和热应力，其中内应力主要来自于薄膜层内部的晶格缺陷和非晶内部的畸变等，而产生热应力的主要原因是薄膜层的热膨胀系数与基片材料的热膨胀系数不同。比如某膜层是在780摄氏度的工艺条件下通过化学气相淀积的方法生长于基片上的，在膜层与基片从780摄氏度冷却至室温的过程中，由于该膜层与基片的热膨胀系数有差异，从而产生一定的应力。在半导体工艺中，会用到很多种薄膜层材料，比如氧化硅、氮化硅等薄膜层。薄膜层的应力对于半导体工艺来说是一个很重要的参数，一方面，不可控的应力会导致薄膜层的龟裂、甚至产生晶格缺陷等；另一方面，应力对半导体器件的电参数和性能也有重要影响。因此，对于薄膜层的应力的测量，是很重要的。
薄膜层的应力会导致薄膜层与基片在应力的作用下发生形变，包括压缩、拉伸、翘曲、尺寸涨缩等，这些形变都是非常微观的，难以用肉眼测量。现有方法中通常都是在薄膜层生长前、后分别采用专业设备测量基片的曲率半径，从而计算出在薄膜层生长前、后基片的曲率半径的变化情况，然后计算出薄膜层应力。
根据以上描述可以看出，在现有技术中，虽然能够采用专业设备尽量精确地测量基片的曲率半径，但测量精度依然较低，尤其是在薄膜层应力较小的情况下，利用现有方法所测量的应力的重复性很差，无法得到较为准确的应力值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种薄膜层应力的测量方法和***，以解决现有技术中薄膜层应力测量精度不高的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种薄膜层应力的测量方法，包括：
在基片表面形成多个标记，记录每个标记在基片表面的原始坐标值；
在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；
测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值，得到每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；
根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
进一步地，所述根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值包括：根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化，根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
进一步地，所述方法还包括：根据每个标记在基片表面的原始坐标值和所述偏差值，计算薄膜层应力在基片上的分布情况。
进一步地，
所述在基片表面形成多个标记包括：在基片表面通过光刻刻蚀工艺形成多个标记；
和／或，所述记录每个标记在基片表面的原始坐标值包括：利用光刻机测量并记录每个标记在基片表面的原始坐标值；
和／或，所述测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值包括：利用光刻机测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
和／或，所述标记的个数为8-15个；
和／或，所述标记在基片表面的分布为：放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
进一步地，
所述薄膜层的厚度为：1～10000nm。
另一方面，本发明还提供一种薄膜层应力的测量***，包括：标记处理单元、薄膜生长单元、测量单元和应力计算单元，标记处理单元与薄膜生长单元和测量单元分别相连，测量单元还与应力计算单元相连，其中：
标记处理单元，用于在基片表面形成多个标记；记录每个标记在基片表面的原始坐标值；以及记录生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
薄膜生长单元，用于在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；
测量单元，用于得到所述标记处理单元记录的每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；
应力计算单元，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
进一步地，所述应力计算单元包括：
曲率半径计算子单元，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化；
应力值计算子单元，用于根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
进一步地，所述***还包括：分布计算单元，与测量单元相连，用于根据每个标记在基片表面的原始坐标值和所述偏差值，计算薄膜层应力在基片上的分布情况。
进一步地，
所述标记处理单元包括：光刻机，用于在基片表面通过光刻刻蚀工艺形成多个标记；测量每个标记在基片表面的原始坐标值；测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
和／或，所述标记处理单元用于形成标记的个数为：8-15个；
和／或，所述标记处理单元用于形成标记在基片表面的分布为：放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
进一步地，其特征在于，所述薄膜生长单元用于生长的薄膜层的厚度为：1～10000nm。
(三)有益效果
可见，在本发明提出的一种薄膜层应力的测量方法和***中，能够利用在基片表面做标记的方法，记录每个标记的原始坐标值和现有坐标值，通过得到二者之间的偏差值，计算出薄膜层的应力值。这种测量基片表面标记坐标值的方法精确度很高，所以由此得到的薄膜层的应力值精确度也很高，解决了现有技术中对应力测量精度较低的技术问题。
另外，本发明还可以根据需要，设计所做标记在基片表面的分布状态和数量，从而得到薄膜层在基片上的应力分布情况，具有更高的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例薄膜层应力的测量方法的基本流程示意图；
图2是本发明一个优选实施例薄膜层应力的测量方法流程示意图；
图3是本发明一个优选实施例标记的分布示意图；
图4是本发明实施例薄膜层应力的测量***的基本结构示意图；
图5是本发明一个优选实施例薄膜层应力的测量结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例首先提出一种薄膜层应力的测量方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：在基片表面形成多个标记，记录每个标记在基片表面的原始坐标值。
步骤102：在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上。
步骤103：测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值，得到每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值。
步骤104：根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
可见，在本发明实施例提出的一种薄膜层应力的测量方法中，能够利用在基片表面做标记的方法，记录每个标记的原始坐标值和现有坐标值，通过得到二者之间的偏差值，计算出薄膜层的应力值。这种测量基片表面标记坐标值的方法精确度很高，所以由此得到的薄膜层的应力值精确度也很高，解决了现有技术中对应力测量精度较低的技术问题。
在本发明的一个实施例中，优选地，根据每个标记的原始坐标值和偏差值，计算薄膜层的应力值的方法可以是：根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化，根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
在本发明的另一个实施例中，不仅可以通过每个标记在基片表面的原始坐标值和偏差值来计算薄膜层的应力值，优选地，还可以据此计算出薄膜层应力在基片上各区域的分布情况，并绘制出应力随区域变化的分布示意图。
在本发明的一个实施例中，优选地，可以在基片表面通过光刻刻蚀的工艺来形成标记。在本发明的另一个实施例中，优选地，可以利用光刻机对基片表面标记的原始坐标值和现有坐标值进行测量和记录。在本发明的一个实施例中，通过光刻机光刻刻蚀形成的标记可以是矩形、三角形、圆形等各种形状；为了既能够准确地反映基片表面的应力值和分布情况，又提高测量效率，优选地，所做标记的个数可以为8-15个，标记可以根据需要在基片表面呈放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
在本发明的另一个实施例中，由于薄膜层需要具备一定的厚度以产生应力，但也不能过厚而导致基片上的标记无法识别，优选地，薄膜层的厚度可以是：1～10000nm。
下面以具体测量一个基片上所生长薄膜的应力和应力分布为例，来具体说明本发明实施例方法的实现过程，如图2：
步骤201：在基片表面形成12个标记，记录每个标记在基片表面的原始坐标值。
本发明实施例在基片表面所做的标记分布如图3所示。可见，本步骤在圆形基片上按照设定的坐标值，利用光刻机光刻刻蚀的方法形成了12个标记，这些标记以基片的中心为原点，成放射状均匀分布在X、Y的中轴线上。每个标记的形状均为矩形。将这些标记在基片表面的原始坐标值记录下来，所记录的坐标值是以基片中心为原点的二维平面坐标系中的坐标值，如表1中的“X方向坐标值”、“Y方向坐标值”两列所示。
步骤202：在做标记的基片表面生长薄膜层。
本步骤中，所生长的薄膜层覆盖在基片和标记上，为了能够产生可测量的应力值，又不至于因薄膜过厚导致标记无法识别，薄膜层的厚度可以为：2000nm。
步骤203：利用光刻机测量生长薄膜层后每个标记的现有坐标值，得到每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值。
在基片表面生长薄膜层之后，在应力的作用下基片会发生形变，薄膜层会导致基片被压缩或者拉伸，这样基片表面内的标记坐标值会发生微量的变化，从而偏离原始坐标值的位置。
本步骤中，所记录的现有坐标值依然是以基片的中心为原点的二维平面坐标系中的坐标值，因此，所计算出的偏差值也包括了X方向坐标值的偏差值和Y方向坐标值的偏差值。如表1中的后两列所示。
表1
步骤204：根据每个标记的原始坐标值和偏差值，计算薄膜层生长前后基片曲率半径的变化。
根据表1中各标记的偏差值和分布情况看出，基片受到薄膜层应力的影响发生了“涨大”的形变，在X和Y方向分别大约涨大了1.2微米。据此则可以判断出薄膜层生长前后基片曲率半径变化的情况。
因为标记在基片上的原始坐标值是均匀分布的，测试所得各标记的偏差值也是均匀分布的，也即偏差值与原始坐标值成正比，则可以得知基片上各位置的薄膜层应力也是均匀分布的，在这种情况下，可以通过任意两个标记的原始坐标值和偏差值来计算基片的曲率半径，从而计算薄膜的应力值。
以图3中的标记3和标记6为例，两者的设定坐标的距离为120000微米(记为X)，坐标偏差分别为+0.6微米和-0.6微米(分别记为x1和x2)，通过以下二元一次方程计算可得到生长薄膜层之后的基片的曲率半径及曲率角度：
其中，R为生长薄膜层之后基片的曲率半径，α为生长薄膜层之后基片的曲率角度。
步骤205：根据薄膜层生长前后基片曲率半径的变化计算薄膜层的应力值和应力分布情况。
根据步骤204中得到的曲率半径值，可以计算薄膜层的应力值，公式为：
其中，σ为薄膜层的应力；E为薄膜的杨氏模量(为固定参数)；v为薄膜的泊松比，是固定参数。
针对本发明实施例中晶向为(100)的基片，为1.805E11Pa；ts为基片厚度：600微米，tf为薄膜层厚度：2微米。应力分布为均匀分布。
另外，若其他的发明实施例中应力分布并不均匀，可以通过基片上某个区域的若干标记的原始坐标值及测量得到的偏差值，来计算基片上各局部位置的薄膜层应力值，从而得到薄膜层在基片上的应力分布情况。
至此，则完成了本发明实施例中测量一个基片上所生长薄膜的应力和应力分布方法的全过程。
另外，需要说明的是，上述基于图2的所有流程描述是本发明薄膜层应力的测量方法的一种优选的实现过程，在本发明薄膜层应力的测量方法的现实实践中，可以根据需要在图1所示流程的基础上进行任意变形，可以是选择图2中的任意步骤来实现，各步骤的先后顺序也可以根据需要调整等。
本发明实施例还提供一种薄膜层应力的测量***，如图4所示，包括：
标记处理单元401，用于在基片表面形成多个标记；记录每个标记在基片表面的原始坐标值；以及记录生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
薄膜生长单元402，用于在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；
测量单元403，用于得到所述标记处理单元记录的每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；
应力计算单元404，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
在本发明的一个实施例中，优选地，应力计算单元404可以包括：曲率半径计算子单元501，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化；应力值计算子单元502，用于根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
在本发明的另一个实施例中，不仅可以通过每个标记在基片表面的原始坐标值和偏差值来计算薄膜层的应力值，优选地，***还可以包括：分布计算单元503，与测量单元405相连，用于根据每个标记在基片表面的原始坐标值和偏差值，计算薄膜层应力在基片上的分布情况。
在本发明的一个实施例中，优选地，标记处理单元401可以包括：光刻机504，用于在基片表面通过光刻刻蚀工艺形成多个标记；测量每个标记在基片表面的原始坐标值；以及测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值。
在本发明的一个实施例中，通过光刻机504光刻刻蚀形成的标记可以是矩形、三角形、圆形等各种形状；为了既能够准确地反映基片表面的应力值和分布情况，又提高测量效率，优选地，标记处理单元401用于形成标记的个数可以为8-15个。标记处理单元401用于形成标记在基片表面的分布为：放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
在本发明的另一个实施例中，由于薄膜层需要具备一定的厚度以产生应力，但也不能过厚而导致基片上的标记无法识别，优选地，薄膜生长单元402用于生长的薄膜层的厚度可以为：1～10000nm。
需要说明的是，上述图5所示的薄膜层应力的测量***的各个实施例的结构可以进行任意组合使用。
可见，本发明实施例具有如下有益效果：
在本发明实施例提出的一种薄膜层应力的测量方法和***中，能够利用在基片表面做标记的方法，记录每个标记的原始坐标值和现有坐标值，通过得到二者之间的偏差值，计算出薄膜层的应力值。这种测量基片表面标记坐标值的方法精确度很高，可以达到纳米级，所以由此得到的薄膜层的应力值精确度也很高，解决了现有技术中对应力测量精度较低的技术问题。
另外，本发明实施例还可以根据需要，设计所做标记在基片表面的分布状态和数量，从而得到薄膜层在基片上的应力分布情况，具有更高的应用价值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种薄膜层应力的测量方法，其特征在于，包括：
在基片表面形成多个标记，记录每个标记在基片表面的原始坐标值；
在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；
测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值，得到每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；
根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
2.根据权利要求1所述的薄膜层应力的测量方法，其特征在于，所述根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值包括：根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化，根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
3.根据权利要求1所述的薄膜层应力的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：根据每个标记在基片表面的原始坐标值和所述偏差值，计算薄膜层应力在基片上的分布情况。
4.根据权利要求1所述的薄膜层应力的测量方法，其特征在于：
所述在基片表面形成多个标记包括：在基片表面通过光刻刻蚀工艺形成多个标记；
和／或，所述记录每个标记在基片表面的原始坐标值包括：利用光刻机测量并记录每个标记在基片表面的原始坐标值；
和／或，所述测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值包括：利用光刻机测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
和／或，所述标记的个数为8-15个；
和／或，所述标记在基片表面的分布为：放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的薄膜层应力的测量方法，其特征在于：
所述薄膜层的厚度为：1～10000nm。
6.一种薄膜层应力的测量***，其特征在于，包括：标记处理单元、薄膜生长单元、测量单元和应力计算单元，标记处理单元与薄膜生长单元和测量单元分别相连，测量单元还与应力计算单元相连，其中：
标记处理单元，用于在基片表面形成多个标记；记录每个标记在基片表面的原始坐标值；以及记录生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
薄膜生长单元，用于在做标记的基片表面生长薄膜层，所述薄膜层覆盖在所述基片和所述标记上；
测量单元，用于得到所述标记处理单元记录的每个标记现有坐标值和原始坐标值之间的偏差值；
应力计算单元，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层的应力值。
7.根据权利要求6所述的薄膜层应力的测量***，其特征在于，所述应力计算单元包括：
曲率半径计算子单元，用于根据每个标记的原始坐标值和所述偏差值，计算所述薄膜层生长前后基片曲率半径的变化；
应力值计算子单元，用于根据所述曲率半径的变化计算所述薄膜层的应力值。
8.根据权利要求6所述的薄膜层应力的测量***，其特征在于，所述***还包括：分布计算单元，与测量单元相连，用于根据每个标记在基片表面的原始坐标值和所述偏差值，计算薄膜层应力在基片上的分布情况。
9.根据权利要求6所述的薄膜层应力的测量***，其特征在于：
所述标记处理单元包括：光刻机，用于在基片表面通过光刻刻蚀工艺形成多个标记；测量每个标记在基片表面的原始坐标值；测量生长薄膜层后的每个标记的现有坐标值；
和／或，所述标记处理单元用于形成标记的个数为：8-15个；
和／或，所述标记处理单元用于形成标记在基片表面的分布为：放射状分布；或，环状分布；或，散点分布。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的薄膜层应力的测量***，其特征在于，所述薄膜生长单元用于生长的薄膜层的厚度为：1～10000nm。
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