一种半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法与流程

1.本发明涉及半导体多层膜技术领域，尤其涉及一种半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法。


背景技术：

2.由于半导体制造是在硅片上加工出各种微观结构，因此除了原始的硅基材料外还需要通过沉积多层薄膜体系引入非硅材料(如非硅介质层、金属层)实现不同功能。半导体薄膜器件通常需要引入多种材料外，薄膜工艺还具有隔离保护高活性材料(如si、cu)，防止污染和腐蚀。薄膜工艺也会承担一部分光阻的职能，常用于产生提高吸光率的减反射膜、硬掩模等。
3.半导体多层膜器件薄膜沉积指通过物理或化学等方在基片上沉积各种材料的过程，常见的有物理气相沉积(pvd)、化学沉积(cvd)及原子层沉积(ald)等各种方法。因此，半导体多层膜体系涉及薄膜层数多、种类多对工艺要求极高。其中半导体多层膜体系中膜层-膜层间的光学吸收损耗是影响半导体元件关键因素之一。直接影响了器件的损耗大小、稳定性及使用寿命等性能。
4.从多层膜薄膜元件结构角度来讲，如图1所示，光学薄膜元件可以分为基底吸收a、基底与薄膜界面吸收b、薄膜吸收c、薄膜与薄膜间界面吸收d、薄膜吸收e吸收四部分。其中如基底吸收，薄膜吸收等吸收率的大小可以通过吸收测试表征手段获得。其中薄膜与薄膜间界面吸收由于存在多层面系统中，不是独立存在，因而很难通过吸收测试直接获得。但薄膜与薄膜间界面往往是电磁场场强最大的位置，导致的界面吸收也通常整个元件中吸收率最大的部分，因而，不同薄膜材料交叠的界面位置是最易导致薄膜元件产生缺陷、性能畸变、发生破损的位置。薄膜与薄膜间界面吸收来源于制备过程中膜料的交替叠加，使得界面处的杂质浓度高于膜体中的杂质浓度，导致吸收截面的产生。同时，在薄膜元件的储藏、使用过程中，膜系与空气界面大量吸附大气中杂质与水分，水分向膜层纵深渗透，并充满各个界面处的微观空隙，尤其在多层膜系统中，存在大量的薄膜-薄膜界面吸收，因此需要格外关注薄膜间的界面吸收特性。吸收损耗的存在不仅直接影响多层膜器件的性能，更重要的是薄膜吸收光源所产生的温度升高以及相伴而来的各种热应力效应是导致半导体薄膜器件性能退化或损伤的重要原因。特别对于电磁场较强的多层膜系统中，存在多种、多个薄膜-薄膜间的吸收，因此即使十分微弱的吸收也足以导致薄膜元件性能的降低甚至破坏，严重影响元件的性能。然而，目前并没有技术公开对半导体多层膜体系中薄膜-薄膜间的界面光吸收损耗进行测试评估。
5.因此，合理评估半导体多层膜体系中薄膜-薄膜间的界面光吸收损耗，对于研制高性能，高稳定性半导体薄膜器件起到重要作用。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种半导体多层膜体系膜-膜间
界面光吸收率的测试方法，以对多层膜体系中薄膜-薄膜间的界面吸收损耗进行评估。
7.第一方面，本发明提供了一种半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，包括以下步骤：
8.构建参考膜，所述参考膜包括：第一基底以及位于所述第一基底上相互叠加的第一高折射率薄膜、第一低折射率薄膜；
9.构建对比膜，所述对比膜包括：第二基底以及位于所述第二基底上多个相互依次交错设置的第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜；
10.所述第一高折射率薄膜、所述第二高折射率薄膜所用的材料相同；所述第一低折射率薄膜、所述第二低折射率薄膜所用的材料相同；
11.所述第一基底、所述第二基底的厚度以及所用的材料均相同；
12.所述第一高折射率薄膜的厚度等于多个第二高折射率薄膜的厚度之和；
13.所述第一低折射率薄膜的厚度等于多个第二低折射率薄膜的厚度之和；
14.测试所述参考膜在中心波长下的光吸收率；
15.测试所述对比膜在中心波长下的光吸收率；
16.将所述对比膜中光吸收率减去参考膜光吸收率，得到光吸收率差值；
17.将所述对比膜中第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜的界面层数减去所述参考膜中第一高折射率薄膜与第一低折射率薄膜的界面层数，得到界面层数差值；
18.将光吸收率差值除以界面层数差值即得膜-膜间界面光吸收率。
19.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第二高折射率薄膜的厚度为第二高折射率薄膜的1/2波长的光学厚度。
20.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第二低折射率薄膜的厚度为第二低折射率薄膜的1/2波长的光学厚度。
21.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一高折射率薄膜、所述第二高折射率薄膜所用的材料包括ta2o5、ti3o5、tio2、zns中的任一种。
22.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜所用的材料包括sio2、al2o3、mgf2中的任一种。
23.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一高折射率薄膜、所述第二高折射率薄膜所用的材料为tio2，所述第一高折射率薄膜、所述第二高折射率薄膜的折射率为2.53。
24.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜所用的材料为sio2，所述第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜的折射率为1.48。
25.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一基底、所述第二基底的厚度以及所用的材料均相同。
26.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一基底、所述第二基底均为透明基底。
27.优选的是，所述的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，所述第一基底、所述第二基底所用的材料包括7980玻璃、k9玻璃、氟化钙玻璃、熔融石英中的任一种。
28.本发明的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法相对于现有技术具
有以下有益效果：
29.本发明的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，通过构建参考膜、对比膜，参考膜和对比膜中所用基底、整体的厚度均完全相同，唯一不同的是参考膜和对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数不同，两者具有相同的光学特性，因此构建的参考膜和对比膜可以用于研究薄膜与薄膜界面之间的光吸收；通过测试参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率后，并计算光吸收率的差值，将光吸收率差值除以界面层数差值即得膜-膜间界面光吸收率；通过本发明的方法可以测试多层膜体系的膜-膜间界面光吸收，进而对薄膜-薄膜间的界面吸收损耗进行评估；本发明的测试方法适用于不同折射率大小的薄膜之间的界面光吸收，也适用于不同厚度下的薄膜之间的界面光吸收，具有良好的通用性和拓展性。本发明的测试方法为现有技术中无法直接通过吸收测试获得薄膜-薄膜间的界面光吸收提供了一种新的测试思路。
附图说明
30.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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
31.图1为现有技术中光学薄膜元件光学吸收示意图；
32.图2为本发明的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法的流程示意图；
33.图3为本发明其中一个实施例中参考膜的结构示意图；
34.图4为本发明其中一个实施例中对比膜的结构示意图；
35.图5为本发明实施例1中参考膜、对比膜的结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
37.本技术实施例提供了一种半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，如图2所示，包括以下步骤：
38.s1、构建参考膜，参考膜包括：第一基底以及位于第一基底上相互叠加的第一高折射率薄膜、第一低折射率薄膜；
39.s2、构建对比膜，对比膜包括：第二基底以及位于第二基底上多个相互依次交错设置的第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜；
40.第一高折射率薄膜、第二高折射率薄膜所用的材料相同；第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜所用的材料相同；
41.第一基底、第二基底的厚度以及所用的材料均相同；
42.第一高折射率薄膜的厚度等于多个第二高折射率薄膜的厚度之和；
43.第一低折射率薄膜的厚度等于多个第二低折射率薄膜的厚度之和；
44.s3、测试参考膜在中心波长下的光吸收率；
45.s4、测试对比膜在中心波长下的光吸收率；
46.s5、将对比膜中光吸收率减去参考膜光吸收率，得到光吸收率差值；
47.s6、将对比膜中第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜的界面层数减去参考膜中第一高折射率薄膜与第一低折射率薄膜的界面层数，得到界面层数差值；
48.s7、将光吸收率差值除以界面层数差值即得膜-膜间界面光吸收率。
49.需要说明的是，本技术提供的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，首先分别构建参考膜和对比膜，参考图3～4所示，参考膜包括第一基底10以及位于第一基底10上相互叠加的第一高折射率薄膜11、第一低折射率薄膜12；其中，通过物理气相沉积(pvd)、化学沉积(cvd)及原子层沉积(ald)等方法在第一基底10上沉积得到第一高折射率薄膜11、第一低折射率薄膜12；对比膜包括：第二基底20以及位于第二基底20上多个相互依次交错设置的第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22；其中，通过物理气相沉积(pvd)、化学沉积(cvd)及原子层沉积(ald)等方法在第二基底20上沉积得到第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22；具体的，第二基底20上相互交错设置的第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22的层数根据实际情况确定，比如可为2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层、10层
……
n层(n为正整数)。第一高折射率薄膜11、第二高折射率薄膜21所用的材料相同，第一低折射率薄膜12、第二低折射率薄膜22所用的材料相同，第一基底10、第二基底20的厚度以及所用的材料均相同；第一高折射率薄膜11的厚度等于多个第二高折射率薄膜21的厚度之和，第一低折射率薄膜12的厚度等于多个第二低折射率薄膜22的厚度之和，以对比膜中相互交错设置的第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22的层数为4层进一步说明，对比膜中4个第二高折射率薄膜21的厚度之和与参考膜中第一高折射率薄膜11的厚度相等，对比膜中4个第二低折射率薄膜22的厚度之和与参考膜中第一低折射率薄膜12的厚度相等。即参考膜和对比膜中所用基底、整体的厚度均完全相同，唯一不同的是参考膜和对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数不同，参考膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数为1，而对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数根据第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22相互交错层数进行确定，例如，当相互交错层数为2层时，则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数为3，当相互交错层数为3层时，则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数为5，当相互交错层数为4层时，则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数为7，当相互交错层数为n层时，则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数为2n-1；上述构建的参考膜以及对比膜除了高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数不同，其余均相同，两者具有相同的光学特性，因此可以用于研究薄膜与薄膜界面之间的光吸收；分别测试参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率，可以理解的是，参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率的不同，参考膜、对比膜之间的差值，是由于参考膜与对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的界面层数不同而导致的，对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数为2n-1，参考膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数为1，对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数比参考膜中界面层数多2n-2，正是由于对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数多于参考膜才导致参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率的不同；因此，在测试得到参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率后，
并依据薄膜界面层数即可得到半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率。进一步的，若参考膜在中心波长下的光吸收率为a1，对比膜在中心波长下的光吸收率为a2，则参考膜和对比膜的光吸收率差值为δa＝a
2-a1，由于对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数比参考膜中界面层数多2n-2，则对比膜中单层高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的光吸收率差值平均值为aj＝δa/(2n-2)，通过aj即可判断高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的光吸收；可以理解的是，如aj很小(接近0)则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间几乎没有光吸收，若aj很大则高折射率薄膜、低折射率薄膜之间有较大的光吸收。
50.具体的，在一些实施例中，光热辐射技术、激光量热技术、表面热透镜技术、光声光谱技术等常规方法测试参考膜、对比膜在中心波长下的光吸收率，这里的光吸收率指的是参考膜、对比膜整个膜的光吸收率。
51.在一些实施例中，第二高折射率薄膜的厚度为第二高折射率薄膜的1/2波长的厚度。
52.在一些实施例中，第二低折射率薄膜的厚度为第二低折射率薄膜的1/2波长的厚度。
53.具体的，上述实施例中，对比膜中第二高折射率薄膜的厚度为第二高折射率薄膜的1/2波长的厚度，第二低折射率薄膜的厚度为第二低折射率薄膜的1/2波长的厚度，以h表示第二高折射率薄膜、l表示第二折射率偏低的薄膜，则对比膜中构建的膜系为hhllhhllhhll，hh即表示第二高折射率薄膜的厚度为第二高折射率薄膜的1/2波长的光学厚度，ll即表示第二低折射率薄膜的厚度为第二低折射率薄膜的1/2波长的光学厚度(h、l分别为厚度为1/4波长的第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜)，即对比膜中构建的第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜为半波虚设层，虚设层就是在中心波长相当于没有镀膜，关于虚设层概念现有技术有明确介绍，本技术在此不再赘述。通过虚设层的引入，使对比膜和参考膜在中心波长处具有相同的光学特性。
54.具体的，对比膜中多个第二高折射率薄膜、多个第二低折射率薄膜的厚度和为n
×
1/2
×
λ1 n
×
1/2
×
λ2(λ1为第二高折射率薄膜的波长、λ2为第二低折射率薄膜的波长)。而参考膜中第一高折射率薄膜的厚度为n
×
1/2
×
λ1，第一低折射率薄膜的厚度为n
×
1/2
×
λ2。由上可知，对比膜和参考膜基底上的高折射率薄膜、低折射率薄膜的光学厚度之和相等。
55.本技术的测试方法适用于不同折射率大小的薄膜之间的界面光吸收，也适用于不同厚度下的薄膜之间的界面光吸收，具有良好的通用性和拓展性。
56.具体的，若对比膜中第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22相互交错设置的层数为2层，则对比膜中第二基底上的膜系表示为a/hhllhhll，相应的，参考膜中第一基底上的膜系表示为a/hhhhllll，在此实施例中h为第一(第二)高折射率薄膜、l为第一(第二)低折射率薄膜，a为air表示膜外空气。
57.在一些实施例中，第一高折射率薄膜、第二高折射率薄膜所用的材料包括ta2o5、ti3o5、tio2、zns中的任一种。
58.在一些实施例中，第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜所用的材料包括sio2、al2o3、mgf2中的任一种。
59.在一些实施例中，第一高折射率薄膜、第二高折射率薄膜所用的材料为tio2，第一高折射率薄膜、第二高折射率薄膜的折射率为2.53。
60.在一些实施例中，第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜所用的材料为sio2，第一低折射率薄膜、第二低折射率薄膜的折射率为1.48。
61.在一些实施例中，第一基底、第二基底的厚度以及所用的材料均相同。
62.在一些实施例中，第一基底、第二基底均为透明基底。
63.在一些实施例中，第一基底、第二基底所用的材料包括7980玻璃、k9玻璃、氟化钙玻璃、熔融石英中的任一种；第一基底、第二基底的厚度为2～5mm。
64.以下进一步以具体实施例说明本技术的半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
65.实施例1
66.本技术实施例提供了一种半导体多层膜体系膜-膜间界面光吸收率的测试方法，包括以下步骤：
67.s1、构建参考膜，参考图5所示，参考膜包括：第一基底10以及位于第一基底10上相互叠加的第一高折射率薄膜11、第一低折射率薄膜12；
68.s2、构建对比膜，参考图5所示，对比膜包括：第二基底20以及位于第二基底20上相互依次交错设置的第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22；
69.第一高折射率薄膜11、第二高折射率薄膜21所用的材料均为tio2，第一高折射率薄膜11、第二高折射率薄膜21的折射率为2.53；
70.第一低折射率薄膜12、第二低折射率薄膜22所用的材料均为sio2，第一低折射率薄膜12、第二低折射率薄膜22的折射率为1.48；
71.第二基底20上第二高折射率薄膜21、第二低折射率薄膜22相互交错层数为2层；
72.第二高折射率薄膜21的厚度为第二高折射率薄膜的1/2波长的厚度，具体为70nm；
73.第二低折射率薄膜22的厚度为第二低折射率薄膜的1/2波长的厚度，具体为120nm；
74.第一高折射率薄膜11的厚度为140nm；
75.第一低折射率薄膜12的厚度为240nm；
76.第一基底、第二基底所用的材料均为熔融石英，第一基底、第二基底的厚度均为3mm；
77.s3、测试参考膜在中心波长下的光吸收率；
78.s4、测试对比膜在中心波长下的光吸收率；
79.s5、将对比膜中光吸收率减去参考膜光吸收率，得到光吸收率差值；
80.s6、将对比膜中第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜的界面层数减去参考膜中第一高折射率薄膜与第一低折射率薄膜的界面层数，得到界面层数差值；
81.s7、将光吸收率差值除以界面层数差值即得膜-膜间界面光吸收率。
82.上述实施例中构建的参考膜和对比膜在中心波长(λ＝355nm)处的具有相同的光学特性，第一基底上第一高折射率薄膜、第一低折射率薄膜的厚度之和为380nm，第二基底上相互交错的第二高折射率薄膜、第二低折射率薄膜的厚度之和为70nm 120nm 70nm 120nm＝380nm；经过测试，在中心波长(λ＝355nm)下，参考膜的光吸收率a1为0.5％、对比膜的光吸收率a2为0.9％，参考膜和对比膜的光吸收率差值为δa＝a
2-a1＝0.004，对比膜中高
折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数3层，参考膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数1层，对比膜中高折射率薄膜、低折射率薄膜界面层数比参考膜中界面层数多2层，则对比膜中单层高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的光吸收率差值平均值为aj＝δa/2＝0.2％，通过aj为0.2％即可评估高折射率薄膜、低折射率薄膜之间的光吸收。
83.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。