《橢偏儀性能測(cè)試》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）

ICSXX.XXX

CCSXXX

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測(cè)試

PerformanceTestingforEllipsometer

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTM00XXX-202X

前言

本文件參照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的規(guī)

則起草。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容有可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。

本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC00）提出。

本文件由中國(guó)材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)基礎(chǔ)與共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC00）歸口。

II

T/CSTM00XXX-202X

引言

在微電子制造領(lǐng)域，微納米尺度薄膜厚度作為其核心參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于器件中。橢偏儀是測(cè)量

微納米尺度薄膜厚度的主要方法之一，利用光的偏振特性測(cè)量薄膜的厚度，具有測(cè)量精度高、非接觸、

無(wú)破壞且不需要真空等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的研

究、開發(fā)和制造過(guò)程中。膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)器件制造的一致性和可靠性起著決定性作用。因此，規(guī)范

對(duì)橢偏儀進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)保證儀器性能可靠和薄膜厚度準(zhǔn)確測(cè)量的意義重大。本文件的制定，將提供

橢偏儀的性能測(cè)試方法，統(tǒng)一橢偏儀的性能測(cè)試過(guò)程，對(duì)科學(xué)研究、高新產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量監(jiān)控具有

指導(dǎo)作用。

III

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測(cè)試

1范圍

本文件規(guī)定了橢偏儀的性能測(cè)試項(xiàng)目和方法等。

本文件適用于激光橢偏儀和光譜橢偏儀（以下簡(jiǎn)稱儀器）的性能測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本文件。

JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示

GB/T31225-2014橢圓偏振儀測(cè)量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

4方法原理

橢偏儀是利用橢圓偏振光在被測(cè)樣品表面發(fā)生反射時(shí)的偏振變換，通過(guò)菲涅爾公式得到光學(xué)參數(shù)和

偏振態(tài)之間的關(guān)系來(lái)確定被測(cè)樣品厚度和折射率。橢偏術(shù)的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：

ρ——橢偏函數(shù)；

Ψ——偏振角；

?——兩個(gè)偏振分量的相位差經(jīng)薄膜后所發(fā)生的變化；

d——薄膜厚度；

n0——空氣折射率；

n1——薄膜折射率；

n2——襯底折射率；

φ——入射角度；

λ——入射光波長(zhǎng)。

5要求

1

T/CSTM00XXX-202X

5.1外觀

儀器上應(yīng)標(biāo)有名稱、型號(hào)、出廠編號(hào)、生產(chǎn)廠家等儀器信息；儀器所有連接件應(yīng)連接良好，各調(diào)節(jié)

旋鈕、按鍵和開關(guān)均能正常工作。

5.2測(cè)試條件

環(huán)境溫度為（20~25）℃，使用溫度波動(dòng)范圍不超過(guò)±2℃。相對(duì)濕度≤60％。

6測(cè)試

6.1測(cè)試前準(zhǔn)備

6.1.1儀器預(yù)熱

按儀器使用說(shuō)明啟動(dòng)儀器自檢，打開光源，預(yù)熱和穩(wěn)定時(shí)間按儀器說(shuō)明書進(jìn)行。

6.1.2儀器狀態(tài)調(diào)整

儀器狀態(tài)調(diào)整包括光路的準(zhǔn)直和色散元件兩部分。光路的準(zhǔn)直性是光學(xué)儀器的最基本要求，如果一

束光從入射到出射都沒(méi)有偏移，則認(rèn)為光路準(zhǔn)直；色散元件的調(diào)整則是基于儀器的組成和測(cè)量原理進(jìn)行

的。不同廠家儀器的調(diào)整方法不同，參照儀器說(shuō)明書進(jìn)行。儀器調(diào)整后是否處于最佳狀態(tài)，以及測(cè)量結(jié)

果是否準(zhǔn)確，需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)一步測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)。

6.1.3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)選擇

選擇覆蓋待測(cè)樣品厚度范圍的3種或3種以上不同厚度的膜厚國(guó)家有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并盡可能均勻分

布。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)及量值范圍參照但不限于附錄A。

6.1.4擬合模型選擇

根據(jù)所選標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的材料和色散模型，建立擬合模型。

6.2測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法

6.2.1橢偏儀的膜厚測(cè)量示值誤差

將選取的一種薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)置于橢偏儀樣品臺(tái)，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)的X、Y軸位置，使光源入射在樣

品中心區(qū)域，并調(diào)節(jié)Z軸位置進(jìn)行對(duì)焦、調(diào)平。設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件：

（1）對(duì)于激光橢偏儀，實(shí)驗(yàn)條件包括光源波長(zhǎng)、入射角度等；

說(shuō)明：入射角度選擇范圍：70°~80°。

（2）對(duì)于光譜橢偏儀，實(shí)驗(yàn)條件包括光譜范圍、入射角度、步長(zhǎng)、積分時(shí)間等。

說(shuō)明：入射角度選擇范圍：70°~80°；500nm厚度以下的樣品，建議步長(zhǎng)不大于10nm（或0.05eV）；

500nm及其以上厚度的樣品，建議步長(zhǎng)不大于5nm（或0.02eV）；積分時(shí)間的設(shè)置應(yīng)能保證測(cè)量曲線

有足夠的信噪比。

按上述方法依次對(duì)不同厚度樣品進(jìn)行測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)條件、保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

用6.1.4選擇的擬合模型進(jìn)行建模擬合，通過(guò)最小均方差（MSE，χ2）判斷擬合結(jié)果的優(yōu)劣，計(jì)算

公式見(jiàn)公式（2）。

2

T/CSTM00XXX-202X

（2）

式中，M為測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目；P為擬合參數(shù)數(shù)目，ΨMes(λi)、Ψcal(λi)、?Mes(λi)、?Cal(λi)分別為第i

個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值、擬合值，σΨ(λi)、?Ψ(λi)分別ΨMes(λ)、?Mes(λ)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

一般來(lái)說(shuō)，χ2越小，擬合得越好。當(dāng)χ2較大時(shí)，說(shuō)明儀器存在問(wèn)題，或是建立的擬合模型不理想，

需要排查原因。

根據(jù)式（3）計(jì)算示值誤差：

Δt=t-ts（3）

式中：

Δt——示值誤差，nm；

t——膜厚測(cè)量結(jié)果，nm；

ts——膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)定值，nm。

根據(jù)式（4）計(jì)算膜厚測(cè)量示值相對(duì)誤差r(Δt)：

t

r(t)100%

ts（4）

取各膜厚示值相對(duì)誤差絕對(duì)值中的最大值作為膜厚測(cè)量的示值誤差。

如需對(duì)示值誤差的不確定度進(jìn)行評(píng)定，參見(jiàn)附錄B。

6.2.2橢偏儀的膜厚測(cè)量重復(fù)性

任選一種厚度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用6.2.1所用相同實(shí)驗(yàn)條件和擬合模型，重復(fù)測(cè)量至少5次，根據(jù)式

（5）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

n

2

tit

sti1（5）

n1

式中：

s(t)——測(cè)量重復(fù)性，nm；

ti——膜厚的單次測(cè)量值，nm；

t——膜厚測(cè)量平均值，nm；

n——測(cè)量次數(shù)。

7報(bào)告

報(bào)告包含但不限于以下信息：

1）委托方信息，包括名稱、地址；

2）測(cè)試儀器信息，包括生產(chǎn)廠家、型號(hào)、編號(hào)；

3）測(cè)試依據(jù)文件的編號(hào)；

4）測(cè)試日期，及測(cè)試人員

5）選用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其相關(guān)信息；

3

T/CSTM00XXX-202X

6）測(cè)試條件，包括光譜范圍、入射角度、步長(zhǎng)、積分時(shí)間（對(duì)于光譜橢偏儀）；光源波長(zhǎng)、入射

角度（對(duì)于激光橢偏儀）；

7）膜厚測(cè)量示值誤差結(jié)果；

8）膜厚測(cè)量重復(fù)性結(jié)果。

測(cè)試報(bào)告格式參見(jiàn)附錄C。

4

T/CSTM00XXX-202X

附錄A

（資料性）

薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

表A.1二氧化硅薄膜膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

二氧化硅薄膜膜厚（nm）

編號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)值不確定度(k=2)

GBW1395712.560.30

GBW1395820.870.36

GBW1395957.550.50

GBW13960106.11.7

表A.2氮化硅薄膜膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

氮化硅薄膜膜厚（nm）

編號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)值不確定度(k=2)

GBW1396152.670.28

GBW13962104.910.32

GBW13963151.81.0

GBW13964205.01.5

5

T/CSTM00XXX-202X

附錄B

（資料性）

橢偏儀膜厚測(cè)量示值誤差的不確定度評(píng)定

B.1測(cè)量方法

橢偏儀的膜厚測(cè)量示值誤差是用薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的。按要求進(jìn)行必要的儀器狀態(tài)調(diào)整

后，設(shè)定好相關(guān)的測(cè)量程序和條件，選擇符合要求的具有明確材料和厚度的膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照6.2.1

中的測(cè)量方法測(cè)量認(rèn)定值為ts的膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，儀器的測(cè)量示值t與膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)定值ts進(jìn)行比較，

計(jì)算儀器的示值誤差Δt。

B.2數(shù)學(xué)模型

Δt=t-ts（B.1）

式中：

Δt——示值誤差，nm；

t——膜厚測(cè)量結(jié)果，nm；

ts——膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)應(yīng)的認(rèn)定值，nm。

B.3方差和靈敏系數(shù)

tt

因，所以靈敏系數(shù)：，（）

Δt=t-tscic11c21B.2

tts

令u1、u2分別表示t、ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，因u1、u2相互獨(dú)立，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為：

22

tt22

u2uucucuu2u2（B.3）

ctts112212

tts

B.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計(jì)算

橢偏儀測(cè)量過(guò)程引入的不確定度主要有儀器測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定

度。

B.4.1儀器測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u1

儀器測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量可以通過(guò)至少5次重復(fù)測(cè)量得到，取算術(shù)平均值為測(cè)量結(jié)果，

則測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u1根據(jù)式（B.4）計(jì)算：

st

（）

u1B.4

n

式中：

s(t)——測(cè)量重復(fù)性，nm；

n——測(cè)量次數(shù)。

B.4.2膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量u2

膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度主要來(lái)源于膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的厚度測(cè)量結(jié)果不確定度，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

6

T/CSTM00XXX-202X

證書給出的擴(kuò)展不確定度U和包含因子k通過(guò)式（B.5）來(lái)計(jì)算。

U

u（B.5）

2k

B.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

u1、u2均按近似正態(tài)分布，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為近似正態(tài)分布。

22（）

ucu1u2B.6

B.6擴(kuò)展不確定度U

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為

U=kuc（B.7）

用相對(duì)擴(kuò)展不確定度表示時(shí)：

U（）

Urel100%B.8

ts

式中：

ts——膜厚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)應(yīng)的認(rèn)定值，nm。

7

T/CSTM00XXX-202X

附錄C

（資料性）

測(cè)試報(bào)告格式示例

表C.1橢偏儀測(cè)試報(bào)告格式

委托方名稱

委托方地址

生產(chǎn)廠家

儀器型號(hào)儀器編號(hào)

實(shí)驗(yàn)室溫度℃實(shí)驗(yàn)室濕度%RH

測(cè)試依據(jù)

測(cè)試日期測(cè)試人員

1.外觀

2.測(cè)試條件

光譜橢偏儀

光譜范圍步長(zhǎng)

入射角度積分時(shí)間

激光橢偏儀

光源波長(zhǎng)入射角度

備注

3.膜厚測(cè)量示值誤差

標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)量值示值誤差示值相對(duì)誤差

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)名稱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)

（nm）（nm）（nm）（%）

擴(kuò)展不確定度

（%）k=2

材料色散模型

8

T/CSTM00XXX-202X

4.膜厚測(cè)量重復(fù)性

重復(fù)測(cè)量1234567

（nm）

平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差

（nm）（nm）

備注

9

T/CSTM00XXX-202X

附錄D

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：

本文件主要起草人：

10

T/CSTM00XXX-202X

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T31225-2014橢圓偏振儀測(cè)量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

[2]ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

[3]IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

_________________________________

11

T/CSTM00XXX-202X

目次

前言..............................................................................II

引言.............................................................................III

1范圍.................................................................................1

2規(guī)范性引用文件.......................................................................1

3術(shù)語(yǔ)和定義...........................................................................1

4方法原理.............................................................................1

5要求.................................................................................1

6測(cè)試.................................................................................2

7報(bào)告.................................................................................3

附錄A（資料性）薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)........................................................5

附錄B（資料性）橢偏儀膜厚測(cè)量示值誤差的不確定度評(píng)定....................................6

附錄C（資料性）測(cè)試報(bào)告格式示例........................................................8

附錄D（資料性）起草單位和主要起草人...................................................10

參考文獻(xiàn)..............................................................................11

I

T/CSTM00XXX-202X

橢偏儀性能測(cè)試

1范圍

本文件規(guī)定了橢偏儀的性能測(cè)試項(xiàng)目和方法等。

本文件適用于激光橢偏儀和光譜橢偏儀（以下簡(jiǎn)稱儀器）的性能測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本文件。

JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示

GB/T31225-2014橢圓偏振儀測(cè)量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法

ISO23131:2021Ellipsometry—Principles

IECTR63258:2021Nanotechnologies—Aguidelineforellipsometryapplicationtoevaluatethe

thicknessofnanoscalefilms

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T31225-2014、ISO23131-2021、IECTR63258:2021界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

4方法原理

橢偏儀是利用橢圓偏振光在被測(cè)樣品表面發(fā)生反射時(shí)的偏振變換，通過(guò)菲涅爾公式得到光學(xué)參數(shù)和

偏振態(tài)之間的關(guān)系來(lái)確定被測(cè)樣品厚度和折射率。橢偏術(shù)的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式（1）。

i（）

taned,n0,n1,n2,,1

式中：