硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量 X射线光电子能谱法（GB/T 25188—2010）

1范围 　　本标准规定了一种准确测量硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的方法，即x射线光电子能谱法(XPS)。本标准适用于热氧化法在硅晶片表面制备的超薄氧化硅层厚度的准确测量；通常，本标准适用的氧化硅层厚度不大于6 nm。 　　2规范性引用文件 　　下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版本均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 　　GB/T 22461表面化学分析词汇(GB/T 22461--2008，ISO 18115：2001，IDT) 　　GB/T 19500 x射线光电子能谱分析方法通则 　　GB/T 21006表面化学分析 x射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪 强度标的线性(GB/T 21006--2007，ISO 21270：2004，IDT) 　　GB/T 22571表面化学分析X射线光电子能谱仪 能量标尺的校准(GB/T 22571 2008，ISO 15472：2001，IDT) 　　3符号 　　下列符号适用于本标准。 　　4方法概述 　　4.1简述 　　XPS的基本原理参见国家标准GB/T 19500。GB/T 22461中确立的术语适用于本标准。 　　单晶硅基片表面氧化硅层和碳质污染层的模型如图1所示。在二氧化硅和元素硅界面间存在中间氧化物，如：Si2O3、SiO和Si2O。本方法需考虑中间氧化物层对氧化硅层厚度测量的影响。当样品表面轻微污染(碳质污染层为0.15nm～0.3nm)时，污染层对厚度测量的影响可以忽略；当样品表面污染较严重时，按6.1.2进行清洗。 　　4.2厚度计算 　　通过用XPS法测量氧化硅和元素硅的Si2p峰面积来计算氧化硅层的厚度。若不考虑二氧化硅和元素硅界面间存在的中间氧化物，由于二氧化硅和元素硅的Si2p光电子动能接近(相差约4eV)，根据非弹性和弹性散射理论可得关系式(1)： 　　5仪器和环境条件 　　5.1 x射线光电予能谱仪 　　仪器需符合GB/T 19500要求I依据GB/T 22571进行能量标尺的校正；依据GB/T 21006进行强度标尺的校正。测试时仪器的真空度应优于10-7Pa。 　　5.2实验环境条件 　　实验室应避免腐蚀性气氛、灰尘、震动和杂散磁场。实验室温度应在20℃±5℃范围内并保持恒定(±1℃)；相对湿度应保持小于65％。电源稳定。 　　6试样 　　6.1样品切割和清洗 　　6.1.1对于Si(100)样品以(111)面为界，沿[110]方向切割，如：切割成边长为10mm的正方形，它的 　　零方位角是沿I-110]方向；对于Si(111)样品则以(111)面为界，沿[110]方向切割，如：切割成边长为15mm的等边三角形。 　　6.1.2对于污染较严重的样品应进行清洗，清洗方法是将样品在分析纯异丙醇中浸泡16h左右，然后超声清洗，再用新鲜的异丙醇淋洗，最后用高纯氩气流吹干。然后将样品送入谱仪进行测量或置于专用聚丙烯样品盒中密封保存待测。 　　6.2样品安装 　　安装样品用的所有工具(例如不锈钢镊子和样品托)都应用6.1.2的方法进行清洗。操作者要戴口罩、手套。样品用不锈钢夹片和螺丝固定在样品托上。对于正方形的Si(100)样品，放在样品托上的方位角是22.5°，XPS测量的光电子发射角是34°；对于三角形的Si(111)样品，放在样品托上的方位角为0°，即方位角为三角形的一边与样品杆轴线垂直，光电子发射角为25.5°。图2是样品方位角示意图。 　　7测量步骤 　　7.1 XPS测量 　　7.1.1正常样品表面应光滑和洁净，无划痕和污点，然后按照6.2将样品安装在样品托上，并送人谱仪。 　　7.1.2 x光源选用MgKa线或AIKa线，检测区域应选在远离样品边缘1mm以上的中心部位。 　　7.1.3记录Si2p谱时用重复窄扫描(扫描次数5次以上)。 　　7.1.4每个样品测量5次以上，每次测量时要取出样品重新安装和进样。 　　7.2数据处理 　　7.2.1从Si2p光电子谱线扣除x射线伴线产生的光电子伴峰，再进行平滑处理。 　　7.2.2扣除Shirley本底，扣本底范围：元素si的Si2p3／2峰的低结合能端2.7eV至高结合能端8.2eV，即结合能从96.4eV至107.3eV(元素si的2p3／2电子结合能指定为99.1eV)。 　　7.2.3对Si2p谱线进行峰拟合处理，共分6个峰(见图3)，它们的峰位(结合能值)和离元素Si2p3／2。峰的距离见表1。 　　7.3氧化硅层厚度计算 　　用峰拟合得到的Si2p峰强度I(峰面积值)，代人4.1中的式(2～6)或式(7)，计算氧化硅层的厚度doxide。计算过程中按照4.2和4.3对各参数进行取值。 　　7.4测量结累不确定度的评估 　　在测量结果的不确定度评估中，本标准本着简化处理、重点评估和合成重要的不确定度分量(本标准中的不确定度均为相对不确定度)的原则。根据上述原则。si片表面氧化硅纳米薄层厚度XPS分析测量的不确定度有4类、6个主要分量，具体如下； 　　8测量报告 　　8.1描述所测样品的起始和终了状态。 　　8.2报告XPS测量的实验细节，如样品方位角和光电子发射角等。 　　8.3报告元素Si和氧化硅的Si2p峰强度，给出氧化硅层厚度的计算方法以及测得的厚度。 　　8.4列出不确定度的主要分量，给出标准不确定度。 　　8.5报告扩展不确定度。