多孔硅薄膜厚度及孔隙率测量

多孔硅薄膜厚度及孔隙率测量

多孔硅(porous Si)是一种新型的一维纳米光子晶体材料，具有纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，广泛应用于半导体、集成电路、光伏太阳能等产业中。

多孔硅通常是经过化学蚀刻或腐蚀生长在硅片上，为了优化工艺，需要知道多孔硅薄膜的厚度及孔隙率，过去都是通过扫描电镜或重量分析来测定多孔硅薄膜的厚度，这一过程比较费时。

反射光谱法提供了一个快速且简便的测量多孔硅厚度及多孔性的方法。从光学角度上看，多孔硅可以看作是由硅和气孔组成，这就可以使用有效介质近似模型(EMA)来计算薄膜厚度和孔隙率。此外，还需要考虑光散射和表面粗糙度。

以下是几个多孔硅薄膜样品的测量案例：

样品1. 较薄的多孔硅(低孔隙率)

a. 薄膜层叠情况：最上一层/多孔硅层/硅基底，最上一层是富含硅的多孔硅，硅和多孔硅的混合

b. 多孔硅使用EMA模型测量：硅+空隙

c. 测量参数：两层薄膜的厚度，多孔硅的孔隙率

d. 考虑光散射的影响

测量结果显示多孔硅层薄膜的厚度为184.4nm，最上一层薄膜(硅+多孔硅)的厚度为22.4nm，总厚度为206.8nm，孔隙率为25%。

图2. 同一个样品的电镜图片，电镜测量结果为218.3nm，两个方法结果基本一致(约有5%左右的误差，误差主要来源于薄膜界面的粗糙度)

样品2. 较厚的多孔硅薄膜(高孔隙率)

对于较厚的样品，我们可以使用部分反射光谱数据。

图3. 测量结果显示，多孔硅薄膜的厚度为1208nm，孔隙率为66%。

图4. 电镜测量多孔硅薄膜厚度为1138nm，两个方法结果基本一致

样品3. 双层多孔硅薄膜

样品3. 双层多孔硅薄膜反射光谱拟合，结果显示下面一层多孔硅薄膜的厚度为505.6nm，孔隙率47%;上面一层多孔硅薄膜的厚度为1248nm，孔隙率为38%。

图6. 同一样品电镜测量结果显示，下面一层多孔硅的厚度为555.6nm，上面一层多孔硅薄膜的厚度为1250nm，两种方法结果基本一致。

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