《電子技術(shù)應用》
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基于光学干涉模型的碳化硅外延层厚度测量研究
电子技术应用
彭冲冲,张乐玉,柳杨浩,代航旭
郑州工业应用技术学院
摘要: 碳化硅外延层厚度的精确测量是半导体器件制备的关键,基于2025年全国大学生数学建模竞赛B题实测数据开展研究。首先,采用Savitzky-Golay平滑滤波、波长窗口函数与Huber Loss鲁棒损失函数,预处理原始数据中的高频噪声、基线漂移及异常值。其次,构建双光束干涉模型,结合Sellmeier色散方程等推导厚度与相关参数的定量关系,通过快速傅里叶变换初估、非线性最小二乘迭代优化及逆方差加权平均实现高精度反演,经回灌检验验证有效性。再次,建立多光束干涉模型,基于传输矩阵法反演厚度,提出振荡成分提取与基线恢复校正方法降低干扰。
中圖分類號:TN304.2 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.267931
中文引用格式: 彭沖沖,張樂玉,柳楊浩,等. 基于光學干涉模型的碳化硅外延層厚度測量研究[J]. 電子技術(shù)應用,2026,52(6):58-63.
英文引用格式: Peng Chongchong,Zhang Leyu,Liu Yanghao,et al. Research on the measurement of silicon carbide epitaxial layer thickness based on optical interference model[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(6):58-63.
Research on the measurement of silicon carbide epitaxial layer thickness based on optical interference model
Peng Chongchong,Zhang Leyu,Liu Yanghao,Dai Hangxu
Zhengzhou University of Industrial Technology
Abstract: The accurate measurement of silicon carbide epilayer thickness is the key to the fabrication of semiconductor devices. This paper conducts research based on the measured data of Problem B in the 2025 National Undergraduate Mathematical Modeling Competition. Firstly, Savitzky-Golay smoothing filtering, wavelength window function and Huber Loss robust loss function are used to preprocess high-frequency noise, baseline drift and outliers in the original data. Secondly, a dual-beam interference model is constructed. Combined with the Sellmeier dispersion equation, the quantitative relationship between thickness and related parameters is derived. High-precision inversion is achieved through initial estimation by Fast Fourier Transform (FFT), iterative optimization by nonlinear least squares and inverse variance weighted average, and its effectiveness is verified by back-injection test. Thirdly, a multi-beam interference model is established. Thickness inversion is realized based on the transfer matrix method, and a method of oscillation component extraction and baseline recovery correction is proposed to reduce interference.
Key words : silicon carbide epilayer;thickness measurement;optical interference model;Sellmeier dispersion equation;iterative inversion algorithm

引言

隨著科技的迅猛發(fā)展,半導體材料的應用日益廣泛,推動了電子器件的進步。碳化硅作為一種新興的第三代半導體材料,因其優(yōu)越的物理與化學性能,廣受科學界與工業(yè)界的重視。與傳統(tǒng)硅材料相比,碳化硅具備更高的擊穿電場、更強的熱導率及化學穩(wěn)定性,它是衛(wèi)星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信基站等重要領(lǐng)域的核心材料,尤其是在航天、國防等領(lǐng)域有著不可替代的作用[1]。而今,在電動汽車、綠色能源和高功率電子器件等領(lǐng)域的應用中,碳化硅材料在現(xiàn)代科技進步中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[2]。

外延層的厚度是影響器件性能的關(guān)鍵參數(shù)之一,其外延層折射率并非定值,會受到摻雜濃度及入射光波長等因素的影響,因此,構(gòu)建測量外延厚度模型成為關(guān)鍵。常素珍[3]等通過對紅外膜測量厚度波峰的研究,縮小了外延層厚度測量偏差。潘文賓[4]等使用傅里葉紅外光譜法測量硅外延片厚度,采用正向峰值計算方法避免產(chǎn)生測試誤差,提高測試穩(wěn)定性。苗瑞霞[5]等利用層錯無損測量半導體材料的外延層厚度,比紅外干涉法更為簡易精確。周豐鐳[6]證明了采用渦流法測量對復合材料上碳化硅涂層的厚度是可行的。

目前,碳化硅外延層厚度的測量研究成果較少,方法相對局限。本文旨在通過光學干涉法研究碳化硅外延層厚度精確測量的方法與技術(shù),并加強對模型的檢驗,驗證模型的有效性,為該領(lǐng)域的研究提供理論支持。


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作者信息:

彭沖沖,張樂玉,柳楊浩,代航旭

(鄭州工業(yè)應用技術(shù)學院,河南 鄭州 451100)

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