用光的干涉法测量薄膜厚度.pdf

实验实验 用光的干涉法测量薄膜厚度用光的干涉法测量薄膜厚度 在半导体平面工艺中， sio2薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大， 因此对sio2 薄膜必须作必要的检查，厚度测量是sio2膜质量检查的重要内容之一。sio2膜厚的测量有多 种方法：如椭圆偏振仪测量，比色法估计等。干涉法测sio2膜厚是生产中较普遍采用的测量 方法，其优点是设备简单，操作方便，无需复杂的计算。 本实验目的是了解干涉显微镜的结构，熟悉测量膜厚的基本原理；掌握用干涉条纹法和 弯曲度法测量不同样片膜厚的方法，并测出所给样品的膜厚。 一、实验原理一、实验原理 干涉条纹的测量原理是：当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于sio2是透明介质，所 以入射光将分别在sio2表面和sio2-si界面处反射，如图 28.1 所示。 根据光的干涉原理，当两道相干光的光程差为半 波长的偶数倍，即当 kk= 2 2(k=0，1，2，3) 时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。 当 两 道 光 的 光 距 差 为 半 波 长 的 奇 数 倍 ， 即 当 2 ) 12( +=k时，两道光的相位相反，因而互相减弱， 出现暗条纹。由于整个sio2台阶的厚度是连续变化的， 因此，在sio2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。 sio2表面表面 si 衬底衬底 x x3 x2 (1) (2) 图 28.1 氧化层厚度测量原理示意图 在图 28.1 中，光束s2在sio2台阶上的反射光束用(1)表示，在sio2-si界面的反射光束用(2) 表示。根据光程的概念和小入射角的条件，光束(2)在sio2内走过的光程应近似为 2nx2，这里 n为sio2的折射率，x2为入射照射处sio2厚度。由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为 2nx2。 假如光束(1)和光束(2)产生的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立 222 2knx= n k x 2 2 2 = 又若光束s2在sio2台阶表面的反射光束和在sio2界面处的反射光束产生一个与上述亮纹 相邻的亮条纹。则同样应有下式成立 ) 1(2 233 +=knx n k x 2 ) 1( 2 3 + = 由此可知，两个相邻亮条纹之间的sio2层的厚度差为 nn k n k xx 222 ) 1( 22 23 = + = 同样，两个相邻暗条纹之间的sio2层的厚度差应为 n2 。 由此可见，如果从sio2台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1 个亮条纹(或暗条纹)，则sio2层 1 的厚度应为 n mx 2 = 这就是我们通常用来计算sio2层厚度的公式。其中sio2的折射率n1.5，为照射光的波 长，m习惯上称为干涉条纹数。 由前面的分析可知， 在sio2台阶楔尖处应出现亮条纹。 但光在不同的介质上反射时， 我 们应考虑“半波损失” 。根据光学原理，当光从光疏媒介进入光密媒介时，其反射光存在“半 波损失” 。在上述系统中，空气、sio2、si的折射率分别为 1、1.5、3.5，因此在两个界面上的 反射光都存在“半波损失” ，其作用相互抵消，对光程差不产生影响，所以sio2台阶楔尖处仍 应为亮条纹。 当测量sio2膜厚时，若以亮条纹为计算对象，并且sio2台阶两边都出现亮条纹，则从楔 尖的第一个亮条纹算起，从一个亮纹到相邻另一个亮纹算为一个干涉条纹，如图 28.1 所示的 图案干涉条纹数应为 3。 若在干涉显微镜的视场内观察到的干涉图案如图 28.2 所示，对应于台阶顶端的左边为暗 条纹，对应于台阶楔尖的右边为亮条纹。这时公式中的干涉条纹数 m 不为整数。如图 28.2 所 示的干涉图案应算为二个半干涉条纹，即 m=2.5。由上述分析可知，干涉条纹的位置取决于 光程差，光程差的任何变化都将引起干涉条纹的移动。若光程差每变化一个波长，条纹就移 动一根。如果被测样品表面有部分凹凸不平，则两束光干涉后与被测样品表面不平处相对应 的地方，干涉条纹就产生了弯曲， 通过对干涉条纹的弯曲程度 （用弯 曲量n表示）的测量，同样可得 出sio2 膜的厚度，为弯曲度法。 在用弯曲度法测sio2膜厚时， 光将sio2膜腐蚀成劈刀， 如图 28.3 所示，因sio2膜是透明的，sio2膜 的上表面的反射光很弱， 而下表面 的反射光较强(硅表面)，这样sio2 膜上表面的反射可以忽略。 图 28.2 具有半个干涉条纹 的显微镜视场 图 28.3 用弯曲度量法测sio2 在劈尖两边p、 c处反射光的光程不同。 从d到p的反射光的光程为 2nd （n为sio2的折射率） ， 入射光c到c的反射光的光程为 2d，这样从点p 到c光程的变化为 dndnd) 1(222= 光程差每变化一个波长的数值时，干涉条纹就弯曲一根条纹的距离，如果变化n 个则条 纹弯曲n 根条纹的距离，故 n dn = ) 1( 2 因sio2膜的折射率m1.5，所以 =nd 通过干涉显微镜测出弯曲度n，就可以求出sio2膜的厚度。 二、实验内容二、实验内容 2 1掌握用干涉条纹法和弯曲度法测量不同样片膜厚的方法； 2通过 3 次重复测量计算样品的膜厚，求出其平均值。 三、实验步骤三、实验步骤 1氧化层劈尖的制备。可以采用下面两种方法： a. 在待测样品的表面涂一小滴黑胶，然后放入氢氟酸中将未被保护的sio2层腐蚀掉。 b. 将被测样品的表面用蜡保护，然后放入氢氟酸中腐蚀。 以上两种方法腐蚀时要注意观察，以免造成过腐蚀，使台阶太窄。然后用去离子水冲洗， 再用滤纸吸干后放入甲苯或丙酮中去胶(或蜡)经验证明， 用稍稀的氢氟酸效果较好。 氧化层台 阶较宽，显示出来的干涉条纹粗而清晰，比较容易读数测量。 2干涉条纹法测量膜厚 将有sio2台阶的硅片置于干涉显微镜下，旋转旋钮使遮光板转入光路中，通过调焦即可 看到在台阶处出现与台阶的扭曲相对应的条纹，此即为等厚干涉条纹。其相邻条纹间sio2厚 度差为 n x 2 =，所以总厚度 n mx 2 =，其中m为条纹数目，n为折射率。 3弯曲法测量膜厚 1）调节干涉显微镜的旋钮至双光路情况。由于显微镜本身带有一面标准镜，能反射一束 标准光同硅片反射回来的光产生干涉。所以如果硅片表面是平整的，则由于标准镜是倾斜的， 产生的干涉条纹应当是一组直线。 2）如果硅片表面有台阶，则台阶两边反射回来的光线其光程是不同的，所以干涉条纹在 此处产生弯曲，其弯曲量取决于台阶两边的离度差和其折射率，而同台阶形状无关。 由于sio2是透明的，所以sio2的厚度=nd， a b c c a b (a)m1 (b)m=1 图 28.4 弯曲度的测量 其中弯曲量m ab ac n =（m 为所测量的二条干涉 带之间所包含的间隔数） ，对应图 28.4(a)所示情形。 当 m1 时，弯曲量简化为 ab ac n =，对应图(b) 所示情形。用测微目镜分别测出 a，b，c 三个值， 然后带入公式计算sio2膜厚。 四、实验数据处理和分析四、实验数据处理和分析 本实验所用光源的波长为：绿光：=0.53m=5300；白光：=0.54m=5400 橙光：=0.58m=5800 。将实验结果列入表 28-1 和表 28-2 中。 表 28-1 样品编号 光源波长（） 干涉条纹数 sio2膜厚(m) 干涉条纹法 表 28-2 样品编号 光源波长 a b c m nsio2膜厚(m) 弯曲 度法 3 五、思考题五、思考题 用干涉条纹法能否测量铝膜的厚度，为什么? 六、注意问题六、注意问题 16j 型干涉显微镜是一种精密复杂的光学测量仪器，在使用和操作以前，必须首先弄清 各旋钮的作用。操作时动作必须极轻，极为小心，切不可用力过大，以防损坏仪器。 2因干涉显微镜是一种精密测量仪器，因此测量时应尽量减小外界干扰，测量过程中避 免碰动桌子以免影响测量精度。 七、参考资料七、参考资料 16j 型干涉显微镜使用说明书，上海无线电仪器厂。 2周佩瑶，徐玉兰，吴亚非.用干涉显微镜测量薄膜厚度的分析.首都师范大学学报(自然 科学版)，1999，20(2)，33-36。 3桂智彬，张进城编.微电子实验.西安电子科技大学技术物理学院，2001。 附录：附录：16j 型干涉显微镜外形图，如图 28.5 所示。 2干涉显微镜的光路图，如图 28.6 所示。 6j型干涉显微镜的光学系统如图28.6所示，属于双光束干涉系统。光源s发出的光经分光 板1，被分成两部分：一部分反射，另一部分透射。被反射的光经物镜o2射向被测工件表面p2， 再由p2反射，射向目镜o3；而从分光板上透射的光线通过遮光板o1射向标准镜p1，再由p1