实验八椭偏仪实验..docVIP

实验八 SGC-2 型自动椭圆偏振测厚仪 在半导体平面工艺中，SiO2薄膜是不可缺少的重要材料。它既可以被作为杂质掩蔽、表面钝化和器件的电隔离材料，也可以用作电容器的介质和MOS管的绝缘栅介质等。无论SiO2膜用作哪一种用途的材料，都必须准确的测定和控制它的厚度。另外，折射率也是表征SiO2膜性质的重要参数之一，因此我们必须掌握SiO2膜厚及其折射率的测量方法。 通常测定薄模厚度的方法有比色法、干涉法、椭偏法等。比色法可以方便的估计出氧化硅膜的厚度，但误差较大。干涉法具有设备简单、测量方便的特点，结果也比较准确。椭偏法测量膜厚是非破坏性测量，测量精度高，应用范围广。它是使一束自然光经起偏器变成线偏振光。再经 1/4 波长片，使它变成椭圆偏振光入射在待测的膜面上。反射时，光的偏振状态将发生变化。通过检测这种变化，便可以推算出待测膜面的某些光学参数。我们这个实验是用椭偏法来测量SiO2膜厚度。 一、目的要求 1、了解用椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理和方法； 2、掌握椭圆偏振仪的使用方法，并用椭偏仪测量Si衬底上的SiO2薄膜的折射率和厚度。 二、实验仪器 SGC-2 型自动椭圆偏振测厚仪，计算机 三、实验原理 由激光器发出一定波长(λ=6328?)的激光束，经过起偏器后变为线偏振光，并确定其偏振方向。再经过 1/4 波长片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的 P 波和 S 波，成为椭圆偏振光，椭圆的形状由起偏器的方位角决定。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，经过样品表面和多层介质（包括衬底－介质 图1 膜－空气）的来回反射与折射，总的反射光束一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的形状和方位改变了。一般用Φ和Δ来描述反射时偏振状态的变化，其定义为： （1） 中tgΦ的物理意义是P波和S波的振幅之比在反射前后的变化，称为椭偏法的振幅参量。Δ的物理意义是P波和S波的相位差在反射前后的变化，称为椭偏法的相位参量。RP和RS 分别为P波初量和S波分量的总反射系数。在波长、入射角、衬底等参数一定时，Φ和Δ是膜厚 d 和折射率 n 的函数。对一定厚度的某种膜，旋转起偏器总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光。这时再转动检偏器， 当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光现象。消光时，Δ和Φ分别由起偏器的方位角 P 和检偏器的方位角 A 决定。把 P 值和 A 值分别换算成Δ和Φ后，再利用公式和图表就可得到透明膜的折射率 n 和膜厚度 d。具体公式推导如下。图2中，在硅表面镀有均匀的各向同性的透明薄膜。 图2 光路图 其中I表示空气与薄膜的分界面，II 表示薄膜与衬底的分界面。自光源 S 发出一束单色光，φ表示单色光的入射角，φ1表示薄膜的折射角，φ2表示衬底的折射角。n0为空气折射率，n1为薄膜的折射率，n2为硅的复数折射率。n2 = n-iK，K称为消光系数，n2 =3.95-i 0.018。定义入射光，反射光，法线所构成的平面入射面，将光的振动面与入射面平行的光波称P 波，振动面垂直入射面的光波称S波。根据费涅耳公式，在Ⅰ界面处，P分量和 S分量的反射系数分别为 （2） 在界面 II 处的反射系数分别为 （3） 式中φ，φ1，φ2满足下列关系 （4） 考虑到(2)及(3)式，1 cos Φ 也为复数，则有 （5） 由硅片及其上面透明薄膜组成的系统作为一个整体具有一定的振幅反射率。 我们以 K p和R s分别表示这个系统对P波和S波的振幅反射率，则 （6） 其中(Ap) 1和(As ) 1分别表示入射波中P波和S波的振幅，(Ap ) p和(A s ) s分别表示反射波中P波和S波的振幅。根据光的干涉理论，可得 （7） 其中 （8） 通常R p，R s是复数，定义它们的比值 四、实验内容及步骤 1. 打开主机开关，面板上的电源指示灯及开关内的指示灯同时亮起； 2. 放置样品时，首先拉动样品台后方的手钮使样品夹离开固定板，将样品放入，待测表面朝向固定板，将待测点放置在横向开槽的正中及固定块的中线上（也可直接观察光束在样品上的光点，使待测点处于光点中心处即可），然后慢慢松开手钮，夹稳样品后即可进行测量，测量后扶住样品拉开样品夹取下样品，再更换其他样品。 注意：在拉开样品夹之前请勿拖拉样品以免破坏表面的镀膜。 4. 在测量样品完成后要对样品进行周期判断。当光源波长为 6328A°时，SiO2 膜的一个周期约为 283nm左右，在膜