光干涉及椭圆偏振法测量薄膜厚度.doc

在半导体平面工艺中，薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大，因此对薄膜必须作必要的检查，厚度测量是膜质量检查的重要内容之一。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。 干涉法 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，由于是透明介质，所以入射光将分别在表面和-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， 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 时，两道光的相位相反，因而互相减弱，出现暗条纹。由于整个台阶的厚度是连续变化的因此，在台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。 在图 28.1 中，光束S在台阶上的反射光束用(1)表示，在-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)在内走过的光程应近似为 2n，这里n为的折射率，为入射照射处厚度。由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为 2n。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 又若光束在台阶表面的反射光束和在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 由此可知，两个相邻亮条纹之间的层的厚度差为 同样，两个相邻暗条纹之间的层的厚度差应为 由此可见，如果从台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1 个亮条纹(或暗条纹)，则层的厚度应为 这就是我们通常用来计算层厚度的公式。其中的折射率 n≈1.5，λ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、,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，所以台阶楔尖处仍应为亮条纹。当测量膜厚时，若以亮条纹为计算对象，并且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，同样可得出膜的厚度，为弯曲度法。 在用弯曲度法测膜厚时，光将膜腐蚀成劈刀，如图 28.3所示，因膜是透明的，膜的上表面的反射光很弱，而下表面的反射光较强(硅表面)，这样膜上表面的反射可以忽略。 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2 nd ?2d=2(n?1)d 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λ则条纹弯曲△N 根条纹的距离，故 因膜的折射率m≈1.5，所以通过干涉显微镜测出弯曲度△N，就可以出膜的厚度。 椭圆偏振法 原理: 由激光器发出一定波长的激光束，经起偏器变成线性偏振光，并确定偏振方向，再经过1/4波长片，由于双折射现象，使其产生为相位相差90°的两部分光，它们的偏振方向相互垂直，所以变成椭圆偏振光。 对于一定厚度的某种膜启动起偏器，总可以找到一个方位角，使反射光变成线性偏振光。这是转动检偏器，当检偏器的方位角与反射线偏振光相互垂直的时，光束不能通过，出现消光现象。 因此,在装置中只要使 1/4的波片的快轴F与x的夹角为pi/4,然后测出检偏器后消光时的起,检偏器方位角,便可 从而完成总反射系数比的测量, 即可得出波膜厚度.