用光的干涉法测量薄膜厚度

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1、实验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

2、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(1)λ(2)波长的偶数倍，即当Δ=2K=Kλ(K=0，1，2，3…)2XX3x2时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。Si衬底当两道光的光距差△为半波长的奇数倍，即当λΔ=2(K+)1时，两道光的相位相反，因而互相减弱，SiO2表面2出现暗条纹。由于整个SiO2台阶的厚度是连续变化的，图28.1氧化层厚度测量原理示意图因此，在SiO2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。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

3、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k2λΔ2=2nX2=k2λ∴X2=2n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(k2+)1λΔ3=2nX3=(K2+)1λ∴X3=2n由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO2层的厚度差为(k2+)1λk2λλX3−X2=−=2n2n2nλ同样，两个相邻暗条纹之间的S

4、iO2层的厚度差应为。2n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1λ的厚度应为X=m2n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SiO

5、2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

6、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图28.2具有半个干涉条纹所示，因SiO2膜是透明的，SiO2膜的显微镜视场图28.3用弯曲度量法测SiO2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。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2nd−2d

7、=(2n−)1d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(2n−)1d纹弯曲△N根条纹的距离，故=ΔNλ因SiO2膜的折射率m≈1.5，所以d=ΔN•λ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21．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