光干涉及椭圆偏振法测量薄膜厚度

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1、在半导体平面工艺中，s/Q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&。2膜质量检查的重要内容之一。SQ2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。一.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SQ?是透明介质，所以入射光将分别在Sa?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，U卩当A=2A^-=A7l(K=0,1,2,3…)2时，两道光的相位相同

2、，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A=(2K+1)—2时，两道光的相位相反，因而互相减弱，出现暗条纹。由于整个SQ2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。Si°2表面；Du图28」氧化层厚度测量原理示意图I；Si衬底［在图28.1中，光束S在SR?台阶上的反射光束用(1)表示，在5/O2-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SiQ内走过的光程应近似为2nX2,这里n为&。2的折射率，X?为入射照射处厚度。由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为2nX2o假如光束(1)和光束(2)产生

3、的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立=2〃Xr—A=''2/7又若光束S?在SiQ台阶表面的反射光束和在®。2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人3=2fiX3—(Kr+1)兄+1)A2/7由此可知，两个相邻亮条纹之间的GO层的厚度差为pvr(攵+1)2和入A3—Ao=2/?2/7同样，两个相邻暗条纹之间的SiO.层的厚度差应为Av2_2/7°由此可见，如果从SQ?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S2,层厚度的公式。其中SQ.的折射率n^l.5,入为照射光的波长，m习惯上称为干涉条纹数。由

4、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、SiOo,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SQ?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，并見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2&1所示的图案干涉条纹数应为3o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

5、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AN表示）的测量，同样可得出SiQ膜的厚度，为弯曲度法。图28.2具有半个十涉条纹的显微镜视场SiO2DC图28.3用弯曲度量法测SiO?在用弯曲度法测MG膜厚时，光将WQ膜腐蚀成

6、劈刀，如图28.3所示，因S®膜是透明的，S®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S/02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SzQ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=2（n-l）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，如果变化个入则条纹弯曲根条纹的距离，故d=AN•A因SR?膜的折射率m^l.5,所以通过干涉显微镜测出弯曲度AN,就可以出SiQ膜的厚度。椭圆偏振法原理：由激光器发岀一定波长的激光束，经起偏器变成线性偏振光，并确

7、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。椭偏仪的结构图和测量原理・z2/#63<1>

8、%51氮皈或半导体激光器2起倔益3仙分Z波片4待测薄般5险倔器6毛玻璃或光电探测器中「用能偏參星①和△来描述反射系数比，其定义R.〈3.5・3)Zg^exp(:A)=—只、分析上述各式可知，在人，2和n3确定的*件下，炉和心只是薄膜耳度d和折射率n2的函数，只要测星llg和△，原则上.应能解山d和