实验八 椭偏仪实验.docx

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实验八椭偏仪实验

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=6328Å）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-i0.018。

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，1cosΦ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Kp和Rs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（As）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Rp，Rs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，在膜厚大于一个周期时，需采用双角度测量的方法，在单一角度的条件下无法判断周期，测量值对应的是第一周期内的厚度值。

5、如果已知周期时，可在建表法中以第一周期内为准查找出厚度，并横向找出对应周期以得出镀膜的真实厚度。

五、注意事项

1．不要让光源游标和接收游标同时停在90°位置，以免开机后激光束长时间直接射入接收光栏对接收装置造成损坏，在非测量情况下样品台上不要放样品，以免反射光长时间射入接收光栏对接收装置造成损坏；

2．对于以玻璃等透射率较高的物质为衬底的样品由于上、下表面的反射，反射后可能出现两个光点，在正确校正仪器后应该只有主光点能够射入接收光栏，如果不能确定主光点也可以在调节消光时，看有明暗变化的为主光点，副光点可以不管，并尽量使副光点不射入接收光栏，以免对测量结果产生影响；

3．更换激光管时，可将管座全部拆下，再将后盖旋下，去掉电源接线，将激光管从散热罩内取出，换好激光管再按原位置装回去，注意激光输出方向不要装反。

激光器装回原位置后，如果光束不能够射出入射一侧的光栏，则需要按照第5页"仪器的校正"中各步骤重新调节各部分，特别注意，激光管正负极不能接错；

4．1/4波长片一般情况下不允许转动，以免造成测量误差；

5．仪器在使用前建议用已知片进行检查（已知膜厚和折射率的镀膜片）防止差错；

六、思考题

1．试叙述用椭偏法测量薄膜厚度的原理。

2．简述起偏器、检偏器、1/4波片的作用。

附录

1．仪器的结构

本仪器分为光源、接收器、主机、电子及通讯四部分，外观参看图3。

图3

1）光源：

采用波长为632.8nm的氦氖激光光源①其特点是：

光强大、光谱纯、波长稳定性好。

2）接收器：

采用光电倍增管⑤，把光讯号变为电讯号，经放大后输出至微机，由微机选择出消光位置的角度值。

3）主机部分：

除以上两项外，还有起偏组件②，样品台③，检偏组件④。

4）电子及通讯部分⑥：

采集光强及对应的角度值并传输到计算机，再接收由计算机发出的指令逐步靠近消光点。

2．操作方法

软件安装后，单击"开始"菜单或者桌面上相应的图标都可以启动软件。

（1）.初始化界面。

首先显示的是初始化界面，对硬件进行必要的初始化，在此过程中，请等待。

如果出现如下画面，则说明此时主机还未正常开启或未与计算机正常连接此时点击"确定"也可以进入软件，但只可以进行建表操作；

（2）.工作界面

初始化完成后，会进入工作界面（如下图），

如果出现如下画面，则说明此时主机还未正常开启或未与计算机正常连接

此时点击“确定”也可以进入软件，但只可以进行建表操作；

（2）.工作界面

始化完成后，会进入工作界面（如下图），

2、软件界面

主窗口下方为参数设置及结果显示区，

在此处可对光源的波长、测量的入射角度、衬底的折射率、消光系数（即折射率的虚部）、环境折射率进行设置，测试完成后在消光点一栏中还会显示测量的消光点结果及误差。

“光源”框中“名称”下拉菜单中可选“氦氖激光器”和“其它光源”，选中“氦氖激光器”后波长栏中会自动填入632.8nm，选中其它光源则可在“波长”项中填入所用光源的波长；

“衬底”框中“名称”下拉菜单中可选“Si衬底”和“玻璃衬底”同时下方的“衬底折射率”和“衬底消光系数”会自动填入相应值，选中“其它衬底”时会弹出如下窗口，

在此窗口中可填入或删除衬底名称，填入时要在右侧“添加”框内输入相应的名称、折射率、消光系数，点击“添加”后，在左侧“现有”框内的“名称”中即可找到已存储的样品衬底，衬底的种类最多可以存储20种，点击“确定”后窗口关闭，在衬底名称中会出现刚刚新建的衬底的名称，选中后相应的折射率及消光系数也会出现在下方的对应框内，在设置好参数后才可以进行测量。

下拉菜单：

“控制”下的“测量衬底…”、“设置…”、“复位”、“开始”、“退出”都有对应的按键，详细功能请见按键功能说明；

另外“检索到…”及“校正…”无快捷按键，其功能分别为：

“检索到…”：

弹出如右侧窗口

选中起偏器检索、检偏器检索并设置好对应下方

的角度值，点击“确定”仪器将立即转动到要求

的位置；

“校正…”：

弹出如右侧窗口

此处只需点击“放置1/4波片”点后此键变为“检测1/4波片”，再点击它，仪器运行后右侧框内会出现起检偏的误差值，点击“确定”软件会关闭此窗口并保存此误差值

在测量时自动消除此误差；

“衬底”对应下拉菜单中的“测量衬底”　　　　　　　　　　　　　　　　　点击此键弹出如右窗口，设置好各项参　　　　　　　　　　　　　　　　数点击“测量”会得出“衬底折射率”、

“衬底消光系数”即衬底的复折射率点击

“确定”关闭此窗口；

“设置”点击此键会弹出如下窗口，

在此窗口中对测量方式进行设置，

默认为“快速测量”设置完成后点

“确定”后即可进行测量；

“复位”点击此键后仪器的起、检偏器

自动归零；　

“开始”点击此键仪器开始测量镀膜片的起、检偏的消光角度值，对应不同的测量方式，会以不同的形式给出测出的角度值；

“停止”在仪器运行中点击此键，仪器会强行中断此次测量并且不返回任何值；

“退出”点击此键可以关闭此软件；

“处理”下的“绘图”、“切换模式”、“清除曲线”、“建表…”、“标准…”、“双角度…”都有对应的按键，详细功能请见按键功能说明；“快速测量”无按键，功能分别如下：

　对应设置中不同的测量方式各组按键分别可用，

当选择“快速”时“快速测量”可用

“快速测量”功能：

点击此键仪器即开始测量角度，测量结束后给出如下图窗口

在此窗口中点击“快速”在“结果”区中会给出如图中的三项参数，点击“关闭”可以关闭此窗口，结束此次测量；

当设置中选中“做图”则“绘图”、“切换模式”、“清除曲线”项为可用，同时窗口右侧的绘图参数栏也为可用如图

“绘图”功能：

与右侧窗口下方的“下条曲线”功能一致，以膜厚的上、下限或折射率的上、下限为边界，以相应的精度为间隔，逐一画出膜厚曲线或折射率曲线，每点击一次画出一条曲线，等膜厚曲线以蓝色线显示，等折射率曲线以黄色线显示；

“切换模式”功能：

与右侧窗口下方的“切换模式”功能一致，每点击一次绘图模式即在膜厚与折射率两种方式间切换，切换时原有曲线不会清除，但绘图时是从此种模式的下限重新开始绘图；

“清除曲线”功能：

与右侧窗口下方的“清除曲线”功能一致，清除目前绘图窗口中所有曲线以便于重新绘图。

另外：

在此窗口中更改任何参数测量得到的点始终在屏幕正中显示，更改膜厚及折射率参数时原有曲线不会被清除而在目前的基础上继续绘图，只有在更改横轴及纵轴放大倍数的时候才会清除原有曲线，全部重新绘制，窗口中还会实时显示绘图模式及当前绘制到的曲线的参数；在绘图结束后将测得的结果填入“绘图结果”中的“薄膜厚度”及“薄膜折射率”中，然后在“则结论为”下方的窗口中点击下拉箭头会给出各周期对应的膜层厚度；

使用绘图模式可较直观地了解椭偏仪的原理，具体操作时可先将膜厚的上下限围设置大一些如0～300，精度设置大一些如10，折射率同样先将上、下限分别设在1.3和2.49，精度设在0.1，横、纵轴放大倍数均设为10，这样可迅速缩小范围，操作中每点一下“下条曲线”绘图区就绘出0、10、20、……、300，当绘出的两条曲线跨过测量值（即中心点）则说明膜厚在此两种厚度之间，点“切换模式”可在等膜厚绘制方式与等折射率绘制方式之间切换，切换时实时显示结果框中也相应的在“当前膜厚＝”与“当前折射率＝”之间切换，当把膜厚与折射率都确定在一定范围后再将膜厚与折射率的上下限设置在相应范围，精度提高，横纵轴的放大倍数也根据情况放大进行精确查找，随着放大倍数的增加，消光点也随之变大，所以不能无限提高精度。

测量过程中随时可以改变参数值，每次更改后曲线将全部清除重新绘制；

当选择“查表”时“建表”可用“建表”功能：

点击此键可弹出如下图窗口

对应窗口中参数设置好之后点击“建表”在右侧窗口中会给出0～4000左右的参数值，右侧上方的“上翻”、“下翻”可对在“薄膜折射率范围”之内的各张表逐一显示；

对应窗口中参数设置好测量结果也会自动输入，点击“建表”在右侧窗口中会给出由此测量值得出的样品厚度及折射率，右侧上方的“上翻”、“下翻”可对在范围内的表格逐一查看，点击关闭可退出此次测量。

“标准”按键为一直可用，功能是根据输入的参数建一张标准的表格，以便对不同的参数情况下起、检偏角度变化的规律有所了解；

“标准”功能：

点击此键可弹出如下图窗口

对应窗口中参数设置好之后点击“建表”在右侧窗口中会给出0～4000左右的参数值，右侧上方的“上翻”、“下翻”可对在“薄膜折射率范围”之内的各张表逐一显示；

当设置中选中“双角度”时“双角度”项可用“双角度”功能：

点击弹出如下窗口

在此窗口中设置好两次测量的角度及光源、环境等参数，分别在对应的框中点击“测量”，两次测量后点击“计算结果”后方的框中会显示样品上镀膜的真实厚度，如果双角度测量的结果误差较大，会提示出错，请重新测量，确定后关闭此窗口并退出此次操作。

主窗口下方为参数设置及结果显示区，

在此处可对光源的波长、测量的入射角度、衬底的折射率、消光系数（即折射率的虚部）、环境折射率进行设置，测试完成后在消光点一栏中还会显示测量的消光点结果及误差。

“光源”框中“名称”下拉菜单中可选“氦氖激光器”和“其它光源”，选中“氦氖激光器”后波长栏中会自动填入632.8nm，选中其它光源则可在“波长”项中填入所用光源的波长；

“衬底”框中“名称”下拉菜单中可选“Si衬底”和“玻璃衬底”同时下方的“衬底折射率”和“衬底消光系数”会自动填入相应值，选中“其它衬底”时会弹出如下窗口，在此窗口中可填入或删除衬底名称，填入时要在右侧“添加”框内输入相应的名称、折射率、消光系数，点击“确定”后，在左侧“现有”框内的“名称”中即可找到已存储的样品衬底，衬底的种类最多可以存储20种，点击“确定”后窗口关闭，在衬底名称中会出现刚刚新建的衬底的名称，选中后相应的折射率及消光系数也会出现在下方的对应框内。

3、软件界面的具体介绍：

主窗口下方为参数设置及结果显示区，

在此处可对光源的波长、测量的入射角度、衬底的折射率、消光系数（即折射率的虚部）、环境折射率进行设置，测试完成后在消光点一栏中还会显示测量的消光点结果及误差。

"光源"框中"名称"下拉菜单中可选"氦氖激光器"和"其它光源"，选中"氦氖激光器"后波长栏中会自动填入632.8nm，选中其它光源则可在"波长"项中填入所用光源的波长；"衬底"框中"名称"下拉菜单中可选"Si衬底"和"玻璃衬底"同时下方的"衬底折射率"和"衬底消光系数"会自动填入相应值，选中"其它衬底"时会弹出如下窗口，在此窗口中可填入或删除衬底名称，填入时要在右侧"添加"框内输入相应的名称、折射率、消光系数，点击"添加"后，在左侧"现有"框内的"名称"中即可找到已存储的样品衬底，衬底的种类最多可以存储20种，点击"确定"后窗口关闭，在衬底名称中会出现刚刚新建的衬底的名称，选中后相应的折射率及消光系数也会出现在下方的对应框内，在设置好参数后才可以进行测量。

当设置中选中"做图"则"绘图"、"切换模式"、"清除曲线"项为可用，同时窗口右侧的绘图参数栏也为可用如图"绘图"功能：

与右侧窗口下方的"下条曲线"功能一致，以膜厚的上、下限或折射率的上、下限为边界，以相应的精度为间隔，逐一画出膜厚曲线或折射率曲线，每点击一次画出一条曲线，等膜厚曲线以蓝色线显示，等折射率曲线以黄色线显示；"切换模式"功能：

与右侧窗口下方的"切换模式"功能一致，每点击一次绘图模式即在膜厚与折射率两种方式间切换，切换时原有曲线不会清除，但绘图时是从此种模式的下限重新开始绘图；"清除曲线"功能：

与右侧窗口下方的"清除曲线"功能一致，清除目前绘图窗口中所有曲线以便于重新绘图。

另外：

在此窗口中更改任何参数测量得到的点始终在屏幕正中显示，更改膜厚及折射率参数时原有曲线不会被清除而在目前的基础上继续绘图，只有在更改横轴及纵轴放大倍数的时候才会清除原有曲线，全部重新绘制，窗口中还会实时显示绘图模式及当前绘制到的曲线的参数；在绘图结束后将测得的结果填入"绘图结果"中的"薄膜厚度"及"薄膜折射率"中，然后在"则结论为"下方的窗口中点击下拉箭头会给出各周期对应的膜层厚度；使用绘图模式可较直观地了解椭偏仪的原理，具体操作时可先将膜厚的上下限围设置大一些如0～300，精度设置大一些如10，折射率同样先将上、下限分别设在1.3和2.49，精度设在0.1，横、纵轴放大倍数均设为10，这样可迅速缩小范围，操作中每点一下"下条曲线"绘图区就绘出0、10、20、、300，当绘出的两条曲线跨过测量值（即中心点）则说明膜厚在此两种厚度之间，点"切换模式"可在等膜厚绘制方式与等折射率绘制方式之间切换，切换时实时显示结果框中也相应的在"当前膜厚＝"与"当前折射率＝"之间切换，当把膜厚与折射率都确定在一定范围后再将膜厚与折射率的上下限设置在相应范围，精度提高，横纵轴的放大倍数也根据情况放大进行精确查找，随着放大倍数的增加，消光点也随之变大，所以不能无限提高精度。

测量过程中随时可以改变参数值，每次更改后曲线将全部清除重新绘制；

当选择"查表"时"建表"可用。

"建表"功能：

点击此键可弹出如下图窗口。

对应窗口中参数设置好之后点击"建表"在右侧窗口中会给出0～4000左右的参数值，右侧上方的"上翻"、"下翻"可对在"薄膜折射率范围"之内的各张表逐一显示；对应窗口中参数设置好测量结果也会自动输入，点击"建表"在右侧窗口中会给出由此测量值得出的样品厚度及折射率，右侧上方的“上翻”、“下翻”可对在范围内的表格逐一查看，点击关闭可退出此次测量。

"标准"按键为一直可用，功能是根据输入的参数建一张标准的表格，以便对不同的参数情况下起、检偏角度变化的规律有所了解。

当设置中选中"双角度"时"双角度"项可用"双角度"功能：

点击此键弹出如下窗口在此窗口中设置好两次测量的角度及光源、环境等参数，分别在对应的框中点击"测量"，两次测量后点击"计算结果"后方的框中会显示样品上镀膜的真实厚度，如果双角度测量的结果误差较大，会提示出错，请重新测量，确定后关闭此窗口并退出此次操作。