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，即当 λλKK ==Δ22 (K=0， 1， 2， 3… )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2)12(λ+=Δ K 时，两道光的相位相反，因而互相减弱，出现暗条纹由于整个 SiO2台阶的厚度是连续变化的，因此，在SiO2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。
SiO2表面 Si 衬底 X X3 x2 (1) (2) 图 28.1 氧化层厚度测量原理示意图 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 λ2222 knX ==Δ ∴ nkX222λ= 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 λ)1(2233+==Δ KnX ∴ nkX2)1(23λ+= 由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO2层的厚度差为 nnknkXX222)1(2223λλλ=−+=−同样，两个相邻暗条纹之间的SiO2层的厚度差应为n2λ 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1的厚度应为 nmX2λ=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SiO2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所示，因SiO2膜是透明的， SiO2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 SiO2 膜上表面的反射可以忽略 图 28.2 具有半个干涉条纹 的显微镜视场 图 28.3 用弯曲度量法测SiO2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 dndnd )1(222 −=− 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 NdnΔ=−λ)1(2因SiO2膜的折射率 m≈1.5，所以 λ•Δ= Nd 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，然后放入氢氟酸中将未被保护的SiO2层腐蚀掉。
b. 将被测样品的表面用蜡保护，然后放入氢氟酸中腐蚀 以上两种方法腐蚀时要注意观察，以免造成过腐蚀，使台阶太窄然后用去离子水冲洗， 再用滤纸吸干后放入甲苯或丙酮中去胶( 或蜡) 经验证明，用稍稀的氢氟酸效果较好氧化层台阶较宽，显示出来的干涉条纹粗而清晰，比较容易读数测量 2．干涉条纹法测量膜厚 将有SiO2台阶的硅片置于干涉显微镜下，旋转旋钮使遮光板转入光路中，通过调焦即可看到在台阶处出现与台阶的扭曲相对应的条纹，此即为等厚干涉条纹其相邻条纹间 SiO2厚度差为nX2λ=Δ ，所以总厚度nmX2λ= ，其中 m为条纹数目，n 为折射率 3．弯曲法测量膜厚 1）调节干涉显微镜的旋钮至双光路情况由于显微镜本身带有一面标准镜，能反射一束标准光同硅片反射回来的光产生干涉所以如果硅片表面是平整的，则由于标准镜是倾斜的，产生的干涉条纹应当是一组直线 2）如果硅片表面有台阶，则台阶两边反射回来的光线其光程是不同的，所以干涉条纹在此处产生弯曲，其弯曲量取决于台阶两边的离度差和其折射率，而同台阶形状无关 由于SiO2是透明的，所以SiO2的厚度 λ•Δ= Nd ， a b c ……cab(a)m>1 (b)m=1 图 28.4 弯曲度的测量 其中弯曲量 mabacN−−=Δ （ m 为所测量的二条干涉 带之间所包含的间隔数），对应图 28.4(a)所示情形。
当 m＝1 时，弯曲量简化为abacN−−=Δ ，对应图(b) 所示情形用测微目镜分别测出 a， b，c 三个值， 然后带入公式计算SiO2膜厚 四、实验数据处理和分析 本实验所用光源的波长为：绿光：λ=0.53 μ m=5300Å；白光：λ=0.54 μm=5400Å 橙光：λ=0.58 μ m=5800Å 将实验结果列入表 28-1 和表 28-2 中 表 28-1 样品编号 光源波长（Å ） 干涉条纹数 SiO2膜厚(μm) 干涉条纹法 表 28-2 样品编号 光源波长 a b c m ΔN SiO2膜厚(μm) 弯曲 度法 3五、思考题 用干涉条纹法能否测量铝膜的厚度，为什么 ? 六、注意问题 1． 6J 型干涉显微镜是一种精密复杂的光学测量仪器，在使用和操作以前，必须首先弄清各旋钮的作用操作时动作必须极轻，极为小心，切不可用力过大，以防损坏仪器 2．因干涉显微镜是一种精密测量仪器，因此测量时应尽量减小外界干扰，测量过程中避免碰动桌子以免影响测量精度 七、参考资料 1．6J 型干涉显微镜使用说明书，上海无线电仪器厂 2．周佩瑶，徐玉兰，吴亚非.用干涉显微镜测量薄膜厚度的分析.首都师范大学学报(自然科学版)， 1999， 20(2)，33-36 。
3．桂智彬，张进城编.微电子实验.西安电子科技大学技术物理学院，2001 附录：1 ． 6J 型干涉显微镜外形图，如图 28.5 所示 2．干涉显微镜的光路图，如图 28.6 所示 6J型干涉显微镜的光学系统如图28.6 所示，属于双光束干涉系统光源S 发出的光经分光板1 ，被分成两部分：一部分反射，另一部分透射被反射的光经物镜O2射向被测工件表面P2，再由P2反射，射向目镜O3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O1射向标准镜P1，再由P1反射 ， 射向目镜O3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O1射向标准镜P1，在目镜分划板上两束光产生干涉，从目镜中可以观察到干涉条纹若样品表面平滑，则干涉条纹是平直的 图 28.6 干涉显微镜的光路图P1光源 S 聚光透镜组滤光片 分光板 P2被测表面 O2物镜组 T1 21遮光板O1 P2' O3 目镜组反射镜图 28.5 6J 型干涉显微镜外形图4。