用光的干涉法测量薄膜厚度

其中弯曲量 ΔN = c − a m （m 为所测量的二条干涉 b−a
b …a
ba
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 ΔN = c − a ，对应图(b) b−a
… c
c
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。
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
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。
相邻的亮条纹。则同样应有下式成立
Δ3 = 2nX 3 = (K 2 + 1)λ
∴
X3
=
(k2 + 1)λ 2n
由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO2层的厚度差为
X3
−
X2
=
(k2 +1)λ 2n
−
k2λ 2n
=
λ 2n
同样，两个相邻暗条纹之间的SiO2层的厚度差应为
λ 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
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 Δ = 2K λ = Kλ (K=0，1，2，3…) 2
时，两道光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。
(1) (2)
X
X3 x2
Si 衬底
当两道光的光距差△为半波长的奇数倍，即当
Δ = (2K + 1) λ 时，两道光的相位相反，因而互相减弱， 2
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。
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。
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 d = ΔN • λ ，
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
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 = 2(n −1)d
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 ΔX = λ ，所以总厚度 X = m λ ，其中m为条纹数目，n为折射率。
2n
2n
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
1
的厚度应为
X =m λ 2n
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
SiO2膜厚(μm)
弯曲 度法
样品编号
光源波长
表 28-2
a
b
c
3
m ΔN SiO2膜厚(μm)
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。
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。
Hale Waihona Puke Baidu
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
Δ 2 = 2nX 2 = k2λ
∴
X
2
=
k2λ 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
四、实验数据处理和分析
(a)m>1
(b)m=1
图 28.4 弯曲度的测量
本实验所用光源的波长为：绿光：λ=0.53μm=5300Å；白光：λ=0.54μm=5400Å 橙光：λ=0.58μm=5800Å 。将实验结果列入表 28-1 和表 28-2 中。
表 28-1
干涉条纹法
样品编号
光源波长（Å）
干涉条纹数
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
2(n−1)d =ΔN λ
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
2
1．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。
SiO2表面
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
图 28.5 6J 型干涉显微镜外形图
光源 S
聚 光 滤光片 透 镜 组
2 分光板
P2被测表面
O2物镜组 T1
P2' O1
1
遮光板
P1
O3
反射镜
目镜组
图 28.6 干涉显微镜的光路图
4
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。
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。
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