用光的干涉法测量薄膜厚度

实验 用光的干涉法测量薄膜厚度
在半导体平面工艺中，SiO 2薄膜的质量好坏对器件的成品率和性能影响很大，因此对SiO 2薄膜必须作必要的检查，厚度测量是SiO 2膜质量检查的重要内容之一。

SiO 2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SiO 2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SiO 2是透明介质，所以入射光将分别在SiO 2表面和SiO 2-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λλ
K K ==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
+=ΔK 时，两道光的相位相反，因而互相减弱，
出现暗条纹。

由于整个SiO 2台阶的厚度是连续变化的，因此，在SiO 2台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。

图28.1 氧化层厚度测量原理示意图
在图28.1中，光束S 2在SiO 2台阶上的反射光束用(1)表示，在SiO 2-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SiO 2内走过的光程应近似为2nX 2，这里n 为SiO 2的折射率，X 2为入射照射处SiO 2厚度。

由图可见，光束(1)和光束(2)的光程差为2nX 2。

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
λ2222k nX ==Δ ∴ n
k X 222λ
=
又若光束S 2在SiO 2台阶表面的反射光束和在SiO 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
λ)1(2233+==ΔK nX ∴ n
k X 2)1(23λ+=
由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO 2层的厚度差为 n
n k n k X X 222)1(2223λ
λλ=−+=
− 同样，两个相邻暗条纹之间的SiO 2层的厚度差应为
n
2λ。

由此可见，如果从SiO 2台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1个亮条纹(或暗条纹)，则SiO 2层
的厚度应为 n
m
X 2λ
=
这就是我们通常用来计算SiO 2层厚度的公式。

其中SiO 2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SiO 2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、SiO 2、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 2台阶楔尖处仍应为亮条纹。

当测量SiO 2膜厚时，若以亮条纹为计算对象，并且SiO 2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SiO 2 膜的厚度，为弯曲度法。

在用弯曲度法测SiO 2膜厚时，光将SiO 2膜腐蚀成劈刀，如图28.3所示，因SiO 2膜是透明的，SiO 2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SiO 2 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SiO 2
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SiO 2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
d n d nd )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
N d
n Δ=−λ
)1(2 因SiO 2膜的折射率m ≈1.5，所以 λ•Δ=N d
通过干涉显微镜测出弯曲度△N ，就可以求出SiO 2膜的厚度。

二、实验内容
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。

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SiO 2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SiO 2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SiO 2厚
度差为n X 2λ=Δ，所以总厚度n m X 2λ
=，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SiO 2是透明的，所以SiO 2的厚度λ•Δ=N d ，
(a)m>1 (b)m=1
图28.4 弯曲度的测量
其中弯曲量m a b a
c N −−=
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a b a
c N −−=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SiO 2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=0.53μm=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
样品编号
光源波长（Å）
干涉条纹数 SiO 2膜厚(μm)
干涉条纹法
表28-2
样品编号
光源波长
a b c m
ΔN SiO 2膜厚(μm)
弯曲 度法
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O 2射向被测工件表面P 2，再由P 2反射，射向目镜O 3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O 1射向标准镜P 1，再由P 1反射，射向目镜O 3；而从分光板上透射的光线通过遮光板O 1射向标准镜P 1，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
2'
图28.5 6J 型干涉显微镜外形图。