浙江大學(xué)半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)第四章

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1、 3.2 外 光 路 系 統(tǒng) 及 樣 品 裝 置 激 光 器 之 后 到 單 色 儀 之 前 為 外 光 路 系 統(tǒng) 和 試樣 裝 置 ， 它 的 作 用 是 為 了 要 在 試 樣 上 得 到 最 有效 的 照 射 ， 最 大 限 度 地 收 集 散 射 光 ， 還 要 適 合于 作 不 同 狀 態(tài) 的 試 樣 在 各 種 不 同 條 件 （ 如 高 ，低 溫 等 ） 下 的 測(cè) 試 。 由 于 喇 曼 散 射 的 效 率 很 低 ， 試 樣 裝 置 要 能 以最 有 效 的 方 式 照 射 樣 品 和 聚 集 散 射 光 ， 它 的 光 學(xué)設(shè) 計(jì) 是 非 常 重 要 的 。 通 常 采 用

2、 聚 焦 激 光 束 照 射 到試 樣 上 ， 以 提 高 試 樣 上 的 輻 照 度 ， 產(chǎn) 生 喇 曼 散 射。 一 般 用 透 鏡 L1聚 焦 激 光 束 ， 使 其 最 集 中 的 區(qū) 域（ 束 腰 處 直 徑 可 達(dá) 10 m） 照 射 到 試 樣 上 ， 試 樣上 的 輻 照 度 大 約 可 增 大 一 千 倍 。 如 功 率 密 度 太 高會(huì) 損 壞 樣 品 時(shí) ， 則 不 用 透 鏡 。 透 鏡 L2把 樣 品 上 被激 光 束 照 明 的 焦 柱 部 分 準(zhǔn) 確 地 成 象 在 單 色 儀 的 入射 狹 縫 上 ， 以 最 佳 的 立 體 角 聚 集 散 射 光 ， 并 使

3、之 與單 色 儀 的 立 體 角 相 匹 配 。 試 樣 室 內(nèi) 的 凹 面 鏡 M1和M2是 用 以 提 高 散 射 強(qiáng) 度 的 ， M1把 透 過(guò) 試 樣 的 激 光束 反 射 回 來(lái) 多 次 通 過(guò) 試 樣 ， 以 增 強(qiáng) 激 光 對(duì) 試 樣 的激 發(fā) 效 率 。 對(duì) 于 透 明 試 樣 照 射 光 的 強(qiáng) 度 增 大 五 倍以 上 。 M2則 把 反 方 向 的 散 射 光 收 集 起 來(lái) 反 射 回 去。 下 圖 是 天 津 港 東 的 激 光 喇 曼 /熒 光 光 譜 儀的 外 光 路 系 統(tǒng) 及 樣 品 裝 置 。 3.3 分 光 系 統(tǒng) 分 光 系 統(tǒng) 是 喇 曼 譜 儀 的

4、核 心 部 分 ， 它 的 主 要作 用 是 把 散 射 光 分 光 并 減 弱 雜 散 光 。 分 光 系 統(tǒng) 要求 有 高 的 分 辨 率 和 低 的 雜 散 光 ， 一 般 用 雙 聯(lián) 單 色儀 。 兩 個(gè) 單 色 儀 耦 合 起 來(lái) ， 色 散 是 相 加 的 ， 可 以得 到 較 高 的 分 辨 率 （ 約 1cm-1） 。 為 了 進(jìn) 一 步 降 低雜 散 光 ， 有 時(shí) 再 加 一 個(gè) 聯(lián) 動(dòng) 的 第 三 單 色 儀 ， 此 時(shí)分 辨 率 提 高 了 ， 但 譜 線 強(qiáng) 度 也 相 應(yīng) 減 弱 。 3.4 探 測(cè) ， 放 大 和 記 錄 系 統(tǒng) 喇 曼 光 譜 儀 的 探 測(cè) 器

5、 為 光 電 倍 增 管 。 用 不 同 波長(zhǎng) 的 激 發(fā) 光 ， 散 射 光 在 不 同 的 光 譜 區(qū) ， 要 選 用 合 適的 光 譜 響 應(yīng) 的 光 電 倍 增 管 。 為 了 減 少 其 暗 電 流 降 低噪 聲 ， 以 提 高 信 噪 比 ， 需 用 致 冷 器 冷 卻 光 電 倍 增 管。 3.5 喇 曼 光 譜 實(shí) 驗(yàn) 中 應(yīng) 注 意 的 幾 個(gè) 問(wèn) 題 在 喇 曼 光 譜 實(shí) 驗(yàn) 中 ， 為 了 得 到 高 質(zhì) 量 的 譜 圖 ，除 了 選 用 性 能 優(yōu) 異 的 譜 儀 外 ， 準(zhǔn) 確 地 使 用 光 譜 儀 ，控 制 和 提 高 儀 器 分 辨 率 和 信 噪 比 是 很

6、 重 要 的 。 狹 縫 出 射 入 射 和 中 間 狹 縫 是 喇 曼 光 譜 儀 的 重 要 部分 。 入 射 、 出 射 狹 縫 的 主 要 功 能 是 控 制 儀 器 分 辨率 ， 中 間 狹 縫 主 要 是 用 來(lái) 抑 制 雜 散 光 。 對(duì) 于 一 個(gè)光 譜 儀 ， 即 使 用 一 絕 對(duì) 單 色 光 照 射 狹 縫 ， 其 出 射光 也 總 有 一 寬 度 為 的 光 譜 分 布 。 這 主 要 是 由儀 器 光 柵 ， 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 象 差 ， 零 件 加 工 及 系 統(tǒng) 調(diào)整 等 因 素 造 成 的 ， 并 由 此 決 定 了 儀 器 的 極 限 分 辨率 。 在 實(shí)

7、際 測(cè) 量 中 ， 隨 著 狹 縫 寬 度 加 大 ， 分 辨 率還 要 線 性 下 降 ， 使 譜 線 展 寬 。 激 發(fā) 功 率 提 高 激 發(fā) 光 強(qiáng) 度 或 增 加 縫 寬 能 夠 提 高 信 噪 比 ，但 在 進(jìn) 行 低 波 數(shù) 測(cè) 量 時(shí) 這 樣 做 常 常 會(huì) 因 增 加 了 雜 散光 而 適 得 其 反 。 一 般 應(yīng) 首 先 盡 量 降 低 雜 散 光 ， 例 如， 適 當(dāng) 減 小 狹 縫 寬 度 ， 保 證 儀 器 光 路 準(zhǔn) 直 等 ； 然 后再 考 慮 用 重 復(fù) 掃 描 ， 增 加 取 樣 時(shí) 間 或 計(jì) 算 機(jī) 累 加 平均 等 方 法 來(lái) 消 除 激 光 器 、

8、光 電 倍 增 管 及 電 子 學(xué) 系 統(tǒng)帶 來(lái) 的 噪 聲 。 激 發(fā) 波 長(zhǎng) 激 光 波 長(zhǎng) 對(duì) 雜 散 光 及 信 噪 比 的 影 響 十 分 顯 著 ，當(dāng) 狹 縫 寬 度 不 變 時(shí) ， 用 氬 激 光 514.5nm比 用 488.0nm波 長(zhǎng) 激 發(fā) 樣 品 ， 雜 散 光 要 小 一 到 二 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 并 且分 辨 率 有 所 提 高 。 這 一 方 面 是 由 于 長(zhǎng) 波 長(zhǎng) 激 光 對(duì) 儀器 內(nèi) 少 量 灰 塵 或 試 樣 中 缺 陷 的 散 射 弱 ； 另 一 方 面 由于 狹 縫 寬 度 一 樣 時(shí) ， 不 同 波 長(zhǎng) 的 光 由 出 射 狹 縫 出 射時(shí) 所

9、包 含 的 譜 帶 寬 度 不 一 樣 。 所 以 一 般 用 長(zhǎng) 波 長(zhǎng) 的激 光 譜 線 作 為 激 發(fā) 光 ， 對(duì) 獲 得 高 質(zhì) 量 的 譜 圖 有 利 。伴 隨 喇 曼 光 譜 出 現(xiàn) 的 光 背 景 是 一 種 難 以 克 服 的 噪 聲 來(lái) 源 。 強(qiáng) 的 噪 聲 不 單會(huì) 淹 沒(méi) 弱 的 喇 曼 信 號(hào) ， 而 且 由 于 光 電 倍 增 管 的發(fā) 射 噪 聲 會(huì) 隨 入 射 光 的 平 方 根 增 加 ， 在 非 常 強(qiáng)的 熒 光 背 景 的 情 況 下 ， 將 導(dǎo) 致 發(fā) 射 噪 聲 的 漲 落， 從 而 破 壞 了 所 要 測(cè) 量 的 光 譜 。 降 低 熒 光 背 景一

10、 般 可 采 用 純 化 試 樣 ， 長(zhǎng) 時(shí) 間 輻 照 試 樣 ， 改 變激 發(fā) 波 長(zhǎng) 等 方 法 。 四 . 應(yīng) 用 改 變 激 光 波 長(zhǎng) 可 導(dǎo) 致 不 同 的 吸 收 深 度 ， 因 此 可 以 做 深 度 剖 析 。 絕 大 多 數(shù) 半 導(dǎo) 體 材 料 均 可 做 Raman 測(cè) 量 離 子 注 入 監(jiān) 控 ， 損 傷 或 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 均 會(huì) 引 起 峰 位 位 移 由 非 晶 化 導(dǎo) 致 的 譜 線 展 寬 ， 可 用 于 清 晰 的 區(qū) 別 單 ， 多 ， 非 晶 。 薄 膜 應(yīng) 力 也 會(huì) 引 起 峰 位 位 移 。 Ge導(dǎo) 致 的 壓 應(yīng) 力 造成 Raman峰 位

11、移 4. 橢 偏 法 (ELLIPSOMETRY) l引 言l原 理l儀 器 u橢 偏 法 是 70年 代 以 來(lái) 隨 著 電 子 計(jì) 算 機(jī) 的 廣 泛 應(yīng) 用 而 發(fā) 展 起 來(lái)的 目 前 已 有 的 測(cè) 量 薄 膜 的 最 精 確 的 方 法 之 一 。u橢 偏 法 測(cè) 量 具 有 如 下 特 點(diǎn) ：能 測(cè) 量 很 薄 的 膜 （ 1nm） ， 且 精 度 很 高 ， 比 干 涉 法 高 1-2個(gè) 數(shù)量 級(jí) 。是 一 種 無(wú) 損 測(cè) 量 ， 不 必 特 別 制 備 樣 品 ， 也 不 損 壞 樣 品 ， 比 其 它精 密 方 法 ： 如 稱 重 法 、 定 量 化 學(xué) 分 析 法 簡(jiǎn) 便

12、 ?？?同 時(shí) 測(cè) 量 膜 的 厚 度 、 折 射 率 以 及 吸 收 系 數(shù) 。 因 此 可 以 作 為 分析 工 具 使 用 。對(duì) 一 些 表 面 結(jié) 構(gòu) 、 表 面 過(guò) 程 和 表 面 反 應(yīng) 相 當(dāng) 敏 感 。 是 研 究 表 面物 理 的 一 種 方 法 引 言 u橢 偏 法 在 半 導(dǎo) 體 測(cè) 量 中 最 有 效 的 用 途 是 測(cè) 量 襯 底 上 薄 介 電 層的 厚 度 ,線 寬 ,光 學(xué) 常 數(shù) 等 u橢 偏 法 并 不 是 直 接 測(cè) 量 薄 膜 性 質(zhì) ,而 是 測(cè) 量 由 樣 品 的 厚 度 和 其他 參 數(shù) 引 發(fā) 的 光 性 質(zhì) .u在 基 本 的 橢 偏 法 基

13、礎(chǔ) 上 增 加 了 可 變 角 和 波 長(zhǎng) 的 功 能 . 原 理 光 的 偏 振 態(tài) u將 一 束 波 長(zhǎng) 為 的 自 然 光 經(jīng) 起 偏 器 變 成 線 偏 振 光 ， 再 經(jīng) 1/4波 片 使 它 變 成 橢 圓 偏 振 光 入 射 到 待 測(cè) 樣 品 的 膜 面 上 ， 反 射 時(shí) ，光 的 偏 振 狀 態(tài) （ 振 幅 和 相 位 的 改 變 ） 將 發(fā) 生 變 化 ， 通 過(guò) 檢 測(cè)這 種 變 化 ， 便 可 推 算 出 待 測(cè) 膜 的 厚 度 和 折 射 率 。 如 圖 所 示 。 激 光 單色 光 經(jīng) 起 偏 器 后 變 成 線偏 振 光 ， 線 偏 振 光 再 經(jīng)1/4波 片

14、后 產(chǎn) 生 的 位相 差 ， 變 成 橢 圓 偏 振 光 。對(duì) 一 定 厚 度 的 某 種 薄 膜 ，S分 量 和 P分 量 之 間 出 現(xiàn)相 移 之 差 ， 當(dāng) 入 射 光 為橢 圓 偏 振 光 時(shí) ， 總 可 以找 到 合 適 的 起 偏 角 使 通過(guò) 薄 膜 以 后 反 射 光 為 線偏 振 光 。 薄 膜激 光 光 源 起 偏 器 基 底 白 屏 目 鏡檢 偏 器橢 偏 儀 測(cè) 試 系 統(tǒng) 原 理41 玻 片90 由 此 可 見(jiàn) ， 由 起 偏 器 的 方 位 角 P可 確 定 偏 振 光 的 P分 量 和 S分 量 的 相 移 之 差 。 經(jīng) 樣 品 反 射 后 由 于 S波 與 P

15、波 不 存 在 位 相差 ， 可 合 成 特 定 方 向 的 線 偏 振 光 。 它 的 偏 振 方 向 由 S分 量和 P分 量 的 反 射 系 數(shù) 和 確 定 。 轉(zhuǎn) 動(dòng) 檢 偏 器 的 方 位 角 ， 當(dāng) 檢 偏 器 的 方 位 角 A與 反 射 光 線的 偏 振 方 向 垂 直 時(shí) ， 光 束 不 能 通 過(guò) ， 出 現(xiàn) 消 光 狀 態(tài) 。 橢 偏 儀 是 集 光 、 機(jī) 、 電 于 一 體 的 儀 器 。 橢 偏 儀 主 要 由 光 源 機(jī) 構(gòu) 、 起 偏 機(jī)構(gòu) 、 檢 偏 機(jī) 構(gòu) 、 接 收 機(jī) 構(gòu) 、 主 機(jī) 機(jī) 構(gòu) 和 裝 卡 機(jī) 構(gòu) 共 六 部 分 組 成 。(1) 光 源

16、機(jī) 構(gòu) ： 主 要 由 功 率 0.8mW， 波 長(zhǎng) 為 632.8nm 的 氦 氖 激 光 器 等 組 成(2) 起 偏 機(jī) 構(gòu) ： 主 要 由 步 進(jìn) 電 機(jī) 、 偏 振 片 機(jī) 構(gòu) 、 1/4 波 片 機(jī) 構(gòu) 等 組 成 ， 如 圖 所 示 。 通 過(guò) 起 偏 機(jī) 構(gòu) ， 首 先 使 入 射 到 其 上 的 自 然 光 （ 非 偏 振 激 光 ） 變 成 線 偏振 光 出 射 ， 通 過(guò) 1/4 波 片 又 使 線 偏 振 光 變 成 橢 圓 偏 振 光 （ 波 片 位 置 出 廠 時(shí) 已調(diào) 節(jié) 好 ， 無(wú) 須 調(diào) 節(jié) ） 。 起 偏 機(jī) 構(gòu) 可 測(cè) 得 起 偏 角 。 (3) 檢 偏

17、機(jī) 構(gòu) ： 主 要 由 步 進(jìn) 電 機(jī) 、 偏 振 片 等 組 成 ， 如 圖 所 示 ， 其 結(jié) 構(gòu) 形式 與 起 偏 機(jī) 構(gòu) 相 似 ， 通 過(guò) 檢 偏 機(jī) 構(gòu) 可 測(cè) 出 檢 偏 角 。(4) 接 收 機(jī) 構(gòu) ： 主 要 由 光 電 倍 增 管 、 支 架 、 底 板 及 檢 偏 度 盤(pán) 副 尺 等 組 成 ，如 圖 所 示 。 5） 主 體 機(jī) 構(gòu) ： 主 要 由 大 刻 度 盤(pán) 、 上 回 轉(zhuǎn) 托 盤(pán) 、 下 回 轉(zhuǎn) 托 盤(pán) 及 箱 體 等 組 成 ， 如 圖所 示 。 下 回 轉(zhuǎn) 托 盤(pán) 上 固 定 有 光 源 機(jī) 構(gòu) 和 起 偏 機(jī) 構(gòu) ， 可 繞 大 刻 度 盤(pán) 上 的 下 懸

18、 立 軸回 轉(zhuǎn) 。 上 回 轉(zhuǎn) 托 盤(pán) 上 固 定 有 檢 偏 機(jī) 構(gòu) 和 接 收 機(jī) 構(gòu) ， 可 繞 大 刻 度 盤(pán) 上 的 下 懸 立 軸回 轉(zhuǎn) 。 大 刻 度 盤(pán) 通 過(guò) 三 個(gè) 大 刻 度 盤(pán) 支 柱 固 定 在 箱 體 上 ， 其 上 固 定 裝 卡 機(jī) 構(gòu) 以 裝卡 被 測(cè) 樣 品 。 箱 體 由 箱 體 上 面 板 、 底 板 及 底 腳 等 組 成 。(6) 裝 卡 機(jī) 構(gòu) ： 裝 卡 機(jī) 構(gòu) 主 要 由 樣 品 架 、 調(diào) 整 架 、 光 闌 機(jī) 構(gòu) 等 組 成 ， 如 圖 所 示 。 樣 品 架 可 以 夾 持 直 徑 10 14， 厚 度 13m 的 被 測(cè) 樣 品 。 調(diào) 整 架可 對(duì) 被 夾 持 的 樣 品 作 上 下 俯 仰 、 左 右 偏 擺 、 前 后 移 動(dòng) 的 三 維 調(diào) 節(jié) 。 光 闌 機(jī) 構(gòu) 置 于 被 測(cè) 樣 品 表 面 處 ， 起 限 制 其 它 雜 散 光 的 進(jìn) 入 。 光 闌 機(jī) 構(gòu) 可 前 后 移 動(dòng) ，以 方 便 被 測(cè) 樣 品 的 裝 卡 。