浙江大學(xué)半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)實(shí)用教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1浙江大學(xué)半導(dǎo)體測(cè)試浙江大學(xué)半導(dǎo)體測(cè)試(csh)技術(shù)技術(shù)第一頁，共21頁。狹縫上，以最佳的立體角聚集散射光，并使之與單色儀狹縫上，以最佳的立體角聚集散射光，并使之與單色儀的立體角相匹配。試樣室內(nèi)的凹面鏡的立體角相匹配。試樣室內(nèi)的凹面鏡M1M1和和M2M2是用以提高是用以提高散射強(qiáng)度的，散射強(qiáng)度的，M1M1把透過試樣的激光束反射回來多次通過把透過試樣的激光束反射回來多次通過試樣，以增強(qiáng)激光對(duì)試樣的激發(fā)試樣，以增強(qiáng)激光對(duì)試樣的激發(fā)(jf)(jf)效率。對(duì)于透效率。對(duì)于透明試樣照射光的強(qiáng)度增大五倍以上。明試樣照射光的強(qiáng)度增大五倍以上。M2M2則把反方向的散則把反方向的散射光收集起來反射回去。射

2、光收集起來反射回去。第1頁/共21頁第二頁，共21頁。下圖是天津港東的激光喇曼下圖是天津港東的激光喇曼/ /熒光光譜儀的外光熒光光譜儀的外光路系統(tǒng)及樣品路系統(tǒng)及樣品(yngpn)(yngpn)裝置。裝置。 第2頁/共21頁第三頁，共21頁。3.3 分光系統(tǒng)分光系統(tǒng) 分光系統(tǒng)是喇曼譜儀的核心部分，它的分光系統(tǒng)是喇曼譜儀的核心部分，它的主要作用是把散射光分光并減弱雜散光。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，一般用雙聯(lián)單色儀。兩個(gè)單色儀耦合起來，色散是相加的，可以得到較高的分辨來，色散是相加

3、的，可以得到較高的分辨率（約率（約1cm-1）。為了進(jìn)一步降低雜散光，）。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)分辨率提高辨率提高(t go)了，但譜線強(qiáng)度也相應(yīng)減了，但譜線強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。弱。第3頁/共21頁第四頁，共21頁。3.4 探測(cè)，放大和記錄系統(tǒng)探測(cè)，放大和記錄系統(tǒng) 喇曼光譜儀的探測(cè)器為光電倍增管。用不同喇曼光譜儀的探測(cè)器為光電倍增管。用不同波長的激發(fā)光，散射光在不同的光譜區(qū)，要選用波長的激發(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。為了減少合適的光譜響應(yīng)的光電倍增管。為了減少(jinsho)其暗電流降低噪聲，以

4、提高信噪比，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。需用致冷器冷卻光電倍增管。第4頁/共21頁第五頁，共21頁。3.5 3.5 喇曼光譜實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題喇曼光譜實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題 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，除了選用性能用性能(xngnng)(xngnng)優(yōu)異的譜儀外，準(zhǔn)確地使用光譜儀，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重要的?？刂坪吞岣邇x器分辨率和信噪比是很重要的。第5頁/共21頁第六頁，共21頁。狹縫狹縫 出射入射和中間狹縫是喇曼光譜儀的重要部分出射入射和中間狹縫是喇曼光譜

5、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。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抑制雜散光。對(duì)于一個(gè)光，中間狹縫主要是用來抑制雜散光。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也總有一寬度為的光譜分布。這主要是由儀器的光譜分布。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因素造成的，并由此決定了儀器的極限(jxin)分分辨率。在實(shí)際測(cè)量中，隨著狹縫寬度加大，分辨辨率。在實(shí)際測(cè)量中，隨著狹縫寬度加大，分辨率還

6、要線性下降，使譜線展寬。率還要線性下降，使譜線展寬。第6頁/共21頁第七頁，共21頁。激發(fā)功率激發(fā)功率(gngl) 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。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，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)累加平均等方法來消除激光器、光電倍增管時(shí)間或計(jì)算機(jī)累加平均等方法來消除激光器

7、、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來的噪聲。及電子學(xué)系統(tǒng)帶來的噪聲。 第7頁/共21頁第八頁，共21頁。激發(fā)波長激發(fā)波長 激光波長對(duì)雜散光及信噪比的影響十分顯著，當(dāng)狹縫寬激光波長對(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)，用氬激光度不變時(shí)，用氬激光514.5nm比用比用488.0nm波長激發(fā)樣品波長激發(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，雜散光要小一到二個(gè)數(shù)量級(jí)，并且分辨率有所提高。這一方面是由于長波長激光對(duì)儀器內(nèi)少量灰塵一方面是由于長波長激光對(duì)儀器內(nèi)少量灰塵(huchn)或試或試樣中缺陷的散射弱；另一方面由于狹縫寬度一樣時(shí)，不同樣中缺陷的散射弱；另一方面由于狹縫寬度一樣時(shí)，

8、不同波長的光由出射狹縫出射時(shí)所包含的譜帶寬度不一樣。所波長的光由出射狹縫出射時(shí)所包含的譜帶寬度不一樣。所以一般用長波長的激光譜線作為激發(fā)光，對(duì)獲得高質(zhì)量的以一般用長波長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)的光背譜圖有利。伴隨喇曼光譜出現(xiàn)的光背第8頁/共21頁第九頁，共21頁。景是一種難以克服的噪聲來源。強(qiáng)的噪聲不單景是一種難以克服的噪聲來源。強(qiáng)的噪聲不單會(huì)淹沒弱的喇曼信號(hào)，而且由于光電倍增管的會(huì)淹沒弱的喇曼信號(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)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)射噪聲的漲落的熒光背景的情況下

9、，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，從而破壞了所要測(cè)量的光譜。降低熒光背景一般一般(ybn)(ybn)可采用純化試樣，長時(shí)間輻照可采用純化試樣，長時(shí)間輻照試樣，改變激發(fā)波長等方法。試樣，改變激發(fā)波長等方法。第9頁/共21頁第十頁，共21頁。四四. 應(yīng)用應(yīng)用(yngyng) 改變激光波長可導(dǎo)致不同的吸收深度，因此可以做深度剖析。改變激光波長可導(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)體材料均可做絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料均可做Raman Raman 測(cè)量測(cè)量 離子注入監(jiān)控，損傷或結(jié)構(gòu)缺陷離子注入監(jiān)控，損傷或結(jié)構(gòu)缺陷(quxin) (quxin) 均會(huì)引起峰位位移均

10、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。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。薄膜應(yīng)力也會(huì)引起峰位位移。Ge導(dǎo)致(dozh)的壓應(yīng)力造成Raman峰位移 第10頁/共21頁第十一頁，共21頁。4. 4. 橢偏法橢偏法 (ELLIPSOMETRY) l引言l原理(yunl)l儀器第11頁/共21頁第十二頁，共21頁。橢偏法是70年代以來隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的目前已有的測(cè)量薄膜的最精確的方法之一。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(gnsh)法高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。是一種無損測(cè)量，

11、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)分析法簡便?？赏瑫r(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)、表面過程和表面反應(yīng)相當(dāng)敏感。是研究表面物理的一種方法 第12頁/共21頁第十三頁，共21頁。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)等橢偏法并不是(b shi)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).在基本的橢偏法基礎(chǔ)上增加了可變角和波長的功能.第13頁/共21頁第十四頁，共21頁。第14頁/共21頁第十五頁，共21頁。u 將一束波長為的自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光，再經(jīng)1/4波片使

12、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)(zhungti)（振幅和相位的改變）將發(fā)生變化，通過檢測(cè)這種變化，便可推算出待測(cè)膜的厚度和折射率。第15頁/共21頁第十六頁，共21頁。 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波片后產(chǎn)生(chnshng) 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第16頁/共21頁第十七頁，共21頁。由此可見，由起偏器的方位角P可確定偏振光的P

13、分量和S分量的相移之差。經(jīng)樣品反射(fnsh)后由于S波與P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(fnsh)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(fnsh)光線的偏振方向垂直時(shí)，光束不能通過，出現(xiàn)消光狀態(tài)。 第17頁/共21頁第十八頁，共21頁。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(b fen)組成。(1) 光源機(jī)構(gòu)：主要(zhyo)由功率0.8mW，波長為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

14、，如圖 所示。通過起偏機(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，無須調(diào)節(jié)）。起偏機(jī)構(gòu)可測(cè)得起偏角。第18頁/共21頁第十九頁，共21頁。(3) 檢偏機(jī)構(gòu)(jgu)：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)(jgu)相似，通過檢偏機(jī)構(gòu)(jgu)可測(cè)出檢偏角。(4) 接收機(jī)構(gòu)：主要由光電倍增管、支架(zhji)、底板及檢偏度盤副尺等組成，如圖所示。第19頁/共21頁第二十頁，共21頁。5）主體機(jī)構(gòu)(jgu)：主要由大刻度盤、上回轉(zhuǎn)托盤、下回轉(zhuǎn)托盤及箱體等組成，如圖所示。下回轉(zhuǎn)托盤上固定有光源機(jī)構(gòu)(jgu)和起偏機(jī)構(gòu)(jgu)，可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。上回轉(zhuǎn)托盤上固定有檢偏機(jī)構(gòu)(jgu)和接收機(jī)構(gòu)(jgu)，可繞大刻度盤上的下懸立軸回轉(zhuǎn)。大刻度