浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第四章3ppt課件

1、 3.2 3.2 外光路系統(tǒng)及樣品安裝外光路系統(tǒng)及樣品安裝 激光器之后到單色儀之前為外光路系統(tǒng)和試激光器之后到單色儀之前為外光路系統(tǒng)和試樣安裝，它的作用是為了要在試樣上得到最有樣安裝，它的作用是為了要在試樣上得到最有效的照射，最大限制地搜集散射光，還要適宜效的照射，最大限制地搜集散射光，還要適宜于作不同形狀的試樣在各種不同條件如高，于作不同形狀的試樣在各種不同條件如高，低溫等下的測試。低溫等下的測試。 由于喇曼散射的效率很低，試樣安裝要能以由于喇曼散射的效率很低，試樣安裝要能以最有效的方式照射樣品和聚集散射光，它的光學(xué)最有效的方式照射樣品和聚集散射光，它的光學(xué)設(shè)計是非常重要的。通常采用聚焦激光

2、束照射到設(shè)計是非常重要的。通常采用聚焦激光束照射到試樣上，以提高試樣上的輻照度，產(chǎn)生喇曼散射試樣上，以提高試樣上的輻照度，產(chǎn)生喇曼散射。普通用透鏡。普通用透鏡L1L1聚焦激光束，使其最集中的區(qū)域聚焦激光束，使其最集中的區(qū)域束腰處直徑可達束腰處直徑可達10m10m照射到試樣上，試樣照射到試樣上，試樣上的輻照度大約可增大一千倍。如功率密度太高上的輻照度大約可增大一千倍。如功率密度太高會損壞樣品時，那么不用透鏡。透鏡會損壞樣品時，那么不用透鏡。透鏡L2L2把樣品上把樣品上被激光束照明的焦柱部分準確地成象在單色儀的被激光束照明的焦柱部分準確地成象在單色儀的入射入射狹縫上，以最正確的立體角聚集散射光，并

3、使之狹縫上，以最正確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)的凹面鏡與單色儀的立體角相匹配。試樣室內(nèi)的凹面鏡M1M1和和M2M2是用以提高散射強度的，是用以提高散射強度的，M1M1把透過試樣的激把透過試樣的激光束反射回來多次經(jīng)過試樣，以加強激光對試樣光束反射回來多次經(jīng)過試樣，以加強激光對試樣的激發(fā)效率。對于透明試樣照射光的強度增大五的激發(fā)效率。對于透明試樣照射光的強度增大五倍以上。倍以上。M2M2那么把反方向的散射光搜集起來反射那么把反方向的散射光搜集起來反射回去?；厝?。以下圖是天津港東的激光喇曼以下圖是天津港東的激光喇曼/ /熒光光譜熒光光譜儀的外光路系統(tǒng)及樣品安裝。儀的外

4、光路系統(tǒng)及樣品安裝。 3.3 分光系統(tǒng)分光系統(tǒng) 分光系統(tǒng)是喇曼譜儀的中心部分，它的分光系統(tǒng)是喇曼譜儀的中心部分，它的主要作用是把散射光分光并減弱雜散光。分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，普光系統(tǒng)要求有高的分辨率和低的雜散光，普通用雙聯(lián)單色儀。兩個單色儀耦合起來，色通用雙聯(lián)單色儀。兩個單色儀耦合起來，色散是相加的，可以得到較高的分辨率約散是相加的，可以得到較高的分辨率約1cm-1。為了進一步降低雜散光，有時再。為了進一步降低雜散光，有時再加一個聯(lián)動的第三單色儀，此時分辨率提高加一個聯(lián)動的第三單色儀，此時分辨率提高了，但譜線強度也相應(yīng)減弱。了，但譜線強度也

5、相應(yīng)減弱。3.4 探測，放大和記錄系統(tǒng)探測，放大和記錄系統(tǒng) 喇曼光譜儀的探測器為光電倍增管。用不喇曼光譜儀的探測器為光電倍增管。用不同波長的激發(fā)光，散射光在不同的光譜區(qū)，同波長的激發(fā)光，散射光在不同的光譜區(qū)，要選用適宜的光譜呼應(yīng)的光電倍增管。為了要選用適宜的光譜呼應(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。用致冷器冷卻光電倍增管。3.5 3.5 喇曼光譜實驗中應(yīng)留意的幾個問題喇曼光譜實驗中應(yīng)留意的幾個問題 在喇曼光譜實驗中，為了得到高質(zhì)量的譜圖，在喇曼光譜實驗中，為了得到高質(zhì)量的譜圖，除了選用性能優(yōu)良的譜儀外，準確地運

6、用光譜儀，除了選用性能優(yōu)良的譜儀外，準確地運用光譜儀，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。狹縫狹縫 出射入射和中間狹縫是喇曼光譜儀的重要部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抑制雜散光。對于一個率，中間狹縫主要是用來抑制雜散光。對于一個光譜儀，即使用一絕對單色光照射狹縫，其出射光譜儀，即使用一絕對單色光照射狹縫，其出射光也總有一寬度為光也總有一寬度為的光譜分布。這主要是由的光譜分布。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)儀器光柵，

7、光學(xué)系統(tǒng)的象差，零件加工及系統(tǒng)調(diào)整等要素呵斥的，并由此決議了儀器的極限分辨整等要素呵斥的，并由此決議了儀器的極限分辨率。在實踐丈量中，隨著狹縫寬度加大，分辨率率。在實踐丈量中，隨著狹縫寬度加大，分辨率還要線性下降，使譜線展寬。還要線性下降，使譜線展寬。激發(fā)功率激發(fā)功率 提高激發(fā)光強度或添加縫寬可以提高信噪比，提高激發(fā)光強度或添加縫寬可以提高信噪比，但在進展低波數(shù)丈量時這樣做經(jīng)常會因添加了雜散但在進展低波數(shù)丈量時這樣做經(jīng)常會因添加了雜散光而適得其反。普通應(yīng)首先盡量降低雜散光，例如光而適得其反。普通應(yīng)首先盡量降低雜散光，例如，適當減小狹縫寬度，保證儀器光路準直等；然后，適當減小狹縫寬度，保證儀器光

8、路準直等；然后再思索用反復(fù)掃描，添加取樣時間或計算機累加平再思索用反復(fù)掃描，添加取樣時間或計算機累加平均等方法來消除激光器、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)均等方法來消除激光器、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來的噪聲。帶來的噪聲。 激發(fā)波長激發(fā)波長 激光波長對雜散光及信噪比的影響非常顯著，當激光波長對雜散光及信噪比的影響非常顯著，當狹縫寬度不變時，用氬激光狹縫寬度不變時，用氬激光514.5nm比用比用488.0nm波長激發(fā)樣品，雜散光要小一到二個數(shù)量級，并且波長激發(fā)樣品，雜散光要小一到二個數(shù)量級，并且分辨率有所提高。這一方面是由于長波長激光對儀分辨率有所提高。這一方面是由于長波長激光對儀器內(nèi)少量灰塵或試樣中缺

9、陷的散射弱；另一方面由器內(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，不同波長的光由出射狹縫出射于狹縫寬度一樣時，不同波長的光由出射狹縫出射時所包含的譜帶寬度不一樣。所以普通用長波長的時所包含的譜帶寬度不一樣。所以普通用長波長的激光譜線作為激發(fā)光，對獲得高質(zhì)量的譜圖有利。激光譜線作為激發(fā)光，對獲得高質(zhì)量的譜圖有利。伴隨喇曼光譜出現(xiàn)的光背伴隨喇曼光譜出現(xiàn)的光背景是一種難以抑制的噪聲來源。強的噪聲不單景是一種難以抑制的噪聲來源。強的噪聲不單會淹沒弱的喇曼信號，而且由于光電倍增管的會淹沒弱的喇曼信號，而且由于光電倍增管的發(fā)射噪聲會隨入射光的平方根添加，在非常強發(fā)射噪聲會隨入射光的平方根

10、添加，在非常強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，將導(dǎo)致發(fā)射噪聲的漲落，從而破壞了所要丈量的光譜。降低熒光背景，從而破壞了所要丈量的光譜。降低熒光背景普通可采用純化試樣，長時間輻照試樣，改動普通可采用純化試樣，長時間輻照試樣，改動激發(fā)波長等方法。激發(fā)波長等方法。四四. 運用運用 改動激光波長可導(dǎo)致不同的吸收深度，因此可以做深度分析。改動激光波長可導(dǎo)致不同的吸收深度，因此可以做深度分析。 絕大多數(shù)半導(dǎo)體資料均可做絕大多數(shù)半導(dǎo)體資料均可做Raman Raman 丈量丈量 離子注入監(jiān)控，損傷或構(gòu)造缺陷離子注入監(jiān)控，損傷或構(gòu)造缺陷 均會引起峰位位移均會引起峰位位移 由非晶化導(dǎo)致

11、的譜線展寬，可用于明晰的區(qū)別單，多，非晶。由非晶化導(dǎo)致的譜線展寬，可用于明晰的區(qū)別單，多，非晶。 薄膜應(yīng)力也會引起峰位位移。薄膜應(yīng)力也會引起峰位位移。Ge導(dǎo)致的壓應(yīng)力呵斥Raman峰位移 4. 4. 橢偏法橢偏法 (ELLIPSOMETRY) (ELLIPSOMETRY) l引言l原理l儀器橢偏法是70年代以來隨著電子計算機的廣泛運用而開展起來的目前已有的丈量薄膜的最準確的方法之一。橢偏法丈量具有如下特點：能丈量很薄的膜1nm，且精度很高，比干涉法高1-2個數(shù)量級。是一種無損丈量，不用特別制備樣品，也不損壞樣品，比其它精細方法：如稱重法、定量化學(xué)分析法簡便。可同時丈量膜的厚度、折射率以及吸收系

12、數(shù)。因此可以作為分析工具運用。對一些外表構(gòu)造、外表過程和外表反響相當敏感。是研討外表物理的一種方法 橢偏法在半導(dǎo)體丈量中最有效的用途是丈量襯底上薄介電層的厚度,線寬,光學(xué)常數(shù)等橢偏法并不是直接丈量薄膜性質(zhì),而是丈量由樣品的厚度和其他參數(shù)引發(fā)的光性質(zhì).在根本的橢偏法根底上添加了可變角和波長的功能.光的偏振態(tài)光的偏振態(tài)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波片使它變成橢圓偏振光入射到待測樣品的膜面上，反射時，光的偏振形狀振幅和相位的改動將發(fā)生變化，經(jīng)過檢測這種變化，便可推算出待測膜的厚度和折射率。 如下圖。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 的位相差，變

13、成橢圓偏振光。對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，當入射光為橢圓偏振光時，總可以找到適宜的起偏角使經(jīng)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試系統(tǒng)原理41玻片90由此可見，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)動檢偏器的方位角，當檢偏器的方位角A與反射光線的偏振方向垂直時，光束不能經(jīng)過，出現(xiàn)消光形狀。 橢偏儀是集光、機、電于一體的儀器。橢偏儀主要由光源機構(gòu)、起偏機構(gòu)、檢偏機構(gòu)、接納機構(gòu)、主機機構(gòu)和裝卡機構(gòu)共六

14、部分組成。(1) 光源機構(gòu)：主要由功率0.8mW，波長為632.8nm 的氦氖激光器等組成(2) 起偏機構(gòu)：主要由步進電機、偏振片機構(gòu)、1/4 波片機構(gòu)等組成，如圖 所示。經(jīng)過起偏機構(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，經(jīng)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已調(diào)理好，無須調(diào)理。起偏機構(gòu)可測得起偏角。(3) 檢偏機構(gòu)：主要由步進電機、偏振片等組成，如下圖，其構(gòu)造方式與起偏機構(gòu)類似，經(jīng)過檢偏機構(gòu)可測出檢偏角。(4) 接納機構(gòu)：主要由光電倍增管、支架、底板及檢偏度盤副尺等組成，如下圖。5主體機構(gòu)：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構(gòu)和起偏機構(gòu)，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