在半导体平面工艺中，SiO 2薄膜是不可缺少的重要材料。它既可以被作为杂质掩蔽、表面钝化和器件的电隔离材料，也可以用作电容器的介质和MOS 管的绝缘栅介质等。无论SiO 2膜用作哪一种用途的材料，都必须准确的测定和控制它的厚度。另外，折射率也是表征SiO 2膜性质的重要参数之一，因此我们必须掌握SiO 2膜厚及其折射率的测量方法。
通常测定薄模厚度的方法有比法、干涉法、椭偏法等。比法可以方便的估计出氧化硅膜的厚度，但误差较大。干涉法具有设备简单、测量方便的特点，结果也比较准确。椭偏法测量膜厚是非破坏性测量，测量精度高，应用范围广。我们这个实验是用椭偏法来测量SiO 2膜厚度。
本实验目的是了解用椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理和方法；掌握椭圆偏振仪的使用方法，并用椭偏仪测量Si 衬底上的SiO 2薄膜的折射率和厚度。
一、实验原理
avcool
由激光器发出一定波长(λ=6328Å)的激光束，经过起偏器后变为线偏振光，并确定其偏振方向。再经过1/4波长片，由于双折射现象，使其分解成互相垂直的P 波和S 波，成为椭圆偏振光，椭圆的形状由起偏器的方位角决定。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，经过波 片
偏光
振
光
器
光
样 品
样品表面和多层介质（包括衬底－介质膜－空气）的来回反射与折射，总的反射光束一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的形状和方位改变了。一般用Φ和Δ来描述反射时偏振状态的变化，其定义为：
图 27.1 椭偏仪的结构图 s
p
R R i e tg =
Δ φ
式中tg Φ的物理意义是P 波和S 波的振幅之比在反射前后的变化，称为椭偏法的振幅参量。Δ的物理意义是P 波和S 波的相位差在反射前后的变化，称为椭偏法的相位参量。R P 和R S 分别为P 波初量和S 波分量的总反射系数。椭偏仪的结构图如图27.1所示。
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在波长、入射角、衬底等参数一定时，Φ和Δ是膜厚d 和折射率n 的函数。对一定厚度的某种膜，旋转起偏器总可以到某一方位角，使反射光变为线偏振光。这时再转动检偏器，当检偏器的方位角与样品上的反射光的偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光现象。消光时，Δ和Φ分别由起偏器的方位角P 和检偏器的方位角A 决定。把P 值和A 值分别换算成Δ和Φ后，再利用公式和图表就可得到透明膜的折射率n 和膜厚度d 。
二、实验内容
1．用椭偏仪测量Si 衬底上的SiO 2薄膜的折射率和厚度； 2．重复测量3次，求折射率和膜厚的平均值。
三、实验步骤
1．接通激光电源，转动反射光管，使与入射光管夹角为140º(φ=70)，然后将位置固定。 2．把样品放在样品台，使光经样品反射后能进入反射光管。
3．把λ/4波片的快轴成+45º放置，并把起偏器、检偏器的方位先置零。同时转动起偏器和检偏器出第一个消光位置，并从起偏器和检偏器上分别读出起偏角P 1和检偏角A 1，并记录下来。
4．把起偏器转到大约 -P 1处，与第一次转动检偏器相反的方向转动检偏器(同时轻动检偏器)，出第二个消光位置，读出起偏角P 2及检偏角A 2。
5．将1/4波片的快轴成 - 45º放置，重复3、4步骤，分别测出P 3，A 3，P 4，A 4。
四、实验数据处理及分析
1．把测得的值填入数据表相应栏内。
起偏角（P ）
检偏角（A ） 1/4波片位置
原始值
划后值
原始值
划后值
+45º
P 1P 2 A 1A 2
-45º
P 3P 4
A 3 A 4
2．将所测得的P X 值（i=1，2，3，4）划在-π/2~π/2内，若P X 是大于90º的正值，则 P 1= -(180º-P 1)，P X 是大于90º的负值，则P 1=180º+P 1 ，把划后的值填入数据表相应的栏内。 3．分别求P 1、P 2及P 3、P 4的平均值。 当 P 1>0，则 P 1 2=P 1-9012°
−−P P P 1<0，则 P 1 2=P 1+
2
9012°
−−P P
同理，求出P 3、P 4的平均值P 34。 4．椭圆开口角r = |P 1 2-P 3 4|。 5．按下表求得Δ。
P1（原始值）Δ
45º~ 90º90º~ 135º135º~ 180º0 ~ 45º
R 180º- r 180º+ r 360º- r
6．求A1、A2、A3、A4的平均值(即Φ值)。
4
4 3
2 1
A A
A
A+
+
+
=
Φ
7．由已知的Δ和φ查图表得到ｎ，δ。
8．由已知的ｎ，δ求得ｄ(查图表)。
五、注意和说明
1．对于λ=6325Å的激光源，SiO2膜的一个周期约为2700Å。如果被测的SiO 2膜厚超过一个周期，由数据处理8查表得到的厚度ｄ0值只是SiO2膜厚的零头，被测SiO2膜真正的厚度应该是其周期数N和周期值(2700Å)之乘积再加上ｄ0，即ｄ=ｎ×2700Å+ｄ0，被测SiO2膜的周期可以用干涉显微镜确定。
2．测量时，P1一般取正值。
六、思考题
1．试叙述用椭偏法测量薄膜厚度的原理。
2．简述起偏器、检偏器、1/4波片的作用。
七、参考资料
1．黄汉尧、孙青等著.半导体器件工艺原理.国防工业出版社，1980。
2．孙以材.半导体测试技术.冶金工业出版社，1989。
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。
马来酸酐附录：椭偏法测试膜厚的原理中的公式推导
如图27.2所示，在硅表面镀有均匀的各向同性的透明薄膜。其中Ⅰ表示空气与薄膜的分界面，II表示薄膜与衬底的分界面。自光源S发出一束单光，φ表示单光的入射角，
φ1表示薄膜的折射角，φ2表示衬底的折射角。n 0为空气折射率，n1为薄膜的折射率，n2为硅的复数折射率。n2= n-iK，K称为消光系数，n2=3.95-i 0.018。
定义入射光，反射光，法线所构成的平面入射面，将光的振动面与入射面平行的光波称P波，振动面垂直入射面的光波称S波。根据费涅耳公式，在Ⅰ界面处，P分量和S分量的反射系数分别为
11111cos cos cos cos Φ+ΦΦ−Φ=
o o p n n n n r ， 1
122
上海公安局长张学兵
12cos cos cos cos Φ+ΦΦ−Φ=n n n n r o p (1)
I
II
图27.2 入射光的折射和反射
在界面II 处的反射系数分别为
21222
133
3cos cos cos cos Φ+ΦΦ−Φ=n n n n r p ， 221122112cos cos cos cos Φ+ΦΦ−Φ=n n n n r p (2) 式中φ，φ1，φ2满足下列关系
小周立波张冯喜
22110sin sin sin φφφn n n == (3)
考虑到(1)及(2)式，1cos Φ也为复数，则有
Φ−=Φ2202111sin cos n n n (4)
由硅片及其上面透明薄膜组成的系统作为一个整体具有一定的振幅反射率。 我们以 K p 和R s 分别表示这个系统对P 波和S 波的振幅反射率， 则 1
)()(p p p p A A R =
1
)()(s s
s s A A R =
其中(A p )1和(A s )1分别表示入射波中P 波和S 波的振幅，(A p )p 和(A s )s 分别表示反射波中P 波和S 波的振幅。根据光的干涉理论，可得
δ
δ2212211i p p i p p p e r r e r r R −−++=
， δ
δ2212211i s s i s s s e r r e r r R −−++=
(5)
其中
Φ−=
22021sin 42n n d λ
π
δ (6)
通常R p ，R s 是复数，定义它们的比值
Δ=i s
p e tg R R ψ (7)
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