半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)第四章3課件

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。 第1頁(yè)，共22頁(yè)。 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)10m）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

2、色儀的入射第2頁(yè)，共22頁(yè)。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。第3頁(yè)，共22頁(yè)。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。 第4頁(yè)，共22頁(yè)。3.3 分光系統(tǒng) 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。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

3、）。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。第5頁(yè)，共22頁(yè)。3.4 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。第6頁(yè)，共22頁(yè)。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重要的。第7頁(yè)，共22頁(yè)。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

4、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)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。第8頁(yè)，共22頁(yè)。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、光電倍增管及電子學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲。 第9頁(yè)，共22頁(yè)。激

5、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)的光背第10頁(yè)，共22頁(yè)。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。

6、降低熒光背景一般可采用純化試樣，長(zhǎng)時(shí)間輻照試樣，改變激發(fā)波長(zhǎng)等方法。第11頁(yè)，共22頁(yè)。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峰位移 第12頁(yè)，共22頁(yè)。4. 橢偏法 (ELLIPSOMETRY) 引言原理儀器第13頁(yè)，共22頁(yè)。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。橢偏法測(cè)量具有如下特點(diǎn)：能測(cè)量很薄的膜（1n

7、m），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?？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(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 一.引言第14頁(yè)，共22頁(yè)。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(zhǎng)的功能.第15頁(yè)，共22頁(yè)。二. 原理光的偏振態(tài)第16頁(yè)，共22頁(yè)。將一束波長(zhǎng)為的自然光經(jīng)起偏器變成線偏振光，

8、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。第17頁(yè)，共22頁(yè)。 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 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)原理玻片第18頁(yè)，共22頁(yè)。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波不存在位相差，

9、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)。 第19頁(yè)，共22頁(yè)。三.儀器橢偏儀是集光、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。第20頁(yè)，共22頁(yè)。(3) 檢偏機(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。第21頁(yè)，共22頁(yè)。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