实验1硅片氧化层性能测试

实验 1 硅片氧化层性能测试氧化层性能测试1 质量要求 : 二氧化硅薄膜质量好坏，对器件的成品率和性能影响很大。因此要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷。厚度达到规定指标并保持均匀，结构致密。对薄膜中可动带电离子，特别是钠离子的含量要有明确的要求。2 检验方法厚度的检查测量二氧化硅薄膜厚度的方法很多。如精度不高的比色法，腐蚀法，京都要求稍高的双光干涉法，电容电压法，还有精度高达 10 埃的椭圆偏振光法等。1） 比色法 利用不同厚度氧化膜，在白色垂直照射下会呈现出不同颜色的干涉色彩这一现象， 用金相显微镜观察并对照标准的比色样品， 直接从颜色的比较来得出氧化层的厚度。其相应的关系如下表所示：颜色 氧化层厚度（埃）灰 100 黄褐 300 蓝 800 紫 1000 2750 4650 6500 深蓝 1500 3000 4900 6800 绿 1850 3300 5200 7200 黄 2100 3700 5600 7500 橙 2250 4000 6000 红 2500 4350 6250 2） 双光干涉法[测试仪器与装置 ] [实验原理 ] 干涉显微镜可用来检测经过精加工后工件的表面粗糙度， 也可用来检测薄膜厚度。 精加工后，工件表面的微观不平度很小，实际上工件表面存在许多极细的“沟槽” 。检测时，首先通过显微系统将“沟槽”放大，然后利用干涉原理再将微观不平度显示出来。常用的干涉显微镜是以迈克耳逊干涉仪为原型的双物镜干涉显微镜系统。它的典型光路如上图所示。光源 1(白织灯 )由聚光镜 2 成象在孔径光阑 16 上， 插入滤光片 3 可以获得单色光。 视场光阑 17 位于准直物镜 4 的前焦面上。由物镜 4 射出的平行光束在分光板 5 处分为两部分：一束向上反射，经显微镜 7 会聚在被测工件表面 M 2上， M 2 与显微镜 7 的焦面重合。由 M 2返回的光束依次通过显微物镜 7、分光板 5 后被辅助物镜 9 会聚在测微目镜 12 的分划板 11处，分划板 11 与物镜 9 的焦平面重合。利用测微目镜 12 可以看到被测表面 M 2 清晰的象。另一束光通过分光板 5，补偿板 6，由显微镜 8 会聚在参考反射镜 M 1 上， M 1 与显微物镜 81—白织灯 2—聚光镜 3—滤光片 4—准直物镜 5—分光板 6—补偿板 7、 8—显微物镜M2—被测工件 M 1—参考反射镜 9—辅助物镜 10、 14 —反射镜 11—分划板 12—测微目镜13—摄影物镜 15—照相底版或观察屏 16—孔径光阑 17—视场光阑的焦平面重合。 从反射镜 M 1 返回的光束也会聚在测微目镜的分划 11 处。 由 M 1、 M 2返回的两束光是相干的，通过目镜 12 可以观察到干涉条纹。移开反射镜 10，通过摄影物镜 13 可将干涉条纹成象在照相底板 15 处，便于记录分析。挡住参考光，通过目镜可以单独观察被测表面。此时，仪器相当于金相显微镜。在迈克耳逊干涉仪中，只要某一光程差发生变化，就要引起干涉场中条纹移动，光程差每改变半个波长 ( )，则干涉条纹移动一个条纹间距。因此，在干涉显微镜中。以此条纹为“分划板” (其格值 )来测量比较由于被测表面的微观不平度所引起的干涉条纹中的不平直的部分。设 M 1、 M 2 是两个不严格垂直的理想平面，则得到等厚干涉直线条纹。若表面 M 2 上有沟槽，干涉条纹将发生弯曲或断折，如下图所示。沟槽的深度 h 由下式决定。式中，Ｈ为干涉条纹曲折量， e 为条纹的间距。若用白光照明， e 是指两根接近黑色的干涉条纹中心间的距离。这时 λ 取 550nm。若被测件的部分表面镀有厚度为 h 的薄膜， 则只要测量出干涉条纹间距 e 和因镀了膜而引起的干涉条纹位移量Ｈ，就可算出该薄膜的厚度。如上图所示。双光干涉法设备简单，只需一台单色光源和一台普通干涉显微镜。操作简便，但不宜用于测试太薄的氧化膜，因此误差较大。一般要求被测氧化膜大于 2000 埃。通过双光干涉法验证氧化层时间和氧化层厚度关系： h2=C?t（温度大于 1000 摄氏度）其中 C为氧化速率常数，单位为微米 2/ 分钟[内容和步骤 ] 1. 硅毛片粗糙度测试(1) 用酒精、乙醚混合液擦净硅毛片面待用。(2) 将被测件放到载物台上，应使被测表面向下对着物镜。(3) 经变压器接通照明系统电源，若视场太亮或太暗，可调节变压器上旋钮，直到亮度适当为止。(4) 顺时针方向转动遮光板手轮 3（箭头向上） ，挡住参考光束。(5) 缓慢地转动调焦手轮 6，从目镜 9 中看到被测表面清晰的象（如加工痕迹等） 。(6) 逆时针方向转手轮 7（箭头水平） ，从目镜中应看到干涉条纹。若换用白光照明，应能看到彩色干涉条纹。否则微转手轮 6 进行细调，直至调出干涉条纹为止。22eHh2表面沟槽及干涉条纹的形状 薄膜与其干涉条纹的形状(7) 旋转手轮 4， 调节干涉条纹至适当的亮度， 使能清晰地观察到干涉条纹的细微轮廓，以便于测量。(8) 用目视估测方法，测量工件表面粗糙度。通过目镜观察干涉条纹，估测条纹弯曲的矢高是条纹间距的几倍或几分之一，再利用下表就可查到被测件的表面粗糙度级别。条纹弯曲量与表面粗糙度对照表条纹弯曲量 ≯粗糙度等级 Ra0.010 Ra0.012 Ra0.025 Ra0.050 Ra0.100 2．测量薄膜厚度(1) 利用测定氧化膜台阶上的干涉条纹数来求氧化层薄膜厚度的一种方法。在已经氧化过的硅片表面，用黑封蜡或真空油脂保护一定的区域（约占硅片表面的 1/2~1/3 ） 。然后将硅片放入氢氟酸溶液中，除去未保护住的氧化膜。然后利用有机溶剂（如甲苯、四氯化碳等）将蜡或真空油脂去除。用酒精、乙醚混合液擦净镀膜面待用。(2) 轻轻转动载物台微动手轮 2，将薄膜的待测部位移至视场之中。这时应看到两组直线状干涉条纹。(3) 利用测微目镜测得 e 和 H，求出镀膜层的厚度。(4) 若 H>e，应先用白光干涉条纹确定同级干涉条纹移动的大概位置，再用单色光的干涉条纹精确测定 h。[实验结果 ]1.五人一小组，共三小组。每小组测量三种工艺条件下生长的硅片表面氧化层的厚度，并记录数据， 汇总三小组 h 数据求平均值作为 校准值 =（ h1+h2+h3） /3 ， 计算各自小组偏差值。氧化工艺条件 比色法 双光干涉法 h 厚度范围 e H h 校准值 偏差 （ %）1100 摄氏度， 20min1100 摄氏度， 45min1100 摄氏度， 65min2. 1100 摄氏度下，通过 h2-t 关系计算 C 值，汇总三小组 C 值后求平均值作为 校准值 =（ C1+C2+C3） /3 ，求各自小组偏差值。t h2 氧化速率常数 C 测试值 校准值 偏差（ %）[思考题 ] 1． 干涉显微镜的工作原理及特点是什么？2． 干涉显微镜中的“分划板”是怎样形成的？它的作用是什么？eH6131~6132~31 3.1~32 6.2~3.1