华南理工大学半导体物理器件实验讲义（2012级） - 图文(7)

图 3-3 信号太强形成的削顶情形

四、实验内容

1． 了解实验原理以及实验装置各部分的工作原理和使用方法。 2． 测量不同尺寸样品的少子寿命。

五、实验步骤

1． 打开示波器和寿命仪开关，预热 15 min 以上，然后调好辉光亮度和清晰度。 2． 按下光源电压开关，稍等片刻再调节电位器 KW，使光源电压在 10 V 左右。 3． 用棉签点少许水到电极上，再将样品放在电极上。

4． 调节示波器，选CH1通道，按下MENU开关，出现边沿触发菜单，方式选“自

动”

5． 观察示波器窗口，有抖动的波形出现，即为衰减曲线，调节VOLTS/DIV旋钮，

使波形完整，大小适中，用RUN/STOP键将波形稳定，调节TIME/DIV键使波形与面板上的图形曲率接近。

6． 按cursor键，在峰值与1/e之间读出寿命值。

7． 取不同样品重复上述步骤，样品正、反面均需测量，记下样品编号和实验数值。

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8． 实验完毕关机。

实验三 用椭圆偏振仪测量介质膜的厚度和折射率

一．实验目的

椭圆偏振法简称椭偏法，它是一种研究两媒介间界面、表面或薄膜中光学性质变

化的一种技术。其原理是利用偏振光束在分界面上的反射和透射出现的偏振变换。它的优点是测量的非破坏性及其精度极高。在精确测定诸如松散分布的准单层原子和分子形成过程这样的界面效应方面，具有相当高的灵敏度。

由于界面和薄膜起重要作用的自然现象和人工制品种类繁多，故椭偏法必然涉及

到分布范围很广的各个领域。例如：物理、化学、材料和摄影科学、生物学，以及有关光学、电子学、机械、冶金和生物医学等。

在半导体器件和集成电路的研究和制造过程中，利用椭偏法可以测量各种薄膜

（如二氧化硅、氮化硅和氧化铝等）的光学常数，对膜的表面层和表面过程进行研究。

本实验的目的是掌握椭偏法的基本原理，学会使用椭偏仪并用此方法测量硅衬底

上各种薄膜的折射率和厚度，并检验膜的均匀性。

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二．实验原理

当一束单色光以一定的入射角照射到一薄膜系统的表面时，光要在多层介质膜的

交界面发生多次折射和反射，在反射方向得到的光束的振幅和位相情况与膜的厚度及光学常数有关，因而可以根据反射光的特性来确定膜的光学性质。如果入射光采用椭圆偏振光，则只要测量反射光偏振状态的变化，就可以确定膜层的厚度和折射率；选定一定的条件，可使测量的计算方法得到简化。

光是一种电磁波，其性质除了用波长、频率和转播方向描述以外，还要用振幅、

位相和偏振方向来描述。偏振光分为两种：线偏振光，其电矢量方向被限定在一定方向振动；椭圆偏振光，其电矢量端点的轨迹在垂直于光传播方向的平面上投影为一椭圆，这些光都可以用分解在两个互相垂直的方向上的分量来表示。于是研究光在介质分界面上所发生的现象，可借助于分析这两个特定的线偏振光来进行。

这两个线偏振光分别是振动平面平行于入射面的线偏振光（以 P 表示，简称 P 分量或 P 波）和振动方向垂直于入射面的线偏振光（以 S 表示，简称 S 分量或 S 波）。为讨论方便，定义在入射面内与光线相垂直的轴为 P 轴，垂直于入射面并与光线相交的轴为 S 轴。

考虑在硅片上盖有厚度为 d 的透明均匀各向同性薄膜的系统，如图 5-1 所示。

图中 ? 表示单色光的入射角；?1 表示在透明介质中的折射角；(Ⅰ) 表示空气与透明薄膜的交界面；（Ⅱ）表示薄膜与硅的交界面；n0 为空气的折射率，其值近似为 1；

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n1 为透明介质的折射率；n2 为硅的复数折射率。由于硅是吸收介质，应具有复数折射率，因此 n2 = n – ik，其中 k 为消光系数。

以 r1 和 r2 分别表示光束由空气到媒质 n1 和从 n1 到 n2 的反射光振幅与入

射光振幅之比，t1 和 t1’ 分别表示光束由空气到媒质 n1 透射及向相反方向透射时的透射比， t2 表示由媒质 n1 向 n2 透射时的振幅透射比，由菲涅尔反射系数表达式可知，从介质 n1 向 n0 反射时的反射系数为 –Y1。

图 5-1 入射光反射和折射示意图

一束光入射到介质膜上被分为反射和透射两部分，光束与界面相遇一次便发生一

次这样的分解，因此反射光和透射光是由多次透射的叠加而得到的（见图 5-1）。

入射光经过界面 (Ⅰ) 时，一部分被反射，产生光束 0。另部分经折射后到达界

面(Ⅱ)，在界面 (Ⅱ) 又产生反射与折射；其反射光到达界面 (Ⅰ) 的 B 点时，其中

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一部分经界面 (Ⅰ) 折射后回到空气中，产生光束 1，另部分又经反射和折射。于是，总的反射光为光束 0、1、2、??之和。此外，光在透过薄层时还引起相位变化。下面分别计算总的反射光束的振幅和位相变化。

先计算相邻两级反射光间因光程差引起的位相差 2?。如图 5-1 所示，线段 BD

垂直于光束 0，1。显然，光束 0，1 之间的光程差为

l?n1?(AA'?A'B)?n0?AD

AA'?A'B?dcos?1

AD?2d?tg?1?sin?由折射定律得 有 得

n1?sin?1?n0?sin??sin?

2d?n1?sin2?1 AD?2d?n1sin?1?tg?1?cos?12d?n1?2d?n1?sin2?1l??2d?n1?cos?1

cos?1相位差为

2??2?l??4?d?n1??cos?1?4?d?n1?sin2? (5-1)

2将入射光分解为 p 分量和 s 分量，按照经典的电磁理论，在两种各向同性介质

界面上的反射光振幅与入射光振幅之比由菲涅尔公式给出，菲涅尔反射系数 r 定义

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