半导体测试技术第四章3课件

1、 3.2 外光路系统及样品装置 激光器之后到单色仪之前为外光路系统和试样装置，它的作用是为了要在试样上得到最有效的照射，最大限度地收集散射光，还要适合于作不同状态的试样在各种不同条件（如高，低温等）下的测试。 第1页，共22页。 由于喇曼散射的效率很低，试样装置要能以最有效的方式照射样品和聚集散射光，它的光学设计是非常重要的。通常采用聚焦激光束照射到试样上，以提高试样上的辐照度，产生喇曼散射。一般用透镜L1聚焦激光束，使其最集中的区域（束腰处直径可达10m）照射到试样上，试样上的辐照度大约可增大一千倍。如功率密度太高会损坏样品时，则不用透镜。透镜L2把样品上被激光束照明的焦柱部分准确地成象在单

2、色仪的入射第2页，共22页。狭缝上，以最佳的立体角聚集散射光，并使之与单色仪的立体角相匹配。试样室内的凹面镜M1和M2是用以提高散射强度的，M1把透过试样的激光束反射回来多次通过试样，以增强激光对试样的激发效率。对于透明试样照射光的强度增大五倍以上。M2则把反方向的散射光收集起来反射回去。第3页，共22页。下图是天津港东的激光喇曼/荧光光谱仪的外光路系统及样品装置。 第4页，共22页。3.3 分光系统 分光系统是喇曼谱仪的核心部分，它的主要作用是把散射光分光并减弱杂散光。分光系统要求有高的分辨率和低的杂散光，一般用双联单色仪。两个单色仪耦合起来，色散是相加的，可以得到较高的分辨率（约1cm-1

3、）。为了进一步降低杂散光，有时再加一个联动的第三单色仪，此时分辨率提高了，但谱线强度也相应减弱。第5页，共22页。3.4 探测，放大和记录系统 喇曼光谱仪的探测器为光电倍增管。用不同波长的激发光，散射光在不同的光谱区，要选用合适的光谱响应的光电倍增管。为了减少其暗电流降低噪声，以提高信噪比，需用致冷器冷却光电倍增管。第6页，共22页。3.5 喇曼光谱实验中应注意的几个问题 在喇曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。第7页，共22页。狭缝 出射入射和中间狭缝是喇曼光谱仪的重要部分。入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器

4、分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。对于一个光谱仪，即使用一绝对单色光照射狭缝，其出射光也总有一宽度为的光谱分布。这主要是由仪器光栅，光学系统的象差，零件加工及系统调整等因素造成的，并由此决定了仪器的极限分辨率。在实际测量中，随着狭缝宽度加大，分辨率还要线性下降，使谱线展宽。第8页，共22页。激发功率 提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比，但在进行低波数测量时这样做常常会因增加了杂散光而适得其反。一般应首先尽量降低杂散光，例如，适当减小狭缝宽度，保证仪器光路准直等；然后再考虑用重复扫描，增加取样时间或计算机累加平均等方法来消除激光器、光电倍增管及电子学系统带来的噪声。 第9页，共22页。激

5、发波长 激光波长对杂散光及信噪比的影响十分显著，当狭缝宽度不变时，用氩激光514.5nm比用488.0nm波长激发样品，杂散光要小一到二个数量级，并且分辨率有所提高。这一方面是由于长波长激光对仪器内少量灰尘或试样中缺陷的散射弱；另一方面由于狭缝宽度一样时，不同波长的光由出射狭缝出射时所包含的谱带宽度不一样。所以一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。伴随喇曼光谱出现的光背第10页，共22页。景是一种难以克服的噪声来源。强的噪声不单会淹没弱的喇曼信号，而且由于光电倍增管的发射噪声会随入射光的平方根增加，在非常强的荧光背景的情况下，将导致发射噪声的涨落，从而破坏了所要测量的光谱。

6、降低荧光背景一般可采用纯化试样，长时间辐照试样，改变激发波长等方法。第11页，共22页。四. 应用 改变激光波长可导致不同的吸收深度，因此可以做深度剖析。 绝大多数半导体材料均可做Raman 测量 离子注入监控，损伤或结构缺陷 均会引起峰位位移 由非晶化导致的谱线展宽，可用于清晰的区别单，多，非晶。 薄膜应力也会引起峰位位移。Ge导致的压应力造成Raman峰位移 第12页，共22页。4. 椭偏法 (ELLIPSOMETRY) 引言原理仪器第13页，共22页。椭偏法是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。椭偏法测量具有如下特点：能测量很薄的膜（1n

7、m），且精度很高，比干涉法高1-2个数量级。是一种无损测量，不必特别制备样品，也不损坏样品，比其它精密方法：如称重法、定量化学分析法简便。可同时测量膜的厚度、折射率以及吸收系数。因此可以作为分析工具使用。对一些表面结构、表面过程和表面反应相当敏感。是研究表面物理的一种方法 一.引言第14页，共22页。椭偏法在半导体测量中最有效的用途是测量衬底上薄介电层的厚度,线宽,光学常数等椭偏法并不是直接测量薄膜性质,而是测量由样品的厚度和其他参数引发的光性质.在基本的椭偏法基础上增加了可变角和波长的功能.第15页，共22页。二. 原理光的偏振态第16页，共22页。将一束波长为的自然光经起偏器变成线偏振光，

8、再经1/4波片使它变成椭圆偏振光入射到待测样品的膜面上，反射时，光的偏振状态（振幅和相位的改变）将发生变化，通过检测这种变化，便可推算出待测膜的厚度和折射率。第17页，共22页。 如图所示。激光单色光经起偏器后变成线偏振光，线偏振光再经1/4波片后产生 的位相差，变成椭圆偏振光。对一定厚度的某种薄膜，S分量和P分量之间出现相移之差，当入射光为椭圆偏振光时，总可以找到合适的起偏角使通过薄膜以后反射光为线偏振光。薄膜激光光源起偏器 基底白屏目镜检偏器椭偏仪测试系统原理玻片第18页，共22页。由此可见，由起偏器的方位角P可确定偏振光的P分量和S分量的相移之差。经样品反射后由于S波与P波不存在位相差，

9、可合成特定方向的线偏振光。它的偏振方向由S分量和P分量的反射系数和确定。 转动检偏器的方位角，当检偏器的方位角A与反射光线的偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光状态。 第19页，共22页。三.仪器椭偏仪是集光、机、电于一体的仪器。椭偏仪主要由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构和装卡机构共六部分组成。(1) 光源机构：主要由功率0.8mW，波长为632.8nm 的氦氖激光器等组成(2) 起偏机构：主要由步进电机、偏振片机构、1/4 波片机构等组成，如图 所示。通过起偏机构，首先使入射到其上的自然光（非偏振激光）变成线偏振光出射，通过1/4 波片又使线偏振光变成椭圆偏振光（波片位置出厂时已调节好，无须调节）。起偏机构可测得起偏角。第20页，共22页。(3) 检偏机构：主要由步进电机、偏振片等组成，如图所示，其结构形式与起偏机构相似，通过检偏机构可测出检偏角。(4) 接收机构：主要由光电倍增管、支架、底板及检偏度盘副尺等组成，如图所示。第21页，共22页。5）主体机构：主要由大刻度盘、上回转托盘、下回转托盘及箱体等组成，如图所示。下回转托盘上固定有光源机构和起偏机构，可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。上回转托盘上固定有检偏机构和接收机构，可绕大刻度盘上的下悬立轴回转。大刻度盘通过三个大刻度盘支柱固定在箱体上，其上固定装卡机构以装卡被测样品。箱体由箱体上面板、底板及底脚