橢圓測試儀在薄膜測量方法上的研究與改進

Abstract

在本論文中，我們對於〞橢圓測量技術〞應用於薄膜測量上的各種誤差問題做了深入 的研究，並且提出兩個新的數值技術，來處理各種誤差問題，經由理論以及實驗，證 實了所提出的數值處理技術有極高的準確度以及解析度，非常適用於各種薄膜的測量 。本技術已成功地用於薄氧化層、氮化矽、氮化之二氧化矽，氧化之氮化矽，以及矽 複晶的測量上。 本文共分兩大部份，第一部分（第二至第四章）討論折射係數（Ｎ－ｉｋ）的實數部 份（Ｎ）介於１•４０與２•５０之間的問題，而虛數部份（Ｋ）假設為０。第二部 份（第五章）則討論Ｎ介於２•５０與３•８０之間，而Ｋ不為０之問題。 在第一部份，首先討論橢圓測量技術用於測量二氧化矽厚度低於２００Ａ的各種誤差 問題及解決的方法。經由分析，發現當厚度低於２００Ａ時，由計算所得到的折射係 數及厚度受各種參數誤差的影響極大，也因而常常無法得到準確的結果，為了解決誤 差問題，吾人提出一種特殊的數值處理技術，可得到較準確的結果，此技術可被應用 於研究矽晶片雜質濃度對折射係數的影響，實驗發現，濃度高的矽晶片有較低的折射 係數。 接著，由理論上來探討前述所提出的方法中，降低誤差的主要原因。本研究用一般化 的兩層結構的物理模式來模擬材料的結構，這種兩層結構可簡化成單層結構，吾人發 現，新的數值處理技術對單層結構而言，誤差至少可降低２倍以上，而對兩層結構而 言，誤差至少能降低５倍以上，另一方面，為了減低測量中的〞不定誤差〞，我們也 提出了利用〞入射角〞對〞厚度〞的關係圖，將〝不定誤差〞以平均方式去除，同時 ，也發現本圖能用來量測隨深度任意改變的折射係數。本技術有很高的準確度及解析 能力，其厚度解能力可高至２０Ａ。 當折射係數大於２•５０以上時，前面所提出的方法已無法達到降低誤差的要求，例 如當薄膜厚度離橢圓週期（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｉｃ ｐｅｒｉｏｄ）小於±２ ００Ａ時，已有明顯的誤差產生，而且也非常容易產生數學運算中的數值發散問題， 在本文的第二部份（第五章）中，我們提出另一種新的降低誤差的數值技術，可解決 上述的問題，本方法比較適用於Ｎ較高（如高於２•５０）的材料上。 本技術可用時分析折射係數中的實數部分（Ｎ）及虛數部份（Ｋ），其基本原理係利 用〞零層結構〞的物理模式來處理實驗的數據，而由Ｎｓｅ對〝厚度〞的關係圖求Ｎ 及Ｋ。我們以測量矽複晶為例子來介紹本技術，同時也對矽複晶成長溫度及高溫氮氣 回火處理對Ｎ及Ｋ的影響情形，做了初步的研究。