为什么在镀膜时要测薄膜折射率?

在芯片制造中,镀膜工序(PVD,CVD)是必不可少的关键环节,薄膜的质量直接影响了芯片的性能。对这些薄膜的精细控制又离不开对其折射率的深入理解和精确测量。今天将对芯片制造中薄膜折射率的概念、测量方法,以及它在整个制程中的影响与应用进行详细的探讨。

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什么是薄膜折射率?
光从一种介质进入到另一种介质时,光线会发生折射,最常见的例子就是光从空气进入水中,就会发生折射现象。为什么会发生这种现象呢?最主要的原因是两种介质(水与空气)的折射率不同。

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折射率(refractive index)通常用n表示,它是材料对光的折射能力的度量。如图,如果i是真空中光线的入射角(入射光线与法线之间的角度),r是折射角(光线与法线之间的角度),折射率n定义为入射角正弦与折射角正弦之比;即                                 n = sin i / sin r。 折射率也等于真空中给定波长的光速 c除以其在某物质中的速度v,即                                    n = c / v。 在一个材料中,光波会引起电子的振动。不同材料的电子云密度不同,电子对光的反应能力也就不同。材料的电子云密度越大,电子对光的反应能力越强,光在材料中传播的速度就越慢,因此折射率就越大。

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为什么要测薄膜的折射率? 1,不同材料有着不同的折射率。通过测量折射率,我们可以定性确定薄膜的材料组成。 以下是一些常见薄膜材料的折射率:
  1. 硅(Si):折射率约为3.5
  2. 硅二氧化(SiO2):折射率约为1.46
  3. 氮化硅(Si3N4):折射率约为2,
  4. 磷硅酸盐玻璃(PSG),1.45-1.47,根据磷含量
  5. 铝(Al):折射率约为1.5
  6. 铂(Pt):折射率约为2.2
  7. 上述折射率值大致给出了在特定波长下的折射率,实际上,折射率与光的波长,温度,压力也有关。
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2,通过对透明物质折射率的测量,可以推导出薄膜的厚度。因为薄膜的厚度直接影响了光的干涉模式,而干涉模式又可以通过测量光的反射和透射光谱来得到。 之前的文章有介绍,请查看:

       3 测量薄膜的折射率可以为评估薄膜的质量提供重要的信息。 在理想情况下,特定的薄膜材料在特定的生产条件下应具有预期的折射率。 如果实际测量的折射率与预期的折射率相差很大,这可能意味着生产过程中出现了问题。 此外,薄膜的折射率的均匀性也是一个重要的质量指标。 如果折射率在薄膜的不同位置有大的变化,可能意味着薄膜的厚度或成分 在不同位置不均匀,这 可能影响到薄膜在电子设备中的性能。
芯片生产中的薄膜的折射率如何测量?

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薄膜的折射率一般通过光谱椭圆偏振仪(Spectroscopic Ellipsometry)或者反射/透射光谱仪(Spectrophotometer)来测量。
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