学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于光谱椭偏术的硅球表面氧化层厚度测量系统

作　者: 张继涛
导　师: 李岩
学　校: 清华大学
专　业: 光学工程
关键词: 阿伏加德罗常数单晶硅球氧化层光谱椭偏术平均厚度
分类号: O433.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 80次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

阿伏加德罗常数(NA)是一个联系宏观物质和微观物质的基本物理常数,它的精确测量有助于重新定义国际基本单位“千克”和“摩尔”。X射线晶体密度法是目前测量NA的主要方法。在该方法中,为实现NA测量不确定度2×10-8的目标,单晶硅球表面自然氧化层平均厚度的测量准确度应达到0.1 nm。本文在对氧化层生长机理和物理模型分析的基础上,提出了基于光谱椭偏术的扫描测量方案,并研制出一套高精度硅球表面氧化层自动扫描测量系统。针对国产硅球抛光效果不佳的问题,提出了改进的硅球抛光工艺,将国产硅球S303的表面粗糙度(Ra)由15.30 nm降低至1.33 nm,得到一个适用于NA测量的实验用硅球。研究了光谱椭偏仪在硅球表面氧化层测量应用中的可行性和提高测量准确度的方法。通过理论分析指出球面面形将使椭偏仪产生偏振混叠效应,该效应会导致膜厚测量误差。提出了利用光阑滤波来消除偏振混叠效应的方案,使该效应导致的膜厚测量不确定度小于0.05 nm;此外,光谱椭偏术是一种间接测量方法,其膜厚测量结果依赖于光学模型,不具有可溯源性。针对该问题,提出了一种用X射线反射术标定光谱椭偏仪的新方法。该方法将光谱椭偏仪的测量准确度提高至亚纳米量级,并可将其测量结果溯源至X射线的波长。由于氧化层厚度在硅球表面分布不均,为得到其平均厚度,需要对硅球进行扫描测量。根据硅球的特点(如:整个球面均是光学面,尺寸大,质量大,不允许损伤等),研制出一套升降式扫描机构装置,该装置具有重复定位精度高、旋转精确等优点;另外,氧化层平均厚度的测量需要对硅球表面进行合理采样,提出了一种基于加权平均的等角度采样算法。该算法利用等面积投影理论,将氧化层平均厚度的测量分为等角度采样及加权平均两个步骤,避免了对扫描机构定位分辨率的苛刻要求,易于实现和扩展。在此基础上,研制出一套高精度硅球表面氧化层自动扫描测量系统。利用该系统对硅球S303表面进行了多组扫描测量实验,得到氧化层平均厚度为4.27(10) nm,将氧化层测量导致的NA相对测量不确定度降低至1×10-8,有助于NA测量准确度的提高。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章引言  12-28
  1.1 精确测量N_A 的意义  13-17
    1.1.1 重新定义国际基本单位“千克”  13-16
    1.1.2 重新定义国际基本单位“摩尔”  16
    1.1.3 与其他基本物理常数密切相关  16-17
    1.1.4 推动我国基础计量科学研究的发展  17
  1.2 精确测量N_A 的研究进展及现状  17-25
    1.2.1 X 射线晶体密度法  18-22
    1.2.2 限制N_A 测量准确度的关键因素  22
    1.2.3 硅球表面氧化层研究进展及现状  22-25
  1.3 课题来源及主要研究内容  25-27
    1.3.1 主要研究内容  25-26
    1.3.2 各章内容简介  26-27
  1.4 本章小结  27-28
第2章氧化层的生长机理及物理模型  28-36
  2.1 单晶硅球加工  28-32
    2.1.1 单晶硅的主要特性参数  28-29
    2.1.2 硅球加工过程  29-30
    2.1.3 抛光对硅球表面状态的影响  30-31
    2.1.4 改进的硅球抛光工艺  31-32
  2.2 氧化层形成原因及过程  32-34
    2.2.1 单晶硅硅片表面的自然氧化  33
    2.2.2 单晶硅球表面的自然氧化  33-34
  2.3 氧化层的物理模型  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章适用于硅球表面测量的光谱椭偏术  36-67
  3.1 薄膜厚度测量技术  36-38
  3.2 光谱椭偏术  38-47
    3.2.1 光谱椭偏术的基本原理  39-42
    3.2.2 旋转检偏器型光谱椭偏仪原理  42-46
    3.2.3 仪器结构及参数  46-47
  3.3 适用于硅球表面测量的改进型光谱椭偏仪  47-56
    3.3.1 平面样品与球面样品的差别  47-48
    3.3.2 偏振混叠效应  48-52
    3.3.3 消除偏振混叠的方法  52-54
    3.3.4 实验结果  54-56
  3.4 用XRR 标定光谱椭偏仪  56-65
    3.4.1 研究背景  56-57
    3.4.2 X 射线反射术  57-60
    3.4.3 样品制备及实验仪器  60-61
    3.4.4 实验结果  61-64
    3.4.5 结果比对及标定  64-65
  3.5 本章小结  65-67
第4章硅球扫描机构  67-85
  4.1 功能分析  67-71
    4.1.1 硅球体积算法  67-69
    4.1.2 硅球直径测量系统  69-70
    4.1.3 硅球扫描机构设计要求  70-71
  4.2 结构及功能设计  71-80
    4.2.1 夹持式扫描机构  71-76
    4.2.2 升降式扫描机构  76-79
    4.2.3 升降式扫描机构主要技术参数  79-80
  4.3 扫描策略及方法  80-83
    4.3.1 等角度采样与等面积采样  81-82
    4.3.2 基于加权平均的等角度采样算法  82-83
  4.4 本章小结  83-85
第5章硅球表面氧化层自动扫描测量系统  85-94
  5.1 系统硬件组成  85-89
    5.1.1 改进型光谱椭偏仪系统  85-87
    5.1.2 扫描机构的位置调整  87-89
  5.2 系统控制软件设计  89-92
  5.3 系统功能  92-93
  5.4 本章小结  93-94
第6章实验结果及分析  94-115
  6.1 光谱椭偏仪性能测试实验  94-98
    6.1.1 90°入射时的测量实验  94-97
    6.1.2 标准样片的测量实验  97-98
  6.2 实验用硅球的参数  98-100
    6.2.1 硅球表面粗糙度对膜厚测量结果的影响  98-99
    6.2.2 硅球主要参数  99-100
  6.3 硅球S303 表面氧化层测量  100-106
    6.3.1 实验参数设置  100-101
    6.3.2 氧化层光学模型  101-102
    6.3.3 实验结果及分析  102-106
  6.4 硅球S2 表面氧化层初步测量  106-109
    6.4.1 硅球S2 表面氧化层光学模型  107-108
    6.4.2 实验结果及分析  108-109
  6.5 测量结果不确定度评估  109-113
  6.6 本章小结  113-115
第7章结论及展望  115-119
  7.1 论文工作总结  115-117
  7.2 主要创新点  117
  7.3 进一步的工作  117-119
参考文献  119-126
致谢  126-127
附录A 升降式扫描机构工作流程图  127-128
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  128-129

基于光谱椭偏术的硅球表面氧化层厚度测量系统

内容摘要

全文目录

相似论文