實驗4 雙光干涉法測sio2層厚度及pn結結深
1． 實驗目的：
⑴ 了解干涉顯微鏡的結構並熟悉其工作原理；
⑵ 學習並掌握用干涉顯微鏡測量熱生長sio2膜膜層厚度的方法。
2． 實驗內容
⑴ 測量矽片上熱生長sio2層的厚度；
⑵ 測量pn結的結深。
3． 實驗原理
⑴ 透明劈尖雙光干涉法測量sio2層的厚度
以sio2層劈尖干涉為例。事先將矽片上的氧化層用氫氟酸腐蝕出乙個斜面來，然後把波長為λ的單色光垂直投射到斜面區域。因為二氧化矽是透明的，入射光將分別在氧化層台階和空氣的交介面以及sio2-si介面處產生反射。
圖1給出了sio2劈尖干涉的示意圖。 圖（a）中的光束s1入射到台階的c處，就在該處上、下介面分別產生互為相干光的反射光束①和②。
根據光的干涉原理，當兩束相干光的光程差δ為半波長的偶數倍，即
則這兩束光的相位相同，它們互相加強，因而出現亮條紋。而當兩束相干光的光程差δ為半波長的奇數倍，即
則兩束光相位相反，它們互相減弱，所以出現暗條紋。由於整個sio2層台階的厚度是連續變化的，因此，在顯微鏡下看到sio2層斜坡上有明、暗相間的干涉條紋，稱之為等厚干涉條紋。
光程差是由光束在sio2層中行進的路徑決定的。圖1（b）中劈尖上相鄰反射光束a、b之間的光程差與橢偏光測膜厚實驗中均勻膜層平面反射系統相比，只相差圖中的部分。如果台階很寬，角很小，且入射光對矽片表面垂直入射，則。
折射角也近似為零度。
設為入射光束入射點sio2層的厚度，n為sio2層的折射率，那麼光束①、②相遇產生的干涉條紋為亮條紋時有
同理，光束在相鄰的厚度處的反射光束的加**涉有
這樣，兩相鄰亮條紋之間的sio2層的厚度差為
自然兩相鄰暗條紋之間的sio2層的厚度差也為。
如果在sio2層台階上有n條干涉條紋，則sio2層的厚度為
在圖1（a）的sio2層劈尖a處，右側為無sio2層之光面，反射光束是零級加**涉，應為亮條紋；左側是sio2層劈尖，是由零級加**涉逐漸演變到光程差為的互相減弱的干涉。因此，劈尖上劈尖a處的第乙個干涉條紋應該是暗條紋，其後才是亮、暗、亮…一條一條接下去。如果劈的台階頂b處光程差滿足加**涉，就是亮條紋。
於是，sio2層上總的亮條紋數就是n的值；若b處光程差滿足減弱干涉而出現暗條紋，則說明應該在n條亮條紋的基礎上再加上這裡暗條紋所示的半個條紋。因此，當觀測到圖2所示的干涉圖形時，其干涉條紋數就應該是2.5，即n=2.
5。在測量過程中也可以直接用白光作為光源，於是，在sio2層斜坡上就看到了彩色條紋。這是各種單色光在斜坡上各自產生加**涉的結果。由於各單色光依據契形台階厚度的增加，亦產生一級、二級、…干涉，因此彩色干涉條紋形成彩帶，並隨可能產生的干涉級而重複出現。
這樣，亦據彩帶的條數，並結合台階頂上的干涉顏色就能較好地確定sio2層的厚度（參看圖3）由於白光中綠色光最強，故厚度計算中一般取。
⑵ 空氣劈尖雙光干涉法
對於金屬薄膜常用空氣劈尖雙光干涉法來測量膜厚。
下表面鍍有半透明金屬模的玻璃片放在區域性蒸鍍鋁膜的矽片上。它們之間有微小夾角，形成乙個空氣隙。如果鋁膜台階的稜線是沿著空氣隙寬增大的方向，如圖4（a）所示。
即台階稜線是垂直於空氣劈尖二面角的稜，則在垂直於台階稜的某一點上就有如圖4（b）所示的橫截面圖。同時在單色光垂直照射時，空氣隙兩側的反射光波的干涉將產生圖4（b）上方所示的等厚干涉條紋。
由圖4（b）可以看出，在鋁膜台階稜的兩側是兩個空氣劈尖，且這兩處的空氣隙各自處處相等，因而其干涉條紋是平行於空氣隙二面角的稜，垂直於台階稜的。但是在台階處，光的光程發生了變化，其結果是使得等厚干涉條紋沿著等厚空氣隙路徑前進，因而發生了彎曲，從而使兩側平面處的等厚干涉條紋相對移動了b的距離。如果台階處的光程差變化為乙個波長，那麼，干涉條紋將移動乙個條紋間距a。
如果條紋的位移量是b，則意味著台階處的光程差變化了個波長。因此，引起這一變化的鋁膜的厚度d為
透明膜實際上也可以用這種方法來測量。不過，為了使干涉條紋清晰，最好對於已經造出台階的透明膜樣品，整個地蒸發上一層均勻的鋁膜，然後進行測量。其方法和讀數完全與上述鋁膜的相同。
pn結的結深如果要用該法測量，首先要使擴散片打磨拋光出乙個的小傾角，使pn結暴露於空氣中，然後滴上幾滴含有少量氫氟酸的硫酸銅水溶液，在強光作用下使pn結的n區擇優鍍上銅。同前述鋁膜測量一樣，雙光干涉得到圖5所示的干涉圖形。因為是測量結深，當然應該從磨角的稜所對應的干涉條紋的拐點，到鍍銅層的分界線（即pn結）處，讀取結深所對應的干涉條紋的移動量b，結合干涉條紋寬度a及測量光的波長得到結深，即
這裡鍍銅顯示pn結，是根據半導體光電效應進行的。在強光照射下，pn結成為乙個 p區為正極，n區為負極的光電池，通過硫酸銅溶液溝通了外電路，並對其進行電解。在陰極和陽極分別發生如下的氧化還原反應：
n區：電池負極---電解池陰極，發生還原反應
p區：電池正極---電解池陽極，氧化反應
這一反應的結果是，在n區鍍上了一層銅。在溶液中加入少量的氫氟酸是為了讓電解出來的與氫氟酸生成可溶性的，使反應得以繼續進行。否則，電解出來的就變成難溶性的氧化物附著在表面，阻礙反應的進行。
4． 實驗儀器簡介
實驗中採用6ja干涉顯微鏡來進行膜厚的測量。6ja的原理圖如圖6所示。圖中p1為精細打磨拋光的標準鏡面；p2為被測試樣品的表面；t為分光板，它是一面鍍有薄銀層的平面玻璃板，與p1傾斜成45度角，光線以45度角入射時，一半被反射，另一半被透射；t1為補償板，它和t一樣，但沒有鍍銀層；o1、o2、o3分別為顯微鏡的目鏡和物鏡。
由光源s發出的光線，經過聚光鏡投射到分光板t上，一部分反射，一部分透射。從t透射的光線1經物鏡o1射向標準反射鏡p1，再由p1反射再次通過o1，經t和t』反射到目鏡o3；從分光板t反射的光線2，通過補償板t1、物鏡o2射向被測試樣的表面p2，其反射光攜帶著試樣表面凸凹不平的資訊（光程差）重新經過物鏡o2、補償板t1、分光板t射向目鏡o3 。結果，在目鏡o3焦平面上，1、2兩光束相遇產生干涉，形成干涉條紋。
因為光束1通過分光板3次，而光線2只通過一次，故在光路2上加乙個和t一樣的玻璃板t1，起光程補償作用。
這裡，空氣劈尖兩側的反射面分別是標準鏡面p1和試樣表面p2。p1 和p2分別置於關於分光板鍍銀層的映象對稱位置。來自p2的反射光可以看著是從發出的。
是t上鍍銀層所形成的p2的虛像。這樣，如果p1與p2不是嚴格地互相垂直，則p1與就不是嚴格地互相平行，因而形成乙個劈尖，產生了干涉條紋。
空氣劈尖二面角的大小，與干涉條紋的寬度有關，而劈尖二面角張角方向不同，干涉條紋的方向也不同。在6ja中就是借助於物鏡o1連同標準反射鏡p1一起繞物鏡o1光軸和標準反射鏡的交點p轉動，來調節干涉條紋的寬度和方向。同時，該儀器還能使p1對o1調焦，以及使p1連同o1一起作軸向微量移動，以使兩路光波的中心光程相同，從而使干涉條紋更加清晰，測量更加準確。
5． 實驗步驟
⑴ 樣品製備
1 刻蝕二氧化矽層台階
用少許石蠟放在待測氧化矽片的氧化層上方，然後置於電爐上，接通電源，蠟一熔化就關掉電源。待矽片冷卻後，放入氫氟酸溶液中，約2~4分鐘（腐蝕時間與腐蝕速率有關，而腐蝕速率與腐蝕液濃度、溫度、新老以及二氧化矽層的厚度有關，應根據具體情況掌握腐蝕時間），只要被腐蝕部分的顏色與無二氧化矽層的光片色彩一樣就可取出，並在去離子水中洗淨，用濾紙吸乾，然後用丙酮棉球將矽片上的蠟擦掉即可待測。
2 擴散片磨角—拋光—染色—顯結
將磨角器貼上樣品的一面朝上置於電爐上烘烤若干分鐘，取下後在貼上樣品的部位放上少許松香，然後將樣片按圖7方式粘上（測量光面朝上）。待冷卻後用酒精棉球擦淨矽片表面的松香。在平板玻璃上進行水磨，直到斜面磨好為止。
在電爐上加熱取下樣品，擦淨矽片上的松香。在燈光照射下，測量面滴幾滴含有氫氟酸的硫酸銅水溶液。約等十幾秒鐘，發現n型區略顯紅色後將矽片放入清水中洗淨，用濾紙吸乾供測試用。
（注意：鍍液要配好，氫氟酸過多會使反應能夠加速，硫酸銅過多則會引起介面不整齊；鍍銅時間要掌握好，過長，p型區也會沉積上銅。）
⑵ 測試測試均在6ja干涉顯微鏡上進行
1 測二氧化矽層厚度：將有氧化層台階的矽片放在6ja的載物台上（測試面朝下），轉入遮光板，在視場照度已經調好的情況下，仔細調節工作台上的三個滾花輪。先找到二氧化矽層台階的測量部位，然後對其仔細調焦，直至看到清晰的干涉條紋。
記下干涉條紋數和測量光的波長。由（6）式計算。
2 測pn結的結深: 將已顯示好pn結的矽片用少許的石蠟加熱粘在玻璃上（注意：絕不能有蠟溢到矽片的正面）；轉出遮光板，調p1的調焦機構，使視場顯現清晰的刀口象，即使p1精確成像於視場中；調好光源燈絲的成像位置，使得到照明均勻的視場；將試樣置於載物台上，轉入遮光板，調節工作台滾花輪使矽片表面清晰成像於視場中，並將磨角的稜線調成垂直取向的位置；轉出遮光板，細心調節有關干涉條紋調節手輪。
使產生如圖5所示的清晰干涉條紋。讀取擴散區所對應的干涉條紋移動量b和條紋寬度a，記下光波長λ，由（8）式計算結深。
13 3光的干涉
第十一章光 13.3光的干涉 教學目標 1 觀察光的干涉現象 2 知道光的干涉現象，並知道從光的干涉現象說明光是一種波。3 理解雙縫干涉現象是如何產生的，並能判斷出何處出現亮條紋，何處出現暗條紋。4 知道什麼是相干光源。重點 光的干涉條件及相干光源的獲得。難點 知道決定干涉條紋間距的條件，認識出現亮...
9 2光的干涉相干光
9 2光的干涉 相干光光程分波陣面干涉分振幅干涉 前言 什麼是光的干涉現象？與機械波類似，光的干涉現象表現為在兩束光的相遇區域形成穩定的 有強有弱的光強分布。即在某些地方光振動始終加強 明條紋 在某些地方光振動始終減弱 暗條紋 從而出現明暗相間的干涉條紋圖樣。光的干涉現象是波動過程的特徵之一。光的干...
光的等厚干涉
等厚干涉實驗 實驗簡介 牛頓環和尖劈實驗是經典的干涉實驗，很直觀，原理比較容易理解，還有一定的應用價值，因此也是光學的最基本實驗之一。本實驗的目的是讓學生通過對牛頓環條紋的觀察和測量，了解干涉的基本理論，同時通過本實驗了解由於平凸透鏡中心與平晶接觸面不規則產生的現象導致無法判斷牛頓環的圓心，因此實驗...