CN103033131A - 半导体微台面列阵的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体微台面列阵的测量装置和方法，该方法基于宽谱热光源照明干涉仪的光学测量装置与方法，结合光学相干层析技术与衍射度量技术的特点，可无损、快速的测量微台面列阵的表面形貌并准确提取微台面列阵的周期、横向尺寸与深度等几何信息，满足微台面列阵的测量要求。

Description

半导体微台面列阵的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及具有周期结构且特征尺寸为微米的半导体微台面列阵的测量装置和方法，本发明的测量装置实现了微台面列阵的无损、快速成像与三维尺寸的准确测量。

背景技术

半导体微台面列阵成形是红外焦平面探测器芯片制作的关键技术，列阵中的一个单元对应于最终焦平面探测器的一个像元。焦平面探测器成像质量的提升要求像元数量的增加与尺寸减小，目前30万像素焦平面芯片微台面尺寸已小于10^-5cm²，微台面间距与深度通常在微米量级。微台面列阵的制作质量评估，常用的方法是采用刀具解理芯片材料，将含有微台面列阵区域且横截面为平整解理面的样品置于扫描电镜中观察与精确测量。由于微台面间距只有数微米，采用探针测量的台阶仪以及原子力显微镜等仪器难以测量微台面的深度信息。此外，上述测量方法会对样品造成损伤、破坏，被测芯片材料无法再进行后续制造工艺。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种半导体微台面测量装置和方法，实现对微台面列阵横向与纵向的无损、快速光学成像并准确提取微台面尺寸、深度、台面间距与深度等信息，从而提高微台面列阵的测量效率与精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体微台面列阵的测量方法，包括如下步骤：

（1）采用第一装置测量半导体微台面列阵样品的台面与深度尺寸；

所述第一装置，包括：

第一热光源，该第一热光源发出红外光；

第一分束器，将所述红外光分成第一光束和第二光束，

第一光束通过第一显微物镜照射到样品上，所述样品固定于第一平移台上，第一光束在样品上的反射光通过第一显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

第二光束通过第二显微物镜照射到第一反射镜上，第一反射镜固定于第二平移台上，第二光束在第一反射镜上的反射光通过第二显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

数据采集卡，采集所述红外相机的电信号并存储在计算机上；

计算机，连接于所述第一平移台和第二平移台，并控制第一平移台沿垂直于第一光束的方向移动，实现对样品的横向扫描，以及控制第二平移台沿平行于第二光束的方向移动以及沿该方向的振动，实现对样品的纵向扫描与第一反射镜的振动；

（2）采用第二装置测量半导体微台面列阵样品的反射率，使用步骤（1）中测得的台面与深度尺寸作为初值去拟合该反射率曲线，得到准确的微台面列阵样品的台面宽度与深度值；

所述第二装置，包括：

第二热光源，该第二热光源发出红外光；

第二分束器，将所述红外光分成第三光束和第四光束，

所述第三光束照射到第二反射镜上，所述第四光束照射到第三反射镜上，第三反射镜固定于第三平移台上，第三光束在第二反射镜上的反射光束透过第二分束器，第四光束在第三反射镜上的反射光束在第一分束器上发生反射，两束反射光束通过偏振片与第三分束器后照射在样品上，样品固定于第四平移台上，样品的反射光照射到第三分束器后发生反射，反射光被单元探测器收集，探测到的电信号通过前置放大器放大后再经过数据采集卡存储在计算机上并作反射率光谱提取与处理；

计算机，连接于所述第三平移台和第四平移台，并控制第三平移台沿垂直于第三光束的方向移动，以及控制第四平移台沿平行于第四光束的方向移动，实现样品上入射光波长的扫描。

作为本发明的进一步改进，所述第一热光源和第二热光源为卤钨灯。

作为本发明的进一步改进，所述第一热光源和第二热光源的色温为2000~6000K。

作为本发明的进一步改进，所述第二平移台实现0.01 ~ 10 cm/s的匀速运动与10~1kHz的振动。

作为本发明的进一步改进，所述红外相机的探测范围为0.8~2.5μm，帧频10~100Hz，所述单元探测器的探测范围为2~12μm。

本发明还公开了一种半导体微台面列阵的测量装置，包括：

第一热光源，该第一热光源发出红外光；

第一分束器，将所述红外光分成第一光束和第二光束，

第一光束通过第一显微物镜照射到样品上，所述样品固定于第一平移台上，第一光束在样品上的反射光通过第一显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

第二光束通过第二显微物镜照射到第一反射镜上，第一反射镜固定于第二平移台上，第二光束在第一反射镜上的反射光通过第二显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

数据采集卡，采集所述红外相机的电信号并存储在计算机上；

计算机，连接于所述第一平移台和第二平移台，并控制第一平移台沿垂直于第一光束的方向移动，实现对样品的横向扫描，以及控制第二平移台沿平行于第二光束的方向移动以及沿该方向的振动，实现对样品的纵向扫描与第一反射镜的振动。

本发明还公开了一种半导体微台面列阵的测量装置，包括：

第二热光源，该第二热光源发出红外光；

第二分束器，将所述红外光分成第三光束和第四光束，

所述第三光束照射到第二反射镜上，所述第四光束照射到第三反射镜上，第三反射镜固定于第三平移台上，第三光束在第二反射镜上的反射光束透过第二分束器，第四光束在第三反射镜上的反射光束在第一分束器上发生反射，两束反射光束通过偏振片与第三分束器后照射在样品上，样品固定于第四平移台上，样品的反射光照射到第三分束器后发生反射，反射光被单元探测器收集，探测到的电信号通过前置放大器放大后再经过数据采集卡存储在计算机上并作反射率光谱提取与处理；

计算机，连接于所述第三平移台和第四平移台，并控制第三平移台沿垂直于第三光束的方向移动，以及控制第四平移台沿平行于第四光束的方向移动，实现样品上入射光波长的扫描。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、由热光源、分束器、反射镜、探测器与计算机控制的平移台组成的光学干涉装置，可以实现对被测样品的光学相干成像。通过更换反射镜、分束器、探测器等局部配置，还可以测量样品反射率随波长变化的情况。

2、对样品的光学相干成像可获取样品直观、局部的形貌信息，由光源限制的纵向分辨率与光源、物镜限制的横向分辨率在微米量级，可确定半导体微台面列阵准确的横向尺寸。

3、 测量样品反射率随波长变化的情况可分析样品的周期信息，采用矢量衍射理论对测量结果进行拟合可以获得更准确的几何与光学参数，成像系统与数值计算限制的几何参数分辨率小于百纳米，拟合计算的初值采用光学相干成像提取的样品信息可以使分析过程更加快速、准确。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中第一装置的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中第二装置的结构示意图。

具体实施方式

针对目前半导体微台面列阵质量评估中遇到的问题，本发明提出一种基于宽谱热光源照明Michelson干涉仪的光学测量装置与方法，结合光学相干层析技术与衍射度量技术的特点，可无损、快速的测量微台面列阵的表面形貌并准确提取微台面列阵的周期、横向尺寸与深度等几何信息，满足微台面列阵的测量要求。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明具体实施例中第一装置的结构示意图。

参图1所示，第一热光源11为卤钨灯，其发出的红外光通过滤波片12后在第一分束器13上分成第一光束和第二光束。第一分束器13为CaF₂分束器。

第一光束通过第一显微物镜14照射到被测微台面列阵样品15上，样品15固定于第一平移台16上，第一光束在样品15上的反射光通过第一显微物镜14和第一分束器13后通过第一透镜101聚焦到红外相机102的光敏面上。

第二光束通过第二显微物镜17照射到第一反射镜18上，第一反射镜18固定于第二平移台19上，第二光束在第一反射镜18上的反射光通过第二显微物镜17和第一分束器13后通过第一透镜101聚焦到红外相机102的光敏面上。

样品15与第一反射镜18上的两束反射光通过第一分束器13后在第一透镜101的作用下照射到InGaAs红外相机102上，红外相机102上光强变化引起的电信号通过数据采集卡103后存贮于计算机100上并进行图像提取与处理。

计算机100，连接于第一平移台16和第二平移台19，并控制第一平移台16沿垂直于第一光束的方向移动，实现对样品15的横向扫描，以及控制第二平移台19沿平行于第二光束的方向移动以及沿该方向的振动，实现对样品15的纵向扫描与第一反射镜18的振动。

成像过程中，第二平移台19上的第一反射镜18在压电陶瓷的作用下，在间隔约0.3微米的两个位置按频率f来回振动，红外相机102上探测到随时间变化的光强：

其中

为红外相机102探测到的平均信号强度，I _obj 为样品内满足相干条件部分的反射光强，ψ为高频调制幅度，φ为光学相位，重复N次在两个半调制周期1/f内分别积分得到I _1,2 ，将红外相机测得的积分强度I _1,2 提取的层析图像：

通过相移技术消除光学相位φ后从红外相机102探测图像上提取的I _obj 即为最后样品15的层析图像。第二平移台19沿平行于光束的方向移动可以获取微台面列阵不同深度的图像，平移台16在垂直于光束的方向获取不同横向区域的微台面列阵图像。

图2所示为本发明具体实施例中第二装置的结构示意图。

在第一装置的基础上，第二装置中通过更换反射镜、分束器、探测器等局部配置，还可以测量样品反射率随波长变化的情况，同时通过第一装置所测样品的形貌，可得到准确的微台面列阵样品的台面宽度与深度值。

参图2所示，第二热光源21为卤钨灯，其发出的红外光通过旋转90°（相对于第一分束器）的第二分束器23上分成第三光束和第四光束。第二分束器23为KBr分束器。

第三光束照射到第二反射镜24上，第四光束照射到可动的第三反射镜28上。第三平移台29提供第三反射镜28的匀速运动实现红外光波长的变化。两块反射镜反射后的光束通过偏振片25与第三分束器26照射到被测微台面列阵样品27上，样品27固定于第四平移台206上，样品27上的反射光通过第三分束器26的反射后被HgCdTe单元探测器207所接收，探测器207电信号被前置放大器208放大后经过数据采集卡203存贮到计算机200中并作反射光谱处理与微台面列阵台面宽度与深度的提取。参数提取过程中，旋转偏振片25获得偏振方向垂直于入射面的s光与偏振方向平行于入射面的p光，s光与p光照射样品27后的反射率分别Rs与Rp，偏振片25介于产生s光与p光之间的角度φ时，探测器207测得的反射率为：

根据矢量衍射理论，介电函数按样品的周期特征展开用于求解麦克斯韦方程组获得相应的样品反射率随波长变化曲线。在计算过程中，使用第一装置测得的样品台面与深度尺寸作为初值去拟合反射率曲线，能提高拟合效率得到最佳拟合结果，同时得到准确的微台面列阵样品的台面宽度与深度值。

综上所述，本技术方案的优点在于：

1、由热光源、分束器、反射镜、探测器与计算机控制的平移台组成的光学干涉装置，可以实现对被测样品的光学相干成像。通过更换反射镜、分束器、探测器等局部配置，还可以测量样品反射率随波长变化的情况。

2、对样品的光学相干成像可获取样品直观、局部的形貌信息，由光源限制的纵向分辨率与光源、物镜限制的横向分辨率在微米量级，可确定半导体微台面列阵准确的横向尺寸。

3、 测量样品反射率随波长变化的情况可分析样品的周期信息，采用矢量衍射理论对测量结果进行拟合可以获得更准确的几何与光学参数，成像系统与数值计算限制的几何参数分辨率小于百纳米，拟合计算的初值采用光学相干成像提取的样品信息可以使分析过程更加快速、准确。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种半导体微台面列阵的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用第一装置测量半导体微台面列阵样品的台面与深度尺寸；

所述第一装置，包括：

第一热光源，该第一热光源发出红外光；

第一分束器，将所述红外光分成第一光束和第二光束，

第一光束通过第一显微物镜照射到样品上，所述样品固定于第一平移台上，第一光束在样品上的反射光通过第一显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

第二光束通过第二显微物镜照射到第一反射镜上，第一反射镜固定于第二平移台上，第二光束在第一反射镜上的反射光通过第二显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

数据采集卡，采集所述红外相机的电信号并存储在计算机上；

计算机，连接于所述第一平移台和第二平移台，并控制第一平移台沿垂直于第一光束的方向移动，实现对样品的横向扫描，以及控制第二平移台沿平行于第二光束的方向移动以及沿该方向的振动，实现对样品的纵向扫描与第一反射镜的振动；

（2）采用第二装置测量半导体微台面列阵样品的反射率，使用步骤（1）中测得的台面与深度尺寸作为初值去拟合该反射率曲线，得到准确的微台面列阵样品的台面宽度与深度值；

所述第二装置，包括：

第二热光源，该第二热光源发出红外光；

第二分束器，将所述红外光分成第三光束和第四光束，

所述第三光束照射到第二反射镜上，所述第四光束照射到第三反射镜上，第三反射镜固定于第三平移台上，第三光束在第二反射镜上的反射光束透过第二分束器，第四光束在第三反射镜上的反射光束在第一分束器上发生反射，两束反射光束通过偏振片与第三分束器后照射在样品上，样品固定于第四平移台上，样品的反射光照射到第三分束器后发生反射，反射光被单元探测器收集，探测到的电信号通过前置放大器放大后再经过数据采集卡存储在计算机上并作反射率光谱提取与处理；

计算机，连接于所述第三平移台和第四平移台，并控制第三平移台沿垂直于第三光束的方向移动，以及控制第四平移台沿平行于第四光束的方向移动，实现样品上入射光波长的扫描。

2.根据权利要求1所述的半导体微台面列阵的测量方法，其特征在于，所述第一热光源和第二热光源为卤钨灯。

3.根据权利要求1所述的半导体微台面列阵的测量方法，其特征在于，所述第一热光源和第二热光源的色温为2000~6000K。

4.根据权利要求1所述的半导体微台面列阵的测量方法，其特征在于，所述第二平移台实现0.01 ~ 10 cm/s的匀速运动与10~1kHz的振动。

5.根据权利要求1所述的半导体微台面列阵的测量方法，其特征在于，所述红外相机的探测范围为0.8~2.5μm，帧频10~100Hz，所述单元探测器的探测范围为2~12μm。

6.一种半导体微台面列阵的测量装置，其特征在于，包括：

第一热光源，该第一热光源发出红外光；

第一分束器，将所述红外光分成第一光束和第二光束，

第一光束通过第一显微物镜照射到样品上，所述样品固定于第一平移台上，第一光束在样品上的反射光通过第一显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

第二光束通过第二显微物镜照射到第一反射镜上，第一反射镜固定于第二平移台上，第二光束在第一反射镜上的反射光通过第二显微物镜和第一分束器后通过第一透镜聚焦到红外相机的光敏面上；

数据采集卡，采集所述红外相机的电信号并存储在计算机上；

计算机，连接于所述第一平移台和第二平移台，并控制第一平移台沿垂直于第一光束的方向移动，实现对样品的横向扫描，以及控制第二平移台沿平行于第二光束的方向移动以及沿该方向的振动，实现对样品的纵向扫描与第一反射镜的振动。

7.一种半导体微台面列阵的测量装置，其特征在于，包括：

第二热光源，该第二热光源发出红外光；

第二分束器，将所述红外光分成第三光束和第四光束，

所述第三光束照射到第二反射镜上，所述第四光束照射到第三反射镜上，第三反射镜固定于第三平移台上，第三光束在第二反射镜上的反射光束透过第二分束器，第四光束在第三反射镜上的反射光束在第一分束器上发生反射，两束反射光束通过偏振片与第三分束器后照射在样品上，样品固定于第四平移台上，样品的反射光照射到第三分束器后发生反射，反射光被单元探测器收集，探测到的电信号通过前置放大器放大后再经过数据采集卡存储在计算机上并作反射率光谱提取与处理；

计算机，连接于所述第三平移台和第四平移台，并控制第三平移台沿垂直于第三光束的方向移动，以及控制第四平移台沿平行于第四光束的方向移动，实现样品上入射光波长的扫描。

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