CN109884020B - 利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法 - Google Patents
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Abstract
利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导及台阶型结构进行快速无损检测的方法涉及精密加工与测试领域。该方法包括设计了一种共聚焦激光扫描显微系统，在探测器前设置可调针孔光阑；设计了扫描范围可达100微米控制精度可达10纳米的激光扫描器和物距与倾角都可调的载物台，选定405纳米波长激光器；将被测基片放置在载物台上，设定光阑针孔为<1.0艾里单元的某值、选择扫描范围和扫描层厚度后进行扫描并存储数据；重建扫描图，并横跨波导通道测试其侧壁角；计算内多个通道侧壁角平均值和均方根差值，沿着波导通道做多个切面后计算每一个波导通道上所有切割面侧壁角平均值和均方根差值。该方法可用于大规模微纳型结构在生产中的无损在线快速检测。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米级光介质器件与结构的精密加工与精确测量领域，具体涉及利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法。
背景技术
作为目前最成熟的平面光波线路(Planar lightwave circuit,PLC)技术，基于氧化硅波导的器件已经覆盖了光电子信息领域中有源与无源器件。尤其在过去十几年里，硅基波导光子学器件研究与广泛应用已经形成了一个新领域硅基集成光子学，其中介质材料占其中的主要部分，对光信号而言起传输媒体的作用，而对于电子信号而言起信号之间隔离与绝缘的作用。近年来，随着硅基光子学集成器件与系统的开发与推广正在推动着当前的微纳米级的光电子产业迅猛发展，从而微纳米级半导体加工与器件加工质量有效测量是不可缺少的一部分，而对于加工的结构形貌：极限尺寸(critical dimension,CD)、侧壁倾角(Sidewall angle,SWA)和粗糙度(Roughness)的精确测量是保证和检验加工质量以及进一步改进加工水平的重要环节。
对于目前工业上广泛应用的介质材料微纳米级结构的有多重途径，主要包括：传统的高倍数光学显微镜(Optical Microscope,OM)、光学x-射线衍射仪(X-RayDiffraction Meter,XRD-Meter)、新发展起来的有扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope,SEM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)。其中，按测试方式分，两种传统的测量技术：OM和XRD-Meter可直接在加工基片上直接进行，所以属于无损检测方法，是这两种技术的优点，但其缺点是测量精度很有限，尤其无法测得侧壁角度和侧壁表面粗糙度的精确值。相比之下，SEM是通过电子束成像过程有效测定和显示微纳米级三维结构的形貌，有透射和反射两种工作方式，是既可以测得精确的极限尺寸和侧壁角度又能测定和显示被测结构表面粗糙度的有效方法，然而，SEM技术要求将被测结构的基片切割成可容纳在测量腔体内的小型芯片，并要打磨和抛光其被测端面，所以SEM技术不仅属于有损检测，而且测量过程比较复杂和耗时。另外，这一技术测量光波导及台阶型微纳米结构时，在其上表面与侧壁交角处容易产生光学衍射效应，使图像模糊，从而由此获得的侧壁角度和粗糙度精度都很受限制。
作为新发展起来的微纳米结构的形貌测量技术，AFM技术是在SEM技术之后发展起来，它不需要切割基片，所以属于无损检测技术而且操作简单无耗时问题，而且它在测量精度方面，随着探针技术和数据存储与恢复技术的不断提高，在过去十几年中得到了长足的发展和广泛应用。然而，受其探针探头尺寸和形变等固有缺陷的限制，在台阶型结构上角处产生接触误差，在下角处有接触困难问题，从而使其在测定极限尺寸方面会产生一个固有偏差，在测定侧壁角方面，尤其对于特征尺寸较小的器件结构，比如几十到几百纳米，产生更大的而且无法估计的测量误差。就最新的发展状况而言，同样利用碳纳米管(CarbonNanotube,CNT)探针，2009年报道的最小测量误差是4-5°，2017年报道的最小测量误差为±2°。另外，它在测定侧壁不规则的结构方面，比如侧壁角接近90°和大于90°的状态(分别被称为悬崖型和下割悬崖型)，无法获得可用的侧壁角测量值。
就微纳米级光波导器件而言，每个工作单元的性能及其在大规模基片上的均匀性对于开发平面光波线路和光子集成线路器件产业有非常重要的影响，为此一个可以实时无损精确检测微纳米级光波导侧壁角度的技术方法非常必要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，仍然是无损检测方法，可以克服包括AFM方法在内的以上所有技术所面对困难，迄今未见任何报道。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：
步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射至针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管吸收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑的孔径小于艾里斑单元；
步骤二：在被测物体内设定一个包含所有波导或者台阶结构的平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；
步骤三：当步骤二所述光斑聚焦在所述波导或者台阶结构的侧壁上时，由于侧壁成一定角度导致所述光斑反射光不能通过所述针孔光阑、过滤器和光电倍增管成像，所述波导或者台阶结构的侧壁成像为空白；扫描完成后，通过在成像重建图上，在上下两条线的同侧找到转角的像点，两点的连线与上线和下线成的倾角为重建图中得到的侧壁角的上角和下角；
步骤四：当光电倍增管接收到光斑反射的成像点时，光电倍增管的振动和图像重建时的噪声会影响重建图中两个侧壁角的成像质量，使测得的侧壁角存在误差，将图像重建时获得的侧壁角的数值基础上减掉计算得到的固有误差值就是侧壁角的测量值，实现了利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法。
本发明的有益效果是：本发明可以对单独或晶片上的波导器件的表面形貌进行无损检测，同时其扫描检测的速度优于其他检测方式，在测试过程中操作简单，便于任何测试人员。在程序设定好后，可以进行批量生产的波导器件进行无损快速检测，便于形成工业化生产线上的波导器件尺寸的直接检测。在设备的体积方面，与扫描电子显微镜相对比，在同等测试精度条件下体积更小，便于搬运和放置。
附图说明
图1本发明共聚焦激光扫描显微系统结构示意图。
图2本发明包含被扫描测试的所有波导或者台阶结构的横向切割平面图。
图3本发明中被扫描测试的多个微纳米波导结构重建图和横向切割面原理图。
图4本发明中放大的被测侧壁、侧壁角示意图及相关定义；
图5本发明中侧壁角在共聚焦成像、扫描存储和图形重建过程中形成侧壁角误差的过程与原理示意图。
图6本发明中侧壁角测量误差与侧壁角本身值的关系模拟图。
图7本发明中在重建图中沿着一个波导选择20个切割截面测得左右侧壁角后求得平均值和均方根差值；
图8本发明中在恢复的扫描记录图包括10个同样波导尺寸的通道，然后在每个波导上选择一个切割截面测得左右侧壁角后求得10个波导侧壁角平均值和均方根差值；
图中：1、短波长激光器，2、激光束扩束透镜，,3、二向色镜，4、大口径物镜，5、聚焦光斑，6、针孔光阑，7、过滤器，8、光电倍增管，9、二向色镜控制器，10、载物台，21、侧壁角，22、平面内扫描范围，23、重建扫描图形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
设计如图1所示的共聚焦激光显微镜系统包括：短波长激光器1、激光扩束透镜2、二向色镜3、大口径物镜4、针孔光阑6、过滤器7、光电倍增管8、二向色镜控制器9和载物台10；短波长激光器1发出的激光经由激光扩束透镜扩束2，通过二向色镜3反射到大口径物镜4后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的聚焦光斑5；所述聚焦光斑5反射回大口径物镜4和二向色镜3后透射至针孔光阑6成像，通过过滤器7和光电倍增管8，存储到计算机中，其中所述针孔光阑6设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；其中短波激光器1的波长选用了波段范围在405纳米的激光器；二向色镜控制器9的扫描精度很高，可达到10纳米左右，被测基片的载物台20可以稳定放置大面积基片，且可使被测结构最大旋转45°；与载物台10的配合二向色镜3可以实现共聚焦激光束成像点三维精密扫描；将以上部件操作和数据选择与一部控制计算机相连接，计算机内装有测试操作分析软件。
设定针孔光阑6直径为小于光斑艾里斑单元的某个值，调整系统共聚焦状态后，选择如图2所示的平面内扫描范围22，一般为100微米方形，通过二向色镜控制器9控制二向色镜3做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面内扫描范围22从左到右进行扫描成像，根据被测结构高度确定扫描初始位置，并以10纳米步长作为扫描层厚度，然后进行扫描并做数据存储，重复以上步骤，最后重建如图3所示的重建扫描图形23。
当步骤二所述扫描成像聚焦在所述波导或者台阶结构的侧壁上时，由于侧壁成一定角度导致所述光斑反射光不能通过所述针孔光阑6、过滤器7和光电倍增管8成像，图4给出了在进行激光扫描中一个侧壁的几何图形，如果入射光振幅设为1.0，rφ(x)代表光束反射振幅值，则对应反射光振幅值方程(1)为：
方程中η＝1/nwg，nwg是被测材料折射率。把方程(1)与图1和图4相结合可以看出，在侧壁角φ21的部分，即图4中定义范围为0＜x＜a侧壁上，能通过针孔光阑6被光电倍增管8探测到的反射信息比例为：
Pdet＝|rφ(x)·tan(2φ)|2 (2)
已知2φ大于45度，可见能被探测到的反射功率是0，因此对侧壁角φ21测量时在重建图上在侧壁的上下两个角的平面部分(上角：x＞a，下角：x＜0)找到最靠近的转角的特征点，以这两点的连线倾角为由本发明方法测得的侧壁角φ21。
本发明中利用共聚焦激光扫面显微系统进行共聚焦点成像、扫描存储数据和重建再现图形的三步过程分别如图5(a)、(b)和(c)所示。当成像点的橫向直径应小于针孔光阑6直径才能保证成像点全部通，但此时的噪音就会影响两个侧壁上角部分的成像质量，从而影响特征成像点的确定，对侧壁角21的测量很不利。因此，本发明在实施中要设定在针孔光阑6直径为小于艾里斑单元的某个值。从图5(b)中的成像采样到5(c)中的图形重建过程，侧壁角21从φ变为φim，其变化量主要由图4所示的侧壁结构的高度由h变为him所决定的。
轴向艾里斑单元大小在成像点和重建图中分别为FWHMill,ax和FWHMdet,ax，则有：
由结构的高度h所决定成像斑层数可Mill,cn＝h/FWHMill,ax计算获得，于是从成像斑单元到重建图的高度变化则为：
δhcn＝(FWHMdet,ax-FWHMill,ax)·Mill,cn (4)
最后，我们获得了从侧壁角21的测量值到重建值的角度误差则为：
(5)
其中，λexc为扫描激光光源的波长，n为被测材料的折射率，NA为大口径物镜的数值孔径。
利用前面所给出的共聚焦显微系统成像后重建图形测量侧壁角的方法的固有误差理论模型(2)-(4)，我们获得了如图6所示的误差值δφdet与测量值φ之间对应关系。当重建后获得的侧壁角21最后平均值φave和标准起伏值SDφ，标准起伏起伏值SDφ就是对应平均值的均方根差值，就是误差值，表示为：
在图6中横坐标作为测量获得的平均值φave，其纵坐标对应值就是此测量方法固有的误差。这样，在测量获得的平均值φave基础上减掉固有误差值δφdet作为侧壁角21的最后测量值，而其标准起伏值SDφ就是其测试精度。
当测量目标为某一侧壁结构时，在重建图形上沿着某一侧壁结构的通道方向选择多个切割面，找到所述的上下转角处的特征点并测得侧壁角21，计算某一侧壁结构所有切割面处侧壁角21的平均值φave和误差值SDφ，就获得该通道的侧壁角21测量值和测量精度值。
如果被测波导或台阶结构的高度为几十到几百纳米，完成某一侧壁结构的测量后，还将对切割面内的其它通道重复测量以获得不同通道的侧壁测量值和测量精度，进而对不同通道的侧壁角21测量值求平均获得更精确的侧壁角21测量值和加工技术的可重复性。
对于一个大面积基片或晶圆上分布的波导或台阶型结构，将不同的方位
和不同的半径R两个坐标划分多个测量区域，然后对每一个区域重复上述测量，以获得同一波导结构在晶圆不同区域的分布。
对于未完成刻蚀加工的晶圆而言，当通过获得侧壁角21在整个基片上的分布后，可以在继续刻蚀之前调整加工工艺细节以矫正前面加工所引起的过大角度差。
对于已完成刻蚀加工的晶圆而言，当获得侧壁角21在整个基片上的分布后，可以在开始进入到下一步加工之前，可以考虑利用后处理工艺技术矫正前面加工所引起的过大角度差。
为清楚说明本发明的测定介质材料微纳米级光波导及台阶型结构的侧壁角的方法，下面结合附图详细阐述本发明两个比较实施例，实施方法为：
1)选择一个ZEISS激光共聚焦显微镜镜LSM710，打开主机后预热几分钟，然后将被测基片放在载物台上10上；
2)设定共聚焦成像点处探测器光阑针孔为0.3AU，选择扫描范围并根据被测件总厚度选择扫描分层厚度为10纳米；
3)调整系统共聚焦状态后进行扫描并做数据存储，进而根据基底或晶圆大小及器件分布选择扫描点数量重复扫描；
4)重建扫描存储的图形。
实施例1：对于如图7A所示的重建的扫描图形，在同一波导通道上选择不同的位置做切割截面后求侧壁角21值，然后对所有选择的位置求平均值φave和标准起伏值。然后利用图6给出的测量固有误差对获得的如图7B所示平均值进行补偿，获得最后值。从图5B可知，左右侧壁角的平均值φave分别为84.90°和84.83°，由图4给出的测量误差对应于这两个角度值分别为-1.93°和-1.97°，这样所测波导结构的左右侧壁角分别为：84.90°-(-1.93°)＝86.83°和84.83°-(-1.97°)＝86.80°。
实施例2：对于重建的扫描图形，如图8A所示，选择多个波导通道，选择一个位置做切割截面后求侧壁角21值，然后对所有波导通道或结构求平均值φave和标准起伏值。然后利用图4给出的测量固有误差对获得的如图8B所示平均值φave进行补偿，获得最后值。从图8B可知，左右侧壁角的平均值φave分别为85.00°和84.90°，由图6给出的测量误差对应于这两个角度值分别为-1.90°和-1.93°，这样所测波导结构的左右侧壁角分别为：85.00°-(-1.90°)＝86.90°和84.90°-(-1.93°)＝86.83°。
对于本发明各个实施例中所阐述的利用共聚焦激光扫描显微镜对微纳米级光波导及台阶型结构侧壁角进行无损精密测量的方法，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：
步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；
步骤二：在被测物体内设定一个包含所有波导或者台阶结构的平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；
步骤三：当步骤二所述光斑聚焦在所述波导或者台阶结构的侧壁上时，由于侧壁成一定角度导致所述光斑反射光不能通过所述针孔光阑、过滤器和光电倍增管成像，所述波导或者台阶结构的侧壁成像为空白；扫描完成后，通过在成像重建图上，在上下两条线的同侧找到转角的像点，两点的连线与上线和下线成的倾角为重建图中得到的侧壁角的上角和下角；
步骤四：当光电倍增管接收到光斑反射的成像点时，光电倍增管的振动和图像重建时的噪声会影响重建图中两个侧壁角的成像质量，使测得的侧壁角存在误差，将图像重建时获得的侧壁角的数值基础上减掉计算得到的固有误差值就是侧壁角的测量值，实现了利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法。
2.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，计算所述误差的过程如下：轴向艾里斑单元大小在成像点和重建图中分别为FWHMill,ax和FWHMdet,ax，
其中，λexc为激光光源的波长，n为被测材料的折射率，NA为大口径物镜的数值孔径，
成像斑层数通过Mill,cn＝h/FWHMill,ax计算获得，h为被测物的高度值，
于是从成像斑单元到重建图的高度变化则为：
δhcn＝(FWHMdet,ax-FWHMill,ax)·Mill,cn，
从而获得了从成像图形到重建图形的角度误差则为：
3.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，步骤一所述的二向色镜以10纳米步长向上运动。
4.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，所述步骤二中的扫描区域为100μm2。
5.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，步骤一所述的短波长激光器的波长范围为405-450nm。
6.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，步骤二可以替换为：在被测物体内设定一个最少包含一个完整波导或者一个完整台阶结构的立体空间，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰、前后和左右运动，使光斑在所述立体空间附近从左到右，从前到后进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述立体空间，形成图像存储在计算机中。
7.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，还包括一个呈放被测物，最大转角为45度的载物台。
8.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，还包括一个与利用共聚焦激光扫描显微系统连接的计算机。
9.根据权利要求1所述的利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法，其特征在于，所述二向色镜控制器控制二向色镜做三维扫描运动。
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