CN112146592B - 基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置，包括光频梳，用于作为测量光源，输出宽谱脉冲；脉冲处理模块，用于对光频梳输出的宽谱脉冲进行预加啁啾和光谱分割，将宽谱脉冲处理成一串窄谱子脉冲；半透半反镜，用于将窄谱子脉冲分为参考光和信号光；衍射元件，用于将信号光进行衍射，将光谱分布转换成空间分布；信号光探测器，用于收集经待测样品反射后的并经过衍射元件和半透半反镜的信号光。采用单像素相机即可完成测量，降低了对探测器像素的要求。可通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节待测器件平移速度来提高轮廓测量横向分辨率。测量速度快，可用于产线上的微纳器件表面轮廓测量，满足高通量测量要求。

Description

基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微纳轮廓测量技术领域，尤其涉及一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置及方法。

背景技术

微纳器件表面轮廓测量技术在集成电路、MEMS器件等领域有着广泛的应用。随着微电子制造技术和加工技术的快速发展，微纳器件生产效率越来越高，结构越来越复杂，特征尺寸越来越小，这就对微纳器件表面轮廓的高分辨率快速测量提出了新的挑战。

传统的测量方法中，接触式测量方法具有极高的测量精度和横向分辨率，但该类方法需要逐点扫描，测量速度较慢，而且容易划伤样品表面；基于传统白光干涉等原理的光学测量方法可实现无接触测量，但受光学衍射极限和物镜数值孔径的限制，纵向及横向测量分辨率较差，且需要高精度调焦系统，测量速度较慢。现有技术中通过采用扩束后的飞秒光梳作为面阵光源测量待测样品，通过扫描脉冲重复频率实现器件三维结构的纵向扫描，完成表面轮廓测量。但该方法的横向分辨率受限于探测相机的像素，且扫描耗时较长。

现有技术存在如下技术缺陷：

(1)传统探针式的测量方法是通过逐点扫描来实现轮廓测量，白光干涉测量需要高精度调焦，光梳面阵测量需要扫描重复频率，以上方法测量耗时较长，无法满足微纳器件生产线上高通量的测量要求。

(2)白光干涉方法的横向分辨率受限于光学衍射极限和物镜数值孔径，面阵测量方法的横向分辨率受限于相机的像素，无法应对微纳器件越来越小的特征尺寸。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置，包括光频梳、脉冲处理模块、半透半反镜、衍射元件和信号光探测器，其中

光频梳，用于作为测量光源，输出宽谱脉冲；

脉冲处理模块，用于对所述光频梳输出的宽谱脉冲进行预加啁啾和光谱分割，将所述宽谱脉冲处理成一串窄谱子脉冲；

半透半反镜，用于将所述窄谱子脉冲分为参考光和信号光；

衍射元件，用于将所述信号光进行衍射，将光谱分布转换成空间分布；

信号光探测器，用于收集经待测样品反射后的并经过衍射元件和半透半反镜的信号光。

可选地，所述测量装置还包括参考光探测器和数据采集处理模块，其中，参考光探测器和信号光探测器的信号由数据采集处理模块进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据。

可选地，所述脉冲处理模块中还包括在预加啁啾和光谱分割后增加功率放大功能，提升子脉冲能量。

可选地，所述光频梳采用基于片上微环谐振腔的微腔光梳作为测量光源，提高系统集成化程度。

可选地，采用机械扫描装置调节所述衍射元件，实现单个微纳器件表面轮廓的扫描测量。

可选地，采用光纤光路替代所述半透半反镜，避免功率损耗。

作为本发明的另一方面，提供了一种如上所述的测量装置的方法，包括以下步骤：

测量光源输出的宽谱脉冲经过脉冲处理模块进行预加啁啾和光谱分割得到一串窄谱子脉冲；

窄谱子脉冲经过半透半反镜分为两束，一束作为参考光进入参考光探测器，另一束作为信号光，经过衍射元件衍射后，各个子脉冲在空间上依次排开，照射在待测样品上；

经过待测样品反射的信号经过衍射元件和半透半反镜后进入信号光探测器；

参考光探测器和信号光探测器的信号由数据采集处理模块进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据；

平移待测样品使子脉冲串横向扫过整个样品，即可得到完整的三维轮廓信息。

可选地，通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节样品平移速度来提高测量结果横向分辨率。

基于上述技术方案可知，本发明的基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)采用单像素相机即可完成测量，降低了对探测器像素的要求。

(2)可通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节待测器件平移速度来提高轮廓测量横向分辨率。

(3)测量速度快，可用于产线上的微纳器件表面轮廓测量，满足高通量测量要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光梳轮廓测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的可以用于代替半透半反镜的光纤光路。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、宽谱光频梳；2、脉冲处理模块；3、半透半反镜；

4、参考光探测器；5、衍射元件；6、待测样品；

7、信号光探测器；8、数据采集处理模块；

9、光纤分束器；10、光纤环形器；11、光纤准直器。

具体实施方式

本发明采用宽谱光频梳作为测量光源，通过处理将一个宽谱脉冲分割成一系列窄谱子脉冲，该系列子脉冲具有不同的谱段，且在时域上按光谱成分等间隔排列。利用衍射元件将光谱分布转换成空间分布，不同空间位置的子脉冲经待测样品反射，返回到探测器的时间不同，采用单像素探测器即可完成多点测量，根据子脉冲飞行时间数据可获得三维轮廓信息。该装置可用于微纳器件表面轮廓线上测量，有望为半导体领域提供新的检测手段。

具体的，本发明公开了一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置，包括光频梳、脉冲处理模块、半透半反镜、衍射元件、参考光探测器、信号光探测器和数据采集处理模块，其中

光频梳，用于作为测量光源，输出宽谱脉冲；

脉冲处理模块，用于对所述光频梳输出的宽谱脉冲进行预加啁啾和光谱分割，将所述宽谱脉冲处理成一串窄谱子脉冲；

半透半反镜，用于将所述窄谱子脉冲分为参考光和信号光；

衍射元件，用于将所述信号光进行衍射，将光谱分布转换成空间分布；

参考光探测器，用于探测参考光信号；

信号光探测器，用于收集经待测样品反射后的并经过衍射元件和半透半反镜的信号光；

数据采集处理模块，用于采集、处理两个探测器信号，得到所有子脉冲的飞行时间数据。

作为一可选实施例，所述脉冲处理模块中还包括在预加啁啾和光谱分割后增加功率放大功能，提升子脉冲能量。

作为一可选实施例，所述光频梳采用基于片上微环谐振腔的微腔光梳作为测量光源，提高系统集成化程度。

作为一可选实施例，采用机械扫描装置调节所述衍射元件，实现单个微纳器件表面轮廓的扫描测量。

作为一可选实施例，采用光纤光路替代所述半透半反镜，避免功率损耗。

作为本发明的另一方面，还公开了一种如上所述的测量装置的方法，包括以下步骤：

测量光源输出的宽谱脉冲经过脉冲处理模块进行预加啁啾和光谱分割得到一串窄谱子脉冲；

窄谱子脉冲经过半透半反镜分为两束，一束作为参考光进入参考光探测器，另一束作为信号光，经过衍射元件衍射后，各个子脉冲在空间上依次排开，照射在待测样品上；

经过待测样品反射的信号经过衍射元件和半透半反镜后进入信号光探测器；

参考光探测器和信号光探测器的信号由数据采集处理模块进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据；

平移待测样品使子脉冲串横向扫过整个样品，即可得到完整的三维轮廓信息。

作为一可选实施例，可以通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节样品平移速度来提高测量结果横向分辨率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的测量装置的结构示意图。该装置采用宽谱光频梳1作为测量光源，光源输出的宽谱脉冲经过脉冲处理模块2进行预加啁啾和光谱分割。通过预加啁啾，让宽谱脉冲中的光谱成分在时间上依次分开，然后利用滤波等手段将宽谱脉冲分割成一系列窄谱子脉冲，而且子脉冲之间都具有不同的光谱成分。这样，宽谱脉冲被处理成一串具有不同光谱成分，且在时间上等间隔分布的窄谱子脉冲，相邻子脉冲之间的时间延迟量Δτ取决于预加的啁啾量。

子脉冲串经过半透半反镜3分为两束，一束作为参考光进入参考光探测器4，另一束作为信号光，经过衍射元件5衍射后，各个子脉冲在空间上依次排开，照射在待测样品6上，子脉冲串的作用等效于一束线光源。反射信号经过衍射元件5和半透半反镜3后进入信号光探测器7。由于相邻的子脉冲之间都具有一个时间间隔Δτ，所以只要待测样品轮廓的起伏高度小于子脉冲间隔的一半Δτ/2，子脉冲串仍然会按照入射的顺序返回信号光探测器，因此采用单像素探测器即可完成所有子脉冲的探测。

两个探测器的信号由数据采集处理模块8进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据。然后平移待测样品让子脉冲串横向扫过整个样品，即可得到完整的三维轮廓信息。

本测量方法中每一个子脉冲都对应着子脉冲沿空间排列方向测量结果的一个像素，而与其垂直方向的横向分辨率是由光源脉冲重复频率和样品平移速度决定的，因此可通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节样品平移速度来提高测量结果横向分辨率。该装置可实现产线上微纳器件表面轮廓的高分辨率快速测量。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)脉冲处理模块中，预加啁啾和光谱分割的顺序可以调换；

(2)脉冲处理模块中，根据需要可以在预加啁啾和光谱分割后增加功率放大功能，提升子脉冲能量。

(3)可采用基于片上微环谐振腔的微腔光梳作为测量光源，提高系统集成化程度；

(4)可采用机械扫描装置调节衍射元件，实现单个微纳器件表面轮廓的扫描测量；

(5)采用光纤光路替代空间光路，可减少空气对测量结果的影响；

(6)采用如图2所示的光纤光路替代半透半反镜，可以避免功率损耗；该光纤光路由光纤分束器9、光纤环形器10和光纤准直器11组成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光频梳的微纳器件表面轮廓线上测量装置，其特征在于，包括光频梳、脉冲处理模块、半透半反镜、衍射元件和信号光探测器，其中

光频梳，用于作为测量光源，输出宽谱脉冲；

脉冲处理模块，用于对所述光频梳输出的宽谱脉冲进行预加啁啾和光谱分割，将所述宽谱脉冲处理成一串窄谱子脉冲；

半透半反镜，用于将所述窄谱子脉冲分为参考光和信号光；

衍射元件，用于将所述信号光进行衍射，将光谱分布转换成空间分布；

信号光探测器，用于收集经待测样品反射后的并经过衍射元件和半透半反镜的信号光；

其中，采用机械扫描装置调节所述衍射元件，实现单个微纳器件表面轮廓的扫描测量。

2.根据权利要求1所述的微纳器件表面轮廓线上测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括参考光探测器和数据采集处理模块，其中，参考光探测器和信号光探测器的信号由数据采集处理模块进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据。

3.根据权利要求1所述的微纳器件表面轮廓线上测量装置，其特征在于，所述脉冲处理模块中还包括在预加啁啾和光谱分割后增加功率放大功能，提升子脉冲能量。

4.根据权利要求1所述的微纳器件表面轮廓线上测量装置，其特征在于，所述光频梳采用基于片上微环谐振腔的微腔光梳作为测量光源，提高系统集成化程度。

5.根据权利要求1所述的微纳器件表面轮廓线上测量装置，其特征在于，采用光纤光路替代所述半透半反镜，避免功率损耗。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的微纳器件表面轮廓线上测量装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量光源输出的宽谱脉冲经过脉冲处理模块进行预加啁啾和光谱分割得到一串窄谱子脉冲；

窄谱子脉冲经过半透半反镜分为两束，一束作为参考光进入参考光探测器，另一束作为信号光，经过衍射元件衍射后，各个子脉冲在空间上依次排开，照射在待测样品上；

经过待测样品反射的信号经过衍射元件和半透半反镜后进入信号光探测器；

参考光探测器和信号光探测器的信号由数据采集处理模块进行采集、处理，得到所有子脉冲的飞行时间数据；

平移待测样品使子脉冲串横向扫过整个样品，即可得到完整的三维轮廓信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过增加子脉冲数量、增加脉冲重复频率和调节样品平移速度来提高测量结果横向分辨率。

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