[发明专利]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

说明书

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。

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