半導體微臺面列陣的測量裝置和方法

2023-05-04 08:25:31

專利名稱：半導體微臺面列陣的測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及具有周期結構且特徵尺寸為微米的半導體微臺面列陣的測量裝置和 方法，本發明的測量裝置實現了微臺面列陣的無損、快速成像與三維尺寸的準確測量。
背景技術：
半導體微臺面列陣成形是紅外焦平面探測器晶片製作的關鍵技術，列陣中的一個 單元對應於最終焦平面探測器的一個像元。焦平面探測器成像質量的提升要求像元數量的 增加與尺寸減小，目前30萬像素焦平面晶片微臺面尺寸已小於10_5cm2，微臺面間距與深度 通常在微米量級。微臺面列陣的製作質量評估，常用的方法是採用刀具解理晶片材料，將含 有微臺面列陣區域且橫截面為平整解理面的樣品置於掃描電鏡中觀察與精確測量。由於微 臺面間距只有數微米，採用探針測量的臺階儀以及原子力顯微鏡等儀器難以測量微臺面的 深度信息。此外，上述測量方法會對樣品造成損傷、破壞，被測晶片材料無法再進行後續制 造工藝。發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種半導體微臺面測量裝置和方法，實現對微臺 面列陣橫向與縱向的無損、快速光學成像並準確提取微臺面尺寸、深度、臺面間距與深度等 信息，從而提高微臺面列陣的測量效率與精度。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案一種半導體微臺面列陣的測量方法，包括如下步驟(1)採用第一裝置測量半導體微臺面列陣樣品的臺面與深度尺寸；所述第一裝置，包括第一熱光源，該第一熱光源發出紅外光；第一分束器，將所述紅外光分成第一光束和第二光束，第一光束通過第一顯微物鏡照射到樣品上，所述樣品固定於第一平移臺上，第一光束 在樣品上的反射光通過第一顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光 敏面上；第二光束通過第二顯微物鏡照射到第一反射鏡上，第一反射鏡固定於第二平移臺上， 第二光束在第一反射鏡上的反射光通過第二顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦 到紅外相機的光敏面上；數據採集卡，採集所述紅外相機的電信號並存儲在計算機上；計算機，連接於所述第一平移臺和第二平移臺，並控制第一平移臺沿垂直於第一光束 的方向移動，實現對樣品的橫向掃描，以及控制第二平移臺沿平行於第二光束的方向移動 以及沿該方向的振動，實現對樣品的縱向掃描與第一反射鏡的振動；(2)採用第二裝置測量半導體微臺面列陣樣品的反射率，使用步驟(I)中測得的臺面 與深度尺寸作為初值去擬合該反射率曲線，得到準確的微臺面列陣樣品的臺面寬度與深度值；所述第二裝置，包括第二熱光源，該第二熱光源發出紅外光；第二分束器，將所述紅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鏡上，所述第四光束照射到第三反射鏡上，第三反射鏡固定於第三平移臺上，第三光束在第二反射鏡上的反射光束透過第二分束器，第四光束在第三反射鏡上的反射光束在第一分束器上發生反射，兩束反射光束通過偏振片與第三分束器後照射在樣品上，樣品固定於第四平移臺上，樣品的反射光照射到第三分束器後發生反射，反射光被單元探測器收集，探測到的電信號通過前置放大器放大後再經過數據採集卡存儲在計算機上並作反射率光譜提取與處理；計算機，連接於所述第三平移臺和第四平移臺，並控制第三平移臺沿垂直於第三光束的方向移動，以及控制第四平移臺沿平行於第四光束的方向移動，實現樣品上入射光波長的掃描。
作為本發明的進一步改進，所述第一熱光源和第二熱光源為滷鎢燈。
作為本發明的進一步改進，所述第一熱光源和第二熱光源的色溫為200(Γ6000Κ。
作為本發明的進一步改進，所述第二平移臺實現O. 01 10 cm/s的勻速運動與 l(TlkHz的振動。
作為本發明的進一步改進，所述紅外相機的探測範圍為O. 8 2.5μ m，幀頻 1(Γ 00Ηζ，所述單元探測器的探測範圍為2 12 μ m。
本發明還公開了一種半導體微臺面列陣的測量裝置，包括第一熱光源，該第一熱光源發出紅外光；第一分束器，將所述紅外光分成第一光束和第二光束，第一光束通過第一顯微物鏡照射到樣品上，所述樣品固定於第一平移臺上，第一光束在樣品上的反射光通過第一顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上；第二光束通過第二顯微物鏡照射到第一反射鏡上，第一反射鏡固定於第二平移臺上， 第二光束在第一反射鏡上的反射光通過第二顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上；數據採集卡，採集所述紅外相機的電信號並存儲在計算機上；計算機，連接於所述第一平移臺和第二平移臺，並控制第一平移臺沿垂直於第一光束的方向移動，實現對樣品的橫向掃描，以及控制第二平移臺沿平行於第二光束的方向移動以及沿該方向的振動，實現對樣品的縱向掃描與第一反射鏡的振動。
本發明還公開了一種半導體微臺面列陣的測量裝置，包括第二熱光源，該第二熱光源發出紅外光；第二分束器，將所述紅外光分成第三光束和第四光束，所述第三光束照射到第 二反射鏡上，所述第四光束照射到第三反射鏡上，第三反射鏡固定於第三平移臺上，第三光束在第二反射鏡上的反射光束透過第二分束器，第四光束在第三反射鏡上的反射光束在第一分束器上發生反射，兩束反射光束通過偏振片與第三分束器後照射在樣品上，樣品固定於第四平移臺上，樣品的反射光照射到第三分束器後發生反射，反射光被單元探測器收集，探測到的電信號通過前置放大器放大後再經過數據採集卡 存儲在計算機上並作反射率光譜提取與處理；計算機，連接於所述第三平移臺和第四平移臺，並控制第三平移臺沿垂直於第三光束 的方向移動，以及控制第四平移臺沿平行於第四光束的方向移動，實現樣品上入射光波長 的掃描。
與現有技術相比，本發明的優點在於1、由熱光源、分束器、反射鏡、探測器與計算機控制的平移臺組成的光學幹涉裝置，可 以實現對被測樣品的光學相干成像。通過更換反射鏡、分束器、探測器等局部配置，還可以 測量樣品反射率隨波長變化的情況。
2、對樣品的光學相干成像可獲取樣品直觀、局部的形貌信息，由光源限制的縱向 解析度與光源、物鏡限制的橫向解析度在微米量級，可確定半導體微臺面列陣準確的橫向 尺寸。
3、測量樣品反射率隨波長變化的情況可分析樣品的周期信息，採用矢量衍射理 論對測量結果進行擬合可以獲得更準確的幾何與光學參數，成像系統與數值計算限制的幾 何參數解析度小於百納米，擬合計算的初值採用光學相干成像提取的樣品信息可以使分析 過程更加快速、準確。


為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1所示為本發明具體實施例中第一裝置的結構示意圖；圖2所示為本發明具體實施例中第二裝置的結構示意圖。
具體實施方式
針對目前半導體微臺面列陣質量評估中遇到的問題，本發明提出一種基於寬譜熱 光源照明Michelson幹涉儀的光學測量裝置與方法，結合光學相干層析技術與衍射度量技 術的特點，可無損、快速的測量微臺面列陣的表面形貌並準確提取微臺面列陣的周期、橫向 尺寸與深度等幾何信息，滿足微臺面列陣的測量要求。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描 述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明 中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1所示為本發明具體實施例中第一裝置的結構示意圖。
參圖1所示，第一熱光源11為滷鎢燈，其發出的紅外光通過濾波片12後在第一分 束器13上分成第一光束和第二光束。第一分束器13為CaF2分束器。
第一光束通過第一顯微物鏡14照射到被測微臺面列陣樣品15上，樣品15固定於 第一平移臺16上，第一光束在樣品15上的反射光通過第一顯微物鏡14和第一分束器13後通過第一透鏡101聚焦到紅外相機102的光敏面上。
第二光束通過第二顯微物鏡17照射到第一反射鏡18上,第一反射鏡18固定於第二平移臺19上，第二光束在第一反射鏡18上的反射光通過第二顯微物鏡17和第一分束器 13後通過第一透鏡101聚焦到紅外相機102的光敏面上。
樣品15與第一反射鏡18上的兩束反射光通過第一分束器13後在第一透鏡101 的作用下照射到InGaAs紅外相機102上，紅外相機102上光強變化引起的電信號通過數據採集卡103後存貯於計算機100上並進行圖像提取與處理。
計算機100，連接於第一平移臺16和第二平移臺19，並控制第一平移臺16沿垂直於第一光束的方向移動，實現對樣品15的橫向掃描，以及控制第二平移臺19沿平行於第二光束的方向移動以及沿該方向的振動，實現對樣品15的縱向掃描與第一反射鏡18的振動。
成像過程中，第二平移臺19上的第一反射鏡18在壓電陶瓷的作用下，在間隔約O.3微米的兩個位置按頻率/來回振動，紅外相機102上探測到隨時間變化的光強
權利要求
1.一種半導體微臺面列陣的測量方法，其特徵在於，包括如下步驟 (1)採用第一裝置測量半導體微臺面列陣樣品的臺面與深度尺寸； 所述第一裝置，包括 第一熱光源，該第一熱光源發出紅外光； 第一分束器，將所述紅外光分成第一光束和第二光束， 第一光束通過第一顯微物鏡照射到樣品上，所述樣品固定於第一平移臺上，第一光束在樣品上的反射光通過第一顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上； 第二光束通過第二顯微物鏡照射到第一反射鏡上，第一反射鏡固定於第二平移臺上，第二光束在第一反射鏡上的反射光通過第二顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上； 數據採集卡，採集所述紅外相機的電信號並存儲在計算機上； 計算機，連接於所述第一平移臺和第二平移臺，並控制第一平移臺沿垂直於第一光束的方向移動，實現對樣品的橫向掃描，以及控制第二平移臺沿平行於第二光束的方向移動以及沿該方向的振動，實現對樣品的縱向掃描與第一反射鏡的振動； (2)採用第二裝置測量半導體微臺面列陣樣品的反射率，使用步驟(I)中測得的臺面與深度尺寸作為初值去擬合該反射率曲線，得到準確的微臺面列陣樣品的臺面寬度與深度值； 所述第二裝置，包括 第二熱光源，該第二熱光源發出紅外光； 第二分束器，將所述紅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鏡上，所述第四光束照射到第三反射鏡上，第三反射鏡固定於第三平移臺上，第三光束在第二反射鏡上的反射光束透過第二分束器，第四光束在第三反射鏡上的反射光束在第一分束器上發生反射，兩束反射光束通過偏振片與第三分束器後照射在樣品上，樣品固定於第四平移臺上，樣品的反射光照射到第三分束器後發生反射，反射光被單元探測器收集，探測到的電信號通過前置放大器放大後再經過數據採集卡存儲在計算機上並作反射率光譜提取與處理； 計算機，連接於所述第三平移臺和第四平移臺，並控制第三平移臺沿垂直於第三光束的方向移動，以及控制第四平移臺沿平行於第四光束的方向移動，實現樣品上入射光波長的掃描。
2.根據權利要求1所述的半導體微臺面列陣的測量方法，其特徵在於，所述第一熱光源和第二熱光源為滷鎢燈。
3.根據權利要求1所述的半導體微臺面列陣的測量方法，其特徵在於，所述第一熱光源和第二熱光源的色溫為200(Γ6000Κ。
4.根據權利要求1所述的半導體微臺面列陣的測量方法，其特徵在於，所述第二平移臺實現O. Ol 10 cm/s的勻速運動與10 lkHz的振動。
5.根據權利要求1所述的半導體微臺面列陣的測量方法，其特徵在於，所述紅外相機的探測範圍為O. 8^2. 5 μ m，幀頻1(Γ 00Ηζ，所述單元探測器的探測範圍為2 12 μ m。
6.一種半導體微臺面列陣的測量裝置，其特徵在於，包括第一熱光源，該第一熱光源發出紅外光；第一分束器，將所述紅外光分成第一光束和第二光束，第一光束通過第一顯微物鏡照射到樣品上，所述樣品固定於第一平移臺上，第一光束在樣品上的反射光通過第一顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上；第二光束通過第二顯微物鏡照射到第一反射鏡上，第一反射鏡固定於第二平移臺上，第二光束在第一反射鏡上的反射光通過第二顯微物鏡和第一分束器後通過第一透鏡聚焦到紅外相機的光敏面上；數據採集卡，採集所述紅外相機的電信號並存儲在計算機上；計算機，連接於所述第一平移臺和第二平移臺，並控制第一平移臺沿垂直於第一光束的方向移動，實現對樣品的橫向掃描，以及控制第二平移臺沿平行於第二光束的方向移動以及沿該方向的振動，實現對樣品的縱向掃描與第一反射鏡的振動。
7.一種半導體微臺面列陣的測量裝置，其特徵在於，包括第二熱光源，該第二熱光源發出紅外光；第二分束器，將所述紅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鏡上，所述第四光束照射到第三反射鏡上，第三反射鏡固定於第三平移臺上，第三光束在第二反射鏡上的反射光束透過第二分束器，第四光束在第三反射鏡上的反射光束在第一分束器上發生反射，兩束反射光束通過偏振片與第三分束器後照射在樣品上，樣品固定於第四平移臺上，樣品的反射光照射到第三分束器後發生反射，反射光被單元探測器收集，探測到的電信號通過前置放大器放大後再經過數據採集卡存儲在計算機上並作反射率光譜提取與處理；計算機，連接於所述第三平移臺和第四平移臺，並控制第三平移臺沿垂直於第三光束的方向移動，以及控制第四平移臺沿平行於第四光束的方向移動，實現樣品上入射光波長的掃描。
全文摘要
本發明提出一種半導體微臺面列陣的測量裝置和方法，該方法基於寬譜熱光源照明幹涉儀的光學測量裝置與方法，結合光學相干層析技術與衍射度量技術的特點，可無損、快速的測量微臺面列陣的表面形貌並準確提取微臺面列陣的周期、橫向尺寸與深度等幾何信息，滿足微臺面列陣的測量要求。
文檔編號G01B11/22GK103033131SQ20121052570
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者熊敏, 趙迎春, 董旭, 時文華, 張寶順 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所