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技术方案

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

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
作为目前最成熟的平面光波线路(Planarlightwavecircuit,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(criticaldimension,CD)、侧壁倾角(Sidewallangle,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(OpticalMicroscope,OM)、光学x-射线衍射仪(X-RayDiffractionMeter,XRD-Meter)、新发展起来的有扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)、原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,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。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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本专利技术共聚焦激光扫描显微系统结构示意图。图2本专利技术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本专利技术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本专利技术中放大的被测侧壁、侧壁角示意图及相关定义；图5本专利技术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本专利技术中侧壁角测量误差与侧壁角本身值的关系模拟图。图7本专利技术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本专利技术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专利技术做进一步详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
2018.12.19 CN 20181155542001.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F...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙德贵，尚鸿鹏，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22