本公开内容涉及用于纳米光子器件的光学计量。根据本公开内容的计量系统包括样本相机和参考相机，每个相机连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机。可调光源被引导到经受样本相机成像的纳米光子器件，并且参考光源经受所述参考相机成像以在存储器中记录参考照明参数。所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。示例示出了用于以晶片级或卷对卷组件制造的线栅偏振器和其他器件的计量。
High throughput and high resolution optical metrology for reflection and transmission nanophotonic devices
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于反射和透射纳米光子器件的高吞吐量、高分辨率光学计量相关申请的交叉引用本申请要求于2016年10月26日提交的美国临时专利申请序列号62/413,291的权益，该专利申请的公开内容通过引用明确地并入本文。关于联邦政府资助研究的声明本专利技术是在国家科学基金会授予的授权号ECCS1120823和EEC1160494下借助政府支持做出的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本公开内容涉及用于纳米光子器件的光学计量。
技术介绍
纳米加工的最新进展为在晶片级和卷对卷(R2R)生产线上制造大量大面积纳米光子器件铺平了道路。这些器件包括：纳米制造的线栅偏振器(WGP)，其可以将液晶显示器(LCD)中的功耗降低多达20％；透明金属网格，其使得能够实现灵活的触摸屏和显示器；等离子体滤色器，其可以简化相机滤色器组件和实现更高的相机分辨率；以及，Si纳米线(SiNW)阵列，其可用于增强各种感测器件并具有独特的光谱性质。正在创建生产线以制造晶片级和卷对卷(R2R)的各种纳米光子器件。这些生产线上需要计量来表征器件和管理产出。计量必须在高吞吐量下进行表征，但它还必须保持高空间分辨率，以便识别小缺陷和细微的区域到区域变化。换句话说，正在创建生产线以制造晶片级、卷对卷(R2R)和片对片(S2S)的各种纳米光子器件，诸如纳米制造的偏振器(NFP)、金属网格和纳米结构颜色。对于这些生产线而言需要的计量是高空间分辨率和高吞吐量的，以便可以进行实时检查，同时具有识别小缺陷和细微的区域到区域变化的能力。关键尺寸(CD)计量，诸如SEM和AFM，吞吐量太低而不是高吞吐量纳米光子器件制造的良好候选者。另一方面，功能计量非常适合于纳米光子器件制造，因为它可以在高吞吐量和高空间分辨率下完成。本公开内容描述了称为纳米光子功能计量(NFM)的用于纳米光子器件的功能计量的一般方法。NFM系统由三个主要部件组成：1.光源、2.光学部件和3.相机传感器。NFM系统产生被检查的纳米光子器件的纳米光子特性的图像。由于纳米光子特性图像是空间上分辨的，因此不仅可以检测各种缺陷，而且可以基于它们的空间签名连同它们的根本原因一起来识别，这极大地有助于产出管理。讨论了一般NFM系统的设计考虑因素以及数据处理和一些更具体的设计思想。针对一些特定的纳米光子器件制造场景以说明NFM的一些实施方案。最后，我们展示了NFP的根本原因分析的一个实施方案。传统的关键尺寸(CD)计量如扫描电子显微镜法(SEM)和散射测量法难以达到目标吞吐量。例如，SEM只能以CD本身的量级的视场测量CD，因此不可能表征每分钟许多平方厘米的器件区域。散射测量法可用于表征大小为1cm2的区域，但测量结果是整个区域的单一平均值，这意味着无法在大区域上识别小的缺陷和细微的区域到区域变化。为了使散射测量法与成像分光光度计的空间分辨率相匹配，需要一个接一个地进行数百万个小面积测量，这将花费太长时间而不实用。此外，CD计量不能随R2R纳米光子学制造而扩展。纳米加工的最新进展为在晶片级、卷对卷(R2R)和片对片(S2S)生产线上制造大量纳米光子器件铺平了道路。这些纳米光子器件包括：纳米制造的偏振器(WGP)[1,2,3,4]，其可以将液晶显示器(LCD)中的功耗降低多达20％；金属网格，其使得能够实现灵活的触摸屏和显示器[5,6,7,8]；完美的吸收剂，如黑硅[9]；以及各种金属和/或电介质纳米结构颜色[10-19]，其可在超高分辨率和/或微显示器和打印或在光谱相机传感器中用作滤色器。纳米加工工艺包括槽模涂布、喷墨、凹版涂布、浸涂和刀口涂布。真空纳米制造工艺包括：真空沉积工艺，例如溅射、电子束蒸发、掠射角溅射、掠射角电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积、化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积；等离子体蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻、电感或电容耦合等离子体反应离子蚀刻和离子铣削；真空图案化工艺，如电子束光刻、X射线光刻和离子束光刻。另外，周围环境纳米图案化工艺包括光刻、压印光刻、各向同性湿法蚀刻技术和各向异性湿法蚀刻技术，例如结晶蚀刻和金属辅助化学蚀刻。这些生产线上将需要计量以提供质量控制并提供用于产出管理的手段——其中识别出有缺陷的器件并且可以准确找出并纠正缺陷的根本原因。计量必须在高吞吐量下进行表征以跟上生产线的步伐，并且其数据必须是空间上分辨的，以便可以成功地识别小缺陷和细微的区域到区域变化。如我们将要展示的那样，用于纳米光子器件的功能计量可以同时完成这两件事。例如，示出了图3中所示的先前系统。在图3D中，传统的分光光度法使用单个光电倍增管进行图3E的相关CR。图3F的成像分光光度法使用相机进行图3G中所示的并行测量。如本文所讨论的图3H的成像分光光度法显示图3i中CR计算的更高分辨率。在图3H中，纳米光子器件(380)的样品平面经受来自下方并被引导通过纳米光子器件(380)到达相机(350)的光。纳米计量的传统方法——其是关键尺寸(CD)计量，如SEM和AFM——将极难达到与纳米光子器件生产线保持同步所需的吞吐量。例如，SEM只能以CD本身的量级的视场测量CD，因此几乎不可能在高吞吐量下表征大区域。散射测量法可用于表征更大的区域，并有可能利用成像技术来实现高空间分辨率，但测量通常需要在大量的按顺序测量的单独状态(如不同的散射角度)下获取数据，并且接着是通过逆模型计算或查找表搜索CD。这固有地限制了散射测量法的吞吐量。关键尺寸(CD)计量对于高吞吐量纳米光子器件制造难以扩展。幸运的是，CD计量不是器件表征所必需的。可以改为使用功能计量——其顾名思义测量器件的功能，在这种情况下，它能够具有高得多的吞吐量。功能计量通常以芯片的电测试的形式用于半导体工业中。电气测试可以在几秒内完成，这可以使由数十亿个单独的晶体管、过孔和互连组成的芯片全都以重要的CD合格。有人可能会争辩说，如果芯片通过电气测试，可以假设CD处于规格状态而无需直接测量它们。现在，因为芯片生产线具有数百个单独的制造步骤，所以在中间步骤中的CD计量仍然是必要的，但是在纳米光子器件制造中，完成的器件可能仅需要少量的制造步骤(～5)。在没有中间CD计量的情况下对完成的纳米光子器件进行功能计量是最有效的。这些生产线上将需要计量以提供质量控制并提供用于产出管理的手段——其中识别有缺陷的器件并且可以准确找出并且纠正缺陷的根本原因。计量必须在高吞吐量下进行表征以跟上生产线的步伐，并且其数据必须是空间上分辨的，以便可以成功识别小缺陷和细微的区域到区域变化。如我们将要展示的那样，用于纳米光子器件的功能计量可以同时完成这两件事。本文公开的系统和方法解决了这些和其他需求。
技术实现思路
根据本公开内容的计量系统包括样本相机和参考相机，每个相机连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机。可调光源被引导到经受样本相机成像的纳米光子器件，并且参考光源经受所述参考相机成像以在存储器中记录参考照明参数。所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。附图说明包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了下面描述的几个方面。图1A和1B是用于透射和反射测量的系统架构的示意图。图2是本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种计量系统，包括：样本相机和参考相机，每个相机都连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机；可调光源，被引导到经受所述样本相机成像的纳米光子器件；参考光源，经受所述参考相机成像以记录所述存储器中的参考照明参数；其中，所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别所述纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.26 US 62/413,2911.一种计量系统，包括：样本相机和参考相机，每个相机都连接到配置有计算机处理器和计算机化存储器的至少一个计算机；可调光源，被引导到经受所述样本相机成像的纳米光子器件；参考光源，经受所述参考相机成像以记录所述存储器中的参考照明参数；其中，所述计算机化存储器存储计算机可读软件命令，其从所述样本相机和所述参考相机收集各组图像数据，以通过比较所述各组图像数据来识别所述纳米光子器件的至少一个纳米光子特性。2.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述图像数据包括样本强度值和参考强度值，所述样本强度值对应于在所述样本相机处从经受所述可调光源的所述纳米光子器件接收的至少一个样本光束，所述参考强度值对应于在所述参考相机处从所述参考光源接收的至少一个参考光束，并且其中所述处理器用于比较所述样本强度值和所述参考强度值以识别所述至少一个纳米光子特性。3.根据权利要求2所述的计量系统，其中，所述纳米光子器件使所述样本光束偏振，并且其中所述计算机通过取偏振样本光束的所述样本强度值与所述参考强度值的比率来识别偏振转换效率。4.根据权利要求3所述的计量系统，其中，所述计算机计算所述样本强度值除以所述参考样本值的对比率。5.根据权利要求1所述的计量系统，还包括至少一个光学部件，所述光学部件选自由透镜、分束器、衍射光栅和反射镜组成的组，其中所述光学部件引导所述可调光源和所述参考光源中的任一个或两个到相应的相机。6.根据权利要求1所述的计量系统，还包括参考偏振器，所述参考偏振器使被引导至所述参考相机的参考光束偏振。7.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述参考相机和所述样本相机被配置在双光束系统中，使得同时进行参考测量和样本测量。8.根据权利要求7所述的计量系统，还包括分束器，使得所述可调光源和所述参考光源被配置为单个光源，所述单个光源与所述分束器一起定位在光路中，使得所述分束器引导样本光束在所述纳米光子器件处和引导参考光束在所述参考相机处。9.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述纳米光子器件相对于所述样本相机定位，使得所述图像数据包括从通过所述纳米光子器件透射的所述样本光束收集的透射图像数据或从通过所述纳米光子器件反射的所述样本光束收集的反射图像数据。10.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述系统包括指向所述纳米光子器件的多个部分的多个样本相机，并且所述样本图像数据包括来自所述多个样本相机的累积像素值。11.根据权利要求1所述的计量系统，其中，所述样本相机和所述参考相机被配置成从其上放置所述纳米光子器件的卷对卷制造组件或从其上放置所述纳米光子器件的晶片级制造组件收集各组图像数据。12....
【专利技术属性】
技术研发人员：S·V·斯瑞尼瓦桑，B·加夫利克，S·辛格尔，
申请(专利权)人：得克萨斯州大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US
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