基于紅外光干涉技術(shù)的微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部三維形貌測量*

牛康康,丑修建,杜妙璇,薛晨陽,張文棟

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

隨著 MEMS(micro-electro mechenical systems)器件從研發(fā)階段到產(chǎn)業(yè)化階段的過渡,以及廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的日益增加,對其性能測試的需求也越來越迫切。MEMS測試技術(shù)是 MEMS設(shè)計、仿真、制造及產(chǎn)品質(zhì)量控制和性能評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其本身正經(jīng)歷著一個從二維平面到三維立體、從表面到內(nèi)部、從靜態(tài)到動態(tài)、從單參量到多參量耦合、從封裝前到封裝后的發(fā)展過程。

MEMS器件的微觀形貌尺寸對其性能評價具有直接影響,能夠更全面更真實的反映微器件及系統(tǒng)的特征和質(zhì)量。微觀形貌的測量方法有很多種,通常可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測量容易損壞器件表面從而影響器件性能,同時觸針可能變形和磨損,在某些高精微表面測量方面的應(yīng)用受到限制。非接觸式測量中以白光掃描干涉法發(fā)展應(yīng)用最為廣泛,其測量原理和系統(tǒng)是在 1980年由 Balasubramanian提出來的[1]。白光干涉測量技術(shù)具有量程大、非接觸、靈敏度高、無損傷、精度高的特點,同時,白光干涉測量法能夠解決單色光干涉測量中存在的2π相位模糊問題,因而更適用于階躍式的和不連續(xù)的表面形貌測量[2-3]。

近年來,美國 Zygo公司和 Veeco公司、德國 Polytec公司及英國泰勒?霍普森有限公司已生產(chǎn)出性能卓越的白光干涉儀,可以獲得高分辨率的三維形貌。國內(nèi)也開展了大量關(guān)于白光干涉測量方面的研究[4-6]。但是,目前的白光干涉儀器主要工作于可見光波段,只能用于微器件表面三維形貌測試,對于基于半導(dǎo)體材料的 MEMS器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)還無法得知。本文利用紅外光對 Si、GaAs等半導(dǎo)體材料相對透明的特性,將現(xiàn)有成熟的白光掃描干涉技術(shù)推廣到紅外光波段,通過紅外光的透射干涉實現(xiàn) MEMS器件內(nèi)部形貌測量。本方法為封裝后的微器件提供了一種有效的“內(nèi)視”手段,為 MEMS微結(jié)構(gòu)和器件工藝質(zhì)量的快速檢測技術(shù)提供了一種新方法。

1 測試原理

1.1 垂直掃描白光干涉原理

垂直掃描白光干涉測量利用了雙光束白光干涉的特性,白光干涉時兩列相干光波之間的允許光程差極小,而且干涉條紋數(shù)目極少。當(dāng)產(chǎn)生干涉時,不同的波長各自產(chǎn)生一組條紋。在光程差為零的位置,不同波長的零級條紋完全重合使得光強達到最大值。隨著光程差及干涉級數(shù)的增加,不同干涉條紋相互錯開使得光強值逐漸減小,到一定程度時干涉條紋會自動消失[1]。基于白光的這種特性,光強值最大的零級條紋很容易與其它級次條紋相區(qū)別。當(dāng)微位移平臺帶動被測器件進行垂直掃描運動時,不同的點會經(jīng)過不同的零光程差位置,同時產(chǎn)生不同的干涉條紋。因此,可以利用白光的零級條紋來指示零光程差的位置,從而獲得各點的相對高度,進而通過相應(yīng)算法準(zhǔn)確的重構(gòu)出器件三維形貌。

1.2 紅外光透射原理

當(dāng)一束寬譜光經(jīng)過半導(dǎo)體材料時,低于某個特定波長 λg的光將被半導(dǎo)體吸收,而高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時,電子吸收光能從價帶躍遷入導(dǎo)帶。顯然,要發(fā)生本征吸收,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg,即：

式中：h為普朗克常數(shù);υ為光頻率。

因此,波長大于 λg的光能透過半導(dǎo)體,而波長小于 λg的光將被半導(dǎo)體吸收。Si的禁帶寬度為1.12 ev,最小透射波長為 1.10μm。

2 紅外光干涉測試系統(tǒng)及算法

2.1 測試系統(tǒng)

圖1所示為所設(shè)計紅外光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)采用 Linnik干涉結(jié)構(gòu),物鏡放大倍數(shù) 40X,數(shù)值孔徑 0.65。光源采用紅外鹵素光源,光譜范圍1 100 nm～1 400 nm,在此波段對半導(dǎo)體材料具有良好的透射性能。通過 InGaAs紅外 CCD采集干涉條紋,光譜響應(yīng)范圍 900 nm～1700 nm,像素 320×256,像元大小 30μm。紅外光經(jīng)過分光器(50∶50)后,一束到達參考鏡,一束到達待測器件。兩束光被參考鏡和待測器件反射后沿原路返回,在 CCD陣列上產(chǎn)生干涉,形成干涉條紋。采用 PI公司的 P-622.ZCD微位移平臺驅(qū)動被測器件進行垂直掃描,在測試表面的不同高度達到等光程形成干涉條紋,量程 250μm,分辨率 1 nm。將采集到的干涉圖像輸入計算機,采用 Matlab軟件編制相應(yīng)的干涉信號分析處理算法,實現(xiàn)三維形貌的還原。

圖1 紅外光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗證紅外光干涉測試系統(tǒng)的透射測試性能,取兩片同等厚度(約 400μm)的 Si晶片。一片置于待測器件上方,紅外光透過 Si晶片后到達器件上表面。另一片置于參考鏡前,用于補償紅外光透射器件上方 Si片所引起的光程差。圖 1示出了兩片半導(dǎo)體 Si晶片的位置。

2.2 三維形貌重構(gòu)算法

白光干涉信號處理算法可分為以下兩種：①通過分析光強值信息解算相對高度值：如重心法、垂直掃描法;②通過解算相位信息提取相對高度值：如空間頻域算法、移相法、包絡(luò)線擬合法。在干涉系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)、掃描機構(gòu)、光源光譜寬度等已經(jīng)確定的情況下,零光程差點的定位精度直接決定于干涉信號處理算法。如果直接采用干涉信號的極大值作為零光程差點,則其定位精度容易受到光源波動及噪聲影響,同時需要很高的采樣率,會大大影響測試精度和效率[7]。為了提高測試精度、提高運算速度和減小計算量,本文采用將干涉條紋對比度最大值判別與五步相移法[8]結(jié)合的算法實現(xiàn)對微器件形貌的透射測試[6]。在被測器件垂直掃描移動過程中,根據(jù)式(4)計算得出相鄰五幀 CCD各個不同像素點的調(diào)制度值。當(dāng)調(diào)制度達到最大值時,記錄微位移平臺的移動步數(shù) N,根據(jù)式(6)計算得出相移變化量 Δφ,最后根據(jù)式(5)得到被測器件不同點的高度值。

白光干涉條紋的光強度值可表示為[9]：

式中：I0(x,y,z)為直流光強;C(x,y,z)為干涉條紋調(diào)制度函數(shù),其峰值為兩相干光束達到零光程差的位置;φ(x,y,z)為兩相干光束相位差。

五步相移算法干涉條紋調(diào)制度計算式為[10]：

式中：I1,I2,I3,I4,I5分別為五幀干涉圖的光強。

器件表面各點高度值可表示為：

式中：N為調(diào)制度達到最大值時微位移平臺移動的步數(shù);λ0為光源中心波長;Δφ由五幀相移算法計算[11]。

3 實驗結(jié)果分析與討論

測試器件為北京大學(xué)微電子研究所設(shè)計加工的三層臺階結(jié)構(gòu)樣品。通過三次刻蝕形成三層臺階,為了增加臺階處的反射率,鍍一層厚度約為 300 nm的 Au層。使用 JSM-7500F掃描電子顯微鏡對器件進行了測試。圖 2所示為器件 SEM圖,三個臺階高度分別為 A：1.00μm,B：0.66μm和 C：0.16μm。

圖2 測試樣品SEM圖

為了驗證本紅外光干涉系統(tǒng)的性能,首先使用德國 Polytec公司生產(chǎn)的微系統(tǒng)測試分析儀 MSA 400(Micro System Analyzer)對器件表面進行了非透射形貌測試。選用 50X白光干涉鏡頭,顯微鏡下視場大小為 0.179mm×0.134mm,分辨率為 0.129μm×0.129 μm。曝光時間為 1/120 s,計算方法選用相干相位法。圖 3為測試所得三維形貌和截面圖,臺階高度分別為 A：1.013 7 μm,B：0.6780μm,和 C：0.164 7μm。

接下來采用本紅外光干涉系統(tǒng)對微器件進行透射形貌測試。對干涉圖進行處理分析,圖 4為微器件在掃描過程中某點的干涉相干圖。從圖中可以看出,紅外光干涉條紋的光強是正弦變化的,具有與白光(可見光波段)干涉光強相同的變化特征。在掃描過程中,當(dāng)光程差為零時光強具有最大值,條紋對比度變化劇烈,零級條紋極易與其它次級條紋相區(qū)別,可以很容易確定零光程差的位置。

圖5(a)所示為利用紅外光干涉系統(tǒng)透射測試所得的微器件三維形貌圖,(b)所示為像素 y=60處的臺階截面圖。同 SEM圖和 MSA 400測試結(jié)果相一致,具有較好的三層臺階結(jié)構(gòu)。臺階高度分別為 A：1.014 2μm,B：0.681 8μm和 C：0.167 2μm。圖 5(b)左側(cè)第一個臺階處出現(xiàn)了突跳,應(yīng)為光的衍射效應(yīng)引起[2,12],屬于白光干涉法測量的常見現(xiàn)象。

圖5 紅外光干涉系統(tǒng)測試結(jié)果

表1列出了不同測試方法所得臺階相對高度同SEM測試結(jié)果的相對誤差。采用 MSA 400測試產(chǎn)生的臺階高度誤差分別為 1.37%,2.73%,2.94%,采用紅外光干涉系統(tǒng)透射測試產(chǎn)生的臺階高度誤差分別為 1.42%,3.30%,4.50%。測試結(jié)果證明,紅外光垂直掃描干涉方法可以滿足高精度的測量要求,能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)微器件內(nèi)部形貌的透射重構(gòu)。同國外的商業(yè)化儀器 MSA 400相比,測試誤差控制在同一數(shù)量級,具有較高的精確度。

表1 測試結(jié)果比較

4 結(jié)論

將紅外光透射半導(dǎo)體材料特性和白光掃描干涉方法相結(jié)合,設(shè)計研制了紅外光干涉系統(tǒng),實現(xiàn)了微器件三維形貌透射測試。將透射測試結(jié)果同 SEM和 MSA 400表面測試結(jié)果進行了比較分析,該方法可實現(xiàn)對百 nm量級臺階高度的精確透射測試,誤差為 4.5 0%。同目前的白光干涉測量儀器相比,該方法可用于測試基于 S i、G a A s等非透明半導(dǎo)體材料的 M E M S器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,檢查封裝后 M E M S器件的內(nèi)部缺陷等。

[1]Lee B S,Strand T C.Profilometry with a Coherence Scanning Microscope[J].Applied Optics,1990,29(26)：3784-3788.

[2]Roy M,Schmit J,Hariharan P.White-Light Interference Microscopy：Minimization of Spurious Diffraction Effectsby Geometric Phase-Shifting[J].Optics Express,2009.17(6)：4495-4499.

[3]Thomas D,Gerd H,Holger V.Three Dimensional Sensing of Rough Surfacesby Coherence Radar[J].Applied Optics,1992,31(7)：919-9251.

[4]李新弘,章海軍,張冬仙.基于白光干涉的自穩(wěn)定定量相位成像系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報,2008,28(7)：1279-1282.

[5]楊軍,苑立波.白光干涉雙環(huán)傳感網(wǎng)絡(luò)理論與實驗研究[J].光學(xué)學(xué)報,2005,25(6)：731-736.

[6]戴蓉,謝鐵邦,常素萍.垂直掃描白光干涉表面三維形貌測量系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù),2006,32(4)：545-552.

[7]李其德,盧榮勝.白光掃描干涉測量算法[J].科學(xué)儀器與裝置,2008,4：78-81.

[8]Stoilov G,Dragcstinov T.Phase-Stepping Interferometry：Five-Frame Algorithm with an Arbitrary Step[J].Optics and Lasers in Engineering,1997,(28)：61-69.

[9]Nikolaidis N,Pitas I.Robust Image Watermarking in the Spatial Domain[J].Signal Process,1998,66(3)：385-403.

[10]Nikolaidis A,Pitas I.Asymptotically Optimal Detection for Additive Watermarking in the DCT and DWT Domains[J].IEEE Transactions on IP,2003,12(5)：563-571.

[11]Wang Y,Doherty J.A Wavelet-Based Watermarking Algorithm for Ownership Verification of Digital Images[J].IEEE Transactions on IP,2002,11(2)：77-88.

[12]Harasaki A,Wyant JC.Fringe Modulation Skewing Effectin White Light Vertical Scanning Interferometer[J].Appl Opt,2000,39(13)：2101-2106.