高志山，袁群，孫一峰，馬劍秋，郭珍艷，朱丹，趙雨晴，霍霄，王書敏，張佳樂，周行，吳春霞，范筱昕

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京210094）

0 引言

近些年，世界范圍內的芯片供應鏈問題頻出，出現“芯片荒”現象，引起了公眾對“芯片”相關技術問題的關注。廣義地講，芯片是由一系列滿足特定物理規(guī)律、尺寸且在微納米量級的微納結構組成。當前芯片微納結構的發(fā)展方向，一方面按照摩爾定律朝著更細的線寬節(jié)點、更高密度方向發(fā)展；另一方面，為獲得更大響應面積，朝著高深寬比值愈來愈大的方向發(fā)展。這些發(fā)展方向要求相應的檢測技術能夠快速、無損、信息量大。經過30 多年的飛速發(fā)展，我國在大多數工程領域建設了成套完備的制造裝備和工藝技術基礎，但在有關芯片的技術體系、成套裝備等方面，還需要開展更多的變革性技術和關鍵技術攻關。

隨著光刻技術、激光加工技術的發(fā)展，具有獨特物理性能和精細調控光子、電子的微結構種類很多，應用領域廣泛。微結構出現在不同的制程工藝階段，為了工藝過程的優(yōu)化，所需的檢測儀器基于不同的物理工作原理，種類繁多，有借助于掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的破壞型檢測方法［1-2］，也有無損檢測法［3］，有檢測單參量的技術［4］，也有檢測多參量或三維數據的技術［5］。檢測技術之間的采樣尺度與分辨率不同，存在互補或具有相互校驗作用。本文針對微結構參數光學顯微無損檢測技術，結合作者所在研究團隊的研究工作，分析現有無損檢測方案的技術特點，適用對象和優(yōu)缺點，提出我們的解決方案并給出測量結果。

1 微結構無損檢測原理

1.1 芯片與微結構狀況概述

芯片的內涵很寬，制造芯片的技術手段與有關供應鏈范圍很大。圖1 表示了半導體芯片主要制造過程中的單層制造工藝流程，這樣的工藝流程一般有20～30 層。

圖1 半導體芯片主要制造過程中的單層制造工藝流程Fig.1 Single-layer manufacturing process flow chart in the main manufacturing process of semiconductor chips

微結構是指表面附近存在的對電子、光子或分子進行有效調控的規(guī)則線、點三維分布，也指制程或搬運過程產生的表面線狀或顆粒缺陷不規(guī)則分布，其對電子或光子會產生有害的調控。前者的重要加工工藝手段有光刻、離子反應刻蝕和激光直寫加工技術等。典型器件有：1）在超級運算、飛彈制導、無人駕駛、綠色能源充放電等領域廣泛應用的芯片［6-7］，如圖2 所示；2）應用在機械領域高壓密封環(huán)境下的密封件，摩擦副中的減摩織結構元件［8］，如圖3 所示；3）應用于光學領域的二元衍射透鏡、微光柵、微透鏡陣列與新近發(fā)展很快的超透鏡元件［9-11］等，如圖4 所示。對于有害微結構，希望得到有效檢測和工藝優(yōu)化避免，其產生機理是表面范德華力引起的顆粒吸附、表面污染，或者高能轟擊引起的損傷，或者制程中壓力因素引起的亞表面損傷與裂紋［12-13］，如圖5 所示。

圖3 高壓密封件結構圖Fig.3 Diagram of surface texture on high pressure seals

圖4 超透鏡元件結構圖Fig.4 Diagram of micro-structure on super-lens element

圖5 有害微結構圖Fig.5 Harmful micro-structure diagram

1.2 微結構無損檢測的四種光學顯微方法

光學顯微方法是微結構無損檢測的主流方法，該方法選擇恰當的照明方式，利用微結構形態(tài)對探測光場的衍射、散射或其他調制方式，改變探測光的強度或相位信息，從接收的探測光場中解算出微結構的表征參數或三維形貌，實現微結構的無損檢測。

微結構的光學無損檢測方法有：1）基于明場/暗場照明的顯微放大成像原理獲取包含微結構的圖像信息，是一種寬場直接成像方法，稱為明/暗場顯微機器視覺法［14-19］；2）基于共焦顯微掃描的成像原理，在照明系統(tǒng)中與接收探測器前分別引入針孔光闌，利用光學顯微系統(tǒng)離焦信號與準焦信號強度差異顯著的基本特征，實現亞微米尺度的三維光學顯微技術，如針孔光闌為單孔，則光能利用率高，但掃描速率慢，是一種類似于光學相干層析的云點掃描三維間接成像方法［20-24］；如針孔光闌由一定規(guī)律排列的針孔陣（pinhole disk 或者Nipkow disk）組成，則共焦掃描效率高，但存在光能利用率低、成像信噪比差的風險［25-26］，無論單孔共焦掃描還是針孔陣共焦掃描，其光學原理相同，統(tǒng)稱為共焦顯微成像法，限于篇幅，本文以單孔針孔的共焦掃描成像法為例；3）基于探測光經微結構頂部、底部的反射光衍射干涉光譜和過焦掃描強度兩種圖像的變化規(guī)律，反演周期性光柵或溝槽的微結構參數，分別得到周期性微結構的周期與深度，稱為光譜反演-過焦掃描法［27-33］；4）基于低相干顯微干涉原理，利用顯微系統(tǒng)的垂軸寬場成像與低相干的軸向靈敏定位功能，通過解算上百幅低相干顯微干涉圖，得到微結構的三維形貌，稱為低相干顯微干涉法［34-45］。

近些年，還出現了利用偏振激光結合光學顯微術測量樣品穆勒矩陣信息反演線寬與深度的方法，本質上，是四種主流方法的衍生，對此不做詳細展開。

暗場顯微機器視覺法常采用離軸照明、共軸接收微結構散射圖像的方式。其中離軸照明的離軸角一般在30°～90°之間，圖6 給出典型的暗場離軸照明光路與成像原理［15］。圖6（a）中離軸照明的離軸角為90°，利用側向照明的“光片”入射大尺度玻璃材料，可以檢測大口徑玻璃中氣泡、雜質等缺陷信息；圖6（b）中采用環(huán)繞顯微成像系統(tǒng)光軸的環(huán)形光源照明樣品，樣品中的微觀缺陷散射照明光，進入顯微成像系統(tǒng)。

圖6 暗場離軸照明光路原理Fig.6 Schematic of dark field off-axis illumination light path

共焦顯微成像法常采用點光源照明樣品，照明光經樣品反射或點散射，由顯微物鏡收集，聚焦到探測器表面，在探測器前放置孔徑光闌，只有與探測表面共軛成像的樣品上的點返回的光能在探測器上形成的信號最強，非共軛像的樣品上其他點，離開共軛面的距離越遠，信號越弱。共焦顯微鏡成像的光路原理如圖7所示［23］。圖7（a）為共焦顯微成像的系統(tǒng)光路，圖7（b）給出了探測器光敏面前的小孔光闌示意圖，圖7（c）分別示意了樣品物面沿光軸方向上的準焦面、焦前面、焦后面。經過Z軸方向掃描，依據探測器獲得的光信號，可以得到樣品的Z向層析信息。如再讓樣品沿X、Y二維方向做平移掃描，可以得到樣品的三維結構。

圖7 共焦顯微鏡成像光路原理Fig.7 Schematic of confocal microscopy imaging optical path

光譜反演-過焦掃描法是一種用于深孔或溝槽狀微結構單參數測量的光學檢測方法，其中光譜反演部分利用寬帶光譜（如380～1 000 nm）光源形成近準直的光束入射深孔或深溝槽微結構表面，由頂部反射光和底部反射光形成多光譜干涉，由光譜儀分離隨波長變化的干涉信號，得到微結構深度值，其光路原理如圖8（a）所示。過焦掃描部分則采用大數值孔徑（Numerical Aperture，NA）顯微物鏡明場成像系統(tǒng)，輔以樣品過焦掃描或者陣列探測器在像方的軸向過焦點掃描，獲得過焦點掃面光學顯微鏡（Through-focus Scanning-Optical-Microscope，TSOM）圖像，通過解析，得到納米量級分辨率的線寬數據，其光路原理如圖8（b）所示。

圖8 光譜反演-過焦掃描法原理Fig.8 Schematic diagram of spectral inversion and through-focus scanning

低相干顯微干涉法也是利用寬帶光譜光源，由科勒照明系統(tǒng)形成一定角譜范圍的平行光，照明微結構樣品。其核心組件為干涉顯微物鏡，包含二維放大成像功能的顯微物鏡和軸向一維高度測量功能的等光程干涉腔，干涉腔由等光程的參考臂與樣品臂構成。干涉顯微物鏡首先對微結構樣品顯微成像，與此同時，由參考臂與樣品臂之間的差異形成低相干干涉條紋，疊加于前述的樣品顯微圖像上。再由圖紋合一的圖像隨軸向掃描位置的變化關系，得到微結構的三維形貌。低相干顯微干涉法的光路原理如圖9 所示［34，37］。

圖9 低相干顯微干涉法的光路原理Fig.9 Optical path schematic of low-coherence interferometric microscope

1.3 四種無損檢測方法像場函數的數學表征

這些無損檢測方法都基于光學顯微的放大成像原理，其成像的理論模型可以統(tǒng)一。像場的光強分布函數［24］為

式中，PSF 是點擴散函數，PSFil是顯微照鏡照明系統(tǒng)的點擴散函數，PSFim(x′，y′，z)是顯微成像系統(tǒng)的點擴散函數是樣品物波強度分布函數，n(x′，y′)是像面上成像系統(tǒng)引入的噪聲函數，(x′，y′)是像面坐標，β為顯微成像系統(tǒng)的垂軸放大率，z是物方的軸向坐標，z′=zβ2是像方軸向坐標。物波光強函數中包含z坐標，表示樣品除了在x，y方向有信息外，還可以是三維體樣品，包含深度信息。成像系統(tǒng)的點擴散函數PSFim中包含z變量，表示點擴散函數隨著物面或像面離焦而變化。共焦顯微成像系統(tǒng)與低相干顯微干涉成像通常會在光軸方向（z向）做掃描，將引起成像系統(tǒng)焦面相對于目標的離焦變化。

式（1）適用于表征明場、暗場、共焦顯微成像，也適用于顯微干涉成像。暗場照明的PSFil函數與明場不同；理論表明，通過調控照明與成像系統(tǒng)的點擴散函數，可以讓共焦顯微成像系統(tǒng)實現橫向超分辨［24］。

對于顯微干涉成像，物波光強函數是干涉光強的疊加，對于Mirau 型干涉物鏡，有

式中，kz==ksinθ，k為玻印廷矢量，h(x，y)是樣品函數。對于周期為Λ、高度為h0、光柵線與x軸垂直的相位光柵［46］，有

2 微結構形態(tài)參數和三維形貌的光學無損檢測技術

基于第1 節(jié)闡述的幾種光學原理與方法，可以實現微結構的光學無損檢測。但不同的原理方法針對不同的微結構具有不同的測量功能和特點。

2.1 有害微結構——振幅型缺陷的暗場顯微機器視覺檢測方法

暗場顯微機器視覺法，其離軸照明光束被雜質顆粒、氣泡、條狀紋路等微結構散射后，可以在顯微鏡成像視場的一片暗背景中出現亮點和亮線，形成銳度較高的圖像，暗場顯微鏡可以發(fā)現特征尺寸（Critical Dimension，CD）遠小于顯微鏡瑞利分辨率極限的材料表面缺陷或內部缺陷。

在半導體制程的前道工序中，對刻蝕前的硅裸晶圓表面有害的微結構缺陷，如顆粒狀凸起、凹坑、劃痕等，采用暗場顯微機器視覺法檢測，是硅晶圓缺陷快速檢測的主流方法。以美國KLA-Tencor 公司為代表的硅晶圓缺陷快速檢測設備KLA8900、KLA8920 等都使用了暗場顯微機器視覺法，在暗場照明情況下，利用與圖像采集協(xié)同動作的二維平移吸附硅晶圓工作臺，按照圖10 所示的“蛇形”運動掃描路線，將顯微物鏡（一般為低倍率，有1×、2×、3.5×、5×、10×）的靜態(tài)視場圖像快速拼接，可以實現對12″(?300 mm)左右的晶圓片快速無損檢測，1×物鏡時產能每小時140 片，約25 s檢測一片。在暗場照明情況下，對于10×物鏡，可以達到識別180 nm 的探測靈敏度。

圖10 “蛇形”運動掃描路線Fig.10 “Snake”motion scanning route

在大尺度光學玻璃或激光晶體的表面缺陷檢測中，德國肖特（Schott）廠采用了圖6（a）所示的離軸照明光路，用于對大口徑石英玻璃、無色光學玻璃的氣泡、雜質顆粒檢測。

國內浙江大學相關課題組［13-16］采用了圖6（b）的暗場照明光路，研制了系列大口徑光學元件、硅片、晶件表面的缺陷檢測設備。最大檢測尺寸達1 000 mm×600 mm。圖11 是其暗場顯微機器視覺檢測設備內部顯微部件的實物照片，圖12 是暗場顯微機器視覺檢測方法對100 mm×100 mm 釹玻璃表面缺陷的檢測結果，其中包含麻點、劃痕（道子）等缺陷類型。合肥工業(yè)大學的相關課題組［17-19］采用同樣暗場顯微機器視覺方法，研制了用于大尺度平面顯示屏表面缺陷的檢測裝置。圖13 是薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）顯示屏中周期性紋理與非周期性紋理缺陷的結果。

圖11 暗場檢測設備內部顯微部件的實物圖Fig.11 Physical map of the internal microscopic parts of the dark-field inspection equipment

圖12 暗場顯微機器視覺檢測釹玻璃表面缺陷的結果Fig.12 Defect detection results of Nd glass with dark field microscopy machine vision

圖13 TFT 顯示屏中紋理缺陷結果Fig.13 Texture defect results in TFT displays

2.2 三維“相位”型微結構的光學無損檢測方法

對于傳感器、芯片、高壓密封件等器件中使用的微結構，一般通過主動加工工藝（如光刻、激光直寫、飛秒激光加工等手段）制作形成具有CD 尺寸和深度尺寸復合的三維結構。這些具有深度信息的微結構，如果深度量值不是探測光波波長的整數倍，當探測光波與其相互作用時，微結構可經類似的“壓痕”作用，直接調制探測光波的出射相位，屬于“相位”型微結構。

要測量這些“相位”型微結構的形態(tài)參數或三維形貌，一般在顯微成像檢測微結構二維信息（垂軸平面）的基礎上，還要求測量系統(tǒng)具有軸向（深度方向）掃描能力，才能探測深度方向的信息，第1 節(jié)中論及的共焦顯微成像法與低相干顯微干涉法都能夠高精度測量三維“相位”型微結構，可以獲取“相位”型微結構的三維形貌，獲取的數據信息量大，可用于“相位”型微結構的粗檢與詳查。國內以哈爾濱工業(yè)大學為代表的相關研究團隊深入研究了共聚焦顯微成像方法［20-22］。圖14 是共焦顯微成像法分別檢測周期為3 μm 的相位光柵與周期為3 μm 的網格陣列微結構的三維形貌檢測結果。國內相關單位與作者所在研究團隊，在顯微干涉儀的核心技術與儀器化方向做了較多研究［35-45］。圖15 是白光低相干顯微干涉法檢測微柱高為1.85 μm 的硅基超透鏡柱狀微結構的三維形貌檢測結果。

圖14 共焦顯微成像法三維形貌檢測結果Fig.14 Three-dimensional topography detection results by confocal microscopy

圖15 白光低相干顯微干涉法的超透鏡三維形貌檢測結果Fig.15 3D topography of super-lens by white light low-coherence interferometric microscope

2.2.1 “相位”型微結構三維形貌光學檢測中的蝙蝠翼效應與三維分辨率的解耦

無論是共焦顯微成像還是低相干顯微干涉，都需使用具有一定孔徑角的探測光束，在檢測具有一定深度的溝槽或深孔時，某一NA 物鏡的橫向分辨率與顯微干涉的軸向分辨率之間存在一定的匹配耦合問題，本質上，在被檢樣品的三維微結構、檢測系統(tǒng)的物鏡NA、檢測光波的波長范圍之間存在相互作用，造成微結構底部存在一定的探測信號耦合區(qū)，引起三維“相位”型微結構檢測結果的蝙蝠翼效應或深度量值的原理誤差。

為了獲得“相位”型三維微結構的真實形貌，國內外研究人員分別從不同的視角開展了相關機理研究［39-56］。美國亞利桑那大學2000年的報道認為［34］，當樣品的臺階高度小于光源的相干長度時，將在臺階躍變處產生蝙蝠翼效應，同時大NA 的物鏡與小NA 物鏡相比，更容易出現蝙蝠翼結果。將臺階頂與底看作兩個平移的衍射孔徑，建立衍射模型，能夠解釋蝙蝠翼效應產生的原因。如果白光顯微干涉儀的相干長度為1.2 μm，圖16 給出了蝙蝠翼效應由明顯到消失對應臺階高度的檢測結果曲線。圖16（a）臺階標稱高度為80 nm，圖16（b）臺階標稱高度為460 nm，圖16（c）臺階標稱高度為1 700 nm。

圖16 蝙蝠翼效應的檢測結果曲線Fig.16 The detection result curve of the bat wing effect

2012年起德國卡塞爾（Kassel）大學研究團隊［51-54］，從與物鏡NA 有關的空間相干性和與寬帶光源有關的時間相干性原理出發(fā)，結合Kirchhoff 衍射和Richards-Wolf 衍射模型，進行仿真計算，揭示了共焦顯微與白光顯微干涉儀器的非線性傳輸特征，導致形貌失真的蝙蝠翼效應是測量儀器與樣品微結構之間相互作用的復雜物理性質結果。一般以臺階高度h與等效波長λ之比（Height Wavelength Ratio，HWR）為判據，如果HWR 等于或接近于0.25，則檢測結果出現蝙蝠翼效應。圖17 給出了不產生蝙蝠翼效應的臺階頂與底部白光干涉條紋包絡和檢測結果（圖17（a），HWR = 0.34），以及產生蝙蝠翼效應的臺階頂部與底部白光干涉條紋包絡和檢測結果（圖17（b），HWR = 0.24）。

圖17 有無蝙蝠翼影響下的白光干涉條紋包絡與檢測結果Fig.17 White light interference fringe envelope and detect results with or without batwing-effect influence

我國哈爾濱工業(yè)大學［57-58］和作者所在研究團隊［45］，從臺階（或溝槽）狀微結構對不同NA 聚焦型探測光束的遮擋狀況出發(fā)，揭示深度測量可信范圍與探測光束NA、過焦PSF 的表征參數之間的取值關系。如果按照國際標準ISO5436-1∶2000（E）和我國國家標準廣泛沿用的W/3 準則，用顯微鏡進行測量溝槽結構，圖18給出了溝槽狀結構存在的耦合距離（溝槽頂部邊界Dd和溝槽底部邊界Ds）隨臺階高度H和顯微物鏡NA 之間的變化關系。在被檢測臺階高度H和物鏡NA 給定時，可以由此得出高度信息無法準確測量的臨界半徑范圍，對于基于光學顯微原理的微結構三維形貌檢測系統(tǒng)測量能力與結果準確性的認定，具有重要意義。

圖18 ISO5436-1：2000（E）中W/3 準則示意圖以及溝槽樣品耦合距離的模擬結果Fig.18 The diagram of W/3 metrology rule in ISO5436-1：2000（E）and simulation results of coupling distance of groove samples

2.2.2 高深寬比微結構三維形貌的無損測量方法

在半導體行業(yè)，一方面，隨著大規(guī)模集成電路和微納集成光學系統(tǒng)向立體方向發(fā)展且層數越來越多，需要加工用于電信號傳輸引線的硅通孔（Through Silicon Vias，TSV）；另一方面，各種硅基微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）傳感器為了不斷提高靈敏度，需要增加傳感器中傳感結構的響應面積，使得溝槽狀結構的深度越來越大，但線寬（CD 尺寸）卻沒有變大，甚至變小。這些類型的微結構具有高深寬比特征，一般深寬比大于10∶1。

當前半導體工藝線上的高深寬比結構檢測，通常采取破壞手段，即沿垂直于溝槽方向的一根線切開，使用掃描電鏡（SEM）對剖面做探測成像。SEM 檢測方法屬于有損檢測，不利于過程中的工藝參數優(yōu)化和工藝改進。

如果采用前述的光學顯微無損檢測方法，由于高深寬比結構對探測光的遮擋和強調制，使得攜帶高深寬比結構信息返回的探測光信噪比很低，探測失效。現有研究報道表明，白光干涉顯微鏡和激光共焦顯微鏡測量微結構的高深寬比上限為10∶1［59-62］。

針對硅基MEMS 高深寬比結構無損測量技術問題，國家重點研發(fā)計劃項目于2019年發(fā)布指南，開展相關無損測量技術的攻關研究。目前的研究進展，國內外出現了兩種原理不同的解決問題技術路線，一種方案是采用大NA 探測光束和過焦掃描（TSOM）方法測量高深寬比的線寬；采用小NA 或近準直的探測光束對帶有溝槽底和頂深度信息的返回探測光進行光譜分離，測量高深寬比結構的深度，該方案的工作原理如圖8 所示，即光譜反演-過焦掃描法。以中科院微電子所為牽頭單位的研究團隊（包含華中科技大學和天津大學的參研人員），對該方案開展了卓有成效的工作［27-29］。

另一種方案是采用對硅基材料具有穿透能力的近紅外譜段光源和對探測光波調制具有主動補償能力的林尼克（Linnik）型干涉顯微鏡測量高深寬比結構的三維形貌，以南京理工大學為牽頭單位的研究團隊聚焦該方案的關鍵技術，也取得了技術突破。圖19展示了兩種工作模式的Linnik干涉顯微鏡光路原理。圖19（a）是透射工作模式示意圖，用于檢測深度較大的高深寬比結構；圖19（b）是反射工作模式示意圖，用于檢測深度比較小的高深寬比結構。兩種工作模式的光路中都有主動補償器件：變形鏡（DM）和光瞳像差探測光路（CCD1 接收光路），用于補償高深寬比結構對近紅外探測光波產生的衍生像差，提高返回探測光的信噪比。

圖19 兩種不同模式Linnik 型干涉顯微鏡Fig.19 Two different modes of Linnik interference microscope

表1 給出了美國Scientific Computing International（SCI）公司采用光譜反演-過焦掃描法測量某溝槽樣品的CD 和深度結果，并與掃描電鏡結果的比較情況。

表1 光譜反演-過焦掃描法測量結果Table 1 Measurement results of spectral-inversion and through-focus scanning method

圖20 給出了中科院微電子所研究團隊采用結合深度學習的TSOM 技術檢測高深寬比結構中關于線寬結果的最新公開報道［27］，橫軸表示線寬從2 μm 到30 μm、槽深從24 μm 到236 μm 的樣品編號，左縱軸表示線寬測量值，右縱軸表示測量值與SEM 結果的偏差。

圖20 結合深度學習的TSOM 法測量編號1～6 的樣品線寬結果與誤差曲線Fig.20 Results of CD and its error between the TSOM combined with machine-learning and SEM for six samples

圖21（a）給出了某硅基MEMS 傳感器梳齒狀溝槽結構的SEM 檢測結果，圖21（b）給出了作者研究團隊研發(fā)的反射式近紅外Linnik 顯微干涉系統(tǒng)檢測的三維形貌分布圖與一根采樣線（Sampling line）上的溝槽輪廓分布曲線。由SEM 和近紅外Linnik 顯微干涉無損測量系統(tǒng)的結果，可以看出梳齒狀溝槽最窄線寬為2.9 μm，深度為79.8 μm。二者結果一致，可以相互驗證。

圖21 某硅基MEMS 傳感器梳齒狀溝槽結構的SEM 檢測結果與自研儀器檢測結果的對比Fig.21 Comparison of comb tooth groove structure tomography of a silicon MEMS sensor between SEM and self-developed instrument

圖22（a）給出了等距溝槽狀光柵的SEM 檢測結果，圖22（b）給出了作者研究團隊研發(fā)的反射式近紅外Linnik 顯微干涉系統(tǒng)檢測的三維形貌分布圖與一根采樣線上的溝槽輪廓分布曲線?？梢缘玫降染鄿喜酃鈻诺木€寬為10.9 μm，深度為125.7 μm，二者結果也可以相互驗證。

圖22 等距溝槽狀光柵的SEM 檢測結果與自研儀器檢測結果的對比Fig.22 Comparison of equal-cycle grating structure tomography between SEM and self-developed instrument

作者研究團隊研制了國內第一臺用于硅基MEMS 器件高深寬比結構三維形貌檢測的反射式近紅外Linnik 顯微干涉無損測量系統(tǒng)，儀器實物照片如圖23 所示，具有顯著的技術特征：1）采用近紅外的Linnik 干涉顯微鏡；2）為了增強高深寬比結構底部的反射信號，采用主動光學技術補償探測光被高深寬比結構深度調制的像差。圖24 給出了深度為200 μm 某硅基單溝槽微結構樣品的顯微成像補償效果圖。圖24（a）是未補償的溝槽底部像，圖24（b）為補償后的溝槽底部像，分辨力得到增強后，掃描干涉信號在底部附近將出現增強后的峰值位置，為高深寬比結構的深度與底部線寬測量奠定了技術基礎。除了圖21、圖22 顯示的硅基高深寬比微結構樣品檢測結果外，還利用該儀器與上海市計量測試技術研究院等單位的項目成員合作，設計與制作硅基高深寬比微結構的復合型標準樣塊，該標準樣塊，集線寬與深度于一體，用于無損測量系統(tǒng)的溯源與校準，限于篇幅，這一部分工作結果擬總結成文，后續(xù)報道，不在本文贅述。

圖23 反射式近紅外Linnik 顯微干涉無損測量系統(tǒng)儀器實物圖Fig.23 The photo of reflective nondestructive measuring system instrument with near-infrared Linnik-type interferometric microscope

圖24 深度為200 μm 的硅基單溝槽微結構Linnik 干涉顯微鏡成像結果Fig.24 Images of single-groove on silicon-base with 200 μm depth imaged by Linnik-type interferometric microscope

3 結論

光學檢測方法是以波長為尺子的一種高精度無損檢測技術。近些年，超精密光場精細調控器件、高密度半導體芯片、各種傳感器等領域，對微納結構的先進制造工藝創(chuàng)新或變革提出了迫切需求，促進了多種超精密先進制造工藝的快速進步，催生了以光學顯微技術為核心的多種無損檢測技術的發(fā)展。本文針對多種微結構的無損檢測問題，比較討論了四種主流無損測量方法的技術理論、光路原理、技術特點和適用對象。在此基礎上，衍生了檢測物波穆勒矩陣的偏振顯微測量技術［63］和偏振動態(tài)顯微干涉技術［64-65］，期望實現線寬測量的超分辨和適應復雜的在線環(huán)境，這些方法是對本文四種主流方法的發(fā)展。

四種方法中，暗場顯微機器視覺法通過在垂直于光軸的樣品面內對樣品做二維快速掃描，可以實現大尺度樣品（如?300 mm 硅晶圓片或?600 mm×480 mm 顯示屏）表面缺陷的快速檢測，有效發(fā)現表面凹坑、顆粒、劃痕等振幅型微結構，對透明型、僅改變光波相位的缺陷不一定始終有效。共焦顯微成像法與低相干顯微干涉法都需在光軸方向與樣品間做相對運動完成垂直掃描，可以檢測振幅型微結構，也可以檢測“相位”型微結構，得到微結構的三維形貌；將低相干顯微干涉系統(tǒng)的光源換成對硅基材料具有穿透能力的近紅外光源，同時引入對被深度調制的探測光束具有主動補償功能的補償器，低相干顯微干涉法可以檢測高深寬比硅基微結構。但是由于共焦顯微成像法和低相干顯微干涉法要做軸向掃描，如再做樣品面內的二維平移掃描，則在對大尺寸樣品做視場拼接檢測時，與暗場顯微機器視覺法相比，需要更長的測量時間。光譜反演-過焦掃描法是為TSV 深孔、高深寬比微結構定制的無損檢測方法，僅測量線寬與深度兩個參數，測量速度快，可以與低相干顯微干涉法獲得的三維形貌結果互補，便于快檢與詳查，相互驗證與補充。

基于光學顯微原理的無損檢測技術發(fā)展迅猛，緊密圍繞對微結構先進制造技術的工藝需求，日漸成熟，將為我國在半導體工藝、傳感器技術、機械柔性制造、人工生物衍生品等領域的快速發(fā)展做出應有的貢獻，打下堅實的基礎。