二氧化硅掩膜薄膜的精确厚度测量值

为获得所需的 1 nm 精确度，我们现在将 3D 光学轮廓仪 S neox（光谱反射法模式）作为测量 SiO 层厚度的一种快速且简便的方法

我们研究嵌入在光子晶体光腔中、导致发射增强（赛尔效应）的量子点的光学性质（图 1a），或者基于嵌入在波导中、用于生产光子多路复用器件的量子点的光学性质（图 1b）。典型器件是由多层砷化镓/Al_0.7Ga_0.3砷化镓外延生长的堆栈制造而成的，其中顶层 250 nm 厚的砷化镓层包含器件的有源部分，1 µm 厚 的 Al_0.7Ga_0.3 为牺牲层，最终会被蚀刻掉，以产生浮膜器件。膜在特定位置包含一个或几个 20 nm 的 In_0.3Ga_0.7 量子点，以及与量子点精确对准的蚀刻光子晶体结构（100 nm 孔的大阵列，特定配置会缺少几个孔）。这些器件在不同处理步骤中要求 1-20 nm 精度，因此它们都涉及高性能电子束蚀刻。为承受砷化镓的湿法或等离子体 (ICP) 蚀刻，我们必须使用硬二氧化硅掩模，并通过干法蚀刻 (RIE) 将光刻图案转移到该_二氧化硅掩模上。这种转移的精确度取决于是否知道掩模层的精确厚度。由于_二氧化硅层的厚度为 40-80 nm，因此在此测量中我们需要达到 1 nm 的精度。这项研究的目的是获得用作硬掩模的二氧化硅 (SiO₂) 薄膜厚度 (40-80 nm) 的高精度 (1 nm) 测量值。

图 1.a) 嵌入耦合 L3PhC 腔中的量子点（暗点）网络的 SEM 图像；b) 光子晶体的 SEM 图像，顶部带有一个输出耦合器，并包含六个量子点（用红色三角形表示）。

到目前为止，每天只能使用触针式轮廓仪来测量_二氧化硅掩模的厚度，并且此测量是在另一家实验室中在使用校准标准和 Sopra GES 5E 光谱椭偏仪进行全局校准之后进行的。但是，轮廓测量法需要在_二氧化硅层中湿法蚀刻“台阶”，相当耗时，并且在处理完整晶片时并不实用。此外，轮廓测量法中的典型噪声为 5 nm RMS，因此需要大量平均才能获得所需的 1 nm 精确度（图 2a) 。

我们现在将 3D 光学轮廓仪 S neox（光谱反射法模式）作为测量 SiO₂层厚度的一种快速且简便的方法。使用简单砷化镓作为参考，我们使用这种技术可获得 1 nm 的精确度，并且此过程仅需要几秒钟时间即可完成。

图 2.a) 触针式轮廓仪在_二氧化硅薄膜中的台阶轨迹；b) 同一薄膜的反射光谱，模型拟合显示厚度 (84±1 nm)

我们以裸露的砷化镓基板为参考，首先使用内置的单层模型测量位于砷化镓之上的_二氧化硅层的反射光谱。如图 2b 所示，得到的反射率光谱非常平坦，没有显示出较厚 (d>λ) 膜所**的振荡。尽管如此，模型拟合效果仍然非常好，膜厚度 (84 nm) 的精确度为1 nm。

图 3 显示了相同类型的测量，即测量了 38 nm 的膜。 在砷化镓膜结构的例子下，砷化镓基板上有 3 层（_二氧化硅/砷化镓/GaAs/Al_0.7Ga_0.3As）结构。在这个例子中，我们仍将砷化镓作为参考，以便将这个完整的结构输入到模型中。

                                                图 3. _二氧化硅薄膜的反射光谱，模型拟合显示厚度 (38±1 nm)

在第一项测试中，我们测量不含_二氧化硅的裸露半导体多层结构的反射率。测得的光谱（图4a）显示出具有良好的拟合度，产生了正确的（通过 X 射线衍射验证）砷化镓和 Al_0.7Ga_0.3As 层厚度，以及模型顶部_二氧化硅层的零厚度。这一次，反射率曲线显示出典型的振荡，通常出现在较厚的 (d>λ) 层中。

在验证裸露半导体后，我们测量了另一个样品，该样品涂覆有_二氧化硅（图 4b）。测得的光谱拟合不仅显示了半导体层的厚度，而且还显示了正确的_二氧化硅层的厚度 (79 nm)。

在最后一项测试中，我们尝试测量涂覆有_二氧化硅和 PMMA 层的样品（图 4c）。这一次，频谱显示出更复杂的振荡，并且模型拟合不如以前好。尽管如此，拟合值仍然正确，证明了该方法的功能和速度。

图4. A) 砷化镓/Al_0.7Ga_0.3As/砷化镓样品的反射光谱，模型拟合显示半导体厚度（255 和 994 nm）。拟合显示顶部没有_二氧化硅层；b) 涂覆有_二氧化硅的砷化镓/Al_0.7Ga_0.3As/砷化镓样品的反射光谱，模型拟合显示半导体厚度（269 和 953 nm）和_二氧化硅层厚度 (79 nm)；c) 涂覆有_二氧化硅和 PMMA 的砷化镓/Al_0.7Ga_0.3As/砷化镓样品的反射光谱，模型拟合显示半导体厚度（255 和 1022 nm）以及_二氧化硅层厚度 (276 nm) 和 PMMA 层厚度 (1044 nm)。

我们使用触针式轮廓仪和 Sopra GES 5E 光谱椭偏仪以及商业校准标准品（硅上涂的_二氧化硅层，Micromasch 提供)作为对照 ，检查了使用此方法获得的值，发现 Sensofar 系统的精确度为 1 nm，符合我们的要求。为了处理复杂的光子纳米结构器件，我们需要对沉积在砷化镓或多层半导体顶部的_二氧化硅薄层（通常 <100 nm）进行高精确度 (1 nm) 的快速厚度测量。Sensofar 的 S neox 3D 光学轮廓仪提供的反射光谱是解决此需求的理想工具，可提供我们需要的高精确度、高测量速度和易用性。