光学表征技术

光学表征技术

光学基本知识

引子：

这章将介绍在半导体工业中最常见的光学表征技术。由于光学表征是非接触式的，而接触式的方法总式破坏性的，因此这个优点使得它成为一个另人关注的方法。

光学方法可分成三大块：光度测量方法——测量反射或投射光的幅度；干涉法——测量反射或投射光的相位；偏振法——测量反射光椭圆率。

主要光学技术可以用这个图表示：发射，发射，吸收，透射。都将在这章得到讨论。

光学方法采用紫外光到外红外光段的电磁谱。参数有：波长——λ，能量——E/h ν，波数——WN 。

基本公式：

341.239710 1.239710 1.2397()()()()hc

E h eV nm m A νλλλμλ⨯⨯===== 光学显微镜

光学显微镜的简单结构如下图所示，有物镜和目镜组成。

光学显微镜有几个重要概念：分辨率，放大率和对比度。

先来看分辩率。由于光具有波粒二相性，解释很多实验现象就可以通过两方面来解释。

Airy 最先计算出了衍射图象，对于一个直径为d 的圆形光圈，第一个最小光区的角度可由下式计算

1.22sin()d

λα= 中心区域包含主要光线的，叫做Airy 或者是衍射盘。

可以通过一些实验来观察这一现象，让光源透过一个小孔来照射到纸板上，就能观看到这一有趣的现象，当然是要在一个暗室里进行。在足够的光照下，可以被检测的物体并没有最小尺寸的限制。

当有两个点光源的时候，假设相距s ，就会产生叠影图象，如这个图所示。但当

两者靠近时并不能轻易得区分这两个点光源。Raleigh 认为能被区分的条件是一点的最大中心区和另一个的最小中心是一致的。也就是指两个光盘的中心都在对方的盘边上。这时中心的峰值降为单点峰值的80％。

0.610.61sin()s n NA

λλθ== 这个公式给出了分辨率的计算方法，分辨率就是一个物体两部分或两点之间的最小距离。n 是物体与物镜间介质的折射率，θ是透镜对物体的半角。数值孔径NA 通常是刻在物镜上的，是表示透镜的分辨能力和形成的图象亮度的数值。这个值越高，那么这个透镜的性能也就越好。高分辨率，低的s 值。由前面的式子知，可以调整三个变量来增加或者减小s 。例如波长，蓝光的分辨率高于红光。还可以增加观察角度直到90度，NA 的实际上限是0.95。还有就是采用液体替代透镜与物体之间的空气，即提高折射率。比如采用水（n=1.33），甘油（n=1.44），油（n=1.5-1.6），但是油对NA 的限制影响s ，对绿光（λ＝0.5m μ）s 只有0.25m μ。 但是高的NA 需要减少视场的深度以及减小工作范围，物体面的焦点到物镜表明的距离。这个关键概念就是焦深，可以同时处于焦点范围内的成像空间，公式是

24focus D NA λ

=

同时处于焦点的集成电路的顶低两面放大200倍也是不够的。就有另一个概念场深，可以同时处于焦点内的物体空间：

field D ==

焦深和场深都是随着NA 的增加而减小。可以通过增加物镜的工作距离获得物镜与样品之间的更高的清晰度。

放大倍数M 是显微镜分辨能力的一个重要参数。分辨能力就是眼睛、显微镜、相机、或者图片能够提供的最高的细节。

max 1.4700min 0.002

imumNAofmicroscope M imumNAofeye === 另一种描述方法是分辨率极限的比率

lim ()200200800lim ()0.610.25itofresolution eye m m M NA NA itofresolution microscope NA m

μμλμ====

人眼透过显微镜能看到的最大放大倍数是大约750。超过这一数字就被称为无效放大倍数（empty magnification ）。如果感光的不是人眼而是胶片，公式同样适用，而且放大倍数也会提高。由于在极限分辨率下人眼很容易疲劳，因而放大倍数会被设在750NA 。但也会在大部分情况下采用低分辩率让人看起来舒服些。过高的放大倍数会使成像亮度和精度都会降低，导致看到的物体细节明显减少。 还有一个标准就是对比度，指的是区分物体不同部分的能力，实际就是亮度的比值。脏的目镜或物镜都会降低成像质量。太亮的光也会降低对比度，特别是样品是强反射的时候。因而光圈不能打开到超过可以提供足够多的光线的大小。在實際應用上，為加強影像的對比，可以改變視野光圈(field diaphragm)的大小、 變化光源的照射方向、或取部份折射的光線作成暗視野成像以凸顯某種材質的對比，或以偏極化光源(Polarizing Illumination)作為入射粒子束，都有加強對比的效果。此外，亦可以用化學溶液選擇性的蝕刻試片表面，造成表面高低不平的型態來加強對比，甚至以特殊配方的溶液來凸顯某種特定的結構缺陷。

暗场，相位和干涉对比显微镜

亮场显微镜下，光垂直照射到样品上，水平表面就会反射大部分光而斜面或垂直面就会反射回很少的光。

暗场显微镜下，光以小角度照射到样品上，平面无法将光反射到镜头中，只有斜面和垂直面可以将光反射回去。

相位对比显微镜

是利用光在透射或反射过程中发生的相移。相移发生在不同折射率材料的界面上。

A 图是振幅对比显微镜：A1入射光照射到样品上，一些光被吸收（也可被认为是散射或衍射掉了），衍射光Ad 与入射光的相位相差π或2λ。两光束发生干涉，形成振幅为A2＝A1-Ad 的光波。再来看另一副图，就是相位对比显微镜，入射光振幅是A1，衍射光振幅是Ad ，反射波的振幅是A2，与A1相同，也就是说光没有被吸收。但是相位有2θπ=的延迟。但是人眼无法识别A1与A2的差别。如果延迟超过2π，就产生振幅的差别，也就是说相位差变成振幅差。也就可以

被人眼和其他检测设备观察到。

基于这个原理产生了相位对比显微镜，如图所示。

而干涉对比显微镜与相位显微镜又有所不同。在相位对比中，入射光被样品分割成直射和衍射两束光。衍射光的相位改变了2π，两束光在图象面上结合，产生干涉与背景光形成振幅的对比。干涉对比中，入射光先分成两束光：直接参考光。直接光穿射过样品被衍射，参考光的相位被改变。两束光结合和，干涉产生振幅对比的图象。这个结构可以为最佳对比提供合适的相位调整。干涉对比图象一般都比相位对比锐利。

共焦光学显微镜

是一种产生物体三维图象的方法，并能增加微缩图象的对比度。

相较而言取象的空间很小，一次只把一点成像。所有就需要用光束扫描整个样品才能获得完整的图象。分辩率如下

0.440.44sin()s n NA

λλθ== 从式子看要比前面的式子要好。这是因为共焦衍射图形在中心峰值外能量散开的较少，随着样品对比度的改变分辩率不会有什么减少。

在这个图上，A 点聚焦与A`平面，B 点聚焦于B`平面。当在A`平面上放置一个针孔，A 点的光可以全部透过但是B 点的光大部分都不能透过。为了让B 点的光都透过就需把样品抬升使B 点位于焦点处。那么此时A 点的光大部分不能透过了。也就是说，每次只有一个平面可以被聚焦。用光扫描样品平面就可获得二维的图形。再垂直运动样品，就获得另一个平面的图形，这样就能获得一个三维的图形。

样品的目标平面必须被光源聚焦上，这样才能使扫描的点和光源共焦，就在针孔上形成扫描点的图象而且只有位于共焦点处的点才对检测有作用。

这样的优点就是在检测的时候不会有其他地方的光线进入，因而对比度不会由于背景光的干扰而减少。缺点也很明显，一次只有很少一部分能被检测。

总是有一块需要移动，比较好的是样品不动，光源移动，主要是速度方面的优势。