实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统及测量方法与流程

本发明涉及高深宽比微结构深度值的无损测量技术领域，尤其涉及一种高深宽比微沟槽深度的对比光谱测量系统与方法。

背景技术：

随着mems工艺技术与应用水平的不断提高，高深宽比微沟槽结构因其具有狭窄而垂直的空气间隙和较大的比表面积、能显著提高电荷存储能力和增加叉指电容和传感器的灵敏度，因此，在梳齿状微电极阵列、超级电容器、加速度传感器、陀螺、光栅和微纳谐振器等领域具有广泛应用。为提高mems沟槽制造质量并确保器件产率，需要对其三维特征尺寸如深度、宽度、侧壁角等主要参数进行测量与分析。

目前微沟槽深度信息的光谱测量方法以光谱快速傅里叶分析为主。但该方法受限于傅里叶分析的频率分辨力，导致解析所得的深度值误差较大。同时，样品以及光学系统色差的存在，也影响了光谱分析法的深度测量范围。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统及测量方法，对比光谱解析深度值，利用光谱傅里叶分析与光谱拟合相结合的深度解析算法实现了深度测量。

本发明的一种实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统，该系统包括光源模块100、分束镜200、样品测量模块300、参考物测量模块400以及光谱采集模块500；

其中：所述光源模块100输出设定直径的照明光束，所述分束镜200将照明光束分为两束光，分别进入所述样品测量模块300和所述参考物测量模块400；所述样品测量模块300和所述参考物测量模块400分别返回样品光谱和参考物光谱，所述光谱采集模块收集样品与参考物的光谱并传送至计算机，用以计算对比光谱；

所述光源模块100包括复色非偏振光源1和复色光准直镜2；

所述分束镜200包括分束镜3；

所述样品测量模块300包括第一快门4和样品夹持机构5；

所述参考物测量模块400包括第二快门6和参考夹持机构7；

所述光谱采集模块500包括光纤准直器8、光纤9和光谱仪10。

利用实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统所实现的测量方法，包括以下步骤：

步骤a：获得样品与参考物，并分别安装于样品夹持机构与参考物夹持机构上；

步骤b：调整样品夹持机构与参考物夹持机构以优化反射光谱收集效率；

步骤c：打开第一快门并关闭第二快门，由光谱仪测量样品的反射光谱；

步骤d：打开第二快门并关闭第一快门，由光谱仪测量参考物的反射光谱；

步骤e：由样品和参考物的反射光谱计算对比光谱，利用光谱傅里叶分析法与光谱拟合法解析高深宽比沟槽的深度值。

与现有技术相比，本发明的实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统及测量方法具有以下积极的技术效果：

1)避免了样品色差对深度测量范围和解析准确性的影响；

2)提高了解计算效率与精度；

3)参考物可灵活更换，便于匹配不同材料的待测样品。

附图说明

图1为本发明的实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统结构示意图；

图2为本发明的实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统实施例示意图；

图3为本发明的利用实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统所实现的测量方法整体流程示意图。

附图标记：

100、光源模块，200、分束镜，300、样品测量模块，400、参考物测量模块，500、光谱采集模块；1、复色非偏振光源，2、复色光准直镜，3、分束镜，4、第一快门，5、样品夹持机构，6、第二快门，7、参考夹持机构，8、光纤准直器，9、光纤，10、光谱仪。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明的一种实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统结构示意图。该系统包括光源模块100、分束镜200、样品测量模块300、参考物测量模块400以及光谱采集模块500。其中，光源模块100输出设定直径的照明光束；照明光束由分束镜200分为两束光，分别进入样品测量模块300和参考物测量模块400；样品测量模块300和参考物测量模块400分别返回样品光谱和参考物光谱；光谱采集模块500收集样品与参考物的光谱并传递给计算机，用以计算对比光谱。

所述光源模块100用于输出可见光至近红外波长范围的准直光束，用以照明样品和参考物；所述分束镜200用于光束转折与光束分束，实现了照明光束准确到达样品和参考物的表面；所述样品测量模块300用于获取样品的反射光，并控制样品测量光束的通断；所述参考物测量模块400用于获取参考物的反射光，并控制参考物测量光束的通断；所述光谱采集模块500用于将反射光转换成数字光谱数据，并将光谱数据传送给计算机。

如图2所示，为本发明的本发明的实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统实施例示意图。

其中：光源模块100包括复色非偏振光源1和复色光准直镜2；复色非偏振光源1选用但不限于高亮度氙灯光源、led组合光源、钨灯光源；复色光准直镜2选用但不限于离轴抛物面反射镜、复消色差物镜、非球面透镜。分束镜200包括分束镜3，选用但不限于平板分束镜、立方体分束镜、薄膜分束镜。样品测量模块300包括第一快门4和样品夹持机构5；第一快门4选用但不限于机械叶片式快门、液晶光快门、光学斩波器；样品夹持机构5选用但不限于显微镜三轴位移台、手动三轴位移台。参考物测量模块400包括第二快门6、参考夹持机构7；第二快门6选用但不限于机械叶片式快门、液晶光快门、光学斩波器；参考物夹持机构7选用但不限于手动三轴位移台。光谱采集模块500包括光纤准直器8、光纤9、光谱仪10；光纤准直器8包括但不限于离轴抛物面反射镜、反射式准直器、非球面透镜；光纤9包括但不限于芯径1毫米的多模光纤跳线；光谱仪10包括但不限于光纤光谱仪。

具体实施例工作过程描述如下：

复色非偏振光源1的出射光由复色光准直镜2准直，输出平行光束至分束镜3；分束镜3将平行光束分为两束光，分别射向第一快门4和第二快门6；样品安装于样品夹持机构5，参考物安装于参考物夹持机构7；第一快门4控制测量样品的光束通断；第二快门6控制测量参考物的光束通断；样品和参考物的反射光束由光纤准直器8汇聚耦合进入光纤9，由光纤9导入光谱仪10进行光谱的数字化采集与传递。在其它实施例中，样品夹持机构5和参考物夹持机构7在图1中的位置可以互换。

本发明的光谱测量范围为400～1000nm，样品测试区域直径为1～5mm。

如图3所示，为本发明的利用实现高深宽比微沟槽深度测量的对比光谱系统所实现的测量方法整体流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤a：获得样品与参考物并分别安装于样品夹持机构与参考物夹持机构上；

步骤b：调整样品夹持机构与参考物夹持机构以优化反射光谱收集效率；

步骤c：打开第一快门并关闭第二快门，由光谱仪测量样品的反射光谱；

步骤d：打开第二快门并关闭第一快门，由光谱仪测量参考物的反射光谱；

步骤e：由样品和参考物的反射光谱计算对比光谱，利用光谱傅里叶分析法与光谱拟合法解析高深宽比沟槽的深度值。

其中，对比光谱为光谱测量中常见的光谱数据处理方法。即样品的反射光谱÷参考物的反射光谱，横坐标是波长信息，纵坐标是样品和参考物的反射率的比值，该比值是无量纲数值。具体的光谱解算方法采用业界常用的光谱傅里叶分析方法：提取光谱曲线的频谱特性，寻找频谱曲线极值点对应的频率坐标，由频率坐标与深度值的转换关系计算待测结构的深度值。光谱拟合法则是利用上一步光谱傅里叶分析法获得的深度值作为拟合初值，将测量光谱曲线与理论光谱曲线进行拟合分析，得到测量光谱对应的沟槽深度值。

以上对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内、以及结合本领域现有技术所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。