二氧化硅掩膜薄膜的精確厚度測量值

為獲得所需的 1 nm 精確度，我們現在將 3D 光學輪廓儀 S neox（光譜反射法模式）作為測量 SiO 層厚度的一種快速且簡便的方法

我們研究嵌入在光子晶體光腔中、導致發射增強（賽爾效應）的量子點的光學性質（圖 1a），或者基于嵌入在波導中、用于生產光子多路復用器件的量子點的光學性質（圖 1b）。典型器件是由多層砷化鎵/Al_0.7Ga_0.3砷化鎵外延生長的堆棧制造而成的，其中頂層 250 nm 厚的砷化鎵層包含器件的有源部分，1 µm 厚 的 Al_0.7Ga_0.3 為犧牲層，最終會被蝕刻掉，以產生浮膜器件。膜在特定位置包含一個或幾個 20 nm 的 In_0.3Ga_0.7 量子點，以及與量子點精確對準的蝕刻光子晶體結構（100 nm 孔的大陣列，特定配置會缺少幾個孔）。這些器件在不同處理步驟中要求 1-20 nm 精度，因此它們都涉及高性能電子束蝕刻。為承受砷化鎵的濕法或等離子體 (ICP) 蝕刻，我們必須使用硬二氧化硅掩模，并通過干法蝕刻 (RIE) 將光刻圖案轉移到該_二氧化硅掩模上。這種轉移的精確度取決于是否知道掩模層的精確厚度。由于_二氧化硅層的厚度為 40-80 nm，因此在此測量中我們需要達到 1 nm 的精度。這項研究的目的是獲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) 測量值。

圖 1.a) 嵌入耦合 L3PhC 腔中的量子點（暗點）網絡的 SEM 圖像；b) 光子晶體的 SEM 圖像，頂部帶有一個輸出耦合器，并包含六個量子點（用紅色三角形表示）。

到目前為止，每天只能使用觸針式輪廓儀來測量_二氧化硅掩模的厚度，并且此測量是在另一家實驗室中在使用校準標準和 Sopra GES 5E 光譜橢偏儀進行全局校準之后進行的。但是，輪廓測量法需要在_二氧化硅層中濕法蝕刻“臺階"，相當耗時，并且在處理完整晶片時并不實用。此外，輪廓測量法中的典型噪聲為 5 nm RMS，因此需要大量平均才能獲得所需的 1 nm 精確度（圖 2a) 。

我們現在將 3D 光學輪廓儀 S neox（光譜反射法模式）作為測量 SiO₂層厚度的一種快速且簡便的方法。使用簡單砷化鎵作為參考，我們使用這種技術可獲得 1 nm 的精確度，并且此過程僅需要幾秒鐘時間即可完成。

圖 2.a) 觸針式輪廓儀在_二氧化硅薄膜中的臺階軌跡；b) 同一薄膜的反射光譜，模型擬合顯示厚度 (84±1 nm)

我們以裸露的砷化鎵基板為參考，首先使用內置的單層模型測量位于砷化鎵之上的_二氧化硅層的反射光譜。如圖 2b 所示，得到的反射率光譜非常平坦，沒有顯示出較厚 (d>λ) 膜所**的振蕩。盡管如此，模型擬合效果仍然非常好，膜厚度 (84 nm) 的精確度為1 nm。

圖 3 顯示了相同類型的測量，即測量了 38 nm 的膜。 在砷化鎵膜結構的例子下，砷化鎵基板上有 3 層（_二氧化硅/砷化鎵/GaAs/Al_0.7Ga_0.3As）結構。在這個例子中，我們仍將砷化鎵作為參考，以便將這個完整的結構輸入到模型中。

                                                圖 3. _二氧化硅薄膜的反射光譜，模型擬合顯示厚度 (38±1 nm)

在第一項測試中，我們測量不含_二氧化硅的裸露半導體多層結構的反射率。測得的光譜（圖4a）顯示出具有良好的擬合度，產生了正確的（通過 X 射線衍射驗證）砷化鎵和 Al_0.7Ga_0.3As 層厚度，以及模型頂部_二氧化硅層的零厚度。這一次，反射率曲線顯示出典型的振蕩，通常出現在較厚的 (d>λ) 層中。

在驗證裸露半導體后，我們測量了另一個樣品，該樣品涂覆有_二氧化硅（圖 4b）。測得的光譜擬合不僅顯示了半導體層的厚度，而且還顯示了正確的_二氧化硅層的厚度 (79 nm)。

在最后一項測試中，我們嘗試測量涂覆有_二氧化硅和 PMMA 層的樣品（圖 4c）。這一次，頻譜顯示出更復雜的振蕩，并且模型擬合不如以前好。盡管如此，擬合值仍然正確，證明了該方法的功能和速度。

圖4. A) 砷化鎵/Al_0.7Ga_0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（255 和 994 nm）。擬合顯示頂部沒有_二氧化硅層；b) 涂覆有_二氧化硅的砷化鎵/Al_0.7Ga_0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（269 和 953 nm）和_二氧化硅層厚度 (79 nm)；c) 涂覆有_二氧化硅和 PMMA 的砷化鎵/Al_0.7Ga_0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（255 和 1022 nm）以及_二氧化硅層厚度 (276 nm) 和 PMMA 層厚度 (1044 nm)。

我們使用觸針式輪廓儀和 Sopra GES 5E 光譜橢偏儀以及商業校準標準品（硅上涂的_二氧化硅層，Micromasch 提供)作為對照 ，檢查了使用此方法獲得的值，發現 Sensofar 系統的精確度為 1 nm，符合我們的要求。為了處理復雜的光子納米結構器件，我們需要對沉積在砷化鎵或多層半導體頂部的_二氧化硅薄層（通常 <100 nm）進行高精確度 (1 nm) 的快速厚度測量。Sensofar 的 S neox 3D 光學輪廓儀提供的反射光譜是解決此需求的理想工具，可提供我們需要的高精確度、高測量速度和易用性。