光波导衍射光栅关键尺寸测量方法介绍

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增强现实（AR）正处于快速发展、技术迅速革新阶段，消费级AR设备销量增长，也体现了市场对AR技术的认可与期待。衍射光波导技术是头戴式AR设备中最有前途的显示技术之一。为了更真实地感受虚拟与现实世界的结合，获得客户满意的视觉体验，必须确保入眼成像具有足够的图像均匀性、对比度和亮度。高精度的纳米级衍射光栅是优质成像的关键，而准确的测量才能验证所生产的光栅是否符合严格的质量标准。

要得到高良率的光波导，除了高精度的纳米级加工工艺之外，缺陷检测和各项关键尺寸（光栅周期、高度、宽度等）的测量也是工艺流程中必不可少的重要步骤。其中，关键尺寸的测量是对每一步工艺效果的评定，比如沉积的薄膜厚度是否符合要求，压印或刻蚀之后的微观形貌是否满足规格，该去除的薄膜是否去除完全等，都需要通过测量进行评判。高效而精准的测量方法是大规模生产线的“眼睛”和“尺子”，它对于监测和预防工艺中的偏差起着至关重要的作用。常用的测量关键尺寸的方法有扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM，以及光谱散射仪OCD等。

SEM的测量方法及原理

SEM，Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜，主要用于测量分析物体的表面形貌。SEM的工作原理是利用电子束与样品表面的相互作用来获取样品的表面形貌和成分信息。SEM通过电子枪发射电子束，经过一组磁透镜聚焦后，用遮蔽孔径选择电子束的尺寸后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取电子束与样品表面相互作用时产生的二次电子（Secondary Electron）或背向散射电子（Backscattered Electron）成像进行形貌分析。SEM还可以通过控制电子束的入射角度和能量以及对样品表面进行金属化处理等方法来增强信号的强度和对比度，从而提高SEM的分辨率和灵敏度。

SEM是确定光栅形状的一种精确测量方法，适用于光波导衍射光栅制造各关键工艺制程之后的样品。但SEM检测需要对样品进行破坏性预处理，首先要将光栅切成两半，然后固定在样品台上以观察横截面轮廓，另外还需要对样品进行表面处理，提高其导电性，以保证测量的准确性。另外SEM测试重复性差，受人为因素影响大。

CD-SEM的测量方法及原理

CD-SEM在光波导制造生产中，一直扮演着不可缺少的重要角色，测量原理与SEM相同。所有的光刻和刻蚀工艺之后，必定有CD-SEM的测量步骤，是整个工艺流程中重要的测量手段。CD-SEM可以测量多种微观结构的各种尺寸，如线宽、边缘的粗糙度等。它对测试结构没有复杂的要求，所以在大规模生产中，常在某道工艺制程后，同时测量不同区域的多个图形结构，以便观察工艺制程后是否符合设计要求。

CD-SEM作为传统的测量技术，可实现光波导光栅纳米级尺寸的自动化测量，但CD-SEM无法测量光栅高度、侧壁角度等关键参数，另外随着越来越多的新材料被投入使用，CD-SEM的电子束测量对材料的影响也越来越严重，测量精度的不确定性经常被质疑。

AFM的测量方法及原理

AFM，Atomic Force Microscope，原子力显微镜，主要通过检测针尖与测试晶圆间的原子力来获得样品表面的微观信息。当探针接近样品表面时，样品与针尖之间的短程吸引力吸引针尖向表面移动。然而，当表面和针尖直接接触时，排斥力将会增大并占主导作用使悬臂向上弯曲。激光束被用于检测悬臂是靠近还是远离表面。入射光束被悬臂平顶上表面反射到位敏光电二极管（PSPD）中，用来检测悬臂弯曲所导致的反射光束位置的轻微改变。当针尖通过凸起的表面形态形貌时，悬臂的弯曲和相应的反射激光束的变化都会被PSPD记录下来。原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描来完成样品表面形貌成像。位敏光电二极管检测样品表面高低起伏的形貌所导致的悬臂弯曲，并通过反馈回路控制针尖在表面的高度来稳定激光位置，最终可以形成一幅精确的表面形貌像。

AFM多用于线下实验的测量，因为对测量结构的要求不高，因此可以在未知测量结构的情况下进行表面形貌的扫描，分析并量化测量结构表面粗糙度。

Littrow衍射仪的测量方法及原理

AR组合器最重要的参数是衍射光束的方向，它只受光栅周期和方向的影响，而不受光栅轮廓与设计形状的偏差的影响。要表征这些特性，只需测量单个衍射级次的传播角度即可。当光通过光波导中的光栅传播相对较长的距离时，光栅周期的要求公差将惊人的严格，需要以皮米为单位。同样的，光栅的相对方向也必须高度确定。

如果光源和探测器相距很远，以所需的精度测量它们之间的角度是十分困难的。克服这种限制的一种常用方法是Littrow配置，即旋转光栅使待测的衍射级被反射回光源，通过分束器，光束可以被引导到探测器。如果先通过观察光栅的直接反射来校准样品旋转平台，我们就有了一个非常精确的衍射角测量系统。据称，Littrow衍射仪的周期测量精度低于10皮米。

光栅的入射光束与反射光束重合。零阶是返回光束强度较高的基础位置。为了达到其他顺序的Littrow配置，衍射光栅必须安装在精密转台上并正确对准。转动光栅使待测的1阶衍射光束沿入射光束的方向反射回去。光栅周期计算公式如下：

由于一次测量仅针对一个光栅特定位置，因此光栅面积越大或采样率越密集，花费的时间就越多，因此Littrow衍射仪主要用于测量复制前的母版，尽管它也可用于测试样品的可重复性和均匀性。

OCD的测量方法及原理

OCD，Optical Critical Dimension，光学关键尺寸测量，即通过光学方法测量关键尺寸，其原理与膜厚测量基本相同。首先，基于宽带光谱的偏振反射测量技术和椭圆偏振测量技术，宽带光谱光束经过起偏器入射样品的被测周期性结构区域，经过样品的衍射，衍射光中包含了样品的结构、材料等信息。衍射光中的反射光束通过检偏器被光谱传感器接收，经过信号处理形成包含被测样品信息的特征测量光谱。然后，OCD 测量技术需要依据被测器件的工艺和结构优化设计光栅参考图形，根据待测样品的基本信息，建立高自由度模型，将一个复杂的被测器件用一系列参数来表征。最后，将采集的测量光谱与理论光谱库中的光谱逐一匹配，寻找与测量光谱均方差最小的一条理论光谱作为最佳匹配，并索引出相应用于产生这理论光谱的参数组合值，作为最终的测量结果。

OCD是一种光谱计量系统，应用于关键尺寸测量，可以一次性测量光栅宽度、高度、侧壁角度以及侧壁各层的宽度和形貌等信息。而这些CD-SEM无法得到的参数恰恰会对光波导的性能甚至良率有着重要影响。其次由于光学散射测量的是约为40μm*40μm大小的面积，其包含的图形信息更全面，因此多次测量的平均值会更接近工艺平均值。OCD技术因其极高的准确性、灵活性、可靠性和速度及无损测量广泛应用于批量生产工艺控制。

总结

随着微纳制造技术的发展，光波导衍射光栅得以实现大批量生产且其结构越来越复杂，关键尺寸的测量就成为大规模生产线的重要监测手段，测量的数据越精准，测量结果的反馈越及时, 才能使生产出的产品有好的良率。探索新的测量原理、测试方法和表征技术，发展微纳加工实时在线快速测试系统已成为关键尺寸测量等微纳测试与表征的主要发展趋势。

参考文献

[1] 容劲文. 大规模集成电路中关键尺寸测量方法与应用的重要性研究[D]. 北京：北京大学，2013:10

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