一种器件微区工艺测量和校正方法

1.本发明属于微纳加工工艺领域，具体涉及一种器件微区工艺测量和校正方法。


背景技术：

2.进入21世纪，光量子芯片应用领域得到了空前发展，光量子芯片上集成了量子光源，光量子信息线路和光量子探测。量子光源的种类有单光子源和纠缠光源，光量子信息线路包含了低损耗波导，光调制器，光开关和存储器；而光量子探测的种类有半导体探测器和超导体探测器。设计光量子芯片涉及到量子物理，光学，电子学等多学科交叉，在理论的支持下，一个性能优异光量子芯片的诞生是需要经历复杂且精密的微纳加工工艺流程，不仅需要严谨的物理设计，更重要的是需要具备完整的加工工艺。
3.微纳加工工艺是一门涉及广泛的，学科融合的工程实践领域。在光量子芯片中，通常会设计纳米级别的图案完成目标功能。一般纳米级别的图案考虑到平整度，致密度和加工精度，会采用“lift-off”工艺。具体来说，采用旋涂高分辨率的光刻胶，紫外曝光的方式，将特殊位置的光刻胶发生变性，将芯片浸泡在在特定的溶液中，会显现出初步目标图案，再进行刻蚀工艺，最终完成图案转移。光的衍射作用在纳米尺度下明显，由于能够制备纳米级别的光刻机设备十分昂贵，并且光刻板的定制具有固定性，并不能满足科研实验的灵活性需求。因此，制备纳米级别的图案可以采用电子束曝光机(electron beam lithography，ebl)。电子束曝光机指的是利用高能聚焦电子束在电子束抗刻蚀胶表面按照设计图案路径进行曝光的工艺。因此，电子束抗刻蚀胶是特殊的有机高分子构成，对高能电子敏感，高能电子会导致胶的成分发生“聚合”或“离散”作用。在后续浸泡过程中将多余的胶溶解于溶液中，实现了初步的图案转移过程。
4.通常，为了保证纳米级别的高精度，电子束抗刻蚀胶采用薄胶(厚度小于100纳米)。匀胶过程需要采用可控匀胶机，将电子束抗刻蚀胶滴在光量子芯片样品上，经过慢速匀胶和快速甩胶两个过程，实现薄胶的附着。然而在这个过程中会存在一个问题，当光量子芯片样品上已经集成了部分设计，样品表面的平整度会远低于普通硅片的平整度。那么电子束抗刻蚀胶在高速旋转过程中会由于部分受力不均匀，导致出现不同厚度的电子束抗刻蚀胶。那么对电子束曝光过程带来了不确定性和不可控性，严重影响光量子芯片的成品率。电子束曝光需要控制电子束的能量，束斑大小等因素，而这些因素的分析取决于电子束抗刻蚀胶的厚度。因此，有必要对旋涂后的薄胶进行区域性测量。
5.薄胶是特殊的超薄物质，薄膜的厚度表征方式有：原子力显微镜，台阶仪。原子力显微镜是利用悬臂上的探针，不接触待测样品的情况下，保证在一定间距的情况去调整悬臂的姿势，从而勾勒出待测样品的形貌和厚度。然而原子力显微镜设备昂贵，操作较为繁琐。而台阶仪是利用探针硬接触式测量厚度，需要构造一个台阶才能够测量到厚度，破坏平整的表面。同时台阶仪测量薄胶再制备一层胶构成新的台阶状，会给后续的工艺带来许多不方便的地方。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种操作简单、成本低、稳定性好的器件微区工艺测量和校正方法。
7.技术方案：本发明所述的一种器件微区工艺测量和校正方法，具体包括以下步骤：
8.(1)构建器件微区工艺测量系统；所述系统包括：待测样品、位移平台，光学显微镜、图像采集设备、图像显示设备和图像处理装置；
9.(2)将待测样品放置在位移平台上，固定待测样品，保证待测样品的水平度；
10.(3)根据图像显示设备提供的信息，来判断待测样品上的目标区域的位置，用位移平台进行调节待测样品的位置；
11.(4)图像采集设备负责采集待测样品的目标区域内的rgb值，传递给图像处理装置；
12.(5)图像处理装置利用加权算法将颜色通道数值转换成灰度值，降低变量的数量，提高处理速度；
13.(6)用电子束曝光机制备纳米图案的制备并验证。
14.进一步地，步骤(2)所述的待测样品含有薄胶和基片。
15.进一步地，步骤(3)所述目标区域控制在20μm
×
20μm的范围内。
16.进一步地，所述步骤(5)实现过程如下：
17.grey＝0.2989*r+0.5870*g+0.1140*b
18.其中，grey代表灰度值，r代表红色通道值，g代表绿色通道值，b代表蓝色通道值；灰度值越小，代表目标区域胶的厚度越厚；选择m个不同位置区域上的灰度值，去掉最大值和最小值，对剩下的灰度值进行期望值计算，该期望值e作为待测样品的参考厚度：
19.ai＝(255-greyi)/e
20.其中，ai代表第i个目标区域的加权数，greyi代表第i个目标区域的灰度值，e代表参考厚度；
21.根据ai的调整电子束曝光机的剂量分布，有：
22.di＝ai*dose
23.其中，di代表第i个目标区域的实际曝光计量，ai代表第i个目标区域的加权数，dose代表参考剂量。
24.进一步地，所述步骤(6)包括以下步骤：
25.(61)根据图像处理数据分析和调整相关实验参数；
26.(62)电子束曝光机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；
27.(63)显影、定影处理，得到具有纳米图案的正性光刻胶掩膜；
28.(64)利用反应离子刻蚀对多余的薄膜刻蚀并去掉多余的残胶；
29.(65)使用扫描电镜验证纳米图案。
30.有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明提供的基于图像色彩识别胶的均匀性方法，具有处理速度快，操作简单，可应用于对图案加工精度高且已经集成了其他片上设备的光量子芯片制备领域；2、和传统的测量厚度相比，本发明结合微纳加工工艺的特殊性，关注点在于胶均匀性的测量和校正算法，设备成本低，平台搭建相对简单；3、和一般的表征均匀性设备相比，本发明解决了微小区域的薄胶的均匀性辨别问题，从根本
上提高了测量的通用性和时效性；4、本发明采用的图像色彩方式能够有效扩宽了待测样品的应用领域，提出了校正算法，提高了后续微纳加工工艺的稳定性和成品率。
附图说明
31.图1是本发明提供的一种器件微区工艺测量系统示意图；
32.图2是本发明提供的一实施例中当位置点数m＝9时图像处理加权算法流程图；
33.图3是本发明提供的一实施例中纳米图案的扫描电镜图；
34.图4是本发明提供的一实施例中成像灰度图；
35.图5是本发明提供的一实例中当位置点数m＝9时的纳米线线宽误差图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
37.本发明提供一种器件微区工艺测量和校正方法，具体包括以下步骤：
38.步骤1：构建器件微区工艺测量系统，如图1所示，包括：待测样品8、位移平台1，光学显微镜4、图像采集设备5、图像显示设备6和图像处理装置7。
39.按将基片2放置在匀胶机的转台上，真空吸附基片2，保持每次实验的相同真空度；在基片2上面滴入适当的正性电子束抗蚀胶形成薄胶3，薄胶3和基片2组成待测样品8；按照基准厚度设置慢转和快转的时间、加速度和旋转速度；将待测样品放置在位移平台1上，并固定待测样品，保证待测样品的水平度；通过光学显微镜4发射可见光，在待测样品8的表面(薄胶3表面)形成光斑，因此图像采集设备5可以收集待测样品8的表面信息，信息传递给图像显示设备6；记录待测样品8上的目标区域位置；用位移平台1进行调节待测样品的位置；图像采集设备5将待测样品8的表面采集信息存储到图像处理装置7中；图像处理装置7具有加权算法，可对图像信息进行双层结构化处理数据；图像数据整编成一个数据包，进行分类判断薄胶3的厚度；在根据图像处理数据分析和调整相关实验参数；电子束曝光机对薄胶3进行图案化曝光；显影、定影处理，得到具有纳米图案的正性光刻胶掩膜；利用反应离子刻蚀对多余的薄胶3刻蚀并去掉多余的残胶；利使用扫描电镜验证纳米图案。
40.步骤2：将待测样品放置在位移平台上，固定待测样品，保证待测样品的水平度。
41.控制光学显微镜的光强度在合适的范围，调节光学显微镜的放大倍率，并且保持不变。
42.步骤3：根据图像显示设备提供的信息，来判断待测样品上的目标区域的位置，用位移平台进行调节待测样品的位置。目标区域控制在20μm
×
20μm的范围内。
43.步骤4：图像采集设备负责采集待测样品的目标区域内的rgb值，信息传递给图像处理装置。
44.调节图像采集设备的采样对比度和曝光时间参数。当光学显微镜发出的可见光以垂直角度穿透薄胶的表面时，由于薄胶的反射光和入射光发生光的“干涉”现象，因此有明显的色散。在不同的厚度下的薄胶，会有对应波长的光发生干涉，导致薄胶表面会呈现不同的颜色。在计算机图像学中，利用颜色通道数值(red green blue，rgb)可以表示颜色的性质。图像采集设备采集目标区域的颜色通道数值(red green blue，rgb)，并将数据存储于图像处理装置中。
45.步骤5：图像处理装置利用加权算法将颜色通道数值转换成灰度值，降低变量的数量，提高处理速度。具体如图2所示：
46.grey＝0.2989*r+0.5870*g+0.1140*b
47.其中，grey代表灰度值，r代表红色通道值，g代表绿色通道值，b代表蓝色通道值。本发明定义，灰度值越小，代表目标区域胶的厚度越厚。
48.选择m个不同位置区域上的灰度值，此处为9个，去掉最大值和最小值，对剩下的灰度值进行期望值计算。该期望值e作为待测样品的参考厚度。进一步算法：
49.ai＝(255-greyi)/e
50.其中，ai代表第i个目标区域的加权数，greyi代表第i个目标区域的灰度值，e代表参考厚度。
51.根据ai的调整电子束曝光机的剂量分布，有：
52.di＝ai*dose
53.其中，di代表第i个目标区域的实际曝光计量，ai代表第i个目标区域的加权数，dose代表参考剂量。
54.步骤6：用电子束曝光机制备纳米图案的制备并验证。具体包括以下步骤：
55.(1)根据图像处理数据分析和调整相关实验参数；
56.(2)电子束曝光机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；
57.(3)显影、定影处理，得到具有纳米图案的正性光刻胶掩膜；
58.(4)利用反应离子刻蚀对多余的薄膜刻蚀并去掉多余的残胶；
59.(5)使用扫描电镜验证纳米图案。
60.图3是运用了校正算法之后制备出来的纳米线的局部均匀性良好的扫描电镜图，从图3可以看出，可以制备出纳米线约80nm线宽，周期为200nm的理想器件，符合正常的工艺设计。图4是运用了灰度处理的获得的图片，可以看出在20μm乘20μm的区域内灰度值是基本一致，那么将微区范围控制在此区域内进行衡量。同时，不同的灰度值代表不同的微纳结构。图5是运用了校正算法后选取九个不同区域位置上的纳米线进行线宽测量，从结果看出整体均匀性良好，已经达到工艺设计的要求。
61.目前，原子力显微镜是利用悬臂上的探针，不接触待测样品的情况下，保证在一定间距的情况去调整悬臂的姿势，从而勾勒出待测样品的形貌和厚度。然而原子力显微镜设备昂贵，操作较为繁琐，不适合微纳加工工艺对时间性的要求。而台阶仪是利用探针接触式测量厚度，需要构造一个台阶才能够测量到厚度。而对微小区域无法进行台阶的设置，另外测量薄胶再制备一层胶给后续的工艺带来更多的复杂性。本发明通过创新性将图像色彩应用于薄胶厚度判断，并结合微纳加工工艺，验证了图像色彩值和厚度的关系，大幅度提高了匀胶厚度的可控性，降低了后续实验的难度，从而扩展了应用领域。
62.上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。