飞秒激光三维形貌测量方法研究

The development of large-scale semiconductor integrated circuit manufacturing technology and precise processing technology has brought forward higher challenges for measurement technology of large-size and nanoscale 3D surface topography. There are many limitations such as small field of view and slow scanning rate in vertical direction for detecting large-size samples using conventional methods for measurement of 3D surface topography. Obviously it's unable to meet the increasing requirements by conventional method. Femtosecond optical comb is particularly suitable for 3D large-size surface topography rapid measurement because of its excellent properties of spatial and temporal coherence which traditional optical light sources can't provide. In this project, unbalanced measurement optical path and adjustable repetition rate are adopted to raise scanning speed. At the same time, field of view of this measurement installation is broadened with well-designed light expanding system and FOV matching technology.It's of important significance for rapid measurement of micro-nano scale circuit to study measurement technology of 3D surface topography based on femtosecond optical comb and to explore a new method with high precision for large-size surface.

极大规模集成电路制造技术和微纳超精加工技术的发展对大尺寸、纳米级三维表面形貌测量技术提出了极大的挑战。传统的三维表面形貌测量方法在测量大尺寸样品时存在诸多局限，如横向视场较小、纵向扫描速度较慢等，难以满足微纳尺度表面三维形貌的大视场快速测量。飞秒激光频率梳光源同时具备高空间相干和低时间相干的特点，在大尺寸样品微纳结构的快速测量中具有传统光源无法比拟的优势。本项目研究飞秒激光三维形貌测量技术，采用非平衡测量光路和分阶段重频微调方法，提高样品扫描测量的速度；采用对测量光斑进行扩束和测量视场匹配的方法，扩大样品的测量视场。研究飞秒激光频率梳三维形貌测量技术，探索新型跨尺度高精度三维表面形貌测量原理，对发展大尺寸样品微纳结构快速测量具有重要意义。

极大规模集成电路制造技术和微纳超精加工技术的发展对大尺寸、纳米级三维表面形貌测量技术提出了极大的挑战。传统的三维表面形貌测量方法在测量大尺寸样品时存在诸多局限，如横向视场较小、纵向扫描速度较慢等，难以满足微纳尺度表面三维形貌的大视场快速测量。飞秒激光频率梳光源同时具备高空间相干和低时间相干的特点，在大尺寸样品微纳结构的快速测量中具有传统光源无法比拟的优势。本项目研究飞秒激光三维形貌测量技术，采用非平衡测量光路和分阶段重频微调方法，提高样品扫描测量的速度；采用对测量光斑进行扩束和测量视场匹配的方法，扩大样品的测量视场。研究飞秒激光频率梳三维形貌测量技术，探索新型跨尺度高精度三维表面形貌测量原理，对发展大尺寸样品微纳结构快速测量具有重要意义。.本项目开展了飞秒激光三维形貌测量原理研究和飞秒激光三维形貌测量实验装置研制，并开展实验测量和精度比对等研究工作。首先开展了重频可调光纤飞秒激光器及稳频系统方案设计、器件采购和系统搭建，以及光纤飞秒激光器稳频控制系统调试和重频扫描测试；然后，开展了三维形貌测量光路系统设计和三维形貌干涉信号采集与处理算法研究，以及飞秒激光三维形貌测量实验系统的优化设计与系统搭建，并进行了样品三维形貌的测量实验和样品形貌的关键尺寸分析；最后，在飞秒激光三维形貌测量硬件系统研制的基础上，进行了三维形貌测量控制软件设计，并进行了测量精度的比对分析，验证了测量系统的测量精度。使用搭建的飞秒三维形貌测量实验装置对测量样品三维形貌进行干涉测量和干涉信号采集和处理，能够得到较为稳定的测量样品的关键尺寸参数，由测量结果可知，研制的飞秒三维形貌测量系统可实现纵向优于10nm，横向优于100纳米的测量精度，可用于微纳三维形貌的快速测量。