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第八章 微细结构的微分析和表征 第八章 微细结构的微分析和表征 由于涉及微米与纳米尺度的极其微小的结构尺度，对于加工制备出的结构以及加工 进程本身的观察/监测和分析具有特别重要的意义；其中并涉及许多现代化的新技术，包 括光学方法，电子与离子显微镜与微分析方法，和扫描探针显微镜方法等。 §8.1 光学及激光方法 微细结构的光学的观察/监测和分析是最常用和简便的方法，其应用领域包括： ● 材料、薄膜、掩模或芯片的视察和故障检测 ● 图形的几何位形的定量测试：是否达到设计预期，线宽的测量 ● 材料物理化学性能：结晶状态，点阵、取向；化学元素组成 ● 结构及器件的物理性能：例如掺杂分布、PN 结参量等 8.1.1 光学显微镜 光学显微镜使用方便，是显微观测的常用方法。在光刻一章介绍的光学聚焦成像系 统的概念和理论完全适用于光学显微镜。涉及的理论问题包括： ● 形成和获取并行和串行（扫描）图像。显微镜的光学系统包括： 并行－普通（投射）光学显微镜； 串行－扫描光学显微镜（SOM ）。 SOM 优点： 图像信号转换为时间序列信号，便于使用电子学方法进行图像信号存 储、传输和处理。 SOM 缺点：高分辨率时要求样品非常平整；光源亮度不够时信杂比限定了分辨率 和一帧的采集时间。 ● 图像系统的数量描述 （1）象素概念：图象划分为离散的象素；单个象素内不再区分光子的位置。 （2 ）数量描述：聚集成像系统的象素数目，放大率，分辨率，图像传递函数，景深， 信（信号）杂（噪声）比； （3 ）光学显微镜分辨能力的衍射限制：投射显微镜和扫描显微镜分辨率和传递函数完 全一致；其横向最小分辨距离为： - 1 - 第八章 微细结构的微分析和表征 δ 0.61λ NA ≈λ 2 , NA n sinθ 景深－最大纵向清晰范围： D δ sinθ （4 ）衬度的形成，衬度的调制传递函数； 利用空间傅立叶分析和空间频谱的概念定量地描写图像的质量。系统的传递函数与 空间分辨率（点扩散函数）有互相为傅立叶变换的关系。 （5 ）扫描成像的统计限制－信杂比与帧采集时间：根据弱光场的统计性质：光子泊松 分布，一个象素的采集时间和光子数量，光子数量的起伏和信杂比： 光作为离散的光子组成的光子流，是不连续的点脉冲过程；落在任何不重叠的时间 间隔内的点脉冲数目是统计独立的；这种光脉冲出现的概率，一般认为服从泊松(Poisson) 分布。在时刻Δt 内出现光子的平均数目为RΔt ，则在时间间隔内 t 出现m 个光子的概率 为： (Rt )m −Rt P (m,t) e m! 这一光子数目是随机的，其标准偏差（Standard diviation ）是 σ Rt 对应的信杂比为 Rt SNR Rt Rt 这说明：观察尺度非常小象素，则图像亮度越低，一个象素的光子数目（光通量） 越少，其信杂比也约小。例子：一个象素光子数N Rt 1000 , 则标准误差和信杂比约 为 30，信号在 970 －1030 之间随机变化。在弱光条件之下观察微小象素，只能选取较长 的观测时间。 8.1.2 激光扫描共焦显微镜 （LSCFM ） 激光共焦显微镜是一种新型光学显微镜，其分辨率略为高过传统显微镜；其光学 图像的形式是随时间变化的扫描（电）信号，易于进行图像处理；成像的景深特别短，