在纳米制造过程中，我们依靠严格的尺寸控制来获得功能正常的半导体器件。在该初步校准之后，在相同的处理条件下在真实晶片上运行制造，随后再次进行后处理测量检查。该迭代方法具有重复运行的额外时间和成本、系统漂移引起的变化以及缺乏自适应过程控制等明显缺点。此外，表征测量通常需要破坏样品。显然，由于能够反馈和微调加工条件，精确、非破坏性、实时的原位监控是非常理想的。
光学表征法满足无损检测的需要。因此，光谱椭偏测量、相敏椭偏测量、激光反射测量、多光束干涉测量、发射光谱测量等点测量技术已成功实施。通常，结构高度是在单个感兴趣的点或区域测量的，假设过程均匀，则推断晶片上的信息。这对于大多数平面工艺来说是足够的。定量相位成像的相位图像为被研究样本的结构和动力学提供纳米级信息。特别是衍射相位显微术(DPM)已成功研究细胞膜纳米级波动的稳定定量相位成像方法。
我们提出了一种新的光学方法DPM实现纳米尺度动力学实时定量地形测量的概念。我们的方法被称为外延衍射相位显微术(epi-DPM)，在反射中操作以适应不透明样品和2.8 nm空间(即点到点)和0.6 nm时间(帧到帧)的灵敏度呈现形状信息。纳米级地形图像是得纳米级地形图像，因此获取速率仅限于相机帧速率。此外，epi-DPM在不影响纳米级地形精度的情况下，允许连续的原位监测过程通过工具上的透明窗口实时进行。特别地，我们呈现了被蚀刻的半导体结构的动态成像数据；epi-DPM在图像中定量揭示每个点和每个时刻的蚀刻速率。随着位置和时间的推移，我们发现速率发生了显著的变化。
实验装置如图1所示。激光束耦合到单模光纤中，然后矫直，以确保输出场的完全空间连贯性。这种矫直光进入倒置显微镜的后端口，并通过聚光镜和物镜投射到样品平面。因此，样品被矫直光束照射。通过相同的物镜收集从感兴趣的样本反射的光，通过分束器和管镜，并导向显微镜的侧输出端口。
图1 epi-DPM设置成像系统
epi-DPM其优点是，它提供了与图像中其他点相比的精确地形高度图，因此它对样本中的任何共模运动都不敏感。为了表达我们epi-DPM方法的空间和时间路径长度噪声，我们重复成像一个普通的、未处理的噪声n1 GaAs晶片。所以，我们在8.93帧s21采集了包含256帧的延迟系列图像。
光学元件的缺陷导致照射在样品上的光的相位在整个视场中不均匀。由于这种类型的相位误差是可再现的，即它是仪器的一个特征，因此可以通过适当的系统校准来消除。因此，我们在不同的空间位置收集了具有和没有漫射体的系列图像，间隔约为0.5毫米，即几个视场之外。每个系列的第一个位置平均时间，并用作校准图像。校准图像与无扩散器的操作不同。相应的校准图像从第二位的每个图像中减去。没有漫射体的空间噪声为4.有漫射体的6纳米为2.8纳米。2.8 nm值代表我们当前仪器的空间灵敏度，以及对视场横向地形变化的最终灵敏度。值得注意的是，由于公共路径干涉几何，epi- DPM时间灵敏度明显优于空间灵敏度。图2a和2b显示了图像中每个点的高度的时间标准偏差st(x，y)。显示在每个插图中st(x，y)的直方图。在没有漫射体的情况下，我们确定时间敏感度为中位数为1.有漫射体的1纳米为0.6纳米。
图2 epi-DPM灵敏度和准确性的表现
为了表征epi-DPM通过湿法蚀刻收集了准确性n1 GaAs微柱图像由晶片制成。使用补充信息部分中描述的标准SPR 511A光刻和显影是光刻胶配方。图2c显示了带有漫射体的微柱的epi-DPM图像。如图2d从epi-DPM柱和蚀刻区域的位置在图像的直方图中提取。
结合epi-DPM，光化学蚀刻可以为制造具有精确可控外观的结构提供有效的手段。该方法非常适合制造复杂的灰度级结构，通常非常困难或昂贵。例如，我们使用它epi-DPM通过光化学蚀刻成像微透镜结构。光化学蚀刻是一种工艺。通过这种工艺，半导体中的光吸收增加了少数载流子扩散到表面，从而提高了半导体在氧化溶液中的溶解和腐蚀率。蚀刻速率受表面少数载流子供应的限制；因此，照明加速了蚀刻过程。
如图4所示c指出光化学蚀刻过程是非线性的。然而，epi-DPM这种非线性关系可以准确测量，然后为具有规定轮廓的蚀刻结构提供校准曲线。此外，利用epi-DPM实时微调蚀刻过程所需的反馈可以通过控制整个视场的投影仪光强来提供。我们还制作了232个微透镜阵列，如图4d所示。在这种情况下，光学掩模包括直径100mm、间距120mm的5个232阵列灰度透镜。表面轮廓仪验证了直径和间距在2mm以内，高度在2mm以内epi-DPM测量值在10纳米以内。通过实现投影仪掩模图案的自适应控制，可以获得更好的阵列高度均匀性。
我们已经展示了如何使用它epi-DPM半导体制造过程的动态实时准确监控。该方法在8.93帧s21具有每像素0.6纳米的优异时间稳定性。这使得我们能够准确地确定蚀刻速率的空间和时间变化，分辨率为0.085牛米s时间间隔为10秒。结合epi-DPM，我们进行了光化学蚀刻，形态特征，如微透镜阵列，我们进行了光化学蚀刻。
假设，使用epi-DPM通过半导体制造工具的透明观察窗成像，可以更好地监控和控制其制造设备的性能。为了在加工过程中观察整个晶片管芯，可以通过使用更高分辨率的照相机来增加视野。此外，目前可以使用较高数值孔径103的物镜(例如，数值孔径50.5)。这种相机和物镜的组合将实现1.0毫米30.视野76mm，横向分辨率500纳米。此外，使用波长较短的光源（如深紫外线）将显著降低衍射有限的水平分辨率，并可以原位监测一些最小的设备。