论文总字数：33145字

摘 要

随着半导体加工节点进一步推进，半导体中关键尺寸（CD）不断减小，对半导体检测技术提出了新的要求。在动态随机存储器（DRAM）芯片中出现了高深宽比的瓶状沟槽结构，对于该结构传统的测量方式无法对瓶状沟槽的瓶颈长度和沟槽的深度进行准确的测量。然而，傅里叶中红外光谱仪在测量瓶状沟槽CD时，具有准确、快速、灵敏度高、非接触等特点。面向深沟槽结构关键尺寸的测量需求，本论文围绕基于模型的傅里叶中红外反射光谱仪展开研制设计。

毕业设计主要从理解傅里叶变换红外光谱法和光学建模方法入手，完成探测光路的光路设计，相关器件选型和探测光路的机械结构设计。光谱仪中的探测光路是设计的关键部分，需要对光斑大小进行控制，控制光束入射角等。完成探测光路设计后，通过Zemax软件进行光路仿真，验证所设计光路是否满足设计要求。设计结束后，结合影响光谱仪测量精度的因素，对器件进行综合性、成套性选择。完成光路设计仿真和器件选型后，对探测光路进行机械结构设计，从而实现中红外反射光谱仪探测光路的构建。

关键词：傅里叶变换红外光谱法；半导体检测；深沟槽结构；探测光路设计；基于模型

Abstract

With the development of semiconductor, the critical dimensions (CD) are decreasing, so there are going to be plenty of requirements in semiconductor technology. It is impossible for traditional detection technologies to detect the structures that there appear bottle trench structures with high aspect ratio in the chip of Dynamic Random Access Memory (DRAM), However, The Fourier Transform Mid-Infrared Spectrometry (FTIR Spectrometry) has advantages of being accurate, fast, high-sensitive and non-destructive when detecting bottle trench structures’ CD. Because of the requirement of the detection to structures’ CD with high aspect ratio, this paper focuses on the design of the model-based FTIR Spectrometry (MBIR Spectrometry).

This paper does finish the detection optical design, selection of related devices and the mechanical structure design based on the understanding of the Fourier Transform Infrared Spectroscopy and the method of optical modeling. The detection optical design is an critical part in all parts, with the function of controlling the diameter of the facula, controlling the incident angle of beams and so on. After detection optical design, use Zemax software to simulate it, aiming to verifying whether it meets the design requirement. When the detection optical design and simulation are both finished, it needs to be comprehensive and holistic to select devices, considering the influence factor to the Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Finishing the above, the mechanical structure design will be going on, to realize the building of the FTIR Spectrometry.

Key words: the Fourier Transform Infrared Spectroscopy；semiconductor detection；high aspect ratio structure；detection optical design；MBIR；

目 录

第1章 绪论 1

1.1国内中红外反射光谱仪研究现状 1

1.2国外中红外反射光谱仪研究现状 3

1.3中红外反射光谱仪研究目的及意义 4

第2章 基于模型的中红外光谱仪测量原理 6

2.1傅里叶红外光谱仪测量原理 6

2.2等效介质法 6

2.3中红外反射光谱仪探测光路原理 9

2.4光谱测量误差的影响因素 11

2.5本章小结 12

第3章 中红外反射光谱仪关键器件和光学元件选型 13

3.1中红外反射光谱仪探测光路设计 13

3.1.1 中红外反射光谱仪探测光路设计 13

3.1.2 中红外反射光谱仪探测光路仿真 15

3.2中红外光源选型 16

3.3干涉仪选型 17

3.4探测光路反射镜选型 19

3.4.1离轴抛物镜选型 19

3.4.2平面反射镜选型 20

3.5探测器选型 21

3.6调节光阑选型 22

3.7 偏振器选型 23

3.8 分束镜选型 23

3.9 反射式物镜选型 24

3.10 X/Y/Z以及俯仰调节和旋转调节组合样品台 24

3.11本章小结 25

第4章 探测光路结构设计 27

4.1 探测光路结构形式 28

4.1.1 光学元件安装座 28

4.1.2 “工”型移动台安装架 31

4.1.3 支撑底座 32

4.1.4 防震橡胶板 33

4.2光学元件安装座静力分析 33

4.3 本章小结 36

第5章 总结与展望 37

5.1总结 37

5.2展望 38

参考文献 39

致谢 41

1. 绪论

傅里叶变化红外（Fourier Transform Infrared,简称FTIR）光谱仪是第三代红外光谱仪，主要通过迈克尔孙干涉仪对光源的光束进行分光，从而使光束产生相位差，发生干涉。由于干涉仪在红外光谱仪中的应用，使得仪器分辨率和扫描速度大幅度提高，并且与光栅型光谱仪相比灵敏度高出两个数量级，因此广泛应用在医疗、化工、医药等行业。近年由于半导体制造技术不断推进，各种新的高刻蚀选择比材料，高深宽比结构在各种电路中的应用，中红外光谱仪在这些新材料、新结构检测中的高灵敏度的优点，故其在半导体关键结构测量获得广泛应用。

1.1国内中红外反射光谱仪研究现状

中红外光谱仪（MIR-Spectroscopy）在近年来发展迅速，是基于中红外光谱测量学理论开发的一款光谱仪，具有无损、高效、高精、在线分析等优点，广泛应用于各个过程工业质量检测环节，如食品行业，农业，制药业，石油化工行业，医疗行业，纺织行业等等。为了满足红外光谱技术在以上多个行业中的应用，国内也对红外光谱技术进行研究，但国内对于红外光谱技术的研究起步晚。

2002年，西南农业大学食品学院，根据中红外光谱与食品组分、含量的相关性，建立化学计量方法模型，通过已知数据的验证集样品对模型进行评估，即可展开对食品样品的研究。已经应用于对油脂掺假、肉类掺假和蜂蜜掺假的检测中，对食品质量监控有重要应用^[1]。

2004年，天津大学就中红外光谱仪检测血糖浓度精度不足展开研究，从中红外检测波段选择，光谱处理方法和血液中干扰成分消除，改进中红外光谱法，提高了中红外光谱在血液血糖检测的精度和灵敏度^[2]。

2011年，武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，利用傅里叶中红外光谱仪检测油液光谱，通过理论曲线与实验数据的拟合（误差在0.01%），定量测量船用机械油含水量的方法，并且展开中红外发光二极管和光电而激光传感器的研制^[3]。

在过去的数十年内，随着半导体芯片行业的发展，半导体行业新技术的发展，如研究外延硅片厚度和电阻测量，嵌入式动态随机存储器DRAM深沟槽集成测试、SOI剂量控制、高深宽比沟槽、瓶型深沟槽和隔离沟槽关键尺寸测量等，这些半导体行业中的新技术与新结构给近红外光谱仪带来了挑战。随着半导体芯片集成度和芯片刻蚀技术的不断提高，使得沟槽底部的关键尺寸（CD）变得更小以及深沟槽的截面结构更加复杂。并且伴随着节点工艺的推进，深沟槽结构的深宽比增大，深沟槽关键尺寸不断减小，深沟槽截面形状变得更加复杂，检测相关的沟槽关键尺寸对于半导体加工工艺的控制变得更加迫切。

动态存储器DRAM中经常出现高深宽比的瓶状沟槽结构，如图1.1为深宽比为75:1的瓶状沟槽结构。在测量图1中深沟槽结构的反射光谱时，入射半导体的光束波长至少大于两倍沟槽底部宽度尺寸，入射光束才能发生反射，产生携带沟槽结构信息的反射光谱。例如，微电子中沟槽基底材料硅的反射率为3.4，为了测量瓶型沟槽的瓶颈长度，用1μm波长的波进行测量时需要满足瓶颈表面尺寸小于0.15μm才能测得该瓶颈长度尺寸。利用中红外波段进行测量时候，由于中红外波段波长长，因此可以轻易测得瓶状深沟槽中瓶颈的长度尺寸。并且半导体底部材料硅在这段波长范围内相当于透明介质，使得中红外测量沟槽深度、关键尺寸时，中红外光谱相比更简单，参数化方便，光谱库搜索算法简单、具有鲁棒性、耗时短^[4]。

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