CN104534977A - 一种用于soi光波导的侧壁粗糙度检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法和装置；解决的技术问题为：提供一种工艺、设备简单，能够对低矮侧壁进行测量的用于SOI光波导的粗糙度检测方法和装置；采用的技术方案为：利用绝缘材料，制备开口向下的槽型绝缘盖；通过键合工艺，将槽型绝缘盖盖在光波导上，使得光波导的待测侧壁与槽型绝缘盖和二氧化硅掩埋层之间形成两端开口的封闭微流道；在微流道中通入离子液体或者极性液体，使得液体在微流道内沿着光波导的整个待测侧壁流动；测量光波导两端的电势差，根据流体流过硅光波导侧壁时硅光波导两端的电势差与硅光波导侧壁粗糙度之间的非线性关系，得出光波导的待测侧壁的粗糙度；本发明适用于MEMS器件测量领域。

Description

一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法和装置
技术领域
本发明属于微纳器件的侧壁粗糙度测量技术，具体涉及一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法和装置。
背景技术
对于微纳器件侧壁的粗糙度测量，国内外现有的技术包括：通过电子显微镜对器件结构进行观察并利用电镜照片进行粗糙度估算，或者通过原子力显微镜扫描成像。
基于电子显微镜估算的方法虽然简单，但是测量不够准确；普通的原子力显微镜虽然可以把测试区域放大上千倍，但是对于侧壁粗糙度的计算，只能通过破坏器件的结构来进行测量；尤其对于低矮的微纳结构侧壁，探针的运动与受力受到底面的影响，无法实现准确，快速成像。
针对这些问题，出现了一些解决方案，其中：专利（201410310642.1）介绍了一种基于原子力显微镜的测试方法，该方法改造了原子力显微镜的探针架，使得研究者可以根据侧壁角度需求，设置探针旋转角度，在不破坏样品的前提下，实现对微纳结构大角度侧壁的表面表征；专利（201410364545.0）则提出了一种利用电容变化检测刻蚀侧壁的方法，该方法虽然不需要破坏样品结构，但是需要在功能区域制作工序之前添加额外的工艺流程。
因此，上述技术在原有的仪器或者工艺上进行改造，不仅工艺、设备较复杂，而且对于低矮侧壁仍然无法实现粗糙度测量。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种工艺、设备简单，能够对低矮侧壁进行测量的用于SOI光波导的粗糙度检测方法和装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层的硅衬底，所述二氧化硅掩埋层上设有光波导，所述检测方法包括以下步骤：步骤S1.1：利用绝缘材料，制备开口向下的槽型绝缘盖；步骤S1.2：通过键合工艺，将槽型绝缘盖盖在光波导上，使得光波导的待测侧壁与槽型绝缘盖和二氧化硅掩埋层之间形成两端开口的封闭微流道；步骤S1.3：在微流道中通入离子液体或者极性液体，使得液体在微流道内沿着光波导的整个待测侧壁流动；步骤S1.4：测量光波导两端的电势差，根据流体流过硅光波导侧壁时硅光波导两端的电势差与硅光波导侧壁粗糙度之间的非线性关系，得出光波导的待测侧壁的粗糙度。
步骤S1.3中的极性液体为乙醇，或为去离子水；步骤S1.1中，槽型绝缘盖的制备工艺为模塑法，或为热压法，或为LIGA技术，或为激光烧蚀技术，或为软光刻法；步骤步骤S1.1中，制备槽型绝缘盖的绝缘材料为高分子聚合物，所述的高分子聚合物为热塑性聚合物，或为固化型聚合物，或为溶剂挥发型聚合物；所述热塑性聚合物为聚酰胺，或为聚甲基丙烯酰甲酯，或为聚碳酸酯，或为聚丙乙烯；所述固化型聚合物为聚二甲基硅氧烷，或为环氧树脂，或为聚氨酯；所述溶剂挥发型聚合物为丙烯酸，或为橡胶，或为氟塑料；步骤S1.3中的离子液体为盐酸，或为氯化钾，或为氯化钠。
一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测装置，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层的硅衬底，所述二氧化硅掩埋层上设有光波导，所述光波导上盖有槽型绝缘盖，所述光波导的待测侧壁与所述槽型绝缘盖和所述二氧化硅掩埋层之间形成两端开口的封闭微流道，所述微流道内具有沿着光波导待测侧壁流动的液体，所述光波导的两端并接有电压检测器；所述槽型绝缘盖的制备材料为热塑性聚合物，或为固化型聚合物，或为溶剂挥发型聚合物。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明中，当需要测量SOI光波导的侧壁粗糙度时，仅需在整个光波导的外部封装绝缘材料形成槽型绝缘盖，然后将槽型绝缘盖盖在光波导上，通过键合工艺将槽型绝缘盖的底端与其上设有光波导的二氧化硅掩埋层连接在一起，使得光波导的待测侧壁、槽型绝缘盖和二氧化硅掩埋层三者之间形成一个两端开口的封闭微流道，再在微流道中通入离子液体或者极性液体，使得上述液体在微流道内沿着光波导的整个待测侧壁流动，最后通过电压检测器测量出光波导两端的电势差，根据流体流过硅光波导硅光波导两端的电势差与该硅光波导侧壁粗糙度之间的非线性关系，即可得出光波导待测侧壁的粗糙度；相较于传统的微纳器件侧壁粗糙度的测量方法与装置，本发明制作工艺和设备较简单，不需要在原有的仪器和工艺上进行改造即可实现对低矮的侧壁进行粗糙度测量。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的一个标定试样的结构示意图；
图3为图2中的标定试样的原子力成像图；
图4为图2中的标定试样被进行表面光滑处理后的原子力成像图；
图5为图2中的标定试样被进一步进行表面光滑处理后的原子力成像图；
图6为本发明中光波导的一种结构示意图；
图7为本发明中光波导的另一种结构示意图；
图8为本发明中光波导的再一种结构示意图；
图9为图8中的光波导被切割后的结构示意图；
图中：1为硅衬底，2为二氧化硅掩埋层，3为光波导，4为槽型绝缘盖，5为微流道，6为电压检测器，7为硅基底，8为二氧化硅绝缘层，9为硅薄膜，10为槽型外壳，11为通道，12为取样长度段。
具体实施方式
如图1所示，一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测装置，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层2的硅衬底1，所述二氧化硅掩埋层2上设有光波导3，所述光波导3上盖有槽型绝缘盖4，所述光波导3的待测侧壁与所述槽型绝缘盖4和所述二氧化硅掩埋层2之间形成两端开口的封闭微流道5，所述微流道5内具有沿着光波导3待测侧壁流动的液体，所述光波导3的两端并接有电压检测器6，其中，所述的光波导3可以通过反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体（ICP）、离子束溅射刻蚀等各向异性干法刻蚀工艺加工制成，所述的微流道5可以是单独的通道也可以是连通的通道。
一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层2的硅衬底1，所述二氧化硅掩埋层2上设有光波导3，所述检测方法包括以下步骤：
步骤S1.1：利用绝缘材料，制备开口向下的槽型绝缘盖4；
步骤S1.2：通过键合工艺，将槽型绝缘盖4盖在光波导3上，使得光波导3的待测侧壁与槽型绝缘盖4和二氧化硅掩埋层2之间形成两端开口的封闭微流道5；
步骤S1.3：在微流道5中通入离子液体或者极性液体，使得液体在微流道5内沿着光波导3的整个待测侧壁流动；
步骤S1.4：测量光波导3两端的电势差，根据流体流过硅光波导侧壁时硅光波导两端的电势差与硅光波导侧壁粗糙度之间的非线性关系，得出光波导3的待测侧壁的粗糙度。
具体地，步骤S1.3中的离子液体可为盐酸、氯化钾或者氯化钠，极性液体可为乙醇或者去离子水；步骤步骤S1.1中，槽型绝缘盖4的制备工艺为模塑法，或为热压法，或为LIGA技术，或为激光烧蚀技术，或为软光刻法；此外，步骤步骤S1.1中，制备槽型绝缘盖4的绝缘材料为高分子聚合物，所述的高分子聚合物可为聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、聚丙乙烯等热塑性聚合物，可为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯等固化型聚合物，也可为丙烯酸、橡胶、氟塑料等溶剂挥发型聚合物。
根据已有文献报道（Persson BNJ, Tartaglino U, Tosatti E, Ueba H. Electronic friction and liquid-flow-induced voltage in nanotubes. Phys Rev B. 2004.），流体流过非绝缘固相材料表面时，流固两相界面存在着“电摩擦”，使得非绝缘固相材料两端的电势差与该非绝缘固相材料表面粗糙度之间具有非线性关系，具体地，当流体与半导体固体接触时，液体分子会在液固界面形成类固体单分子层，在流体作用下，该单分子层发生纳米级粘滑运动，而相应的物理吸附离子通过吸附和解附产生定向移动，从而使半导体材料内部产生电子定向移动，由于“电摩擦”与非绝缘固相材料表面的粗糙度成非线性关系，故可以通过测量流体诱导电势差（非绝缘固相材料两端的电势差）来评估固相材料表面粗糙度。
图2为本发明的一个标定试样的结构示意图，图中：在硅基底7上生长有一层二氧化硅绝缘层8，二氧化硅绝缘层8上具有一层硅薄膜9（相当于本发明中的光波导3的待测侧壁），硅薄膜9上设置有槽型外壳10，槽型外壳10由绝缘材料制成，槽型外壳10与硅薄膜9之间形成一个两端开口的封闭通道11，选取取样长度段12内轮廓峰顶线至轮廓谷底线之间的最大高度Ry为表面粗糙度评定参数，如图3所示，取样长度段12的粗糙度Ry为19.12nm，在通道11内通入0.6M的溶液速度为100mm/s的KCl溶液，此时测量取样长度段12两端的电势差，为23.4mv；将图2中的标定试样进行表面光滑处理后，如图4所示，取样长度段12的粗糙度Ry为10.05nm，通入0.6M的溶液速度为100mm/s的KCl溶液后，测量得到取样长度段12两端的电势差为9.6mv；将图2中的标定试样进一步进行表面光滑处理后，如图5所示，取样长度段12的粗糙度Ry为0.545nm，通入0.6M的溶液速度为100mm/s的KCl溶液后，测量得到取样长度段12两端的电势差为0.6mv。
本实施例是针对典型的SOI光波导器件所做的设计，本发明可应用于相似器件或相似领域，光波导3可以为图6~图8的各种形式，若光波导3为图8所示的环形腔结构，当进行内壁粗糙度测量时，需事先使用激光灯工艺进行切割，形成图9的结构，再对裸漏的硅衬底进行绝缘密封。
综上所述，本发明既不需要破坏样品结构，也不需要添加额外的工艺流程，整个工艺、设备较简单，能够方便、准确地测量低矮侧壁的粗糙度，具有突出的实质性特点和显著的进步；上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层（2）的硅衬底（1），所述二氧化硅掩埋层（2）上设有光波导（3），其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：
步骤S1.1：利用绝缘材料，制备开口向下的槽型绝缘盖（4）；
步骤S1.2：通过键合工艺，将槽型绝缘盖（4）盖在光波导（3）上，使得光波导（3）的待测侧壁与槽型绝缘盖（4）和二氧化硅掩埋层（2）之间形成两端开口的封闭微流道（5）；
步骤S1.3：在微流道（5）中通入离子液体或者极性液体，使得液体在微流道（5）内沿着光波导（3）的整个待测侧壁流动；
步骤S1.4：测量光波导（3）两端的电势差，根据流体流过硅光波导侧壁时硅光波导两端的电势差与硅光波导侧壁粗糙度之间的非线性关系，得出光波导（3）的待测侧壁的粗糙度。
2.根据权利要求1所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：步骤S1.3中的极性液体为乙醇，或为去离子水。
3.根据权利要求1所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：步骤步骤S1.1中，槽型绝缘盖（4）的制备工艺为模塑法，或为热压法，或为LIGA技术，或为激光烧蚀技术，或为软光刻法。
4.根据权利要求1所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：步骤步骤S1.1中，制备槽型绝缘盖（4）的绝缘材料为高分子聚合物，所述的高分子聚合物为热塑性聚合物，或为固化型聚合物，或为溶剂挥发型聚合物。
5.根据权利要求4所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：所述热塑性聚合物为聚酰胺，或为聚甲基丙烯酰甲酯，或为聚碳酸酯，或为聚丙乙烯。
6.根据权利要求4所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：所述固化型聚合物为聚二甲基硅氧烷，或为环氧树脂，或为聚氨酯。
7.根据权利要求4所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：所述溶剂挥发型聚合物为丙烯酸，或为橡胶，或为氟塑料。
8.根据权利要求1所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测方法，其特征在于：步骤S1.3中的离子液体为盐酸，或为氯化钾，或为氯化钠。
9.一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测装置，所述的SOI光波导包括其上设有二氧化硅掩埋层（2）的硅衬底（1），所述二氧化硅掩埋层（2）上设有光波导（3），其特征在于：所述光波导（3）上盖有槽型绝缘盖（4），所述光波导（3）的待测侧壁与所述槽型绝缘盖（4）和所述二氧化硅掩埋层（2）之间形成两端开口的封闭微流道（5），所述微流道（5）内具有沿着光波导（3）待测侧壁流动的液体，所述光波导（3）的两端并接有电压检测器（6）。
10.根据权利要求9所述的一种用于SOI光波导的侧壁粗糙度检测装置，其特征在于：所述槽型绝缘盖（4）的制备材料为热塑性聚合物，或为固化型聚合物，或为溶剂挥发型聚合物。
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