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[交流] 一文解析| 测量晶圆薄膜传输损耗的7种方法

测量晶圆上薄膜的传输损耗是表征其光学质量（尤其在集成光子学、光通信波导器件中）的关键参数。这通常指光在薄膜波导（如氮化硅、二氧化硅、硅、聚合物等形成的波导）中传播时，单位长度上的光功率衰减（单位通常是db/cm）。
下面给大家分享7种常用的方法，各有优缺点，供大家参考：

不同尺寸的晶圆薄膜

一、切割波导法
原理
1.在晶圆上制备一组长度不同但结构一致的直波导。
2.对波导两端进行精密切割/抛光，形成光学质量端面。
3.测量各波导的输出光功率。
4.通过对比不同长度波导的输出功率差异，获得传输损耗值（无需单独校准耦合效率）。
优点
1.概念直接，易于理解。
2.测量精度相对较高（如果端面处理得好）。
缺点
1.破坏性:?需要切割晶圆，破坏了晶圆的完整性。
2.端面质量依赖性强:端面粗糙度或倾斜会引入显著的额外耦合损耗，影响测量精度。
3.对准困难: 将光纤精确对准微米/亚微米尺度的波导端面需要精密设备和技术。
4.不适用于低损耗波导（α<0.1db/cm）

二、棱镜耦合法
原理
1. 将薄膜波导压在棱镜表面。
2. 调整入射光的角度，当满足波导模式的相位匹配条件时，发生全反射，光被耦合进波导中。
3. 光在波导中传播时会有光散射出波导，假设散射光与留在波导内传输的光强成正比。
4. 移动探测器，采集不同传播距离下散射光的光强变化，并绘制出曲线，从而拟合出波导的光传输损耗。

波导损耗测量原理

优点
1.非破坏性: 不需要切割波导或处理端面。
2.模式选择性:通过选择不同的入射角，可以激发和测量特定的波导模式。
3.可以使用棱镜耦合仪，操作简单，快速测量。
缺点
1.耦合效率受棱镜-波导间隙（空气隙）影响大，需要精确控制。
2.测量精度受限于角度分辨率和功率测量稳定性。

棱镜耦合仪

三、光栅耦合器法
原理
1.?在薄膜表面制备输入/输出光栅，调整激光入射角度使光经衍射耦合进波导。
2.?波导中传输的光被输出光栅衍射出薄膜。
3.?移动输入光斑位置以改变光传播距离，通过检测输出光强随距离的衰减间接获得传输损耗。
优点
1.非破坏性
2.非常适合平面工艺和自动化:?光栅是标准集成光学元件，易于与探针卡、自动化平台集成。
3.垂直入射:简化了光学对准（通常使用垂直光纤阵列或物镜）。
4.模式选择性:光栅周期设计决定了耦合的模式。
缺点
1.需要预先在晶圆上设计和制作光栅结构（增加了工艺步骤）。
2.光栅耦合效率会影响测量精度（需要良好设计）。
3.光栅本身的损耗（散射、吸收）会包含在测量结果中，需要评估或校准。

四、fabry-perot 谐振腔法
原理
1.在薄膜波导两端制备高反射镜面构成光学谐振腔。
2.将波长可调的激光耦合进波导，扫描波长并测量透射光谱。
3.观测光谱中的谐振峰，其精细程度（峰宽窄锐度）直接表征波导损耗：
→ 损耗越低，谐振峰越尖锐。
优点
1.理论上精度很高，尤其适合测量极低损耗的波导。
2.可以同时获得波导的有效折射率。
缺点
1.需要形成有效的谐振腔（反射端面）。
2.测量和数据分析相对复杂。
3.结果对端面反射率的精确值很敏感，而端面反射率本身往往难以精确测定。

五、散射光成像法
原理
1.将光耦合进波导，传输中因表面缺陷/粗糙度产生散射光。
2.用高灵敏度相机拍摄晶圆表面散射光空间分布。
3.分析沿波导方向的散射光强度变化趋势：
均匀递减→ 传输损耗分布
局部亮点→ 缺陷/污染定位
优点
1.非接触、非破坏性
2.高空间分辨率：可直观定位缺陷位置（精度≈1 μm）
3.快速全场扫描：单次成像覆盖全晶圆
4.无需特殊结构：不依赖光栅/端面，适用于任意波导设计
缺点
5.半定量局限：主要用于快速筛查和缺陷定位，定量精度通常不如棱镜或光栅法
6.低信噪比：超低损耗材料（α<0.1 db/cm）信号微弱
7.背景干扰：衬底荧光/杂散光需严格屏蔽
8.模式不可分：无法区分te/tm模或高阶模

六、近场扫描光学显微镜法
原理
1.用纳米光纤探针（孔径<100 nm）扫描波导表面，探测局域倏逝场
2.探针扰动倏逝场产生可测散射光，光强正比于局域场强度
3.逐点扫描绘制纳米尺度光场分布图
优点
1.超高空间分辨率：突破衍射极限（达20 nm）
2.纳米局域场分析：可表征光子晶体/表面等离激元结构
3.非破坏性：探针近场接触无损伤
缺点
1.极低效率：单点扫描耗时（小时/样品）
2.系统复杂：需超稳隔振、锁相放大等
3.不直接测损耗：仅反映局域场强度，需建模反演
4.探针损耗：孔径散射引入额外误差

七、傅里叶变换红外光谱法（ftir）
原理
1.红外光交互作用：将宽谱红外光照射到剥离的薄膜样品上，测量光线穿过样品后的透射光谱或被样品反射的反射光谱。
2.吸收特征提取：材料中的化学键（如si-o、c-h）会选择性吸收特定红外波长，形成特征吸收峰。
3.损耗关联：通过分析吸收峰的强度与宽度，直接获得材料在红外波段的本征吸收损耗（区别于波导结构引起的散射损耗）。
（实际器件总损耗= 吸收损耗（ftir获得） + 散射损耗（需波导测量法））
优点
1.材料本征特性：直接测量体材料吸收损耗，排除波导结构散射影响。
2.宽谱分析：单次测量覆盖中红外至远红外波段（如2.5-25 μm）。
3.定量精准：对均匀薄膜，吸收系数精度达±0.1 cm（约±0.04 db/cm）。
缺点
1.破坏性制样：需剥离薄膜并制备独立样品（破坏晶圆完整性，无法原位测试）。
2.无法区分模式：测量的是材料总吸收，不能区分波导中不同模式的损耗。
3.忽略散射损耗：仅获吸收损耗，实际传输损耗需另测散射分量（如用棱镜法）。
4.厚度误差敏感：膜厚测量偏差将直接导致计算误差。

最常用的方法及其原因
在晶圆薄膜传输损耗的实际测量中，以下三种方法因其核心优势成为最普遍的选择：
棱镜耦合法：凭借成熟的商用仪器，如op-6000（深圳启扬光学）、model 2010/m（美国metricon）、非破坏性、模式选择性以及相对简单快捷的操作，成为实验室和产线（尤其研发线）进行常规损耗测量的主流方法。
光栅耦合法：因其与硅光子学等平面工艺的高度兼容性、非破坏性、易于实现自动化集成（与探针卡/平台）以及垂直耦合简化对准的优势，在集成光子芯片的研发和量产测试中日益成为主流方法，特别是当器件本身已设计光栅时。
散射光成像法：凭借其真正非接触、非破坏性的特性，以及秒级完成全场扫描、高空间分辨率直观定位缺陷的能力，成为工艺开发中快速筛查缺陷、评估均匀性不可或缺的工具，常与前两者配合使用。

选择哪种方法？关键考虑因素
1.破坏性vs非破坏性
核心诉求：是否需要破坏晶圆？（量产监控和工艺迭代的基石）
支持的方法：棱镜耦合法、光栅耦合法、散射光成像法。
不支持/受限的方法：切割波导法（需切割）、ftir法（需剥离薄膜）、fabry-perot法（需特殊反射端面）、近场扫描法。

2.测试效率与实用性
核心诉求：是否快速、稳定、易于操作或集成到自动化平台？（决定了其在研发调试和产线监控中的可行性）
高效实用的方法：棱镜耦合法（商用仪器成熟快速）、光栅耦合法（自动化集成潜力最高）、散射光成像法（秒级全场扫描）。
效率较低/操作复杂的方法：切割波导法（多样品制备与精密对准）、fabry-perot法（复杂光谱分析与腔制备）、近场扫描法（极慢单点扫描）、ftir法（制样复杂）。

总结与建议
棱镜耦合法（能用仪器直接测量波导损耗，快速得出测量结果，无需搭建实验装置，商用仪器如：op-6000（深圳启扬光学）、model 2010/m（美国metricon）和光栅耦合法是定量测量传输损耗的主力，前者凭借成熟设备和通用性广泛使用，后者则在硅光量产中日益普及；散射光成像法是缺陷定位与快速筛查的黄金标准；切割波导法在特定高精度需求下仍有价值；fabry-perot法擅长测量极低损耗；近场扫描（nsom）提供纳米级光场洞察；ftir法则专注于剥离材料的本征吸收特性。
测量晶圆薄膜的传输损耗是集成光子器件研发与制造的核心环节。本文介绍的七种方法各有千秋，需综合考量破坏性容忍度、精度要求、自动化程度、被测结构特性以及是否需要模式选择或缺陷定位等因素。理解这些方法的原理与局限，是设计有效测试方案、优化工艺、提升器件性能的关键。

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1楼2025-06-23 15:50:23

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