使用太赫兹近场对埋藏结构成像

太赫兹散射式扫描近场光学显微镜（THz s-SNOM）是一种突破光学衍射极限的纳米成像技术，尤其适用于THz波段（波长约300μm）。传统光学显微镜无法分辨远小于波长的结构，而s-SNOM利用金属探针尖端的场增强效应，可实现纳米级空间分辨率。

以往研究多集中于表面结构成像，对深埋于介质层下方的金属结构成像研究较少，尤其是当覆盖层厚度远大于探针尖端半径时。本文提到的文献成功实现了对硅氧化物（SiO₂）层下深埋金属线（覆盖层厚度≈200nm，探针半径≈40nm，即厚度约为探针半径5倍）的高对比度成像，对半导体工业中的非接触式失效分析具有重要意义。

图1(a)展示了实验装置，图1(b)描述了同等实验条件下的仿真模型。实验使用铂铱(PtIr)圆锥形探针，尖端半径40nm，尖端长度80μm。AFM尖端在样品表面上进行垂直敲击运动，探针振幅为250nm，振动频率为16kHz。这个振幅相比起一般情况下较大，较大的振幅可以改善来自亚表面结构的信号。探针尖端由位于AFM之外的光导天线产生的宽带THz脉冲照明。使用自由空间电光采样从尖端散射的辐射，再通过锁相放大方法得到所需要的近场信号。

实验样品为一个基于硅基的芯片结构，如图2所示的结构剖面。研究中重点关注的区域具有相对简单的形态特征，适合作为测试平台进行分析，该区域包含三条铜互连线路，其被埋置于介质层下方，与图1(b)中的模拟区域相对应。具体而言，这些铜线沉积于下层平坦化的硅基之上，设计宽度为0.75μm，相邻线路间距为0.45μm。在扫描电子显微镜（SEM）图像中，铜线在垂直方向上的运动轨迹可隐约辨识（见图2(a)）；然而，在原子力显微镜（AFM）地形图中，其形貌特征则完全不可见。完成太赫兹（THz）成像测量后，进一步采用聚焦离子束（FIB）系统对目标区域的SiO₂介质层厚度进行了精确表征，测得其厚度为209±20nm。

图3显示了1至4阶试验样品光学信号成像。图3表明，THz s-SNOM对深埋金属线的成像能力显著依赖于信号解调的谐波阶次。随着解调阶数增大，对比度提升，如4阶谐波的对比度比2阶提高近乎一倍（图4a），这是因为高阶谐波更有效地抑制了远场背景噪声。

然而，作者在实验和模拟中都发现，对于较低的谐波，空间分辨率更好（图5a），这与最初的预期相反。在较高谐波的情况下，散射信号的源头变得更加局部化到 AFM 尖端，这提高了暴露在表面的结构的横向空间分辨率。然而，对于埋藏结构，增加的局部化提出了挑战。随着尖端和埋藏结构之间的距离扩大，较高谐波的局部化性质也意味着信号的垂直约束增加，导致来自埋藏在表面下的结构的信号变弱。因此，虽然较高的谐波提高了表面特征的整体对比度和分辨率，但同时降低了埋藏特征的信号强度，反映了成像埋藏结构与暴露结构的分辨率权衡。

除此以外，仿真与实验均发现金属线边缘信号存在方向依赖性，如图6结果所示。在金属线背对入射光的一侧，信号强度会出现10-15%的过冲（图6红蓝曲线）。例如，当THz波从右侧入射时，左侧边缘（E2，E4）的对比度比右侧（E1，E3）低（图4a插图）。这种不对称性源于探针的阴影效应——倾斜入射的光被探针遮挡后，背光侧的散射信号更强。仿真进一步表明，覆盖层厚度增加至300nm时，过冲成为分辨结构的主要依据。

总之，本文借鉴的文献指出，该研究深度成像能力明显大于以前报道的结果，表明 THz s-SNOM 可能是研究埋藏金属化层的有价值工具，这对于推动THz成像发展具有积极意义。

参考文献

Ma P, Kölbel J, Ying JF, Lin JH, Pizzuto A, Mittleman DM. Terahertz near-field imaging of buried structures. Opt Express. 2024 Oct 21;32(22):39785-39792. doi: 10.1364/OE.532478. PMID: 39573788.

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文字丨于曙超

排版丨向绍莲