实测案例——平面光波导局部芯层与包层厚度的测定

引言：近年来，基于硅的光子系统（例如 SOI 和 SiN）引起了极大的关注，旨在利用微电子工业中已发展成熟的加工工艺。其中，包层与芯层的特性（如厚度、折射率等）是光波导设计中最关键的参数，它们直接影响光的限制能力、弯曲损耗以及吸收特性。

手段与方法：在本应用说明中，我们使用安装在 Leica 显微镜 (LMDM) 上的 FR-uProbe 工具，同时测量了 SiN 光波导的三层堆叠结构（上包层/下包层及芯层）的厚度。该结构如图 1a 所示。测量在锥形波导区域进行，如图 2b 所示。图像中心的黑色方框（边长 4μm，图像由 50X 物镜获取）代表了测量光斑的尺寸。系统收集该区域的反射光，进一步分析其反射光谱，从而确定各层的厚度。

图1：a) 平面光波导层堆叠结构示意图；b) FR-uProbe 相机拍摄的图像，从顶部显示了测量区域及光波导结构。

在 450-700 nm 波长范围内获得的实验反射光谱（黑线）以及用于同时确定各层厚度的拟合曲线（红线）如图 3（左）所示。测得的厚度数值如图 3（右）所示。值得注意的是，通过本次测量确定的下包层和芯层的厚度，与在图形化工艺（刻蚀）之前测得的数值完全一致。

图 3（左）获得的反射光谱；（右）各层厚度测量结果。

结论：ThetaMetrisis 的 FR-uProbe 工具是一款独特且功能强大的设备，可用于局部厚度测量，其测量光斑尺寸可小至 2μm。得益于其模块化设计，该工具可安装在任何三目光学显微镜上，从而在不影响显微镜原有性能的前提下，显著增强显微镜的功能。

SiN波导

问题解答：

Q1: 这篇文章主要解决了什么问题？

A: 本文主要解决如何对平面光波导（特别是SiN波导）的芯层（core）进行高空间分辨率的局部厚度测量。传统的测量方法可能只能给出大面积平均值，而无法精确表征微小器件结构（如锥形波导）中各层的真实厚度。

Q2: 文章使用了什么工具和技术来实现这一测量？

A: 文章使用了 ThetaMetrisis 的 FR-uProbe 工具。这是一种基于反射光谱分析的光学测量技术。该工具被集成到一台 Leica 三目光学显微镜上，利用显微镜的成像能力精确定位测量区域，并通过分析该微小区域（光斑尺寸仅4μm）的反射光谱，同时解算出三层结构（上包层、芯层、下包层）的厚度。

Q3: 这种测量方法的关键优势是什么？

A: 该方法的核心优势在于：

• 高空间分辨率：测量光斑可小至 2μm，能够针对特定的微小器件结构（如波导）进行测量。

• 非接触、无损：不会对样品造成任何损伤。

• 多层同时测量：一次测量即可同时获得芯层和上下包层的厚度。

• 模块化与兼容性：FR-uProbe 是一个模块化附件，可以轻松安装在用户现有的任何三目显微镜上，不干扰显微镜的原有功能，极大地提升了现有设备的价值。

Q4: 这项技术适用于哪些具体的材料和应用场景？

A: 本文以 氮化硅 (SiN) 平面波导为例进行了演示。该技术特别适用于硅基光子学（如SOI, SiN平台）的研发与制造过程中的工艺控制和质量检测。任何需要对微米/纳米级多层光学薄膜结构进行局部、快速、无损厚度表征的场景，都是其理想的应用领域。

Dymek（岱美仪器）是 ThetaMetrisis 在亚洲的独家代理