晶圓表面形貌及臺(tái)階高度測(cè)量方法

晶圓在加工過(guò)程中的形貌及關(guān)鍵尺寸對(duì)器件的性能有著重要的影響，而形貌和關(guān)鍵尺寸測(cè)量如表面粗糙度、臺(tái)階高度、應(yīng)力及線寬測(cè)量等就成為加工前后的步驟。以下總結(jié)了從宏觀到微觀的不同表面測(cè)量方法（Offline設(shè)備）：

一、 干涉儀（斐索干涉）

原理：在測(cè)試平面樣品時(shí)，自標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面反射的參考光和自樣品被測(cè)表面反射的測(cè)試光發(fā)生干涉，參考面到被測(cè)面這一段空間稱為“干涉腔”。對(duì)干涉條紋光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，就能得到面形或者波前誤差的三維分布結(jié)果。

應(yīng)用：面形測(cè)量。

測(cè)量區(qū)域：橫向mm到cm級(jí)，Z向精度1/20λ。

二、 白光干涉儀

原理：干涉技術(shù)與光學(xué)成像技術(shù)相結(jié)合，對(duì)應(yīng)樣品表面移動(dòng)物鏡會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生可測(cè)量的光程長(zhǎng)度差，從而生成干涉條紋。條紋間的距離和條紋的總強(qiáng)度可以通過(guò)高精度的計(jì)算，從而得到高分辨率的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)樣品表面的掃描及拼接，從而得到樣品表面形貌信息。

應(yīng)用：翹曲度、波紋度及粗糙度測(cè)量。

測(cè)量范圍：橫向um到cm級(jí)，縱向nm到mm級(jí)。Z向精度VSI模式為1nm，PSI模式0.1nm。

三、 臺(tái)階儀/探針式輪廓儀：

原理：通過(guò)電磁線圈通電流在探針端施加力，使探針劃過(guò)樣品表面，然后通過(guò)光學(xué)杠桿放大/電容測(cè)量來(lái)測(cè)定探針Z向的行程。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量探針的位移變化，從而測(cè)量表面臺(tái)階高度、粗糙度、波紋度、磨損度、薄膜應(yīng)力等多種表面形貌技術(shù)參數(shù)。

應(yīng)用：翹曲、波紋度、粗糙度、應(yīng)力及臺(tái)階高度測(cè)量。

測(cè)量范圍：橫向um至cm級(jí)，縱向nm到mm級(jí)，Z向測(cè)量精度0.2/0.38A。

四、 原子力顯微鏡

原理：將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法，可測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

應(yīng)用：樣品表面形貌、表面粗糙度、力學(xué)、電學(xué)等性能測(cè)量。

測(cè)量范圍：橫向100*100um，縱向亞納米至10um，Z向分辨率0.015nm。

五、 掃描電子顯微鏡

原理：掃描電鏡是利用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過(guò)電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)從而微觀成像。當(dāng)掃描被測(cè)表面時(shí)，二次電子從被測(cè)表面被激發(fā)出來(lái)，其強(qiáng)度與被測(cè)表面形貌有關(guān)，據(jù)此可處理處被測(cè)表面影片的表面形貌，其比較適合于定性測(cè)量。

應(yīng)用：表面形貌測(cè)量、成分分析。

測(cè)量范圍：橫向nm至cm級(jí)，橫向分辨率1nm。

單種測(cè)量手段往往都有著自身的局限性，實(shí)際是往往是多種測(cè)量方法配合使用。對(duì)量產(chǎn)線而言，往往Online的設(shè)備才能滿足生產(chǎn)需求，Offline設(shè)備往往只作為研發(fā)和小批量試驗(yàn)使用。此外，除表面形貌和臺(tái)階測(cè)量外，在晶圓制程中需要進(jìn)行其他測(cè)量如缺陷量測(cè)、電性量測(cè)和線寬量測(cè)。通過(guò)多種測(cè)量方式的配合，才能保證器件的良率和性能。