用相干扫描干涉法分析基于模型的透明表面薄膜

表面计量必须越来越多地处理亚微米厚膜的存在，现在正在用于超出半导体器件的产品。亚微米薄膜可以是偶然的 - 例如，在加工部分上的油 - 或者对仅在顶部表面感兴趣的用户对用户不太重要。然而，薄膜也可以是至关重要的，提供特定的光学特性或保护下面的基板。

在任何情况下，将亚微米薄膜引入组件很少会放松之前的表面计量要求。这些要求通常会扩展到包括膜的属性，如纹理、厚度和均匀性。

表面膜分析的要求

优选地，一种用于确定亚微米薄膜的表面计量技术将能够仅保留其对形貌的性能。这包括吞吐量和分辨率等指标，甚至扩展到配置灵活性。在以显微镜为基础的技术的情况下，这将意味着表面薄膜分析不应该限制缩放或物镜的选择。

对于薄膜计量本身，必须必须校准是样本不可知的 - 特定于样品的校准伪造物，例如匹配的裸衬底可以是不切实际的或昂贵的。如果测量值利用可用的光学分辨率，最好是产生高分辨率高度贴图的表面计量应该同样地实现厚度。最终，表面膜分析应该能够在广泛的厚度搜索范围内给出明确的结果。用户可能不太了解厚度，或者厚度在测量区域上可能会受到广泛不同。

相干扫描干涉术的挑战与机遇

连贯扫描干涉测量(CSI)能够提供亚纳米精度[1][2]的非接触区域地形图，覆盖广泛的表面类型，如平板显示组件[3][4]，汽车加工金属部件[5]，图形半导体晶圆，MEMS器件，和透明薄膜结构。CSI通过参考表面的反射和样品之间的干涉产生的局部相干信号来测量表面形貌。图1(A)描述了裸表面(即无膜)的标准CSI信号:表面位置基本上对应于峰值包络位置。

图1所示。(a)裸露表面(无胶片)的典型CSI信号;(b)厚膜(远超过1µm)，信号与表面和基质分离良好;(c)表面和基底信号合并的亚微米薄膜。

一般来说，透明薄膜会在基片上产生额外的信号。在厚膜的情况下(图1(b))，信号被适当分离，可以方便地分配到基片和顶表面[6][7]。相反，对于亚微米薄膜，衬底和表面信号结合在一起(图1(c))，不能分离。这种对薄膜的灵敏度也提出了一种新的可能性:通过对薄膜效应建模，可以解码扭曲的CSI信号，从而可以同时测量厚度和表面。

基于模型的CSI

以前的方法

在这种情况下，基于模型的CSI在预测的膜特性范围内复制信号，并选择与测量信号最好的可能匹配。它已经以[8][9][10][11][12]的不同形式进行了演示，所有这些都使用频域分析来集成系统和被确定部件的模型。

基于模型的CSI有一个注意事项:薄膜特性至少部分已知是很重要的，这样可以约束搜索空间并防止简并解。事实上，对于薄膜和衬底的可见光谱折射率，这通常需要知道，而薄膜的厚度作为未知参数待评估。

在以前的基于模型的方法中，由于密集的计算，视野和吞吐量之间存在实际的权衡，并且经常排除高na目标的使用。由于这里所描述的方法的前兆,high-NA测量复杂样品的反射率达到[13][14][15],通过一个系统模型来源于目标学生创建信号库在搜索范围宽(图2)。需要一个专门的伯特兰tube-lens执行学生校准。

图2。信号库生成，将处理任意高NA的系统模型与被测部件的模型相结合。

提出了方法

虽然这里说明的方法在原理上与它的前身[13]相似，但它将校准分为两部分:工具上的组件和用首选测量配置进行的名义瞳孔校准。该程序仅使用标准的CSI硬件，可用于任何干涉测量物镜。图3显示了整个测量序列。

图3。呈现方法的测量流程。用户执行的步骤以绿色显示。

最佳匹配信号搜索在技术上保持不变，主要的区别在于优化处理——由更强大的计算能力支持——现在有助于在百万像素相机格式下进行全域分析。虽然处理时间主要依赖于像素计数和搜索范围，但对于全域分析，它通常在10秒以下。任何已知可见光谱折射率的平面伪影都用于校准。不需要特定零件的校准，这对于具有复杂几何形状或逆向工程的零件来说是最有利的。

例子测量

使用当代商业CSI显微镜测量具有亚微米膜和异种材料的不同类型的零件[16]。欧洲杯足球竞彩对于每个测量配置，使用碳化硅扁平来执行校准。该碳化硅平面也用于标准CSI校准。

电影需要广泛的搜索范围

所有基于模型的方法都具有一定程度的退化，可以对同一组模型参数产生多个解。在薄膜计量方面，结果可能是不正确的或模糊的薄膜厚度值，产生明显可接受的匹配信号，以实验数据。限制厚度搜索范围可以提供一个解决方案，但这可能由于知识不足或测量区域厚度的巨大差异而无法实现。一个更有吸引力的选择是检测微小但清晰的信号细节，从而有可能消除潜在的简并解，并允许更大的搜索范围。

图4为中心厚度~1.2µm的氧化硅涂层硅衬底。涂层的外缘有一个厚度梯度降至零(裸硅)，夹具在蒸发过程中掩盖了基板。使用20X Mirau物镜测量这个过渡区域，使用搜索范围为0到1300nm的硅上氧化物模型，并对视场中的所有像素进行单独处理。

图4。用20X Mirau物镜在薄膜边界测量氧化梯度样品。厚度分布范围为0 ~1.2µm。衬底轮廓是由顶部表面减去厚度得到的，平坦到~1 nm。

图4还显示了得到的厚度图和覆盖整个厚度范围的横断面切片。正如预期的那样，厚度的差异是单调的和连续的，表明厚度是明确确定的整个广泛的搜索范围。正如预期的那样，从顶部表面减去厚度得到的硅衬底是平坦的，并且在~1 nm之内。

宽放大范围的胶片计量

大的选择放大的CSI允许使广泛的范围表面计量应用，从测量形状到研究微观缺陷。这种灵活性，加上薄膜的加入，仍然是可取的，因此应该扩展到薄膜的计量本身。理想情况下，基于模型的CSI应该适用于整个光学配置的选择。

如图5所示的厚度图是根据硅上氧化物薄膜标准(NIST认证的厚度为96.6±0.4 nm)确定的，使用四种不同的变焦/物镜组合，覆盖70倍放大范围。

对于所有情况，分析采用了硅上氧化物模型，其搜索范围为0到1200 nm，适用于视场中的所有像素。广泛的搜索范围是有意为之，以验证鲁棒性，并模拟膜厚未知的情况。

通过各种放大率提供薄膜特性的完整图像。1.4X Zygo宽场（ZWF）目标[19]能够在单个视野中捕获整个认证区域，并揭示膜厚度的缓慢变化。另外，同心环对应于薄膜中的刻意图案化，并且黑环表明氧化物被蚀刻到硅衬底。在更高放大率下进行的测量显示出较小的尺度厚度差异，均匀的表面划痕，从处理该实验室样品。最大放大图揭示了个体条纹缺陷的细节，又通过50x mirau实现了。

图5。用于氧化硅膜标准（认证厚度96.6nm）的厚度图，测量在70倍的放大范围内。平均厚度的协议在所有目标中优于1nm。

基于模型的CSI提供曲面图，与厚度图相结合（图4）。从顶表面减去膜的厚度产生基板表面的衍生图。这些地图在一起允许额外的计量和验证。再次，放大范围允许完全的表面分析。

1.4X ZWF捕获了暴露的硅衬底和氧化膜的区域(图6)。氧化层和裸硅之间的步骤显示在表面图上。从制造顺序(热熔毯热氧化，然后蚀刻到硅衬底)，表面步骤应与薄膜的厚度相匹配，或等效地使底层硅衬底保持连续。这是由衬底图确认的，验证了整体测量。

图6。使用1.4X ZWF物镜测量氧化硅薄膜的表面，厚度和衬底图

在更高放大率下进行的测量显示了表面、基材和厚度之间的纹理变化。从20X Mirau中获取的接口映射，去掉形式(四阶多项式)如图7所示。顶部表面有条纹和橘皮纹理。在此期间，薄膜织构以条纹为主，基底呈现橘皮织构，但没有条纹。这些图显示，橘皮纹理是由基材造成的，而条纹则存在于薄膜的顶部表面(可能是使用造成的，而不是原来的缺陷)。

图7。用20X Mirau物镜测量的硅上氧化膜标准图，去掉形状以显示纹理

不同材料的零件欧洲杯足球竞彩

如果反射相位变化(por)存在差异，即使是块状材料也会混淆传统的CSI，就像不同材料[13]之间发生的情况一样。欧洲杯足球竞彩例如，金属/玻璃台阶的传统CSI测量将偏差10到20 nm，金属看起来比实际[18]低。

传统上，一个零件可以包括大块异种材料和薄膜。欧洲杯足球竞彩这种样品的制造顺序如图8所示，其形式为带有部分金外套的沟槽硅上氧化物。

首先，在硅衬底上生长了约1µm的热氧化硅。然后，通过光刻胶掩蔽和部分蚀刻在氧化物中形成沟槽，更薄的氧化物故意留在沟槽的底部。最后，沟槽通过一个提离顺序(光刻胶掩蔽、全球金沉积、光刻胶带)进行部分镀金。靶金厚度约为90 nm，足以防止底层氧化物的膜效应。

图8。带有部分金涂层的氧化槽样品的制备顺序:(a)在硅衬底上生长~1µm的热氧化物;(b)形成氧化槽;(c)沉淀部分金大衣。

该样品使用50X Mirau物镜进行测定，并根据每个区域进行定制分析:未涂层的氧化物使用搜索范围为0至1200 nm的硅上氧化物模型，金涂层使用大块金模型(即无膜)。在镀金边界上的一对沟槽的表面和厚度映射如图9所示。

图9。使用50X Mirau物镜测量的沟氧化样品(a)表面和(b)裸氧化层厚度图

测定了未蚀刻氧化层的厚度，发现其厚度为988 nm。对于沟槽，其厚度与沟槽宽度的关系不大:20- μ m沟槽的厚度为160 nm, 10- μ m沟槽的厚度为165 nm。通过相减，厚度结果表明，20 μ m沟槽深度为828 nm, 10 μ m沟槽深度为823 nm。

如图10所示的结果证实了这一点，图10显示了通过两个沟槽和涂层边界的两侧，即有和没有金涂层的横截面地形图剖面图。因此测量的沟槽深度与厚度建议的结果一致，优于1 nm。

总体上，厚度和表面结果表明，在较窄的10- μ m槽中，氧化腐蚀过程大约慢0.6%。作为进一步的验证，我们观察到，涂层边界两侧的沟槽深度测量(使用有或没有薄膜效应的独立分析实现的)均优于1 nm。

图10。在涂层边界相对两侧测量了宽度为10µm和20µm的沟槽轮廓。测量到的沟槽深度跨越金大衣边界大于1纳米。10-µm沟槽比宽的20-µm沟槽浅约5 nm，这与其氧化层厚度测量的5 nm厚一致(图9(b))。

在不同地区需要正确的地形需要某些应用。对于这种类型的样品，这对应于涂层边界的金厚度步骤。

图11描绘了不同厚度氧化膜的金厚度分布:在20微米沟槽内为160 nm，在相邻的未蚀刻氧化物中为988 nm。两个剖面显示金的厚度约为85 nm，与~1 nm一致。

图11。在20µm沟槽内和相邻的未蚀刻氧化物上跨越镀金边界的台阶轮廓。测得的金厚度约为1nm。

结论

本文展示了基于模型的CSI方法如何支持全域电影表面计量通过整个范围的干涉物镜放大和产生高分辨率的表面和薄膜厚度的地图。校准与样品无关，大多数实际搜索范围的测量时间与传统CSI相似。基于模型的CSI，除了透明薄膜之外，还提供了具有已知可见光谱折射率的不同材料(包括金属)的所有组合的pcr校正地形。欧洲杯足球竞彩

此外，在折射率已知的情况下，单纳米厚度与地形图之间具有自一致性。这为基于模型的CSI提供了一个主要警告:对材料属性的不充分了解将限制性能，甚至可能阻碍有意义的测量。对于基于模型的CSI来说，下一步自然是扩展其承受材料特性不确定性的能力。

致谢

本文提出的原始工作受益于Xavier Colonna de Lega、Jim Kramer和Peter de Groot的关键贡献和投入。

参考文献

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