【行业应用】透明软质薄膜的表面形貌测量

2024-02-21

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摘要：为了实现光刻胶表面形貌的广域、高精度测量，对新一代测量理论及测量方法进行了研究。首先分析了被测物件的特性，根据其柔软、透明的特征提出应用光干涉法和机械探针相结合的方法进行测量，同时阐明了使用此方法进行表面形貌测量的优点，并据此原理搭建了光学多探针表面形貌测量装置，光学测量部分采用白光干涉计，探针部分采用拥有 ８ 只球型探头的多点悬臂测量探针。然后应用此装置对标准刻槽试件和半透明光造型薄膜试件进行了测量。测量52nm的标准刻槽试件时得到了测量误差小于 ２％，标准偏差小于 １ｎｍ 的结果，表明本装置可以达到高精度测量表面形貌的目的。通过测量高约 400nm 的树脂材料证实了此装置可以克服多重反射的影响测量透明薄膜的表面形貌。
关 键 词：表面形貌测量；光刻胶；白光干涉；多点球形探针
１引 言
目前半导体行业正朝着微细化、高集成化发展，高性能、 低成本的半导体产业是信息技术高度发展的原动力。光刻技术在半导体集成化进程中有着极其重要的作用，通常会通过使用短波长照射光的方法来提高解像度，但是随着波长的缩短焦点深度会变浅，光刻胶表面的凹凸形状对曝光的影响就越来越大。在以往的光刻工艺中无需测量光刻胶薄膜的表面形貌，通过校正测量系统和焦点测量系统可将曝光位置控制在所需精度范围内。但是随着半导体技术不断向着更为细小的技术节点迈进，即使曝光面内的光刻胶表面凹凸差只有几十nm也可能对曝光精度产生很大影响。因此，光刻胶薄膜的表面形貌测量及其相应测量方法是半导体产业亟待研究的关键课题。
现在用于表面形貌测量的方法主要分两大类，一类是利用光照射进行的非接触式测量，另一类是通过接触子与试件表面接触的接触式测量。
非接触测量法是利用光照射试件表面进行测量，而无需对试件表面加力，属于非侵袭性测量法，因此测量过程中试件不发生变形。白光干涉计，共焦点显微镜等是应用光波进行广域测量的代表仪器。在测量中，因为是非接触扫描，所以可实现高速测量，且通过光的位相和强度解析，在纵向测量精度很高。但横向分辨率依存于光源的半波长，所以相对于纵向分辨率比较低，同时对可透射光波的实验对象或因光轴角度而无法接收到反射光信号的实验材料不能实施测量。而对于半透明薄膜，由于光的多重反射的影响，很难得到正确的形貌特征，当薄膜厚度足够厚时没有问题，如果膜厚只有几百nm（低于照射光波长几倍时），照射在薄膜表面形成的反射光和透过薄膜表面照射到薄膜底面产生的反射光就会发生干涉，如果把两者都视为正常的反射光来解析光的位相和高度的关系则不能反映正确的形貌信息。接触式测量法因为测量过程中接触子与试件表面相接触所以是信赖度比较高的测量方法。在纵向面的测量精度较高，可以测得1nm 以下的精度。选择适当的接触子还可以实现面内横向的高测量精度。但是，它的不足是接触时对试件表面产生力的作用，可能引起试件表面的变形，在广域范围测量时相对需要较长的时间，导致速度低。典型的接触式测量仪器有原子间力显微镜（ＡＦＭ）、表面粗糙度计等。
本研究将在分析薄膜特性的基础上提出一种新的测量方法来实现光刻胶表面形貌的测量，并根据提出的方法搭建了试验装置，通过基础实验证明所提方法的可行性。
2 薄膜表面形貌测量方法
2.1 薄膜特性
本研究中测量对象—光刻胶薄膜具有以下特征：（１）薄膜厚度为几百 ｎｍ；（２）表面形貌变化缓和，起伏周期为 0.2~20 mm，振幅为几十 ｎｍ；（３）材质“柔软”，经实验测量弹性模数为30GPa，约为硅的1/7；（４）透明或者半透明。
采用非接触法测量法存在的问题与薄膜的半透明性及厚度相关， 光刻胶的厚度在几百 ｎｍ 时，易发生多重干涉现象，如图 １ 所示，所以白光干涉计本身难以实现本次测量。共焦点显微镜也是要提取上下表面的合焦点信号来测量，所以也会有多重干涉现象。用接触式测量方法测量大面积涂覆在硅片上的光刻胶表面形貌花费时间较长。探针与薄膜表面接触还可能会使表面形貌发生变化。由于需要测量的光刻胶薄膜起伏周期为几百 μｍ，高度差为 １０ ｎｍ 左右，所以为了把握光刻胶的大概形状，需要对纵向分辨率进行高精度测量，而横向分辨率则不需要高精度测量，也不需要检测特殊的高频成分，所以在面内横向拥有高分辨率的接触式测量在这里也不能发挥长处。
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值得注意的是，光计测法在原理上很难单独实现薄膜测量，而接触法虽然比较费时间，但如果施加在光刻胶表面的力的影响可以微小到可忽略程度， 那么形状测量本身是可以实现的。也就是说如果解决了测量时间以及由接触产生的对试件的影响问题就可以实现光刻胶表面的测量。
针对以上问题我们提出了应用光学测量和机械探针相结合的方法来实现表面形貌测量。
2.2 表面测量方法的工作原理
光学测量和机械探针相结合的测量方法如图 ２所示。
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该测量方法主要有以下3方面特点：
（１）光干涉测量和机械探针接触测量相结合解决了光的多重干涉问题
图3表示光-探针组合测量方法的基本原理，在透明薄膜上加载可以反射光波的介质，用光学扫描方式（非接触方式）测量介质的上表面，得到介质上表面的纵向数据信息，减掉介质自身的厚度，计算得到薄膜表面的纵向信息。也就是说，通过在光学测量仪器和薄膜试件之间加入无多重反射的介质，间接得到薄膜的表面形貌。
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（２）探针部分应用多个球状探针
探针前端与被测物接触部分拥有一定的直径，可以减少接触时对薄膜表面的影响；使用多个探针可实现广域测量。
应用线性排列的多点球状探针进行测量，如图 ４所示。用光学方法扫描探针上表面可以避免直接测量薄膜时产生的多重干涉现象，同时接触用探针部分采用大直径球状设计，减小接触所带来的形状影响。
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（３）应用白光干涉计实现高速、大面积扫描测量
在研究中应用白光干涉计 ＮｅｗＶｉｅｗ 系列作为扫描型光学测量仪器，采用白光干涉的原理对高精度的工件表面进行三维形状检测。采用气浮式工作台，可定性、定量地测量表面的粗糙度、波纹度、平整度、刻槽高度等，具有拼接及微观几何形状误差分析功能。具体可实现：（１） 纵向测量范围为 1nm~15000μm；（２）标准刻槽测量再现性在 0.5％以下；（３ ） 标准刻槽测量正确性在0.75％以下；（４）ＲＭＳ 再现性为 0.1ｎｍ。本研究可实现大面积扫描及纵向高精度测量。
基于以上测量原理，我们开发并试做了光学多点球状探针测量装置，如图 ５ 所示。接触部采用了 ８ 只触手探针。探针前端的球直径为１０畅９ μｍ，材料为 ＳｉＢ，各球间的距离为 ２５０ μｍ。上方的光学显微镜采用 ＺＹＧＯ 公司 ＮｅｗＶｉｅｗ５０００ 白色光干涉仪，在高速扫描状态下，测量轮廓范围在 1nm~15000μｍ，垂直分辨率可达0.1ｎｍ。下面将通过基础实验来考察此装置的测量性能。
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３　测量实验
3.1 标准刻槽实验
本实验应用所开发装置测量如图 ６ 所示的高52ｎｍ、宽100μｍ 的标准刻槽试件，用球状探针与标准刻槽表面接触，在标准刻槽部分和平坦部分分别测量数点，然后用白光干涉计测量其上表面信息，求取相对位置，对取得数据进行校正计算，得到了如表 １ 所示的测量结果，测量误差小于 ２％，标准偏差为0.9ｎｍ，达到了高精度测量的目的。
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3.2 半透明薄膜实验
本实验采用厚约200~400ｎｍ、直径 50~60μｍ的半透明光造型薄膜材料作为测试对象，如图 ７ 所示。 此光造型试件在白光干涉计测量下会发生多重反射，得到非连续的测量形状，如图 ８所示。 用所开发的光学多点球状探针装置测量可以得到连续形状，如图 ９ 所示。 在此半透明薄膜
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材料镀上反射薄膜后，再次应用白光干涉计进行测量可得到连续的表面形貌曲线。实验表明所开发装置可以克服多重反射的影响，测量薄膜的表面形貌。
４　结 论
为了测量光刻胶表面形貌特征，本文提出了应用光学测量和球形探针接触测量相结合的方法，并依此原理建立了光机械探针原子力显微镜测量装置。通过对标准刻槽试件和半透明薄膜试件的测量，对实验装置进行了评价。标准刻槽实验中用球状探针与标准刻槽表面接触，然后用白光干涉计测量其上表面信息，求取相对位置，通过多次测量得到了测量误差小于 ２％，标准偏差为0.９ｎｍ的结果，标准刻槽实验证明了本装置可实现高精度的测量。应用扫描型测量法进行了光造型薄膜试件的测量实验，用白光干涉计针对镀反光膜前后的试件表面形貌进行测量，同时采用光探针组合测量镀膜前后的形状并进行对比，证明本装置可以对白光干涉计所不能测量的透明薄膜形状进行表征。后续将对扫描型测量方法的精度进行进一步探索，同时还将对网格状多点探针测量进行研究。
本文载自中国光学报 作者：刘淑杰，张元良，张洪潮
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