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日本Lasertec共聚焦顯微鏡在Si基板上透明薄膜的表面凹凸形狀測定

• 概要

    基板上涂覆透明膜的樣品，其表面形狀經(jīng)常用激光顯微鏡或干涉儀測量。但是受到基板反射光的影響，1um程度（或更薄）的透明膜的表面形狀難以測定。這里介紹基于反射分光膜厚測試的，Si晶圓上光刻膠的表面形狀測試案例。

• 緒論

    對于樹脂類、金屬類制品等，其表面的幾十納米的凹凸形狀，通常可以用共聚焦顯微鏡測試。但是對于金屬等高反射率基板上的薄膜表面的形狀測試，在基板反射率明顯高于薄膜反射率時，經(jīng)常無法正確測定。

    例如，考慮如圖1的Si基板上的單層膜結(jié)構(gòu)。其表面凹凸能否測出，取決于膜厚以及鏡頭的NA（即，數(shù)值孔徑）值。使用高NA鏡頭（NA=0.95）時，膜厚在幾十um以上時可準確測定，幾um以下薄膜的情況，Si基板的反射光與薄膜表面的反射光難以分離，無法有效測定。

    圖1 Si基板上光刻膠加工面的斷面圖（d～1um）

    對于此類測試需求，方案之一是通過反射分光法測定膜厚。當基板是Si晶圓或玻璃等平面的場合，可認為由膜厚能夠推導(dǎo)出表面形狀。以此方法，即可用低倍寬視野鏡頭快速測出幾十nm的膜厚差異。

    這里，圖1樣品由彩色共聚焦模式得到的圖像如圖2，由于加工的深度不同，8個由透明膜涂覆的凹槽，在圖像上看顏色各異。這里，利用薄膜干涉原理，可對薄膜的厚度進行定量測量。

    圖2 彩色共聚焦圖像（PMMA膜，Si基板）

    測定條件：TU10x鏡頭（NA=0.3）

    照明波長：白色光（氙燈）

• 基于反射分光法的光刻膠膜厚分布測定

    無色透明薄膜上之所以出現(xiàn)彩色的干涉光，是由于多重反射受干涉影響或增強或減弱，導(dǎo)致特定波長的反射率變小。于是，對于特定波長(λ)，其反射率強弱由膜厚（t）導(dǎo)致的相位差（θ）決定。于是，理論上，測出反射率即可以計算得到膜厚。計算式如下

    實際上我們通過曲線擬合，基于最小二乘法得到膜厚結(jié)果。

    圖5 分光膜厚分析（4號凹槽：214nm）

    測定條件：TU10x鏡頭（NA=0.3）

照明波長：436nm,486nm,514nm,546nm,578nm,633nm

    對測試的具體操作做一說明。利用6種波長的可見光分別分別獲取共聚焦圖像，與另外測試得到的標準樣品數(shù)據(jù)對比分析，可得到每一像素點的、各波長的反射率。

    圖像內(nèi)區(qū)域（4號凹槽）的，各波長圖像亮度轉(zhuǎn)換成反射率，并且基于給定光學模型進行膜厚計算的畫面如圖5。光學模型設(shè)定為PMMA單層膜，其光學參數(shù)（n和k值）由數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入（如圖6）。PMMA膜厚的可能范圍設(shè)定為0～2000nm，用最小二乘法進行擬合。

    對1至8號凹槽進行同樣分析，得到膜厚結(jié)果如表1。各凹槽膜厚從392nm到19nm，由左到右逐漸減小。

表1 平均膜厚分析結(jié)果

    （計算區(qū)域15um□，單像素點1.5um□）

    視野全體的表面凹凸情況，僅由區(qū)域內(nèi)平均膜厚并不能判斷，需要對各像素點分別進行膜厚解析。與上述同樣分析條件對全像素點進行解析，得到膜厚分布圖像。

• 膜厚分布結(jié)果與考察

    分析得到的膜厚分布圖像斷面圖如圖7。各凹槽測量位置的深度，與區(qū)域的平均值基本一致。斜面處反射光無法正常檢測的部分，出現(xiàn)噪聲干擾，設(shè)定亮度閾值可對噪聲判定為異常值后進行處理。處理后得到的斷面圖如圖8?？蛇M一步得到3D圖像進行直觀觀察（如圖9）。

圖7 膜厚分布圖像斷面圖

測定模式：反射分光

測定條件：TU10x鏡頭（NA=0.3）

圖8 膜厚分布圖像斷面圖 噪聲處理后

測定模式：反射分光

測定條件：TU10x鏡頭（NA=0.3）

圖9 3D圖

• 結(jié)語

    對于激光顯微鏡通常難以測定的薄膜表面凹凸形狀，本次提供基于反射分光膜厚分布測試的解決方案。