用相干扫描干涉法分析基于模型的透明表面薄膜

表面计量学必须越来越多地处理亚微米厚的薄膜，这些薄膜目前被用于半导体器件以外的产品。亚微米薄膜可能是偶然的——例如，机械零件上的油——或者对只对表面感兴趣的用户来说可能不是很重要。然而，薄膜也可能是至关重要的，提供特定的光学特性或保护底层的基片。

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。

至于薄膜计量本身，相关的校准是与样品无关的-一个特定于样品的校准人工制品，例如匹配的裸基片可能是不切实际或昂贵的。最好是利用可用的光学分辨率进行测量:之前生成高分辨率高度图的表面测量也应该对厚度进行类似的测量。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可能相差很大。

相干扫描干涉术的挑战与机遇

相干扫描干涉法(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。

通常，透明胶片将从基板产生额外的信号。在厚膜的情况下（图1（b）），信号可适当地分离，可以方便地分配给基板和顶表面[6] [7]。相反，对于子微米膜，基板和表面信号结合在一起（图1（c）），不能分离。这种对薄膜的敏感性也提出了一种新的可能性：可以通过建模薄膜效果来解码失真的CSI信号，使得能够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，在视野和吞吐场之间存在实际权衡，并且经常排除使用高度目标。由于这里描述的方法的前体，通过从目标瞳孔衍生的系统模型实现具有复杂反射率的样本的高Na测量，以在广泛的搜索中创建信号库范围（图2）。需要专门的Bertrand管镜头来执行瞳孔校准。

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。

提出的方法

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。本方法的测量流程。用户执行的步骤显示为绿色。

最佳匹配的信号搜索仍然存在无变化，主要差异是通过更大的计算能力进行优化的处理 - 现在以百万像素摄像机格式促进全场分析。虽然处理时间大部分依赖于像素计数和搜索范围，但通常在10秒以下的全场分析。具有已知可见光折射率的任何扁平伪像用于校准。没有任何特定于零件的校准，这对于具有复杂几何形状或逆向工程的部件来说主要是有利的。

例子测量

用现代商用CSI显微镜[16]对不同类型的亚微米薄膜和不同材料的零件进行了测量。亚博网站下载对于每个测量配置，使用碳化硅平板进行校准。这种碳化硅平板也用于标准csi校准。

需要广泛搜索范围的胶片应用

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，从测量形式到调查微观缺陷。这种灵活性，随着薄膜，仍然需要，因此应该延伸到薄膜的计量本身。基于模型的CSI理想地应在整个选择光学配置中工作。

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，分析采用氧化硅模型，对于视野中的所有像素，氧化硅模型为0到1200nm的搜索范围。广泛的搜索范围是有意的，以验证鲁棒性以及模仿薄膜厚度未知的情况。

广泛的放大范围提供了胶片特性的全貌。1.4X Zygo Wide Field (ZWF)物镜[19]能够在单个视野中捕获整个认证区域，并揭示薄膜厚度的缓慢变化。此外，同心环与薄膜中有意设计的图案相对应，黑色环表示氧化物被蚀刻到硅衬底上的地方。在更高的放大率下进行的测量显示了更小的厚度差异，甚至是处理这个实验室样品所导致的表面划痕。单个条纹缺陷的细节通过最高放大倍率图显示，这反过来是用50X Mirau实现的。

图5。硅上氧化物薄膜标准(认证厚度96.6 nm)的厚度图，在70倍放大范围内测量。所有物镜的平均厚度一致性均优于1 nm。

基于模型的CSI提供了表面图，并结合了厚度图(图4)。从顶部表面减去薄膜厚度可以创建基材表面的派生图。同时，这些地图允许进行额外的计量和验证。同样，放大范围允许进行完整的表面分析。

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目标测量的氧化硅膜标准的地图，拆除形成以显示质地

不同材料的零件亚博网站下载

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。亚博网站下载例如，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，部分可以包括散装不同材料和薄膜。亚博网站下载这种样品的制造序列如图8所示，以挖晶氧化物的硅的形式，具有部分金外涂层。

首先，使用硅衬底，在其上生长约1μm热氧化硅。然后，通过光致抗蚀剂掩模和部分蚀刻在氧化物中形成沟槽，并且易于留在沟槽的底部的较薄氧化物。最后，通过升降序列（光致抗蚀剂掩蔽，全局金沉积，光致抗蚀剂带）部分地镀金沟槽。目标金厚度约为90nm，足以防止来自下面氧化物的膜效应。

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))。

在某些应用中，在不同的区域需要正确的地形。对于这种类型的样品，这对应于跨越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。亚博网站下载

此外，如果折射率是众所周知的，结果表明厚度和地形图之间的单纳米自我一致性。这提供了具有基于模型的CSI的主要警告：材料特性的知识不足会限制性能，甚至可以挫败有意义的测量。对于基于模型的CSI，自然的下一步是扩展能力，以承受材料特性的不确定性。

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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