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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
更新時間:2021-04-29   點擊次數:2046次

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?。┑耐该髂さ谋砻嫘螤?/span>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??梢杂霉簿劢癸@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,經常無法正確測定。

 

    例如,考慮如圖1Si基板上的單層膜結構。其表面凹凸能否測出,取決于膜厚以及鏡頭的NA(即,數值孔徑)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據對比分析,可得到每一像素點的、各波長的反射率。

 

    圖像內區域(4號凹槽)的,各波長圖像亮度轉換成反射率,并且基于給定光學模型進行膜厚計算的畫面如圖5。光學模型設定為PMMA單層膜,其光學參數(nk值)由數據庫導入(如圖6)。PMMA膜厚的可能范圍設定為0~2000nm,用最小二乘法進行擬合。

 

 

    對18號凹槽進行同樣分析,得到膜厚結果如表1。各凹槽膜厚從392nm19nm,由左到右逐漸減小。

 

1 平均膜厚分析結果

    (計算區域15um□,單像素點1.5um□)

 

    視野全體的表面凹凸情況,僅由區域內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,出現噪聲干擾,設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)。

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

 

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

 

9 3D

 

 

  • 結語

    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。

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