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1、白光白光2011年08月03日 基于白光干涉与原子力探针的三维测量技术 周文豪 解志军 1. 理论依据和背景： 1.1背景： 在当前晶圆形貌、三维轮廓的检测中已经达到了纳米级别（45纳米线宽晶圆已经开始大规模应用）。以往芯片晶圆的形貌检测设备主要以光学为主，它的测量基本上在微米级别，在当前的精度要求下它明显已经不能满足要求。传统纳米级别形貌检测设备以扫描探针显微镜为主，但是其检测时间太长不适合当前流水化生产的速度要求。 1.2理论依据： 因为AFM方法的高精度性，我们不应该认为这个方法在当前实际生产中已经落伍。虽然对于一个整体高度变化比较明显的晶圆测量，用AFM方法测试的确比较费时，但是对于一
2、个高度变化缓慢的局部测量用AFM方法却是比较快速的。因为它不需要实时逐点调整探针的高度以防止撞击，这样就节约了大量时间，因此这种情况下，它的测量的高精度特点就能够发挥出来。它就只需要考虑位移测量装置的光成像的抓拍速度问题了，因为它的逐点检测的范围太小。但是只要有了足够高速度的相机，和数字处理技术与快速的并行运算技术，它也能够比较快速的完成晶圆检测。因此在这种缓慢变化的局部测量中，我们还是会采用X-Y-Z方向均有高精度的AFM方法测量。 2. 优点： 将白光干涉和非接触AFM测量技术有机结合在一起，将白光干涉测量速度快和垂直分辨率高的优点与非接触AFM测量技术横向分辨率高的优点结合起来，一方面有
3、效缩短了测量时间，另一方面可以拓展扫描探针的纵向测量范围。例如，即使样品具有几个微米的台阶分布，也可以有效测量。而现有的扫描探针在测量台阶分布样品时，一般都不能给出满意的结果，而且突变的凸起台阶往往容易造成探针损伤。另外，通过采用白光干涉技术精密测量样品的概貌，通过精密控制扫描探针的纵向位置，可以避免在横向扫描过程中探针和样品表面的接触。 3.详细分析原理： 3.1.下表是各种仪器的测量范围和分辨率对比 表1 仪器的测量范围和分辨力 图标详细表明，白光干涉仪在Z方向满足精度，而且测量范围也很大；在横向的分辨率就远远满足不了要求。AFM三维方向的精度都能满足要求，但是因为测量范围小，因此耗时太多
4、。 因此提出了新的测量方案。 3.2.方案概述： 系统工作在两种模式：首先在白光干涉测量模式下，利用白光干涉技术，测量样品的三维分布，推测样品的三维分布概貌；然后，将样品的测量范围按照纵向高度（可以在0.1纳米精度内）大小划分成不同的区域。最后，在扫描探针精密测量模式下，使用扫描探针技术，完成各个区域的细微测量，最终实现三维形貌的精确测量。 这种方案将白光干涉和非接触扫描探针测量技术有机结合在一起，可实现高速，高精度三维形貌测量 3.3详细原理分析 白光干涉仪：Z方向的先不考虑，那么从表1 可以看出，白光干涉仪的缺点在于：由于存在衍射受限和系统的横向分辨力由物镜的孔径尺寸来决定，所以一般的横向
5、分辨力相对比较低，在微米量级，这也决定了它们不能分辨微米以下更细微的形貌特征，无法满足三维尺度上的纳米级别精度测量。 假定X-Y方向的分辨力和范围就是如图所示的精度，那么它对晶圆的测量应该是下面的效果： 将视野中的（物镜）测量范围是400微米*400微米的晶圆做一次概貌测量，精度只有500纳米级。因为一般的阶梯分布的范围大于500纳米级，因此它可以测量到阶梯分布，虽然精度只有500纳米级。 各个500纳米*500纳米的小范围的总体高度可以精确测量，白光干涉的Z方向精度可以达到0.1纳米。然后根据各个方块的Z方向总体高度大致得到整个视野内的阶梯分布。对于各个高度上的更细微检测可以进行下一步AFM
6、检测。这样可以做到：1，外延了单纯用AFM在Z方向的测量距离短，克服了微米级的阶梯高度测量难以很好完成的缺点，2.对于同一阶梯内的具体形貌测量，因为高度变化精确度不会超过0.1纳米，所以在用AFM测量时，撞击探针的概率很小。 参见：（原子力显微镜的探针与样品表面距离的作用原理图图2） 附：AFM探针感应原理：在这里我们采用非接触原子力显微技术，既可以避免探针自身的损伤，也可以避免划伤样品表面，实现无损测量。当探针和样品之间的距离逐渐接近时，二者之间开始相互吸引，而且吸引力随着间隔的减小而逐渐增大，最后达到最大值。随着间隔的进一步缩小，探针和样品之间的吸引力逐渐减小，并最后转换成排斥力。非接触式
7、AFM检测由吸引力引起的探针位置的微小变化，解析样品的高度，如图2中绿色区域所示，探针和样品之间的距离（大概为几个纳米左右）接近吸引力最大值的间隔距离。此时，探针和样品没有接触。接触式AFM检测由排斥力引起的探针位置的变化，解析样品的高度，如图6中蓝色区域所示，探针和样品之间的距离更小。此时，探针和样品之间完全接触。因此，非接触AFM技术与常规AFM技术之间最大的区别是探针和样品之间的距离不同 因此也可以看出，无论是接触或者非接触式的AFM探针，当高度变化在0.1纳米范围内时，AFM探针与样品撞击基本可以避免。 用这个方法进行测量时，测量时间具体应该包括两部分：1，白光干涉仪的总体概貌测量（X
8、-Y方向精度在500纳米），测量到500纳米*500纳米的各个小样点，各个样点的Z方向精度应该是总体高度。或者说是主要区域的高度，这个高度虽然可以精确到0.1纳米，但是只是样点的概貌，具体情况（例如1纳米*1纳米的更小样点之间）差异如何，由于受横向精度限制测不出来。因此这一分布是在假定局部高度（500纳米*500纳米范围）内差异不大的情况下进行的高度划分，而且在实际的晶圆测量中，一个阶梯的范围应该远远大于这个级别，在同一阶梯内的测量可以使用AFM快速测量而不会造成撞击。 而AFM测量的时间主要是：阶梯分布造成的Z方向探针高度实时调整时间+X-Y方向的步进扫描时间+图像数字信号处理时间。这段时间
9、花费比较长，一般普通规格的晶片要花费10-30分钟不等的扫描时间。 而白光干涉仪的扫描时间可以说只有一次调焦过程时间+图像数字信号处理时间。这样时间只有数秒钟。 当二者结合起来的时候，相当于白光干涉仪的扫描时间+ AFM测量的时间-阶梯分布造成的Z方向探针高度实时调整时间. 由于不再使用AFM的分辨力级别（2纳米*2纳米）逐步逐点调整探针在Z方向的高度，只需要在小样点（500纳米*500纳米）为单位逐步逐区域的调整探针在Z方向的高度，这样节省的时间是几个数量级。这一段时间不仅足以弥补额外增加的白光干涉仪的几秒扫描时间，更能将总体时间减小到秒的级别，这比单纯使用AFM缩短了大量的时间。 这就是方
10、案的核心原理。 3. 新方案的测量精度和测量范围 3.1 白光干涉的Z方向精度是0.1纳米，但是由于其横向精度是微米级，因此0.1纳米的精度不是最终的测量精度，白光干涉虽然可以实现Z方向测量的高精度，但是在横向区域精度不够的前提下，它只是得到了晶圆一个大体的高度分布轮廓。它并不决定最终的测量精度 ，但是它决定了X-Y-Z方向的最大的测量范围 3.2 AFM方式决定了X-Y-Z方向最终的测量精度。理论上测量精度与一般的AFM的测量精度应该相同。 3.3 具体指标如表2所示： 表2 AFM+SWLI分辨力与测量范围图示 附注 1. 白光干涉仪的高度测量原理简介： 1.1举例、简介： 基于这种原理的
11、仪器可给出100微米范围内0.1纳米的垂直分辨力。附图1为一种典型的扫描式白光干涉轮廓仪（SWLI），来自钨卤灯的宽带光直接经过分光器照到干涉物镜。物镜安装在PZT驱动器上，沿光轴可以驱动到100微米。干涉图像被成像于可视摄像机，在PZT扫描中通过一个框架获取，可视图像用8位A/D转换精确地数字化。扫描速率设置在两个图像之间大约能产生90的相移。每幅图像输入主计算机完成采样和分析功能，并控制PZT扫描的起始点和速率。 1.2干涉仪工作机理和基本组成： 照明光束经半反半透分光镜分成两束光，分别投射到样品表面和参考镜表面。从这两个表面反射的两束光再次通过分光镜后合成一束光，并由成像系统在 CCD
12、相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在 CCD 相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，所以根据白光干涉条纹明暗度就可以解析出被测样品的相对高度。白光干涉特性等详细原理和解析方法可以查阅资料基于扫描白光干涉法的表面三维轮廓仪【1】等相关论文。很具体的学术性的共识就在此不作过多探讨。 附2 影响AFM或SWLI测量结果的因素。 SWLI：最佳干涉位置提取算法的识别精度、干涉条纹对比度、压电陶瓷驱动器微进给步距精度等。其中影响精度最关键的因素在于最佳干涉位置提取算法的识别精度, 因为某点最佳干涉位置识别的准确与否对该点高度的准确性影响最为直接。目前相关
13、的算法非常多, 识别效果不一。同时考虑到系统各个方面受到的干扰，因此需要健壮，最大程度的减少干扰的算法。具体的解决方法众多，相关论文专利很多，在此不作优劣的对比分析，有兴趣可以查阅相关文献。干扰条文的对比度也可以通过对光学系统的改进来提高。压电陶瓷的步进精度问题在当前已经有了很成熟的解决方案，也不作详细阐述，主要是依靠闭环控制，同时尽量减少共振效应。 AFM：除了压电陶瓷驱动器微进给步距精度等影响，探针的形状对实际检测结果起到很大的影响。这个问题的解决是在硬件与软件两个方面去着手的。目前国内AFM的研制已经达到国际水平，相信这个问题已经得到了很完善的解决。 对于这个复合的系统，两者的精度影响条
14、件并不是相互耦合的，因此可以分别参照当前对两者的研究手段和成果，这些问题都是在业内已经得到完善解决了的。因此笔者就不再赘述了。 附3 复合后的装置与一般的AFM或SWLI相比有关性能 从图1可以看到方案公用一套Z-Y-Z定位装置，公用一个检测平台。但并不仅仅是两个方案的简单相加 白光干涉装置在以AFM方式检测时是AFM测量的一个子系统，也就是AFM的探针微小位移的检测也是靠白光干涉来检测出来的。这样就可以有效利用资源，防止产生冗余资源。从这个角度来分析，这个方案可以说是AFM方案的一个改进型，或者说是明显的缩短了检测时间和外延了测量深度的AFM方式。 因此它不失为一个精妙的改进和创新。 附4唯
15、一的缺点： 当仪器一方面的性能得到改进后，另一方面性能也许有所失。关键问题就是当SWLI的粗略测量得到的局部样本内部实际有很大高度变化的时候，由于横向精度的问题，它无法检测到，因此当以AFM方式对该小样本进行逐点检测时候，样本对探针的撞击应该是不可避免的。这就不如单纯使用AFM方法更加可靠。其详尽的可靠性检测需要在实际试验中去验证。 估计在实验中得到的结果可以完全的推翻我的顾虑，但是就本人对原理的理解和自己的理论来考虑，目前只能得出上面的结论。 参考文献 【1】何永辉，蒋剑峰，赵万生，基于扫描白光干涉法的表面三维轮廓仪，光学技术 第27卷第2期2 0 0 1 年3 月 【2】 常素萍 谢铁邦，基于白光干涉的MEMS 三维表面形貌，华中科技大学学报(自然科学版) ，测量第35卷第9期2007年 9月 【3】 张玲玲 谢铁邦，基于扫描白光干涉法的接触式表面形貌轮廓测量仪，计量技术，2003年第3 【4】 戴蓉, 谢铁邦, 常素萍，垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量系统，光学技术32卷第4期，2 0 0 6 年7 月 【4】冯焱颖 内部报告，2008年2月
