日本Lasertec共聚焦显微镜在Si基板上透明薄膜的表面凹凸形状测定

• 概要

    基板上涂覆透明膜的样品，其表面形状经常用激光显微镜或干涉仪测量。但是受到基板反射光的影响，1um程度（或更薄）的透明膜的表面形状难以测定。这里介绍基于反射分光膜厚测试的，Si晶圆上光刻胶的表面形状测试案例。

• 绪论

    对于树脂类、金属类制品等，其表面的几十纳米的凹凸形状，通常可以用共聚焦显微镜测试。但是对于金属等高反射率基板上的薄膜表面的形状测试，在基板反射率明显高于薄膜反射率时，经常无法正确测定。

    例如，考虑如图1的Si基板上的单层膜结构。其表面凹凸能否测出，取决于膜厚以及镜头的NA（即，数值孔径）值。使用高NA镜头（NA=0.95）时，膜厚在几十um以上时可准确测定，几um以下薄膜的情况，Si基板的反射光与薄膜表面的反射光难以分离，无法有效测定。

    图1 Si基板上光刻胶加工面的断面图（d～1um）

    对于此类测试需求，方案之一是通过反射分光法测定膜厚。当基板是Si晶圆或玻璃等平面的场合，可认为由膜厚能够推导出表面形状。以此方法，即可用低倍宽视野镜头快速测出几十nm的膜厚差异。

    这里，图1样品由彩色共聚焦模式得到的图像如图2，由于加工的深度不同，8个由透明膜涂覆的凹槽，在图像上看颜色各异。这里，利用薄膜干涉原理，可对薄膜的厚度进行定量测量。

    图2 彩色共聚焦图像（PMMA膜，Si基板）

    测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）

    照明波长：白色光（氙灯）

• 基于反射分光法的光刻胶膜厚分布测定

    无色透明薄膜上之所以出现彩色的干涉光，是由于多重反射受干涉影响或增强或减弱，导致特定波长的反射率变小。于是，对于特定波长(λ)，其反射率强弱由膜厚（t）导致的相位差（θ）决定。于是，理论上，测出反射率即可以计算得到膜厚。计算式如下

    实际上我们通过曲线拟合，基于最小二乘法得到膜厚结果。

    图5 分光膜厚分析（4号凹槽：214nm）

    测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）

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

    对测试的具体操作做一说明。利用6种波长的可见光分别分别获取共聚焦图像，与另外测试得到的标准样品数据对比分析，可得到每一像素点的、各波长的反射率。

    图像内区域（4号凹槽）的，各波长图像亮度转换成反射率，并且基于给定光学模型进行膜厚计算的画面如图5。光学模型设定为PMMA单层膜，其光学参数（n和k值）由数据库导入（如图6）。PMMA膜厚的可能范围设定为0～2000nm，用最小二乘法进行拟合。

    对1至8号凹槽进行同样分析，得到膜厚结果如表1。各凹槽膜厚从392nm到19nm，由左到右逐渐减小。

表1 平均膜厚分析结果

    （计算区域15um□，单像素点1.5um□）

    视野全体的表面凹凸情况，仅由区域内平均膜厚并不能判断，需要对各像素点分别进行膜厚解析。与上述同样分析条件对全像素点进行解析，得到膜厚分布图像。

• 膜厚分布结果与考察

    分析得到的膜厚分布图像断面图如图7。各凹槽测量位置的深度，与区域的平均值基本一致。斜面处反射光无法正常检测的部分，出现噪声干扰，设定亮度阈值可对噪声判定为异常值后进行处理。处理后得到的断面图如图8。可进一步得到3D图像进行直观观察（如图9）。

图7 膜厚分布图像断面图

测定模式：反射分光

测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）

图8 膜厚分布图像断面图 噪声处理后

测定模式：反射分光

测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）

图9 3D图

• 结语

    对于激光显微镜通常难以测定的薄膜表面凹凸形状，本次提供基于反射分光膜厚分布测试的解决方案。