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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
发布时间:2021-04-29   点击次数:451次

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1Si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(nk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18号凹槽进行同样分析,得到膜厚结果如表1。各凹槽膜厚从392nm19nm,由左到右逐渐减小。

 

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)。

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

 

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

 

9 3D

 

 

  • 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。

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