用白光干涉測(cè)量法描述化學(xué)機(jī)械拋光面

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）在半導(dǎo)體工業(yè)內(nèi)部得到了廣泛的應(yīng)用，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）加工處理的質(zhì)量不僅要通過(guò)最終的表面平面度，而且也要通過(guò)拋光時(shí)人為造成缺陷的程度來(lái)評(píng)價(jià)，這些人為造成的缺陷包括：1）碟形凹陷和腐蝕的數(shù)量；2）線高變化的均勻性；3）缺陷、粒子的數(shù)量和殘余物的總量。例如，碟形腐蝕的平面級(jí)別過(guò)高會(huì)導(dǎo)致在光刻成像的時(shí)候隨焦距而決定的一個(gè)空間，因此，在高需求量中，測(cè)量工具能夠刻畫(huà)這些人為造成的缺陷特征。

許多方法，例如原子力顯微鏡方法（AFM）和鐵筆輪廓曲線法曾被開(kāi)發(fā)用來(lái)檢查硅片表面質(zhì)量，這些方法在一個(gè)選定的表面區(qū)域采集數(shù)據(jù)并繼續(xù)通過(guò)側(cè)面交叉掃描，雖然用高分辨率側(cè)面掃描法能夠獲得三維形貌圖，但用這種方法采集數(shù)據(jù)是非常耗時(shí)的。同樣，對(duì)于生產(chǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用這些儀器也是不適用的，此外，也必須考慮這些儀器的高度傳感器尖端可能改變或損壞高質(zhì)量表面的可能性。

在這里，我們介紹一種可供選擇的基于白光干涉測(cè)量（WLI）原理之上的非接觸光學(xué)測(cè)量方法，同樣，如雷達(dá)（電波探測(cè)器）或垂直掃描干涉測(cè)量（法）被看作是一致的。白光干涉測(cè)量在光學(xué)領(lǐng)域中成為一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，比如拉?？坠鉂嵍裙鈱W(xué)檢查儀，干涉顯微鏡內(nèi)部，照明光束被分離成一個(gè)參考面和一個(gè)測(cè)試波陣面，這些波陣面分別在參考面和測(cè)試面的遠(yuǎn)方光束反射后重組產(chǎn)生了一個(gè)干涉圖，為了隨后的分析一個(gè)被數(shù)字化表述的干涉圖被送到計(jì)算機(jī)，完整數(shù)據(jù)的獲得組成了曾被數(shù)字化后測(cè)試和參考波陣面之間光程差一樣的規(guī)律順序按線性變化的干涉圖，圖1示出了白光干涉測(cè)量法通常所用的典型的干涉顯微鏡。

在白光照明下，來(lái)自干涉圖順序記錄的每一個(gè)象素的強(qiáng)度分布圖（或干涉信號(hào)）立即被建立起來(lái)，需要在象素下考慮，當(dāng)測(cè)試和參考波陣面之間的光程差接近零時(shí)，可獲得一個(gè)最大的干涉信號(hào)的對(duì)比，對(duì)比頂點(diǎn)光程差的偏移量，光程差OPD=0位置時(shí)是一個(gè)常量，這個(gè)常量取決于表面材料的特性，當(dāng)光程差逐漸增大而信號(hào)逐漸丟失時(shí)信號(hào)對(duì)比度迅速地下降，照明的長(zhǎng)度與光程差的區(qū)域比較一致，在圖2中表述了一個(gè)典型的干涉測(cè)量信號(hào)與它的R（n）功能形成了明顯的對(duì)照，注釋了所有的檢波器同時(shí)獲得了象素?cái)?shù)據(jù)。

如果在一個(gè)給定的象素測(cè)試表面反射圖像，然后那個(gè)給定的象素記錄多個(gè)反射信號(hào)進(jìn)行相比較，會(huì)得到更多的反射圖像，對(duì)比每個(gè)信號(hào)的頂點(diǎn)組成可以看出不同時(shí)間的位置與它的相應(yīng)表面的光程差（OPD）是有關(guān)系的，由材料特性引起的照明能量的變化和每個(gè)信號(hào)的大小對(duì)比應(yīng)得的也是不同的，如果這些反射表面在光源長(zhǎng)度一致之內(nèi)，光路之間合成的反射信號(hào)將會(huì)交迭，一個(gè)典型的合成反射信號(hào)交迭呈現(xiàn)在圖3中。

在特定象素下考慮，干涉測(cè)量的相位是由測(cè)試面和參考波陣面之間相位的差異來(lái)支配的，測(cè)試波陣面的相位是受到影響的，在測(cè)試表面由于傳播相位延遲和反射相移相對(duì)波陣面的相是有影響的，當(dāng)傳播相到達(dá)測(cè)試表面的高度時(shí)是有直接關(guān)系的，反射移相是由1）綜合表面的實(shí)際（n）和假想的（k）組成的折射指數(shù)；2）多層堆疊層厚不等；3）表面層之內(nèi)不同類(lèi)型的層（例如，未定的顯微結(jié)構(gòu)）。

商業(yè)上廣泛應(yīng)用的頻譜干涉儀通常具有在非接觸條件下對(duì)表面區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，由提取的相和干涉信號(hào)的位置進(jìn)行最大限度的對(duì)比可以看出，干涉儀是能夠以亞納米精度來(lái)測(cè)量不透明的單一材料或相同一致表面的，由于探測(cè)器的所有象素反射相位的移動(dòng)和光程差的偏移兩者之前的對(duì)比高度是常量，所以這是可能的，這些常量對(duì)高度的偏移保持不變作出貢獻(xiàn)，使其在測(cè)量表面形貌時(shí)不受影響。 對(duì)于不均勻的測(cè)試表面，例如，對(duì)一個(gè)電路圖形的硅片進(jìn)行CMP加工處理，反射相位的移動(dòng)和光程差的偏移亮點(diǎn)的對(duì)比變化以圖像位置與表面特性空間變化的結(jié)果主是一樣的，而一個(gè)給定的干涉信號(hào)之內(nèi)的對(duì)比記錄毫無(wú)必要符合物體表面邊界，結(jié)果，大家熟知的白光干涉測(cè)量技術(shù)是不能正確測(cè)量這些測(cè)試表面。

白光干涉測(cè)量?jī)x在該領(lǐng)域未正式服役前介紹其固有的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)及使用方法，因?yàn)樗鼣U(kuò)展了自己的輪廓不均勻測(cè)試表面的實(shí)際應(yīng)用能力。這種非接觸方法能夠適應(yīng)高生產(chǎn)率和納米精度對(duì)帶有電路圖形硅片的測(cè)量，這意味著它是研制開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境中CMP加工工藝過(guò)程匹配良好的監(jiān)控器。在新的生產(chǎn)中具有適應(yīng)大生產(chǎn)能力的新計(jì)量學(xué)儀器工具NamoXam。

2 原理

在白光干涉儀探測(cè)器圖像象素中時(shí)間強(qiáng)度分布或干涉信號(hào)可表達(dá)為：

式中，z是從焦點(diǎn)到反射點(diǎn)的距離；h是從焦點(diǎn)到反射鏡的距離；k是波數(shù)，θ0是物鏡數(shù)值孔徑的表達(dá)或表達(dá)為NA=sinθ0；a（k，θ）是測(cè)量表面反射相和光譜調(diào)制相的移相結(jié)果，而F（k）是調(diào)制振幅，F(xiàn)（k）可表達(dá)為：

F（k）=R（k）Rg（k）=Rf（k） （2）

式中：Rg（k）是照明光譜功率強(qiáng)度，而R（k）是測(cè)量表面的反射系數(shù)振幅。

照明光譜功率強(qiáng)度Rg（k）包括光源的光譜分布狀態(tài)，攝像頭的光譜響應(yīng)和干涉儀的光學(xué)特性，為了精確地描述來(lái)自干涉顯微鏡的時(shí)間強(qiáng)度分布狀態(tài)，Rg（k）必須校準(zhǔn)。

對(duì)一個(gè)測(cè)量表面的合成反射系數(shù)是由菲涅耳公式給出；

式中，Ni是入射媒質(zhì)的折射指數(shù)；Nj是第二媒質(zhì)的折射指數(shù)；R（k）是反射系數(shù)振幅；而φ（k）是反射系數(shù)相。

當(dāng)光通過(guò)涂有一層透明薄膜層的表面時(shí)，合成反射系數(shù)變成：

式中：θ是入射角，N0是入射媒質(zhì)折射指數(shù)，而d和N1分別是薄膜的厚度和折射指數(shù)。

當(dāng)光通過(guò)涂有多層透明薄膜層的表面時(shí)，合成發(fā)射系數(shù)可表達(dá)為：

式中：Ni是入射媒質(zhì)的折射指數(shù)；Ns是基底的折射指數(shù)；

而A，B，C和D是由公式（7）定義：

式中，βi=kNiIicoθi；而Pi=Nicosθi（假設(shè)為橫向電場(chǎng)或TE偏振）；Pi=Ni/cosθi（假設(shè)為橫向磁場(chǎng)或TM偏振）。

角度θi是波向量和到薄膜表面法線之間的內(nèi)角，Ni和li分別是折射指數(shù)和第i個(gè)薄膜的厚度，而n是透明薄膜層數(shù)，如果θi=0，方程（8）變?yōu)椋?/P>

一旦方程（3）、方程（4）和方程（6）建立，Rg（k）從校正和反射振幅R（k）、反射相φ（k）獲得，從方程（1）和方程（2）來(lái)看，在探測(cè)器象素方面顯示的強(qiáng)度分配與指定表面特性的是能夠評(píng)估的，圖4示出干涉顯微鏡攝像象素記錄銅表面的時(shí)間強(qiáng)度分布狀態(tài)與方程（1）相應(yīng)的狀態(tài)分布預(yù)測(cè)，圖5示出在硅上附有3個(gè)薄膜層（厚度分別為66nm、27nm和100nm）時(shí)測(cè)試區(qū)域的時(shí)間強(qiáng)度分布狀態(tài)，或者是多反射面和它的理論上預(yù)測(cè)的分布狀態(tài)，在圖4和圖5中描述和記錄的固體線條分布狀態(tài)是由方程（1）產(chǎn)生的，"+"特性描述了來(lái)自測(cè)量抽取樣本的強(qiáng)度值。

由方程（1），產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間信號(hào)與一個(gè)校準(zhǔn)的照明功率密度譜，z向移動(dòng)步長(zhǎng)常數(shù)與測(cè)量表面的不同特性，例如，薄膜厚度和材料的折射指數(shù)，每個(gè)信號(hào)與測(cè)量獲得的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行比較，一旦最匹配的理論信號(hào)被決定，表面特性效用適合于原型信號(hào)是我們渴望尋求的特性。

3 測(cè)量結(jié)果

下列測(cè)量結(jié)果是用我們的配有50X反射物鏡系統(tǒng)所獲得的，這個(gè)配置具有大約300μm×300μm的觀察視場(chǎng)，圖6示出了一個(gè)全視場(chǎng)經(jīng)過(guò)x和y向側(cè)表面高度圖指針位置的2個(gè)例子，灰度圖像的亮度在表面高度上的每個(gè)象素都是成比例的，圖像中的暗區(qū)由硅表面產(chǎn)生而亮區(qū)是在硅上早期提及的相應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)，（分別為200nm厚的TEOS，50nm厚的SiN和500nm厚的PGS）。

完成的附加測(cè)量法建立在被提議方法的有效性上，圖7是一維側(cè)面圖，來(lái)自一個(gè)post-CMP硅片的腐蝕碟形之上掃描得到的高分辨率鐵筆輪廓曲線圖，圖8呈現(xiàn)出按被提議方法放大的相應(yīng)側(cè)面縮小圖。

圖9示出了Veeco AFS和我們的測(cè)量系統(tǒng)兩者使用被提議的同一種測(cè)量方法，源自AFM輪廓的步高是97.55nm，這個(gè)結(jié)果與源自NanoXam測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果96.33nm是如此的一致。

4 結(jié)論

論文介紹了已開(kāi)發(fā)和推廣的一種非接觸表面圖形繪制系統(tǒng)--Nano Xam及其測(cè)量方法，用這個(gè)系統(tǒng)獲得的測(cè)量結(jié)果直接與（AFM）原子力顯微分析法和其他精確的表面接觸測(cè)量系統(tǒng)比較，這些比較證明測(cè)量表面梯形高度包括不一致材料特性之間的一種高級(jí)關(guān)系，最大優(yōu)點(diǎn)還是能夠提供對(duì)薄膜層厚度以下表面的充分評(píng)價(jià)，這一能力意味著在進(jìn)行（CMP）化學(xué)機(jī)械拋光加工處理時(shí)人為造成的例如銅碟形腐蝕，能夠用非接觸光學(xué)表面形貌測(cè)量法以納米級(jí)精度在測(cè)量區(qū)域上方迅速的描述。

圖10示出表面圖形繪制系統(tǒng)和用該系統(tǒng)輸出的晶圓片圖形小部分上方的三維高度圖的一個(gè)例子，高效率和非接觸測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)?fù)雜的合成表面進(jìn)行精確的粗放的測(cè)量，意味著它對(duì)廣闊而多樣的測(cè)量應(yīng)用擁有強(qiáng)大的潛能。