劉淑杰，張?jiān)?，張洪?/p>

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

1 引言

目前半導(dǎo)體行業(yè)正朝著微細(xì)化、高集成化發(fā)展，高性能、低成本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)高度發(fā)展的原動(dòng)力。光刻技術(shù)在半導(dǎo)體集成化進(jìn)程中有著極其重要的作用，通常會(huì)通過使用短波長照射光的方法來提高解像度，但是隨著波長的縮短焦點(diǎn)深度會(huì)變淺，光刻膠表面的凹凸形狀對(duì)曝光的影響就越來越大。在以往的光刻工藝中無需測量光刻膠薄膜的表面形貌，通過校正測量系統(tǒng)和焦點(diǎn)測量系統(tǒng)可將曝光位置控制在所需精度范圍內(nèi)。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷向著更為細(xì)小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，即使曝光面內(nèi)的光刻膠表面凹凸差只有幾十nm也可能對(duì)曝光精度產(chǎn)生很大影響。因此，光刻膠薄膜的表面形貌測量及其相應(yīng)測量方法是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)亟待研究的關(guān)鍵課題［1-3］。

現(xiàn)在用于表面形貌測量的方法主要分兩大類，一類是利用光照射進(jìn)行的非接觸式測量，另一類是通過接觸子與試件表面接觸的接觸式測量。

非接觸測量法是利用光照射試件表面進(jìn)行測量，而無需對(duì)試件表面加力，屬于非侵襲性測量法［4］，因此測量過程中試件不發(fā)生變形。白光干涉計(jì)，共焦點(diǎn)顯微鏡等是應(yīng)用光波進(jìn)行廣域測量的代表儀器。在測量中，因?yàn)槭欠墙佑|掃描，所以可實(shí)現(xiàn)高速測量，且通過光的位相和強(qiáng)度解析，在縱向測量精度很高。但橫向分辨率依存于光源的半波長，所以相對(duì)于縱向分辨率比較低，同時(shí)對(duì)可透射光波的實(shí)驗(yàn)對(duì)象或因光軸角度而無法接收到反射光信號(hào)的實(shí)驗(yàn)材料不能實(shí)施測量。而對(duì)于半透明薄膜，由于光的多重反射的影響，很難得到正確的形貌特征，當(dāng)薄膜厚度足夠厚時(shí)沒有問題，如果膜厚只有幾百nm(低于照射光波長幾倍時(shí))，照射在薄膜表面形成的反射光和透過薄膜表面照射到薄膜底面產(chǎn)生的反射光就會(huì)發(fā)生干涉，如果把兩者都視為正常的反射光來解析光的位相和高度的關(guān)系則不能反映正確的形貌信息。接觸式測量法因?yàn)闇y量過程中接觸子與試件表面相接觸所以是信賴度比較高的測量方法。在縱向面的測量精度較高，可以測得1 nm以下的精度。選擇適當(dāng)?shù)慕佑|子還可以實(shí)現(xiàn)面內(nèi)橫向的高測量精度。但是，它的不足是接觸時(shí)對(duì)試件表面產(chǎn)生力的作用，可能引起試件表面的變形，在廣域范圍測量時(shí)相對(duì)需要較長的時(shí)間，導(dǎo)致速度低。典型的接觸式測量儀器有原子間力顯微鏡(AFM)、表面粗糙度計(jì)等［5-6］。

本研究將在分析薄膜特性的基礎(chǔ)上提出一種新的測量方法來實(shí)現(xiàn)光刻膠表面形貌的測量，并根據(jù)提出的方法搭建了試驗(yàn)裝置，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)證明所提方法的可行性。

2 薄膜表面形貌測量方法

2.1 薄膜特性

本研究中測量對(duì)象—光刻膠薄膜具有以下特征:(1)薄膜厚度為幾百nm;(2)表面形貌變化緩和，起伏周期為0.2～20 mm，振幅為幾十 nm;(3)材質(zhì)“柔軟”，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量彈性模數(shù)為30 GPa，約為硅的1/7;(4)透明或者半透明。

采用非接觸法測量法存在的問題與薄膜的半透明性及厚度相關(guān)，光刻膠的厚度在幾百nm時(shí)，易發(fā)生多重干涉現(xiàn)象，如圖1所示，所以白光干涉計(jì)本身難以實(shí)現(xiàn)本次測量。共焦點(diǎn)顯微鏡也是要提取上下表面的合焦點(diǎn)信號(hào)來測量，所以也會(huì)有多重干涉現(xiàn)象。用接觸式測量方法測量大面積涂覆在硅片上的光刻膠表面形貌花費(fèi)時(shí)間較長。探針與薄膜表面接觸還可能會(huì)使表面形貌發(fā)生變化。由于需要測量的光刻膠薄膜起伏周期為幾百μm，高度差為10 nm左右，所以為了把握光刻膠的大概形狀，需要對(duì)縱向分辨率進(jìn)行高精度測量，而橫向分辨率則不需要高精度測量，也不需要檢測特殊的高頻成分，所以在面內(nèi)橫向擁有高分辨率的接觸式測量在這里也不能發(fā)揮長處［7］。

圖1 薄膜多重干涉現(xiàn)象Fig.1 Multiple interference phenomenon in the film

值得注意的是，光計(jì)測法在原理上很難單獨(dú)實(shí)現(xiàn)薄膜測量，而接觸法雖然比較費(fèi)時(shí)間，但如果施加在光刻膠表面的力的影響可以微小到可忽略程度，那么形狀測量本身是可以實(shí)現(xiàn)的。也就是說如果解決了測量時(shí)間以及由接觸產(chǎn)生的對(duì)試件的影響問題就可以實(shí)現(xiàn)光刻膠表面的測量［8］。

針對(duì)以上問題我們提出了應(yīng)用光學(xué)測量和機(jī)械探針相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)表面形貌測量［9］。

2.2 表面測量方法的工作原理

光學(xué)測量和機(jī)械探針相結(jié)合的測量方法如圖2所示。

圖2 光和接觸探針結(jié)合的測量方法原理Fig.2 Proposal of optical-mechanical probe measurement method

該測量方法主要有以下3方面特點(diǎn):

(1)光干涉測量和機(jī)械探針接觸測量相結(jié)合解決了光的多重干涉問題

圖3表示光-探針組合測量方法的基本原理，在透明薄膜上加載可以反射光波的介質(zhì)，用光學(xué)掃描方式(非接觸方式)測量介質(zhì)的上表面，得到介質(zhì)上表面的縱向數(shù)據(jù)信息，減掉介質(zhì)自身的厚度，計(jì)算得到薄膜表面的縱向信息。也就是說，通過在光學(xué)測量儀器和薄膜試件之間加入無多重反射的介質(zhì)，間接得到薄膜的表面形貌。

圖3 光和探針測量組合Fig.3 Optical measurement combined with probe

(2)探針部分應(yīng)用多個(gè)球狀探針

探針前端與被測物接觸部分擁有一定的直徑，可以減少接觸時(shí)對(duì)薄膜表面的影響;使用多個(gè)探針可實(shí)現(xiàn)廣域測量。

應(yīng)用線性排列的多點(diǎn)球狀探針進(jìn)行測量，如圖4所示。用光學(xué)方法掃描探針上表面可以避免直接測量薄膜時(shí)產(chǎn)生的多重干涉現(xiàn)象，同時(shí)接觸用探針部分采用大直徑球狀設(shè)計(jì)，減小接觸所帶來的形狀影響。

圖4 多點(diǎn)球狀探針Fig.4 Spherical multi-cantilever

(3)應(yīng)用白光干涉計(jì)實(shí)現(xiàn)高速、大面積掃描測量

在研究中應(yīng)用白光干涉計(jì)NewView系列作為掃描型光學(xué)測量儀器，采用白光干涉的原理對(duì)高精度的工件表面進(jìn)行三維形狀檢測。采用氣浮式工作臺(tái)，可定性、定量地測量表面的粗糙度、波紋度、平整度、刻槽高度等，具有拼接及微觀幾何形狀誤差分析功能。具體可實(shí)現(xiàn):(1)縱向測量范圍為1 nm～15 000 μm;(2)標(biāo)準(zhǔn)刻槽測量再現(xiàn)性在0.5%以下;(3)標(biāo)準(zhǔn)刻槽測量正確性在0.75%以下;(4)RMS再現(xiàn)性為0.1 nm。本研究可實(shí)現(xiàn)大面積掃描及縱向高精度測量。

基于以上測量原理，我們開發(fā)并試做了光學(xué)多點(diǎn)球狀探針測量裝置［1］，如圖5所示。接觸部采用了8只觸手探針。探針前端的球直徑為10.9 μm，材料為 SiB，各球間的距離為 250 μm。上方的光學(xué)顯微鏡采用ZYGO公司NewView 5000白色光干涉儀，在高速掃描狀態(tài)下，測量輪廓范圍在1 nm～15 000 μm，垂直分辨率可達(dá)0.1 nm。下面將通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來考察此裝置的測量性能［10］。

圖5 光學(xué)多點(diǎn)球狀探針測量裝置Fig.5 Measurement system with white light interferometer and multi-ball cantilever

3 測量實(shí)驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)刻槽實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用所開發(fā)裝置測量如圖6所示的高52 nm、寬100 μm的標(biāo)準(zhǔn)刻槽試件，用球狀探針與標(biāo)準(zhǔn)刻槽表面接觸，在標(biāo)準(zhǔn)刻槽部分和平坦部分分別測量數(shù)點(diǎn)，然后用白光干涉計(jì)測量其上表面信息，求取相對(duì)位置，對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行校正計(jì)算，得到了如表1所示的測量結(jié)果，測量誤差小于2%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.9 nm，達(dá)到了高精度測量的目的。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)刻槽試件形貌Fig.6 Topography of the notch

表1 標(biāo)準(zhǔn)刻槽測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of notch

3.2 半透明薄膜實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用厚約200～400 nm、直徑50～60 μm的半透明光造型薄膜材料作為測試對(duì)象，如圖7所示。此光造型試件在白光干涉計(jì)測量下會(huì)發(fā)生多重反射，得到非連續(xù)的測量形狀，如圖8所示。用所開發(fā)的光學(xué)多點(diǎn)球狀探針裝置測量可以得到連續(xù)形狀，如圖9所示。在此半透明薄膜材料鍍上反射薄膜后，再次應(yīng)用白光干涉計(jì)進(jìn)行測量可得到連續(xù)的表面形貌曲線。實(shí)驗(yàn)表明所開發(fā)裝置可以克服多重反射的影響，測量薄膜的表面形貌。

圖7 光造型試件形貌Fig.7 Topography of transparent material

圖8 白光干涉計(jì)下的半透明薄膜形貌Fig.8 Topography of thin film under the white light interferometer

圖9 球狀探針測量的半透明薄膜形貌Fig.9 Topography of semitransparent film under the spherical probe

4 結(jié)論

為了測量光刻膠表面形貌特征，本文提出了應(yīng)用光學(xué)測量和球形探針接觸測量相結(jié)合的方法，并依此原理建立了光機(jī)械探針原子力顯微鏡測量裝置。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)刻槽試件和半透明薄膜試件的測量，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了評(píng)價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)刻槽實(shí)驗(yàn)中用球狀探針與標(biāo)準(zhǔn)刻槽表面接觸，然后用白光干涉計(jì)測量其上表面信息，求取相對(duì)位置，通過多次測量得到了測量誤差小于2%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.9 nm的結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)刻槽實(shí)驗(yàn)證明了本裝置可實(shí)現(xiàn)高精度的測量。應(yīng)用掃描型測量法進(jìn)行了光造型薄膜試件的測量實(shí)驗(yàn)，用白光干涉計(jì)針對(duì)鍍反光膜前后的試件表面形貌進(jìn)行測量，同時(shí)采用光探針組合測量鍍膜前后的形狀并進(jìn)行對(duì)比，證明本裝置可以對(duì)白光干涉計(jì)所不能測量的透明薄膜形狀進(jìn)行表征。后續(xù)將對(duì)掃描型測量方法的精度進(jìn)行進(jìn)一步探索，同時(shí)還將對(duì)網(wǎng)格狀多點(diǎn)探針測量進(jìn)行研究。

［1］ International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS 2009)，2010.

［2］ CONLEY W，BENDIK J.Is ArF the final wavelength［J］.Proc SPIE，2004，5376:16-20.

［3］ 鞏巖，張巍.光刻曝光系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.中國光學(xué)，2008，1(1):25-35.

GONG Y，ZHANG W.Present status and progress in 193 nm exposure［J］.Chinese Optics，2008，1(1):25-35.(in Chinese)

［4］ 吳兆喜，黃元慶.基于光學(xué)原理的三維形貌測量技術(shù)研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2006，32:654-658.

WU ZH X，HUANG Y Q.Study on optical methods for 3-D shape measurement［J］.Opt.Technique，2006，32:654-658.(in Chinese)

［5］ 王佳，趙洋，張書練，等.納米計(jì)量學(xué)與納米計(jì)量測試技術(shù)(一)［J］.航空計(jì)測技術(shù)，1995，15(5):3-5.

WANG J，ZHAO Y，ZHANG SH L，et al..Nano metrology and nano metrology testing technology(1)［J］.Aviation Metrology＆Measurement Technology，1995，15(5):3-5.(in Chinese)

［6］ 張立超，高勁松.長春光機(jī)所深紫外光學(xué)薄膜技術(shù)研究進(jìn)展量［J］.光學(xué) 精密工程，2011，11(20):2395-2401.

ZHANG L CH，GAO J S.Developments of DUV coating technology in CIOM［J］.Opt.Precision Eng.，2011，11(20):2395-2401.(in Chinese)

［7］ FUKUDA K，ITO T，KOBAYASHI M.Nano indentation of the resist for electron beam lithography［J］.JSME Annual Meeting，2003(4):105-106.

［8］ 王淑珍，謝鐵邦，常素萍.復(fù)合型超精密表面形貌測量儀［J］.光學(xué) 精密工程，2011，19(4):828-835.

WANG SH ZH，XIE T B，CHANG S P.Combined profilometer for ultra-precision surface topography［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(4):828-835.

［9］ LIU S，NAGASAWA S，TAKAHASHI S，et al..Development of a multi-ball-cantilever AFM for measuring resist surface［J］.J.Robotics and Mechatronics，2006，18(6):698-704.

［10］ ZYGO C.NewView Accessories.Product guide for the NewView 3D Surface Profiler，2001.