用白光干涉測量法描述化學機械拋光面

化學機械拋光（CMP）在半導體工業(yè)內部得到了廣泛的應用，化學機械拋光（CMP）加工處理的質量不僅要通過最終的表面平面度，而且也要通過拋光時人為造成缺陷的程度來評價，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，碟形腐蝕的平面級別過高會導致在光刻成像的時候隨焦距而決定的一個空間，因此，在高需求量中，測量工具能夠刻畫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發(fā)用來檢查硅片表面質量，這些方法在一個選定的表面區(qū)域采集數(shù)據(jù)并繼續(xù)通過側面交叉掃描，雖然用高分辨率側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)是非常耗時的。同樣，對于生產(chǎn)監(jiān)測應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量（WLI）原理之上的非接觸光學測量方法，同樣，如雷達（電波探測器）或垂直掃描干涉測量（法）被看作是一致的。白光干涉測量在光學領域中成為一種標準技術，比如拉?？坠鉂嵍裙鈱W檢查儀，干涉顯微鏡內部，照明光束被分離成一個參考面和一個測試波陣面，這些波陣面分別在參考面和測試面的遠方光束反射后重組產(chǎn)生了一個干涉圖，為了隨后的分析一個被數(shù)字化表述的干涉圖被送到計算機，完整數(shù)據(jù)的獲得組成了曾被數(shù)字化后測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示出了白光干涉測量法通常所用的典型的干涉顯微鏡。

在白光照明下，來自干涉圖順序記錄的每一個象素的強度分布圖（或干涉信號）立即被建立起來，需要在象素下考慮，當測試和參考波陣面之間的光程差接近零時，可獲得一個最大的干涉信號的對比，對比頂點光程差的偏移量，光程差OPD=0位置時是一個常量，這個常量取決于表面材料的特性，當光程差逐漸增大而信號逐漸丟失時信號對比度迅速地下降，照明的長度與光程差的區(qū)域比較一致，在圖2中表述了一個典型的干涉測量信號與它的R（n）功能形成了明顯的對照，注釋了所有的檢波器同時獲得了象素數(shù)據(jù)。

如果在一個給定的象素測試表面反射圖像，然后那個給定的象素記錄多個反射信號進行相比較，會得到更多的反射圖像，對比每個信號的頂點組成可以看出不同時間的位置與它的相應表面的光程差（OPD）是有關系的，由材料特性引起的照明能量的變化和每個信號的大小對比應得的也是不同的，如果這些反射表面在光源長度一致之內，光路之間合成的反射信號將會交迭，一個典型的合成反射信號交迭呈現(xiàn)在圖3中。

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

商業(yè)上廣泛應用的頻譜干涉儀通常具有在非接觸條件下對表面區(qū)域進行測量的優(yōu)勢，由提取的相和干涉信號的位置進行最大限度的對比可以看出，干涉儀是能夠以亞納米精度來測量不透明的單一材料或相同一致表面的，由于探測器的所有象素反射相位的移動和光程差的偏移兩者之前的對比高度是常量，所以這是可能的，這些常量對高度的偏移保持不變作出貢獻，使其在測量表面形貌時不受影響。 對于不均勻的測試表面，例如，對一個電路圖形的硅片進行CMP加工處理，反射相位的移動和光程差的偏移亮點的對比變化以圖像位置與表面特性空間變化的結果主是一樣的，而一個給定的干涉信號之內的對比記錄毫無必要符合物體表面邊界，結果，大家熟知的白光干涉測量技術是不能正確測量這些測試表面。

白光干涉測量儀在該領域未正式服役前介紹其固有的內在優(yōu)勢及使用方法，因為它擴展了自己的輪廓不均勻測試表面的實際應用能力。這種非接觸方法能夠適應高生產(chǎn)率和納米精度對帶有電路圖形硅片的測量，這意味著它是研制開發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境中CMP加工工藝過程匹配良好的監(jiān)控器。在新的生產(chǎn)中具有適應大生產(chǎn)能力的新計量學儀器工具NamoXam。

2 原理

在白光干涉儀探測器圖像象素中時間強度分布或干涉信號可表達為：

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

F（k）=R（k）Rg（k）=Rf（k） （2）

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

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

對一個測量表面的合成反射系數(shù)是由菲涅耳公式給出；

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

當光通過涂有一層透明薄膜層的表面時，合成反射系數(shù)變成：

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

當光通過涂有多層透明薄膜層的表面時，合成發(fā)射系數(shù)可表達為：

式中：Ni是入射媒質的折射指數(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（假設為橫向電場或TE偏振）；Pi=Ni/cosθi（假設為橫向磁場或TM偏振）。

角度θi是波向量和到薄膜表面法線之間的內角，Ni和li分別是折射指數(shù)和第i個薄膜的厚度，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）來看，在探測器象素方面顯示的強度分配與指定表面特性的是能夠評估的，圖4示出干涉顯微鏡攝像象素記錄銅表面的時間強度分布狀態(tài)與方程（1）相應的狀態(tài)分布預測，圖5示出在硅上附有3個薄膜層（厚度分別為66nm、27nm和100nm）時測試區(qū)域的時間強度分布狀態(tài)，或者是多反射面和它的理論上預測的分布狀態(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，"+"特性描述了來自測量抽取樣本的強度值。

由方程（1），產(chǎn)生一個時間信號與一個校準的照明功率密度譜，z向移動步長常數(shù)與測量表面的不同特性，例如，薄膜厚度和材料的折射指數(shù)，每個信號與測量獲得的實際信號進行比較，一旦最匹配的理論信號被決定，表面特性效用適合于原型信號是我們渴望尋求的特性。

3 測量結果

下列測量結果是用我們的配有50X反射物鏡系統(tǒng)所獲得的，這個配置具有大約300μm300μm的觀察視場，圖6示出了一個全視場經(jīng)過x和y向側表面高度圖指針位置的2個例子，灰度圖像的亮度在表面高度上的每個象素都是成比例的，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的多層結構，（分別為200nm厚的TEOS，50nm厚的SiN和500nm厚的PGS）。

完成的附加測量法建立在被提議方法的有效性上，圖7是一維側面圖，來自一個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側面縮小圖。

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

4 結論

論文介紹了已開發(fā)和推廣的一種非接觸表面圖形繪制系統(tǒng)--Nano Xam及其測量方法，用這個系統(tǒng)獲得的測量結果直接與（AFM）原子力顯微分析法和其他精確的表面接觸測量系統(tǒng)比較，這些比較證明測量表面梯形高度包括不一致材料特性之間的一種高級關系，最大優(yōu)點還是能夠提供對薄膜層厚度以下表面的充分評價，這一能力意味著在進行（CMP）化學機械拋光加工處理時人為造成的例如銅碟形腐蝕，能夠用非接觸光學表面形貌測量法以納米級精度在測量區(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例子，高效率和非接觸測量系統(tǒng)能夠對復雜的合成表面進行精確的粗放的測量，意味著它對廣闊而多樣的測量應用擁有強大的潛能。