硅片粗糙度测量方法。

硅片微粗糙度是随着大规模集成电路的发展而被引起广泛关注的, 因为相对一般的机械加工表面而言, 其绝对值很小, 因此常常被称为微粗糙度。通常它以纳米为单位表征硅片表面最高点和最低点的高度差别, 是硅片表面纹理的标志, 对芯片制造来讲, 表面微粗糙度的控制非常重要, 因为在器件制造中, 硅片上非常薄的介质层的击穿都有着负面影响。因此它常常被用于一个硅片最终产品的正表面和背表面粗糙程度的确定, 最常用在硅抛光片上, 也被用于硅的切割、研磨或磨削、腐蚀等各种被加工后的表面粗糙程度的测定。目前, 硅片微粗糙度测量的方法较多。由于测量原理和测量精度不同, 每种测量方法都有自己的优点和缺点, 如何选择测试仪器, 以适应于不同情况下对硅片表面质量的检测和控制, 是所有相关产业人员普遍关心的问题 。本文通过对硅片表面利用不同的仪器进行比较测试研究, 探讨了不同测试方法对表面粗糙度的影响规律, 对测试仪器的选择和使用将具有重要参考价值。

硅片粗糙度测量方法。

根据测试原理不同, 粗糙度的测试方法大致可以归为三类:。

(1)轮廓仪(Profilometers)。

包括原子力显微镜(AFM)及其他扫描探针显微镜、光学轮廓仪、高分辨机械探针系统。轮廓测量仪器是通过测量表面形貌并导出粗糙度统计, 如从一系列高度数据得到均方根微粗糙度Rq。原子力显微镜, 机械和光学剖面(轮廓) 仪的高空间频率极限分别和机械触点的半径或激光斑点的直径和强度分布近似, 它们的响应函数是复杂的, 并且在某些情况下是探针和被测表面的综合效果。

(2)干涉显微镜(InterferenceMicroscope)。

仪器的高端空间频率极限是由调焦光学限定, 或者在某些情况下由探测器阵列的象素间隔所决定。目前应用在硅片表面的光学轮廓仪多采用的是白光干涉的原理, 它既可以测量抛光片, 也可对研磨、切割表面进行测量, 相对原子力显微镜要方便快捷的多, 是目前比较适合作为硅片粗糙度测量的设备 。

(3)散射仪(ScatteringInstruments)

包括角分辨光散射仪、全积分散射仪、扫描表面检查系统。

光散射技术是从散射的角度关系测量均方根微粗糙度Rq;通过数据分析和判定得出其他参数。

对于相当平滑的表面来说, 光散射强度和粗糙度之间存在一种简单的关系:

式中λ为入射光的波长;a为样品轮廓的幅度(峰到谷高度的一半);θi为光的入射角度。

a)角分辨光散射仪(ARLS)(Angle Resolved Light Scatterometers)

该技术的高端空间频率极限是由入射角和散射角以及使用的光源的波长所限定。入射角度;入射到硅片表面处的光点直径;光学系统的立体收集角;仪器允许的镜面反射光和探测器间的最小角距离这些因素影响低端空间频率极限。

b)全积分散射仪(TIS)(Total Integrating Scatterometers) 最常用于入射角接近零时。可达到的空间带宽的低端和高端频率极限是由光系统的设计所限定。恰当的系统设计有可能达到大约0.8 ～ 40 μm 的空间带宽。也可以为了把散射信号插入低端空间频率(接近镜面)和高端空间频率(大的散射角) 带而设计这种系统。

c)扫描表面检查系统(SSIS)(Scanning Surface Inspection Systems)

这是一种积分散射测量, 与TIS系统制造的那些仪器类似, 它们收集整个大立体角上的光;通常, 大多数SSIS避免对反射束5 ～ 10°内的光收集, 因为在这一区域内散射趋于由表面粗糙度散射(其变为本底噪声)与来自激光散射作用的信号对抗来控制。

对硅片生产厂家来说, 扫描表面检查系统 (SSIS)是常用的测量硅片表面颗粒及微小划痕等表面质量的常用设备, 它的测量参数中有一项称为“haze” , 其定义为:雾(haze)— 由表面形貌(微粗糙度)及表面或近表面高浓度的不完整性引起的非定向光散射。

对于一个颗粒计数器(SSIS), 雾可引起本底信号及激光光散射现象, 它和来自硅片表面的光散射, 两者共同组成信号。因此它是由一个光学系统收集的, 由入射通量归一化的总散射光通量。所以这实质上是表征了硅抛光片表面的微粗糙度。硅片微粗糙度与Haze值之间存在下面的关系

式中λ为入射波长;Ro为入射波的表面反射系数