表征溫度誘導(dǎo)的硅晶片形狀和紋理演變

使用Linkam的精密冷熱臺(tái)和Sensofar的Linnik物鏡解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了納米材料3D形貌輪廓的精確測(cè)量

本案例研究中，Linkam和Sensofar Metrology展示了在為溫控光學(xué)輪廓測(cè)量實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置方面的合作。由于球面像差引起的成像問(wèn)題，在過(guò)去一直是一個(gè)難點(diǎn)工序。使用Linkam的精密冷熱臺(tái)和Sensofar的Linnik物鏡解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了納米材料3D形貌輪廓的精確測(cè)量。我們觀察了硅晶片在20°C到380°C溫度范圍內(nèi)的形貌變化。

快速熱處理（RTP）是硅晶片制造過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，其中晶片在短時(shí)間內(nèi)快速加熱到高溫，然后以受控方式緩慢冷卻，為晶片賦予所需的半導(dǎo)體性能。然而，RTP會(huì)引起熱應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致其他光刻問(wèn)題，進(jìn)而影響器件的性能，例如由于熱沖擊或分子晶格的錯(cuò)位而導(dǎo)致的破損。了解晶片在這些條件下的性能有助于優(yōu)化工藝，提高半導(dǎo)體性能和晶片耐久性。

評(píng)價(jià)晶片制造過(guò)程中溫度變化影響的一個(gè)關(guān)鍵方法是測(cè)量隨溫度變化而變化的晶片表面粗糙度。為此，我們采用干涉測(cè)量技術(shù)并結(jié)合使用冷熱臺(tái)來(lái)觀察表面粗糙度，在通過(guò)顯微鏡觀察樣品的同時(shí)將溫度精確地升高到與制造過(guò)程中的溫度相似的值。

圖1：圖案化硅片

有幾個(gè)因素使干涉測(cè)量結(jié)果的獲取變得復(fù)雜。首先，為了在準(zhǔn)確控制冷熱臺(tái)溫度的同時(shí)使樣品可視化，并獲取數(shù)據(jù)，必須通過(guò)冷熱臺(tái)的光學(xué)窗口進(jìn)行觀察。窗口的厚度為0.5 mm，但在某些情況下可達(dá)到1 mm，具體取決于所需的隔熱程度。光學(xué)窗口具有與空氣不同的折射率，會(huì)造成光學(xué)像差和錯(cuò)位，在分析硅晶片時(shí)，應(yīng)對(duì)此進(jìn)行校正以獲得可靠的數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)冷熱臺(tái)溫度升高時(shí)，熱量會(huì)通過(guò)觀察窗散發(fā)到外部，這對(duì)于光學(xué)顯微鏡來(lái)說(shuō)并不理想。對(duì)于靠近該窗口的空氣，溫度可達(dá)60℃，這會(huì)導(dǎo)致物鏡變形，造成像差。

為了解決不同溫度下干涉測(cè)量的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，可以使用Linnik干涉儀。Linnik干涉儀使用了傳統(tǒng)干涉參考臂內(nèi)的光學(xué)器件。如此一來(lái)，就可以補(bǔ)償和校正光學(xué)窗口的影響（例如色散和光學(xué)像差），從而能夠使用比傳統(tǒng)干涉物鏡具有更大焦距的明場(chǎng)物鏡。

在本項(xiàng)工作中，我們研究了RTP工藝對(duì)硅晶片的影響，同時(shí)考慮了溫度變化帶來(lái)的光學(xué)像差。研究中使用了兩種不同的樣品，對(duì)應(yīng)于硅晶片的不同芯片設(shè)計(jì)。樣品A的尺寸為2.8 mm x 1 mm，而樣品B的尺寸為3.0 mm x 2.35 mm。硅晶片具有亞微米級(jí)的典型表面粗糙度值，因此適用于這種應(yīng)用的理想光學(xué)技術(shù)是相干掃描干涉儀（CSI，ISO 25178第604部分）。CSI僅產(chǎn)生1 nm的系統(tǒng)噪聲，所用鏡頭的放大倍率忽略不計(jì)。

針對(duì)Linnik物鏡的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，使用了兩個(gè)焦距為17.5 mm的Nikon 10x EPI 物鏡（Nikon，MUE12100）。使用焦距為37 mm的10xSLWD物鏡（Nikon，MUE31100）可實(shí)現(xiàn)相同的配置。如此一來(lái)，鏡頭幾乎察覺(jué)不到相機(jī)的熱輻射，不會(huì)影響或損害測(cè)量質(zhì)量。Linnik物鏡安裝在3D光學(xué)輪廓儀（Sensofar，S neox）上，其中同一個(gè)傳感器頭采用了4種光學(xué)技術(shù)：共聚焦、CSI、PSI和多焦面疊加。ISO 25178中涵蓋了這些技術(shù)。

使用Linkam LTS420冷熱臺(tái)和T96溫度控制器控制溫度，使溫度在-195°和420°C之間產(chǎn)生坡度變化（精度為0.01°C），同時(shí)通過(guò)冷熱臺(tái)窗口觀察樣品粗糙度。冷熱臺(tái)還可控制壓力和濕度，但本研究并未涉及這方面的研究。

圖2：Linkam LTS420和Sensofar Linnik配置的實(shí)驗(yàn)裝置。Linnik光學(xué)配置示意圖

晶片樣品放置在具有Linnik配置的S neox光學(xué)輪廓儀下方的Linkam冷熱臺(tái)中。采集程序包括以50°C的溫階將溫度從30°C升高到380°C，在每一步對(duì)樣品進(jìn)行8次形貌測(cè)量。對(duì)三個(gè)樣品重復(fù)此程序。

圖3：顯示光學(xué)測(cè)量溫階的時(shí)間-溫度圖。

使用SensoMAP軟件，通過(guò)創(chuàng)建模板并將其應(yīng)用于所有樣品來(lái)進(jìn)行可視化，并分析結(jié)果。模板允許在每個(gè)形貌中提取3個(gè)輪廓（水平輪廓、對(duì)角輪廓和垂直輪廓）并在同一張圖中表示，此外還允許構(gòu)建出形貌序列，將其導(dǎo)出為視頻并呈現(xiàn)在4D圖中。

使用上述方法對(duì)同一樣品的兩個(gè)形貌圖像進(jìn)行成像，并呈現(xiàn)為圖5所示的二維高度圖。三條實(shí)線(xiàn)代表在每個(gè)形貌中提取的三個(gè)不同的輪廓（水平輪廓、對(duì)角輪廓和垂直輪廓）。圖6所示為每個(gè)方向的輪廓，其中可以看到不同采樣溫度的演變。圖像顯示，樣品在加熱時(shí)，形貌會(huì)發(fā)生變化。

圖4：顯示樣品A在 (a) 30oC 和 (b) 80oC時(shí)形貌的二維高度圖。黑線(xiàn)表示出于進(jìn)一步研究需要而提取輪廓的三個(gè)方向。

圖5：八種不同溫度下根據(jù)樣品A的測(cè)量提取的 (a) 水平輪廓(b) 對(duì)角輪廓 (c) 垂直輪廓。

數(shù)據(jù)可繪制成3D形貌圖像，如圖7所示。通過(guò)堆疊隨溫度變化而變化的3D圖像，創(chuàng)建出“4D圖"，使用相同的高度比色刻度尺展示不同溫度下的形貌變化，以及樣品如何隨著溫度變化而彎曲。很明顯，溫度越高，樣品彎曲幅度越大。

為了量化樣品的翹曲度，使用了兩個(gè)不同的參數(shù)。第一個(gè)是Sz，根據(jù)ISO 25178，Sz是對(duì)應(yīng)于表面最大高度的表面粗糙度參數(shù)。第二個(gè)是Wz，對(duì)應(yīng)于輪廓分析中的Sz（ISO 4287）。Sz和Wz都是在對(duì)表面（或輪廓）應(yīng)用S濾波后獲得的，截止值為0.8 mm。這樣，只有較長(zhǎng)的空間波長(zhǎng)保留在表面，消除了粗糙度，只留下用于翹曲度分析的波度。

樣品A和B的結(jié)果參數(shù)如圖9所示。對(duì)于樣品A，在180oC的范圍內(nèi)，溫度和翹曲度之間呈幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，在180oC到380oC的范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。另一方面，在溫度超過(guò)230oC之前，樣品B無(wú)任何顯著的翹曲度變化。

圖7：隨溫度變化而變化的 (a) 樣品A和 (b) 樣品B的翹曲度演變。波度參數(shù)Wz從圖5的水平輪廓、對(duì)角輪廓和垂直輪廓中提取。應(yīng)用0.8 mm S濾波后，計(jì)算表面粗糙度參數(shù)Sz。

圖8：(a)、(b) 樣品A（上）和樣品B（下）在30oC和380oC時(shí)的過(guò)濾后粗糙度形貌。S濾波2.5 μm，L濾波0.8 mm。(c)、(d) 形貌(a)和(b)的高度和混合粗糙度參數(shù)。

已證明擬用配置可行，可以在不同溫度下順利地完成粗糙度和波度測(cè)量。根據(jù)芯片設(shè)計(jì)，觀察到兩種不同的表面形貌反應(yīng)。加熱過(guò)程中，樣品A在早期發(fā)生彎曲反應(yīng)，而樣品B在后期發(fā)生彎曲反應(yīng)。

S neox 3D光學(xué)輪廓儀配合Linnik 物鏡已被證明是Linkam LTS420冷熱臺(tái)進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的**補(bǔ)充。此外，不同的明場(chǎng)物鏡與Linnik配置兼容，為需要高橫向分辨率的應(yīng)用提供最高37 mm的焦距和最高100x的放大倍率。

圖9 (a)：Linkam LTS420——實(shí)驗(yàn)室中使用的Sensofar Linnik系統(tǒng)。

圖9 (b)：開(kāi)始測(cè)量前放置在Linkam LTS420冷熱臺(tái)中的樣品特寫(xiě)。