表征溫度誘導的硅晶片形狀和紋理演變

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

本案例研究中，Linkam和Sensofar Metrology展示了在為溫控光學(xué)輪廓測量實(shí)驗生產(chǎn)實(shí)驗裝置方面的合作。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的精密冷熱臺和Sensofar的Linnik物鏡解決了這些問(wèn)題，實(shí)現了納米材料3D形貌輪廓的精確測量。我們觀(guān)察了硅晶片在20°C到380°C溫度范圍內的形貌變化。

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體性能。然而，RTP會(huì )引起熱應力，這會(huì )導致其他光刻問(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位而導致的破損。了解晶片在這些條件下的性能有助于優(yōu)化工藝，提高半導體性能和晶片耐久性。

評價(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，我們采用干涉測量技術(shù)并結合使用冷熱臺來(lái)觀(guān)察表面粗糙度，在通過(guò)顯微鏡觀(guān)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)因素使干涉測量結果的獲取變得復雜。首先，為了在準確控制冷熱臺溫度的同時(shí)使樣品可視化，并獲取數據，必須通過(guò)冷熱臺的光學(xué)窗口進(jìn)行觀(guān)察。窗口的厚度為0.5 mm，但在某些情況下可達到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)像差和錯位，在分析硅晶片時(shí)，應對此進(jìn)行校正以獲得可靠的數據。此外，當冷熱臺溫度升高時(shí)，熱量會(huì )通過(guò)觀(guān)察窗散發(fā)到外部，這對于光學(xué)顯微鏡來(lái)說(shuō)并不理想。對于靠近該窗口的空氣，溫度可達60℃，這會(huì )導致物鏡變形，造成像差。

為了解決不同溫度下干涉測量的實(shí)驗問(wèn)題，可以使用Linnik干涉儀。Linnik干涉儀使用了傳統干涉參考臂內的光學(xué)器件。如此一來(lái)，就可以補償和校正光學(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干涉物鏡具有更大焦距的明場(chǎng)物鏡。

在本項工作中，我們研究了RTP工藝對硅晶片的影響，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，對應于硅晶片的不同芯片設計。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的典型表面粗糙度值，因此適用于這種應用的理想光學(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的系統噪聲，所用鏡頭的放大倍率忽略不計。

針對Linnik物鏡的設計和構造，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)現相同的配置。如此一來(lái)，鏡頭幾乎察覺(jué)不到相機的熱輻射，不會(huì )影響或損害測量質(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)冷熱臺窗口觀(guān)察樣品粗糙度。冷熱臺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，在每一步對樣品進(jìn)行8次形貌測量。對三個(gè)樣品重復此程序。

圖3：顯示光學(xué)測量溫階的時(shí)間-溫度圖。

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

使用上述方法對同一樣品的兩個(gè)形貌圖像進(jìn)行成像，并呈現為圖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樣品A的測量提取的 (a) 水平輪廓(b) 對角輪廓 (c) 垂直輪廓。

數據可繪制成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(zhù)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。第一個(gè)是Sz，根據ISO 25178，Sz是對應于表面最大高度的表面粗糙度參數。第二個(gè)是Wz，對應于輪廓分析中的Sz（ISO 4287）。Sz和Wz都是在對表面（或輪廓）應用S濾波后獲得的，截止值為0.8 mm。這樣，只有較長(cháng)的空間波長(cháng)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的結果參數如圖9所示。對于樣品A，在180oC的范圍內，溫度和翹曲度之間呈幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，在180oC到380oC的范圍內趨于穩定。另一方面，在溫度超過(guò)230oC之前，樣品B無(wú)任何顯著(zhù)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Wz從圖5的水平輪廓、對角輪廓和垂直輪廓中提取。應用0.8 mm S濾波后，計算表面粗糙度參數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。

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量。根據芯片設計，觀(guān)察到兩種不同的表面形貌反應。加熱過(guò)程中，樣品A在早期發(fā)生彎曲反應，而樣品B在后期發(fā)生彎曲反應。

S neox 3D光學(xué)輪廓儀配合Linnik 物鏡已被證明是Linkam LTS420冷熱臺進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗測量的**補充。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)驗室中使用的Sensofar Linnik系統。

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