Sensofar共聚焦白光幹涉儀用於表征溫度誘導的矽晶片形狀和紋理演變

       本案例研究中，Linkam和Sensofar Metrology展示了在為(wei) 溫控光學輪廓測量實驗生產(chan) 實驗裝置方麵的合作。由於(yu) 球麵像差引起的成像問題，在過去一直是一個(ge) 難點工序。使用Linkam的精密冷熱台和Sensofar的Linnik物鏡解決(jue) 了這些問題，實現了納米材料3D形貌輪廓的精確測量。我們(men) 觀察了矽晶片在20°C到380°C溫度範圍內(nei) 的形貌變化。

       快速熱處理（RTP）是矽晶片製造過程中的一個(ge) 重要步驟，其中晶片在短時間內(nei) 快速加熱到高溫，然後以受控方式緩慢冷卻，為(wei) 晶片賦予所需的半導體(ti) 性能。然而，RTP會(hui) 引起熱應力，這會(hui) 導致其他光刻問題，進而影響器件的性能，例如由於(yu) 熱衝(chong) 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於(yu) 優(you) 化工藝，提高半導體(ti) 性能和晶片耐久性。

       評價(jia) 晶片製造過程中溫度變化影響的一個(ge) 關(guan) 鍵方法是測量隨溫度變化而變化的晶片表麵粗糙度。為(wei) 此，我們(men) 采用幹涉測量技術並結合使用冷熱台來觀察表麵粗糙度，在通過顯微鏡觀察樣品的同時將溫度精確地升高到與(yu) 製造過程中的溫度相似的值。

圖1：圖案化矽片

       有幾個(ge) 因素使幹涉測量結果的獲取變得複雜。首先，為(wei) 了在準確控製冷熱台溫度的同時使樣品可視化，並獲取數據，必須通過冷熱台的光學窗口進行觀察。窗口的厚度為(wei) 0.5 mm，但在某些情況下可達到1 mm，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 所需的隔熱程度。光學窗口具有與(yu) 空氣不同的折射率，會(hui) 造成光學像差和錯位，在分析矽晶片時，應對此進行校正以獲得可靠的數據。此外，當冷熱台溫度升高時，熱量會(hui) 通過觀察窗散發到外部，這對於(yu) 光學顯微鏡來說並不理想。對於(yu) 靠近該窗口的空氣，溫度可達60℃，這會(hui) 導致物鏡變形，造成像差。

       為(wei) 了解決(jue) 不同溫度下幹涉測量的實驗問題，可以使用Linnik幹涉儀(yi) 。Linnik幹涉儀(yi) 使用了傳(chuan) 統幹涉參考臂內(nei) 的光學器件。如此一來，就可以補償(chang) 和校正光學窗口的影響（例如色散和光學像差），從(cong) 而能夠使用比傳(chuan) 統幹涉物鏡具有更大焦距的明場物鏡。

       在本項工作中，我們(men) 研究了RTP工藝對矽晶片的影響，同時考慮了溫度變化帶來的光學像差。研究中使用了兩(liang) 種不同的樣品，對應於(yu) 矽晶片的不同芯片設計。樣品A的尺寸為(wei) 2.8 mm x 1 mm，而樣品B的尺寸為(wei) 3.0 mm x 2.35 mm。矽晶片具有亞(ya) 微米級的典型表麵粗糙度值，因此適用於(yu) 這種應用的理想光學技術是相幹掃描幹涉儀(yi) （CSI，ISO 25178第604部分）。CSI僅(jin) 產(chan) 生1 nm的係統噪聲，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(liang) 個(ge) 焦距為(wei) 17.5 mm的Nikon 10x EPI 物鏡（Nikon，MUE12100）。使用焦距為(wei) 37 mm的10xSLWD物鏡（Nikon，MUE31100）可實現相同的配置。如此一來，鏡頭幾乎察覺不到相機的熱輻射，不會(hui) 影響或損害測量質量。Linnik物鏡安裝在3D米兰竞猜足球官网首页（Sensofar，S neox）上，其中同一個(ge) 傳(chuan) 感器頭采用了4種光學技術：共聚焦、CSI、PSI和多焦麵疊加。ISO 25178中涵蓋了這些技術。

       使用Linkam LTS420冷熱台和T96溫度控製器控製溫度，使溫度在-195°和420°C之間產(chan) 生坡度變化（精度為(wei) 0.01°C），同時通過冷熱台窗口觀察樣品粗糙度。冷熱台還可控製壓力和濕度，但本研究並未涉及這方麵的研究。

圖2：Linkam LTS420和Sensofar Linnik配置的實驗裝置。Linnik光學配置示意圖

       晶片樣品放置在具有Linnik配置的S neox米兰竞猜足球官网首页下方的Linkam冷熱台中。采集程序包括以50°C的溫階將溫度從(cong) 30°C升高到380°C，在每一步對樣品進行8次形貌測量。對三個(ge) 樣品重複此程序。

圖3：顯示光學測量溫階的時間-溫度圖。

       使用SensoMAP軟件，通過創建模板並將其應用於(yu) 所有樣品來進行可視化，並分析結果。模板允許在每個(ge) 形貌中提取3個(ge) 輪廓（水平輪廓、對角輪廓和垂直輪廓）並在同一張圖中表示，此外還允許構建出形貌序列，將其導出為(wei) 視頻並呈現在4D圖中。

       使用上述方法對同一樣品的兩(liang) 個(ge) 形貌圖像進行成像，並呈現為(wei) 圖5所示的二維高度圖。三條實線代表在每個(ge) 形貌中提取的三個(ge) 不同的輪廓（水平輪廓、對角輪廓和垂直輪廓）。圖6所示為(wei) 每個(ge) 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，形貌會(hui) 發生變化。

圖4：顯示樣品A在 (a) 30ºC 和 (b) 80ºC時形貌的二維高度圖。黑線表示出於(yu) 進一步研究需要而提取輪廓的三個(ge) 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。

       數據可繪製成3D形貌圖像，如圖7所示。通過堆疊隨溫度變化而變化的3D圖像，創建出“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。

圖6：從(cong) (a) 樣品A和 (b) 樣品B提取的形貌堆疊4D視圖（用於(yu) 直觀比較樣品從(cong) 30 ºC到380 ºC的實驗翹曲度變化）。

       為(wei) 了量化樣品的翹曲度，使用了兩(liang) 個(ge) 不同的參數。第一個(ge) 是Sz，根據ISO 25178，Sz是對應於(yu) 表麵最大高度的表麵粗糙度參數。第二個(ge) 是Wz，對應於(yu) 輪廓分析中的Sz（ISO 4287）。Sz和Wz都是在對表麵（或輪廓）應用S濾波後獲得的，截止值為(wei) 0.8 mm。這樣，隻有較長的空間波長保留在表麵，消除了粗糙度，隻留下用於(yu) 翹曲度分析的波度。

      樣品A和B的結果參數如圖9所示。對於(yu) 樣品A，在180ºC的範圍內(nei) ，溫度和翹曲度之間呈幾乎線性的關(guan) 係，在180ºC到380ºC的範圍內(nei) 趨於(yu) 穩定。另一方麵，在溫度超過230ºC之前，樣品B無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Wz從(cong) 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濾波後，計算表麵粗糙度參數Sz。

圖8：(a)、(b) 樣品A（上）和樣品B（下）在30ºC和380ºC時的過濾後粗糙度形貌。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，觀察到兩(liang) 種不同的表麵形貌反應。加熱過程中，樣品A在早期發生彎曲反應，而樣品B在後期發生彎曲反應。

       S neox 3D米兰竞猜足球官网首页配合Linnik 物鏡已被證明是Linkam LTS420冷熱台進行此類實驗測量的*美補充。此外，不同的明場物鏡與(yu) Linnik配置兼容，為(wei) 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——實驗室中使用的Sensofar Linnik係統。

圖9 (b)：開始測量前放置在Linkam LTS420冷熱台中的樣品特寫(xie) 。