晶圆表面形貌及台阶高度测量方法

晶圆在加工过程中的形貌及关键尺寸对器件的性能有着重要的影响，而形貌和关键尺寸测量如表面粗糙度、台阶高度、应力及线宽测量等就成为加工前后的步骤。以下总结了从宏观到微观的不同表面测量方法（Offline设备）：

一、 干涉仪（斐索干涉）

原理：在测试平面样品时，自标准镜参考面反射的参考光和自样品被测表面反射的测试光发生干涉，参考面到被测面这一段空间称为“干涉腔”。对干涉条纹光强进行数据计算和分析，就能得到面形或者波前误差的三维分布结果。

应用：面形测量。

测量区域：横向mm到cm级，Z向精度1/20λ。

二、 白光干涉仪

原理：干涉技术与光学成像技术相结合，对应样品表面移动物镜会在探测器上产生可测量的光程长度差，从而生成干涉条纹。条纹间的距离和条纹的总强度可以通过高精度的计算，从而得到高分辨率的测量结果。通过对样品表面的扫描及拼接，从而得到样品表面形貌信息。

应用：翘曲度、波纹度及粗糙度测量。

测量范围：横向um到cm级，纵向nm到mm级。Z向精度VSI模式为1nm，PSI模式0.1nm。

三、 台阶仪/探针式轮廓仪：

原理：通过电磁线圈通电流在探针端施加力，使探针划过样品表面，然后通过光学杠杆放大/电容测量来测定探针Z向的行程。通过光学系统测量探针的位移变化，从而测量表面台阶高度、粗糙度、波纹度、磨损度、薄膜应力等多种表面形貌技术参数。

应用：翘曲、波纹度、粗糙度、应力及台阶高度测量。

测量范围：横向um至cm级，纵向nm到mm级，Z向测量精度0.2/0.38A。

四、 原子力显微镜

原理：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

应用：样品表面形貌、表面粗糙度、力学、电学等性能测量。

测量范围：横向100*100um，纵向亚纳米至10um，Z向分辨率0.015nm。

五、 扫描电子显微镜

原理：扫描电镜是利用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应从而微观成像。当扫描被测表面时，二次电子从被测表面被激发出来，其强度与被测表面形貌有关，据此可处理处被测表面影片的表面形貌，其比较适合于定性测量。

应用：表面形貌测量、成分分析。

测量范围：横向nm至cm级，横向分辨率1nm。

单种测量手段往往都有着自身的局限性，实际是往往是多种测量方法配合使用。对量产线而言，往往Online的设备才能满足生产需求，Offline设备往往只作为研发和小批量试验使用。此外，除表面形貌和台阶测量外，在晶圆制程中需要进行其他测量如缺陷量测、电性量测和线宽量测。通过多种测量方式的配合，才能保证器件的良率和性能。