王维 吴爱华 张家欢 张晓东 / 中国电子科技集团公司第十三研究所

0 引言

随着半导体技术的发展，微电子器件呈现出高集成度、高密度以及高性能的趋势。根据国际半导体技术发展路线图显示：从一个技术节点到下一个技术节点，微电子器件的关键尺寸按照0.7倍的速率缩减[1]。为了满足半导体技术的发展需求，8英寸（1英寸=2.54 cm）以及12英寸的晶圆片都已投入市场。由于光刻、刻蚀、溅射、研磨、磨削和抛光等技术被广泛应用于微电子器件的制备工艺过程中，晶圆片自身的硬度、强度和脆性，使得加工后的表面不可避免地出现裂纹、变形等损伤[2]。因此，表面粗糙度等重要工艺参数的精准化控制是提高器件性能的关键。

晶圆表面的粗糙度测量方法主要分为以下两种：接触式测量方法和非接触式测量方法，如图1所示[3]。接触式测量方法主要包括触针式表面轮廓仪法和粗糙度测定仪法等；非接触式测量方法主要包括图像法、光学法和超声波法等，其中白光干涉仪、激光共焦显微镜是比较常见的非接触测量仪器[4]。原子力显微镜（AFM）存在三种测量模式：接触模式、非接触模式和轻敲模式[5]，具有测量准确度高，测量范围小，速度慢，对材料无要求等特点。因此，针对微电子领域的测量需求，本文将开展基于AFM的晶圆表面粗糙度测量方法的研究。

图1 常见晶圆表面粗糙度测量方法

1 晶圆表面粗糙度

1.1 表面粗糙度的定义

晶圆表面实际轮廓形貌和理想表面形貌会存在一定偏差。表面粗糙度是指晶圆宏观表面比较光滑平整，但在微观表面存在粗糙的情况[6]。通常可以使用两种方法来定量表征表面粗糙度：第一种是样品表面的波距；第二种是波距和幅度的比值。表面粗糙度是指波距小于1 mm或波距和幅度的比值小于20的表面几何形状误差，如图2所示。

图2 波距的定义

1.2 表面粗糙度的评定

依据 GB/T 1031-2009《产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》，在评定晶圆表面粗糙度的过程中，涉及两个概念Ra和Sa。其中，Ra是基于线轮廓法评定粗糙度时使用的参数，即轮廓的算术平均偏差，表征晶圆表面一维轮廓的粗糙程度。Sa是基于区域形貌的粗糙度评定参数，即区域形貌的算术平均偏差，表征晶圆表面二维形貌的粗糙程度[7]。在半导体领域，晶圆表面粗糙度对器件性能的影响很大，经常使用Sa评价晶圆表面粗糙度。

2 AFM测量原理

AFM是扫描探针显微镜中最具代表性的测量仪器，广泛地应用于半导体行业。原子力显微镜原理是通过探测探针与样品表面之间的相互作用力所造成的探针悬臂的弯曲变化量来获得形貌图。当探针在样品表面移动时，不同探针与样品之间存在一些相互作用力，例如范德华力、摩擦力、远程静电力、磁力等。而在测量过程中，范德华力起到了主要的作用，并且探针与样品之间，力随着距离发生变化[8]。

当探针离样品比较远时，其相互作用力则为吸引力。随着探针和样品之间的距离逐渐减小，探针与样品之间的吸引力逐渐增加。然而，当他们之间的距离足够近，使得相应的原子间电子云开始产生排斥时，探针与样品之间的吸引力逐渐减弱，随后变成 0，此时探针和样品上原子间距离只有几个埃。最后，当探针与样品相互接触时，相互作用力表现为排斥力，如图3所示[9]。

图3 AFM探针与样品之间相互作用力随距离变化

3 测量过程

选择晶圆片作为待测对象，放置在某型号AFM真空吸附台上。扫描过程中，采用轻敲测量模式，AFM 扫描范围为 18 μm×18 μm，扫描点为 256×256，单条线测量时间为1.56 s，探针扫描路线如图4所示。

图4 AFM探针扫描路线

扫描完成后，获取晶圆表面的粗糙度（如图5）。其中，Sa是通过计算区域形貌的算术平均偏差计算得到的。

图5 AFM获取晶圆表面粗糙度

4 比对实验

为了评价原子力显微镜测量晶圆表面粗糙度的优劣，采用白光干涉仪法作为比对实验方案。白光干涉仪主要基于白光干涉技术，由光源发出两束相干光，分光镜将两束相干光分开，沿着不同的路径传播。一束通过参考面返回，一束通过被测面返回，两束相干光就有了一定相位产生光程差，进而发生干涉，如图6所示[10]。

图6 白光干涉仪测量原理

白光干涉仪发出的光是白光，含有不同波长和频率的单色光，因此，干涉条纹的宽度不同以及明亮程度逐渐减弱。其中，光程差与光强之间的函数关系满足如下公式：

式中：I1、I2—— 两束光的光强 ；

I0—— 背景光强，满足I0=I1+I2；

Δ —— 两束光的光程差；

λ—— 某单色光的波长；

π—— 相关包络项 ；

M—— 相干调制度，M=mv

CCD相机将被测表面的微观轮廓起伏转换为放大了的平面干涉条纹，通过相位解包裹算法，提取每个像素对应的高度数据，进而测量干涉条纹的相对变形，间接获取晶圆表面的三维信息[11]。

白光是由可见光区各种波长按一定比例组成的，只有可见光区各种波长光的光程差等于零或几个波长时，才能观察到白色的干涉条纹。白光干涉条纹可视为不同波长的单色光干涉条纹的非相干叠加[12]。由于波长不同，各单色光的干涉条纹间距也不相同，当光程差为零时，各单色光零级干涉条纹完全重叠，非相干叠加之后白光干涉信号的零级条纹具有最大的光强值和条纹对比度[10]。因此，白光干涉仪测量晶圆表面粗糙度时，最好选用零级条纹。

选用某型号白光干涉仪测量同一晶圆的表面粗糙度。测量过程中，将镜头聚焦到晶圆片表面，找到零级条纹并展宽至单条纹。选用PSI测量模式对晶圆表面进行数据采集，结果如图7所示。其中，通过计算区域形貌的算术平均偏差得到Sa。

图7 白光干涉仪测量晶圆表面粗糙度

5 测量结果

使用AFM和白光干涉仪分别对同一晶圆重复测量10次，取整个采样图像为晶圆表面粗糙度的测量位置，结果如表1和图8所示。

表1 AFM和白光干涉仪的测量数据

图8 AFM和白光干涉仪的测量结果对比

从实验结果可以看出：若以白光干涉仪测量结果为参考值，AFM的测量误差在-0.32%左右，具有原子级的测量准确度。此外，AFM测量重复性能够控制在皮米量级。

6 结语

随着半导体技术的快速发展，晶圆表面粗糙度的准确测量是提高元器件性能的关键。在光刻、刻蚀、溅射、研磨、磨削和抛光等常见的半导体工艺中，都离不开晶圆表面粗糙度的测量问题。本文针对晶圆表面质量的测量需求，研究了一种基于原子力显微镜的晶圆表面粗糙度测量方法。半导体工艺中典型的测量方法包括：原子力显微镜法、白光干涉仪法等。相比之下，AFM测量准确度高，能够应用于所有材料晶圆的测量，是高准确度测量的首选。但是，也具有成像视场小，测量速度慢，探针洁净度、形貌等因素对测量结果影响很大等缺点。