Lasertec共聚焦显微镜在Si基板上透明薄膜的表面凹凸形状测定
关键词：白光共聚焦显微镜、反射分光测厚、纳米级膜厚测量仪
概要
基板上涂覆透明膜的样品，其表面形状经常用激光显微镜或干涉仪测量。但是受到基板反射光的影响，1um程度（或更薄）的透明膜的表面形状难以测定。这里介绍基于白光共聚焦显微镜的反射分光膜厚测试的，Si晶圆上光刻胶的表面形状测试案例。
绪论
对于树脂类、金属类制品等，其表面的几十纳米的凹凸形状，通常可以用共聚焦显微镜测试。但是对于金属等高反射率基板上的薄膜表面的形状测试，在基板反射率明显高于薄膜反射率时，经常无法正确测定。
例如，考虑如图1的Si基板上的单层膜结构。其表面凹凸能否测出，取决于膜厚以及镜头的NA（即，数值孔径）值。使用高NA镜头（NA=0.95）时，膜厚在几十um以上时可准确测定，几um以下薄膜的情况，Si基板的反射光与薄膜表面的反射光难以分离，无法有效测定。
图1 Si基板上光刻胶加工面的断面图（d～1um）
对于此类测试需求，方案之一是通过反射分光法测定膜厚。当基板是Si晶圆或玻璃等平面的场合，可认为由膜厚能够推导出表面形状。以此方法，即可用低倍宽视野镜头快速测出几十nm的膜厚差异。
这里，图1样品由彩色共聚焦模式得到的图像如图2，由于加工的深度不同，8个由透明膜涂覆的凹槽，在图像上看颜色各异。这里，利用薄膜干涉原理，可对薄膜的厚度进行定量测量。
图2 彩色共聚焦图像（PMMA膜，Si基板）
测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）
照明波长：白色光（氙灯）
基于反射分光法的光刻胶膜厚分布测定
无色透明薄膜上之所以出现彩色的干涉光，是由于多重反射受干涉影响或增强或减弱，导致特定波长的反射率变小。于是，对于特定波长(λ)，其反射率强弱由膜厚（t）导致的相位差（θ）决定。于是，理论上，测出反射率即可以计算得到膜厚。计算式如下
实际上我们通过曲线拟合，基于小二乘法得到膜厚结果。
图5 分光膜厚分析（4号凹槽：214nm）
测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）
照明波长：436nm,486nm,514nm,546nm,578nm,633nm
对测试的具体操作做一说明。利用6种波长的可见光分别分别获取共聚焦图像，与另外测试得到的标准样品数据对比分析，可得到每一像素点的、各波长的反射率。
图像内指定区域（4号凹槽）的，各波长图像亮度转换成反射率，并且基于给定光学模型进行膜厚计算的画面如图5。光学模型设定为PMMA单层膜，其光学参数（n和k值）由数据库导入（如图6）。PMMA膜厚的可能范围设定为0～2000nm，用小二乘法进行拟合。
对1至8号凹槽进行同样分析，得到膜厚结果如表1。各凹槽膜厚从392nm到19nm，由左到右逐渐减小。
表1 平均膜厚分析结果
（计算区域15um□，单像素点1.5um□）
视野全体的表面凹凸情况，仅由区域内平均膜厚并不能判断，需要对各像素点分别进行膜厚解析。与上述同样分析条件对全像素点进行解析，得到膜厚分布图像。
膜厚分布结果与考察
分析得到的膜厚分布图像断面图如图7。各凹槽测量位置的深度，与指定区域的平均值基本一致。斜面处反射光无法正常检测的部分，出现噪声干扰，设定亮度阈值可对噪声判定为异常值后进行处理。处理后得到的断面图如图8。可进一步得到3D图像进行直观观察（如图9）。
图7 膜厚分布图像断面图
测定模式：反射分光
测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）
图8 膜厚分布图像断面图 噪声处理后
测定模式：反射分光
测定条件：TU10x镜头（NA=0.3）
图9 3D图
结语
对于激光显微镜通常难以测定的薄膜表面凹凸形状，本次提供基于白光共聚焦显微镜的反射分光膜厚分布测试的解决方案。
