[新启航]白光干涉仪在芯片刻蚀工艺后的 3D 轮廓测量

引言

芯片刻蚀工艺通过干法或湿法腐蚀将光刻图形转移至晶圆表层材料（如硅、氧化物、金属等），形成沟槽、通孔、鳍片等三维结构，其深度、线宽、侧壁倾角等参数直接决定器件的电学性能与可靠性。例如，FinFET 器件的鳍片高度偏差若超过 5%，会导致阈值电压漂移；DRAM 存储单元的沟槽深度不均会引发电容值波动。传统测量方法中，扫描电镜（SEM）需破坏样品且无法直接获取三维高度数据；原子力显微镜（AFM）效率低，难以覆盖刻蚀均匀性的大面积评估。白光干涉仪凭借非接触、高精度、三维成像的特性，成为刻蚀后轮廓测量的核心工具，为刻蚀气体流量优化、射频功率调整等工艺改进提供关键数据支撑。

芯片刻蚀后测量的核心需求

芯片刻蚀后测量需满足三项关键指标：一是多维度参数同步表征，需同时获取刻蚀深度（误差 <±1nm）、线宽（偏差 <±0.5nm）、侧壁倾角（精度 <±0.1°）、底部粗糙度（Ra<1nm），尤其需捕捉高深宽比结构（>10:1）的颈缩或鼓包缺陷；二是全域均匀性分析，需覆盖 12 英寸晶圆的多个刻蚀区域，确保深度均匀性 3σ<3nm，线宽均匀性 3σ<2nm；三是材料兼容性，需适配硅、SiNx、SiO₂等不同刻蚀材料，单晶圆测量时间 < 15 分钟，且避免测量过程对脆弱结构（如纳米线）造成损伤。

接触式探针易导致高宽比结构坍塌，光学轮廓仪对透明氧化物的深度测量误差大，均无法满足需求。白光干涉仪的技术特性恰好适配这些测量难点。

白光干涉仪的技术适配性

高深宽比结构的三维重建能力

白光干涉仪的垂直分辨率达 0.1nm，横向分辨率 0.3μm，通过垂直扫描干涉（VSI）与共聚焦干涉（CSI）复合模式，可清晰重建深宽比 20:1 的刻蚀结构。其采用的阴影校正算法能补偿侧壁遮挡导致的信号衰减，精准提取底部轮廓；通过圆柱拟合技术计算不同深度的线宽变化，自动识别颈缩位置（如深度 500nm 处线宽突减 0.8nm）。例如，对 1μm 深的硅沟槽，可量化其底部平整度（PV 值 < 10nm）和侧壁粗糙度（Ra<0.5nm），满足先进制程的刻蚀精度要求。

多材料表面的信号适配性

针对硅（反射率 35%）、SiO₂（反射率 4%）等不同刻蚀材料，白光干涉仪可通过调整光源波段（400-700nm）和偏振态（s 偏振增强金属反射，p 偏振适配介质材料）优化信号质量。非接触测量模式避免了对脆性刻蚀结构的机械损伤，对高宽比 15:1 的纳米柱阵列，测量后无倒伏或断裂现象。通过高灵敏度探测器（噪声等效功率 <10⁻¹⁴W/Hz¹/²），可在低反射率氧化物表面获取信噪比> 30dB 的干涉信号。

高效批量检测能力

通过拼接扫描技术，白光干涉仪可在 12 分钟内完成 12 英寸晶圆的全域三维成像，生成刻蚀参数的空间分布热力图。结合机器学习算法，能自动识别刻蚀缺陷（如底部残留物、侧壁台阶），统计缺陷密度并关联刻蚀工艺参数（如气体流量波动）。软件支持多批次晶圆的参数对比，为刻蚀工艺的长期稳定性监控提供数据依据。

具体测量流程与关键技术

测量系统配置

需配备高数值孔径物镜（NA=0.95）与长工作距离镜头（≥10mm），兼顾分辨率与结构兼容性；采用高稳定性白光光源（功率波动 < 0.1%），支持波段切换（450nm 适配硅，635nm 适配氧化物）；Z 向扫描范围≥5μm，步长 0.5nm 以覆盖深槽结构。测量前用标准刻蚀样板（含 500nm 台阶、100nm 线宽）校准，确保深度测量偏差 < 0.5nm。

数据采集与处理流程

晶圆经真空吸附固定后，系统通过 Mark 点定位刻蚀区域，扫描获取三维干涉数据。数据处理包括三步：一是背景扣除，去除晶圆翘曲对深度测量的影响；二是参数提取，计算深度、线宽、倾角等参数，生成 3D 形貌图；三是工艺判据，与刻蚀标准比对，标记超差区域（如深度偏差 > 5nm 的区域）。

典型应用案例

在 5nm 逻辑芯片的 FinFET 刻蚀测量中，白光干涉仪检测出边缘区域鳍片高度比中心低 8nm（设计高度 120nm），侧壁倾角偏差 1.2°，追溯为刻蚀气体边缘流量不足，调整喷淋头分布后高度均匀性提升至 3σ=2nm。在 3D NAND 的沟槽刻蚀测量中，发现深度 1μm 处存在颈缩（线宽 30nm→28.5nm），通过优化射频功率曲线，颈缩现象消除，线宽变化率控制在 < 0.5%。

应用中的挑战与解决方案

透明介质的深度测量误差

SiO₂等透明材料的多光束干涉会导致深度误判。采用光谱干涉分析技术分离基底与表面反射信号，可将误差控制在 1nm 以内。

底部信号衰减

当深宽比 > 15 时，底部反射光弱导致数据缺失。通过倾斜照明（30° 入射角）与信号累加算法，可增强底部信号强度 5 倍，确保全深度范围的轮廓完整性。

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实测验证硬核实力​

1）硅片表面粗糙度检测：凭借优于 1nm 的超高分辨率，精准捕捉硅片表面微观起伏，实测粗糙度 Ra 值低至 0.7nm，为半导体制造品质把控提供可靠数据支撑。​

（以上数据为新启航实测结果）

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高深宽比结构测量：面对深蚀刻工艺形成的深槽结构，展现强大测量能力，精准获取槽深、槽宽数据，解决行业测量难题。​

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