[新启航]白光干涉仪在晶圆蚀刻图形 3D 轮廓测量中的应用解析

引言

晶圆蚀刻图形是半导体制造中通过干法或湿法蚀刻形成的微米至纳米级三维结构（如沟槽、通孔、鳍片等），其深度、线宽、侧壁倾角等参数直接影响器件的电学性能与可靠性。传统测量方法中，扫描电镜虽能提供高分辨率图像，但需破坏样品且无法直接获取三维高度信息；原子力显微镜精度高但测量范围有限，难以满足量产检测的效率需求。白光干涉仪凭借非接触、高精度、大面积扫描的特性，成为晶圆蚀刻图形三维轮廓测量的核心工具，为蚀刻工艺的参数优化和质量控制提供了关键数据支撑。

晶圆蚀刻图形测量的核心需求

晶圆蚀刻图形测量需满足三项关键指标：一是纳米级精度，深度（通常 100nm-5μm）和线宽（50nm-2μm）的测量误差需控制在 ±3% 以内，以评估蚀刻深度均匀性和临界尺寸偏差；二是三维参数完整性，需同步获取深度、线宽、侧壁粗糙度、底部曲率等参数，避免单一维度测量导致的工艺误判；三是高效无损检测，单片晶圆包含数十亿个蚀刻图形，需在数分钟内完成多个关键区域的扫描，且不能损伤脆弱的半导体材料。

接触式探针测量易造成图形坍塌（如高宽比大于 3 的鳍片结构），光学显微镜仅能提供二维投影信息，均无法满足上述需求。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

高精度微纳测量能力

白光干涉仪的垂直分辨率可达 0.1nm，横向分辨率达 0.3μm，能清晰识别蚀刻图形的纳米级深度变化（如 10nm 的深度偏差）和亚微米级线宽细节。通过傅里叶变换干涉算法，可实现深度测量重复性误差 < 0.5%，线宽测量精度 ±5nm，满足 7nm 及以上制程中临界尺寸（CD）的严苛管控要求。例如，对 2μm 深的硅沟槽，其深度测量偏差可控制在 5nm 以内。

非接触与材料兼容性

采用光学干涉原理，测量过程中与晶圆表面无物理接触，避免了对光刻胶、超薄氧化层等敏感结构的损伤。其宽光谱光源（400-700nm）可适配硅、氮化硅、光刻胶等多种半导体材料，通过调整检测模式（反射 / 透射）和光源偏振方向，能有效抑制多层薄膜（如 SiO₂/Si 叠层）的光反射干扰，确保信号稳定性。

大面积扫描与自动化分析

通过精密气浮平台的拼接扫描技术，白光干涉仪可在 8 分钟内完成直径 300mm 晶圆上 10mm×10mm 区域的三维成像，覆盖数千个蚀刻图形。结合深度学习算法，可自动识别图形缺陷（如蚀刻残留、侧壁塌陷）、计算关键参数（如深宽比、倾角均匀性），并生成晶圆级的参数分布热力图，大幅提升检测效率。

具体测量流程与关键技术

测量系统配置

需配备超高数值孔径物镜（NA=0.95）以提升横向分辨率，同时采用长工作距离设计（≥10mm）适配晶圆厚度；采用高稳定性白光光源（功率波动 < 1%），减少光强变化对干涉信号的影响；结合纳米级压电扫描台（行程 20μm）实现 Z 向步进（步长 0.5nm）。测量前需用标准蚀刻样板（深度 1μm，线宽 1μm）校准尺寸基准，确保跨批次测量的一致性。

数据采集与处理流程

将晶圆固定在真空吸附载物台后，系统通过晶圆定位标记自动对准至测量区域（如芯片活性区、测试键合区），进行三维扫描获取干涉数据。数据处理包括三步：一是图形分割，通过阈值分割和边缘追踪算法区分蚀刻图形与基底；二是参数提取，计算深度（基底到图形底部的垂直距离）、线宽（顶部与底部的横向尺寸）、侧壁倾角（侧壁与基底的夹角）；三是工艺评估，与设计参数比对，标记超差区域（如深度偏差 > 5% 的沟槽）。

典型应用案例

在 14nm FinFET 器件的鳍片蚀刻测量中，白光干涉仪检测出晶圆边缘区域的鳍片高度比中心区域低 80nm（设计高度 500nm），侧壁倾角偏差达 3°，推测为等离子体蚀刻的边缘效应导致，为调整蚀刻功率分布提供了依据。在 DRAM 沟槽电容测量中，通过反射模式有效穿透光刻胶层，清晰识别出底部 50nm 的曲率变化，避免了传统方法的测量盲区。

应用中的挑战与解决方案

高深宽比结构的信号衰减

当蚀刻图形的深宽比超过 5:1 时（如存储芯片的深沟槽），侧壁反射光信号会显著衰减，导致深度测量失真。可采用倾斜照明（30° 入射角）和信号增强算法，增强底部反射光强度，将深度测量误差控制在 10nm 以内。

透明薄膜层的多光束干涉

晶圆表面的多层透明薄膜（如氧化层、氮化层）会产生多光束干涉，形成虚假高度信号。通过采用光谱解析技术，分离不同薄膜层的干涉信号，仅保留蚀刻图形的有效信号，使测量重复性提升至 0.3%。

大视野 3D 白光干涉仪：纳米级测量全域解决方案

突破传统局限，定义测量新范式！大视野 3D 白光干涉仪凭借创新技术，一机解锁纳米级全场景测量，重新诠释精密测量的高效精密。

三大核心技术革新​

1）智能操作革命：告别传统白光干涉仪复杂操作流程，一键智能聚焦扫描功能，轻松实现亚纳米精度测量，且重复性表现卓越，让精密测量触手可及。​

2）超大视野 + 超高精度：搭载 0.6 倍镜头，拥有 15mm 单幅超大视野，结合 0.1nm 级测量精度，既能满足纳米级微观结构的精细检测，又能无缝完成 8 寸晶圆 FULL MAPPING 扫描，实现大视野与高精度的完美融合。​

3）动态测量新维度：可集成多普勒激光测振系统，打破静态测量边界，实现 “动态” 3D 轮廓测量，为复杂工况下的测量需求提供全新解决方案。​

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）

有机油膜厚度扫描：毫米级超大视野，轻松覆盖 5nm 级有机油膜，实现全区域高精度厚度检测，助力润滑材料研发与质量检测。​

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。​

分层膜厚无损检测：采用非接触、非破坏测量方式，对多层薄膜进行 3D 形貌重构，精准分析各层膜厚分布，为薄膜材料研究提供无损检测新方案。​

新启航半导体，专业提供综合光学3D测量解决方案！