【新启航】白光干涉仪在 IC 芯片光刻后的 3D 轮廓测量

引言

IC 芯片光刻后形成的三维图形（如栅极、互联线、接触孔等）是半导体制造的关键中间产物，其线宽、高度、侧壁倾角等参数直接决定器件的电学性能与良率。这些图形通常为纳米至微米级结构（线宽 10nm-1μm，高度 50nm-2μm），传统测量方法中，扫描电镜虽能提供高分辨率线宽数据，但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，难以满足大面积工艺均匀性评估需求。白光干涉仪凭借非接触、高精度、三维轮廓重构的特性，成为光刻后 3D 轮廓测量的核心工具，为曝光剂量优化、光刻胶性能评估等工艺改进提供了精准数据支撑。

IC 芯片光刻后测量的核心需求

IC 芯片光刻后测量需满足三项关键指标：一是多参数同步表征，需同时获取关键尺寸（CD）、高度、侧壁角度、边缘粗糙度（LER）等参数，其中 CD 测量误差需 <±1%，高度测量精度 <±2nm；二是工艺窗口监控，需通过轮廓参数反映光刻胶的曝光灵敏度（曝光剂量与图形高度的线性度）、显影均匀性（同一芯片的高度偏差需 < 5%）；三是无损快速检测，单晶圆测量时间需 <8 分钟，且不能因测量导致光刻胶二次曝光或结构损伤（尤其对高宽比> 3 的细线条）。

接触式测量易造成图形坍塌，光学显微镜仅能提供二维投影尺寸，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

高精度三维参数提取能力

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）模式可重建光刻图形的完整三维形貌。其采用的相位解包裹算法能精准区分光刻胶与衬底界面，计算图形高度（重复性误差 < 1nm）；通过亚像素边缘检测技术提取不同高度处的 CD 值（如顶部 CD、50% 高度 CD），并计算侧壁倾角（精度 ±0.3°）。例如，对 100nm 高的栅极图形，可清晰识别顶部与底部 5nm 的 CD 差异，满足 7nm 及以上制程的严苛管控要求。

材料与工艺兼容性

针对光刻胶对紫外光的敏感性，白光干涉仪可采用 400-500nm 波段的可见光光源，避免二次曝光。其非接触测量模式不会对柔软的光刻胶表面造成物理损伤，尤其适合正性光刻胶（显影后图形易破损）的测量。通过调整光源强度（10-30mW）和积分时间（5-20ms），可适配不同厚度（50nm-2μm）光刻胶的反射特性，确保信号信噪比 > 30dB。

大面积均匀性分析

通过拼接扫描技术，白光干涉仪可在 6 分钟内完成 12 英寸晶圆上 5mm×5mm 区域的测量，覆盖数千个光刻图形单元。结合自动化分析软件，能生成 CD、高度的空间分布热力图，直观呈现曝光场边缘与中心的参数差异（如边缘 CD 比中心大 3%）。支持多批次晶圆的参数对比，为光刻胶涂覆厚度稳定性（标准差 < 3%）、曝光焦距偏差等工艺问题诊断提供数据依据。

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）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；光源选用窄带可见光（450nm），避免光刻胶感光；Z 向扫描范围≥5μm，步长 0.5nm 以捕捉纳米级高度变化。测量前用标准光刻样板（含 50nm 台阶、100nm 线宽）校准，确保尺寸偏差 < 0.5nm。

数据采集与处理流程

晶圆经真空吸附固定在防震载物台后，系统通过 Mark 点定位至目标芯片区域，扫描获取三维干涉数据。数据处理包括三步：一是图形分割，基于深度学习算法区分有效图形与背景噪声；二是参数计算，提取 CD、高度、侧壁角度、LER 等参数，生成轮廓线图；三是工艺判据，与光刻工艺标准比对，标记超差参数（如 CD 偏差 > 2% 的区域）。

典型应用案例

在 5nm 逻辑芯片的栅极光刻测量中，白光干涉仪检测出某曝光场的 CD 均匀性达 3.5%（标准 < 2%），高度标准差 5nm（标准 < 3nm），追溯为曝光剂量分布不均所致，调整光源强度后均匀性提升至 1.8%。在 DRAM 接触孔测量中，通过三维轮廓发现孔口圆角半径超差（设计值 50nm，实测 65nm），导致后续金属填充不良，优化显影时间后圆角半径恢复至 48nm。

应用中的挑战与解决方案

超薄光刻胶的信号提取

对厚度 < 50nm 的光刻胶图形，反射信号弱且易受衬底干扰。采用锁相放大技术可提升信噪比 20 倍，结合薄膜干涉校正算法，将高度测量误差控制在 1nm 以内。

高陡度侧壁的测量

当侧壁倾角 > 88° 时，反射信号衰减导致角度计算偏差。通过多角度照明（±15°）和三维建模算法，可完整重建侧壁轮廓，倾角测量精度提升至 ±0.2°，满足蚀刻转移工艺对侧壁角度的严苛要求（偏差 < 0.5°）。

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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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