白光干涉仪在 EBL 电子束光刻后的 3D 轮廓测量

引言

EBL（电子束光刻）技术凭借纳米级加工精度，广泛应用于 IC 芯片原型、纳米光电器件等领域，其光刻后形成的三维图形（如纳米线、光栅、孔阵列等）尺寸通常在 10nm-1μm 范围，高度 50nm-5μm。这些结构的线宽均匀性、边缘粗糙度（LER）、高度偏差等参数直接影响器件性能（如纳米光栅的衍射效率、量子器件的隧穿电流）。传统测量方法中，扫描电镜（SEM）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（AFM）精度高但测量范围有限（通常 < 100μm×100μm），难以评估大面积工艺稳定性。白光干涉仪凭借非接触、高精度、三维成像的特性，成为 EBL 光刻后 3D 轮廓测量的关键工具，为电子束剂量优化、显影工艺改进提供精准数据支撑。

EBL 光刻后测量的核心需求

EBL 光刻后测量需满足三项关键指标：一是纳米级多参数同步表征，需同时获取关键尺寸（CD，误差 <±2nm）、高度（精度 <±1nm）、侧壁倾角（偏差 <±0.5°）、LER（<1nm）等参数，尤其需区分电子束邻近效应导致的线宽梯度；二是复杂结构适配性，需测量高宽比 > 5 的纳米柱、深宽比 > 10 的沟槽等特殊结构，避免因信号衰减导致的测量盲区；三是无损高效检测，单样品测量时间 < 10 分钟，且不能因测量过程导致光刻胶结构损伤（电子束光刻胶多为 PMMA 等脆性材料）。

接触式测量易造成纳米结构坍塌，光学显微镜受衍射极限限制无法分辨亚微米细节，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

超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，通过共聚焦干涉（CSI）模式可有效抑制纳米结构的散射光干扰，精准重建三维形貌。其采用的傅里叶变换算法能解析电子束剂量分布与光刻胶高度的关联（如剂量每增加 10μC/cm²，高度提升 20nm），通过亚像素边缘检测提取 10nm 级线宽差异（如顶部 CD 与底部 CD 的梯度变化）。例如，对 50nm 宽的纳米线结构，可清晰识别因电子束散射导致的侧壁倾斜（倾角 89.2°），满足量子器件对结构对称性的严苛要求。

电子束光刻胶的材料兼容性

针对 EBL 常用的 PMMA、ZEP520 等光刻胶，白光干涉仪可通过调整光源波段（450-600nm）匹配其折射率特性（PMMA 折射率 1.49），避免透明胶层导致的多光束干涉误差。非接触测量模式不会对脆性光刻胶结构造成机械损伤，尤其适合高宽比 > 5 的纳米柱阵列（易因触碰倒伏）。通过优化积分时间（10-50ms），可在低反射率光刻胶表面（反射率 <10%）获取信噪比> 25dB 的干涉信号。

大面积与局部精细测量结合

通过 “全局扫描 + 局部放大” 模式，白光干涉仪可先以低倍物镜（NA=0.3）完成 1mm×1mm 区域的快速成像（5 分钟），识别工艺异常区域后，切换高倍物镜（NA=0.95）进行 50μm×50μm 范围的精细测量，兼顾效率与精度。软件支持纳米结构的自动计数与参数统计（如 1000 根纳米线的 CD 标准差），为电子束剂量场校正提供数据依据。

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，工作距离 8mm）以解析纳米细节；采用高稳定性白光 LED 光源（功率波动 < 0.5%），避免光强变化导致的相位误差；Z 向扫描范围≥10μm，步长 0.5nm 以捕捉纳米级高度变化。测量前用标准纳米光栅样板（周期 100nm，高度 50nm）校准，确保 CD 测量偏差 < 1nm。

数据采集与处理流程

样品经防静电载物台固定后，系统通过图像识别定位 EBL 图形区域，扫描获取三维干涉数据。数据处理包括三步：一是噪声过滤，采用小波阈值算法去除纳米结构边缘的散射噪声；二是参数提取，计算 CD（50% 高度处）、高度、侧壁倾角、LER（3σ 值）；三是剂量关联分析，生成电子束剂量 - 高度 / CD 响应曲线，优化曝光参数。

典型应用案例

在 100nm 周期光栅的 EBL 测量中，白光干涉仪检测出光栅高度标准差达 8nm（设计值 100nm），LER=1.2nm，追溯为电子束光斑能量分布不均，调整束流校正后高度标准差降至 3nm。在纳米孔阵列测量中，发现边缘区域孔深比中心浅 15nm（因邻近效应），通过剂量补偿算法修正后，孔深均匀性提升至 ±2nm。

应用中的挑战与解决方案

亚 100nm 结构的信号解析

对 < 100nm 的纳米线，干涉信号易受衍射效应影响。采用矢量衍射建模算法可修正衍射导致的边缘模糊，将 CD 测量误差控制在 2nm 以内。

高陡度侧壁的重建

当侧壁倾角 > 89° 时，反射光信号微弱导致轮廓失真。通过多角度照明（±20°）与信号融合技术，可完整重建侧壁轮廓，倾角测量精度提升至 ±0.3°，满足纳米器件的对称性设计要求。

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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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