台阶高度的测量标准丨在台阶仪校准下半导体金属镀层实现测量误差<1%

在半导体芯片制造过程中，台阶结构的精确测量至关重要，通常采用白光干涉仪或步进仪等非接触式测量设备进行监控。然而，SiO₂/Si台阶高度标准在测量中存在的问题显著影响了测量精度。传统标准的上表面（SiO₂）和下表面（Si）的折射率（n）和消光系数（k）差异导致了反射光的干涉相消现象，进而影响白光干涉仪的测量结果。为解决这一问题，本研究结合半导体溅射工艺，提出在台阶标准表面溅射一层金属铬（Cr）。通过光学理论分析，探讨材料层对测量的影响，并采用Flexfilm探针式台阶仪与白光干涉仪进行对比测试，以验证优化工艺的有效性。

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测量偏差的理论分析

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• 白光干涉仪的测量原理

白光干涉仪的测量原理

 

白光干涉仪基于光的干涉效应测量台阶高度，如图所示。光源发出的白光经分束器分成两束，一束从参考镜反射，另一束从被测表面反射。两束光重新结合后形成干涉条纹，并通过CCD记录，最终计算台阶高度。干涉条纹的可见度（M）由两束光的强度比决定：式中，I₁, I₂ 为两束光强度，Δ为光程差，λ为波长。

白光干涉仪扫描的台阶结构

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测量误差来源分析

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传统SiO₂/Si台阶结构由于上下表面材料不同，导致反射率和相位差变化，影响干涉条纹的精确提取。根据菲涅耳反射理论，当光从一种介质进入另一种介质时，反射率（R）可表示为：

其中，n为折射率，k为消光系数。由于SiO₂（n≈1.46）与Si（n≈3.88）的光学参数差异显著，使得反射光强度变化，导致干涉仪测量偏差。

台阶高度标准件测试结果对比

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台阶标准制备工艺优化

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• 标准制备流程

传统的SiO₂/Si台阶制备工艺包括：1. 热氧化（SiO₂层生长）2. 旋涂光刻胶3. 曝光与显影（1:1掩膜接触式光刻）4. 干法/湿法蚀刻（优化台阶结构）5. 去胶（H₂SO₄/H₂O₂混合清洗）

• 磁控溅射金属层改进

[标准件] 制备工艺的改进

 

为解决光学参数差异问题，本研究在去胶后增加一步Cr溅射工艺。Cr具有高折射率（n≈3.18）、硬度和耐腐蚀性，可有效覆盖SiO₂/Si表面，使上下表面光学参数均一化。采用磁控溅射技术，确保金属层厚度均匀。

• 改进后台阶标准的实验验证

制备不同标称高度（20–1000 nm）的台阶标准，采用两种方法测量：台阶仪（基准测量）：接触式测量，激光干涉仪校准，ABay误差补偿。白光干涉仪（非接触式测量）：比较两种方法的数据，分析误差大小。

实验数据表明，溅射Cr层后的台阶标准测量误差＜1%，验证了工艺优化的有效性。本研究通过溅射金属铬（Cr）层于SiO₂/Si台阶高度标准表面，成功解决了白光干涉仪的测量偏差问题，显著提升精度至1%以内。实验表明，该方案工艺兼容半导体制造流程（热氧化/蚀刻后添加溅镀），有效消除了上下表面光学参数（n和k）差异导致的误差，适用于20–1000 nm量程的计量需求。
 

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

通过使用高精度的Flexfilm探针式台阶仪作为比对标尺，对开发的标称范围20~1000 nm的带铬镀层台阶标准件高度进行了严格评价。实验数据清晰表明，镀层成功将白光干涉仪的测量相对误差抑制在±0.83%以内（平均值绝对值<1%），相比未镀层的“裸”SiO₂/Si标准件精度提升显著。此方案为半导体精密计量提供了可靠工具，具有潜力在更广泛的光学测量环境中推广应用。原文出处:《Effect analysis of surface metal layer on step height standard》 

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