文章來(lái)源：芯云知

原文作者：金末

膜厚測(cè)試在MEMS制造工藝中至關(guān)重要，它不僅關(guān)乎工藝質(zhì)量，更直接影響著最終成品的性能。為了確保每一片MEMS器件的卓越品質(zhì)，精確測(cè)量薄膜厚度是不可或缺的一環(huán)。

MEMS工藝過(guò)程中常常需要用到一些非破壞性的測(cè)試方法來(lái)表征當(dāng)前工藝下的完成情況，以此判定工藝是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，它是MEMS工藝監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)。本文介紹的是膜厚測(cè)試。

鍍膜是MEMS制造工藝過(guò)程中三板斧之一。根據(jù)MEMS器件加工工藝需求，需要制作各種不同厚度的薄膜，薄膜厚度對(duì)工藝質(zhì)量、最后成型的器件性質(zhì)有至關(guān)重要的影響。因此，膜厚測(cè)試也是MEMS制造工藝過(guò)程中最重要的表征。根據(jù)薄膜的性質(zhì)及其厚度的大致范圍，可選擇不同原理的精密測(cè)量?jī)x器對(duì)膜厚進(jìn)行測(cè)量。如果所選測(cè)量原理不適合，可能會(huì)導(dǎo)致薄膜厚度測(cè)量不準(zhǔn)確，而且有可能損傷薄膜，改變其性質(zhì)，此類(lèi)結(jié)果均會(huì)對(duì)后續(xù)的加工工藝產(chǎn)生很大影響,最終影響到所制作MEMS器件的性能。所以合理地選擇薄膜厚度的測(cè)量原理和測(cè)量?jī)x器十分重要。

膜厚測(cè)試設(shè)備有輪廓儀、橢偏儀、膜厚儀、原子力顯微鏡和臺(tái)階儀。

輪廓儀

輪廓儀是以白光干涉技術(shù)為原理，對(duì)樣品進(jìn)行二維、三維形貌掃描，進(jìn)而測(cè)量表面高度形貌，一般用于測(cè)量高低差值30nm以上樣品。光學(xué)輪廓儀是非接觸式測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)損傷樣品表面；樣品高度小于4cm；待測(cè)樣品需要具備能夠形成干涉條紋等特征(表面不能太粗糙，樣品不能是全白或者全黑，會(huì)吸光導(dǎo)致不能形成干涉條紋。輪廓儀對(duì)100nm以下的透明薄膜分析精度較差。

圖 輪廓儀輸出渲染形貌圖

反射式膜厚儀

白光反射光譜是測(cè)量從單層薄膜或多層薄膜堆疊結(jié)構(gòu)的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射量，入射光垂直于樣品表面，由于界面干涉產(chǎn)生的反射光譜被用來(lái)計(jì)算確定 (透明或部分透明或完全反射基板上) 薄膜的厚度。理論上來(lái)說(shuō)，只有透明或半透明材料制成的薄膜才可被光波穿透，從而可用薄膜厚度測(cè)量?jī)x來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但是一些不透光材料，如金屬在某種情況下也能測(cè)量，當(dāng)金屬膜僅有幾百納米甚至是幾納米薄的情況下，也能被部分光波穿透，這時(shí)就能精確測(cè)量出膜的厚度。在MEMS制造工藝中，最大的優(yōu)勢(shì)是測(cè)試從Si基底上的Si3N4/SiO2堆疊反射光譜，通過(guò)擬合計(jì)算便能得到的Si3N4/SiO2的單層厚度。膜厚儀可以測(cè)量雙層及以上薄膜厚度的方法，可測(cè)量厚度范圍可從1nm到2mm。

圖 膜厚儀測(cè)試原理

圖 膜厚儀擬合圖譜

橢偏儀

與膜厚儀膜厚儀是利用薄膜的反射、透射和散射等光學(xué)特性來(lái)測(cè)量其厚度不同，橢偏儀則是利用了光的偏振特性，薄膜的相位差、透過(guò)率和反射率等光學(xué)性質(zhì)來(lái)測(cè)量膜層的厚度參數(shù)。橢偏儀則可以用于金屬、氧化物等材料的膜層結(jié)構(gòu)，更適合測(cè)量較薄膜層厚度，低至0.1nm，精度更高。

圖 橢偏儀結(jié)構(gòu)和光路

原子力顯微鏡

原子力顯微鏡AFM是一種利用探針與樣品表面之間的相互作用力來(lái)進(jìn)行測(cè)量的儀器。通過(guò)探針在樣品表面掃描，可以獲取樣品表面的拓?fù)鋱D像，并結(jié)合探針與樣品之間的力信號(hào)，可以計(jì)算出薄膜的厚度。AFM具有高分辨率和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，適用于測(cè)量納米薄膜的厚度。

AFM可以測(cè)試薄膜范圍非常廣，有機(jī)薄膜、聚合物和光刻膠均可以，厚度最厚5mm。

圖 AFM膜厚測(cè)試圖譜和曲線(xiàn)

臺(tái)階儀

當(dāng)針尖沿被測(cè)表面輕輕劃過(guò)時(shí)，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時(shí)，還沿峰谷作上下運(yùn)動(dòng)。觸針的運(yùn)動(dòng)情況就反映了表面輪廓的情況。傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)測(cè)量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移信號(hào)成正比的調(diào)幅信號(hào)。垂直分辨率1nm，可測(cè)量臺(tái)階高度范圍0-300μm，有點(diǎn)類(lèi)似低階版AFM。

圖 臺(tái)階儀軟件界面

下面將五種膜厚測(cè)試方法進(jìn)行比較。