在半導(dǎo)體芯片制造過程中，臺(tái)階結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量至關(guān)重要，通常采用白光干涉儀或步進(jìn)儀等非接觸式測(cè)量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。然而，SiO?/Si臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)量中存在的問題顯著影響了測(cè)量精度。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的上表面（SiO?）和下表面（Si）的折射率（n）和消光系數(shù)（k）差異導(dǎo)致了反射光的干涉相消現(xiàn)象，進(jìn)而影響白光干涉儀的測(cè)量結(jié)果。為解決這一問題，本研究結(jié)合半導(dǎo)體濺射工藝，提出在臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)表面濺射一層金屬鉻（Cr）。通過光學(xué)理論分析，探討材料層對(duì)測(cè)量的影響，并采用Flexfilm探針式臺(tái)階儀與白光干涉儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以驗(yàn)證優(yōu)化工藝的有效性。

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測(cè)量偏差的理論分析

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• 白光干涉儀的測(cè)量原理

白光干涉儀的測(cè)量原理

白光干涉儀基于光的干涉效應(yīng)測(cè)量臺(tái)階高度，如圖所示。光源發(fā)出的白光經(jīng)分束器分成兩束，一束從參考鏡反射，另一束從被測(cè)表面反射。兩束光重新結(jié)合后形成干涉條紋，并通過CCD記錄，最終計(jì)算臺(tái)階高度。干涉條紋的可見度（M）由兩束光的強(qiáng)度比決定：式中，I?, I? 為兩束光強(qiáng)度，Δ為光程差，λ為波長(zhǎng)。

白光干涉儀掃描的臺(tái)階結(jié)構(gòu)

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測(cè)量誤差來源分析

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傳統(tǒng)SiO?/Si臺(tái)階結(jié)構(gòu)由于上下表面材料不同，導(dǎo)致反射率和相位差變化，影響干涉條紋的精確提取。根據(jù)菲涅耳反射理論，當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，反射率（R）可表示為：

其中，n為折射率，k為消光系數(shù)。由于SiO?（n≈1.46）與Si（n≈3.88）的光學(xué)參數(shù)差異顯著，使得反射光強(qiáng)度變化，導(dǎo)致干涉儀測(cè)量偏差。

臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)試結(jié)果對(duì)比

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臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)制備工藝優(yōu)化

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• 標(biāo)準(zhǔn)制備流程

傳統(tǒng)的SiO?/Si臺(tái)階制備工藝包括：1.熱氧化（SiO?層生長(zhǎng)）2.旋涂光刻膠3.曝光與顯影（1:1掩膜接觸式光刻）4. 干法/濕法蝕刻（優(yōu)化臺(tái)階結(jié)構(gòu)）5.去膠（H?SO?/H?O?混合清洗）

• 磁控濺射金屬層改進(jìn)

[標(biāo)準(zhǔn)件] 制備工藝的改進(jìn)

為解決光學(xué)參數(shù)差異問題，本研究在去膠后增加一步Cr濺射工藝。Cr具有高折射率（n≈3.18）、硬度和耐腐蝕性，可有效覆蓋SiO?/Si表面，使上下表面光學(xué)參數(shù)均一化。采用磁控濺射技術(shù)，確保金屬層厚度均勻。

• 改進(jìn)后臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制備不同標(biāo)稱高度（20–1000 nm）的臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)，采用兩種方法測(cè)量：臺(tái)階儀（基準(zhǔn)測(cè)量）：接觸式測(cè)量，激光干涉儀校準(zhǔn)，ABay誤差補(bǔ)償。白光干涉儀（非接觸式測(cè)量）：比較兩種方法的數(shù)據(jù)，分析誤差大小。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，濺射Cr層后的臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量誤差＜1%，驗(yàn)證了工藝優(yōu)化的有效性。本研究通過濺射金屬鉻（Cr）層于SiO?/Si臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)表面，成功解決了白光干涉儀的測(cè)量偏差問題，顯著提升精度至1%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，該方案工藝兼容半導(dǎo)體制造流程（熱氧化/蝕刻后添加濺鍍），有效消除了上下表面光學(xué)參數(shù)（n和k）差異導(dǎo)致的誤差，適用于20–1000 nm量程的計(jì)量需求。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

通過使用高精度的Flexfilm探針式臺(tái)階儀作為比對(duì)標(biāo)尺，對(duì)開發(fā)的標(biāo)稱范圍20~1000 nm的帶鉻鍍層臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)件高度進(jìn)行了嚴(yán)格評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰表明，鍍層成功將白光干涉儀的測(cè)量相對(duì)誤差抑制在±0.83%以內(nèi)（平均值絕對(duì)值<1%），相比未鍍層的“裸”SiO?/Si標(biāo)準(zhǔn)件精度提升顯著。此方案為半導(dǎo)體精密計(jì)量提供了可靠工具，具有潛力在更廣泛的光學(xué)測(cè)量環(huán)境中推廣應(yīng)用。原文出處:《Effect analysis of surface metal layer on step height standard》

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