MEMS制造工艺过程中膜厚测试详解

文章来源：芯云知

原文作者：金末

膜厚测试在MEMS制造工艺中至关重要，它不仅关乎工艺质量，更直接影响着最终成品的性能。为了确保每一片MEMS器件的卓越品质，精确测量薄膜厚度是不可或缺的一环。

MEMS工艺过程中常常需要用到一些非破坏性的测试方法来表征当前工艺下的完成情况，以此判定工艺是否满足设计要求，它是MEMS工艺监控的重要环节。本文介绍的是膜厚测试。

镀膜是MEMS制造工艺过程中三板斧之一。根据MEMS器件加工工艺需求，需要制作各种不同厚度的薄膜，薄膜厚度对工艺质量、最后成型的器件性质有至关重要的影响。因此，膜厚测试也是MEMS制造工艺过程中最重要的表征。根据薄膜的性质及其厚度的大致范围，可选择不同原理的精密测量仪器对膜厚进行测量。如果所选测量原理不适合，可能会导致薄膜厚度测量不准确，而且有可能损伤薄膜，改变其性质，此类结果均会对后续的加工工艺产生很大影响,最终影响到所制作MEMS器件的性能。所以合理地选择薄膜厚度的测量原理和测量仪器十分重要。

膜厚测试设备有轮廓仪、椭偏仪、膜厚仪、原子力显微镜和台阶仪。

轮廓仪

轮廓仪是以白光干涉技术为原理，对样品进行二维、三维形貌扫描，进而测量表面高度形貌，一般用于测量高低差值30nm以上样品。光学轮廓仪是非接触式测试，在测试过程中不会损伤样品表面；样品高度小于4cm；待测样品需要具备能够形成干涉条纹等特征(表面不能太粗糙，样品不能是全白或者全黑，会吸光导致不能形成干涉条纹。轮廓仪对100nm以下的透明薄膜分析精度较差。

图 轮廓仪输出渲染形貌图

反射式膜厚仪

白光反射光谱是测量从单层薄膜或多层薄膜堆叠结构的一个波长范围内的反射量，入射光垂直于样品表面，由于界面干涉产生的反射光谱被用来计算确定 (透明或部分透明或完全反射基板上) 薄膜的厚度。理论上来说，只有透明或半透明材料制成的薄膜才可被光波穿透，从而可用薄膜厚度测量仪来进行测量。但是一些不透光材料，如金属在某种情况下也能测量，当金属膜仅有几百纳米甚至是几纳米薄的情况下，也能被部分光波穿透，这时就能精确测量出膜的厚度。在MEMS制造工艺中，最大的优势是测试从Si基底上的Si3N4/SiO2堆叠反射光谱，通过拟合计算便能得到的Si3N4/SiO2的单层厚度。膜厚仪可以测量双层及以上薄膜厚度的方法，可测量厚度范围可从1nm到2mm。

图 膜厚仪测试原理

图 膜厚仪拟合图谱

椭偏仪

与膜厚仪膜厚仪是利用薄膜的反射、透射和散射等光学特性来测量其厚度不同，椭偏仪则是利用了光的偏振特性，薄膜的相位差、透过率和反射率等光学性质来测量膜层的厚度参数。椭偏仪则可以用于金属、氧化物等材料的膜层结构，更适合测量较薄膜层厚度，低至0.1nm，精度更高。

图 椭偏仪结构和光路

原子力显微镜

原子力显微镜AFM是一种利用探针与样品表面之间的相互作用力来进行测量的仪器。通过探针在样品表面扫描，可以获取样品表面的拓扑图像，并结合探针与样品之间的力信号，可以计算出薄膜的厚度。AFM具有高分辨率和高灵敏度的优点，适用于测量纳米薄膜的厚度。

AFM可以测试薄膜范围非常广，有机薄膜、聚合物和光刻胶均可以，厚度最厚5mm。

图 AFM膜厚测试图谱和曲线

台阶仪

当针尖沿被测表面轻轻划过时，由于表面有微小的峰谷使触针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。传感器输出的电信号经测量电桥后，输出与触针偏离平衡位置的位移信号成正比的调幅信号。垂直分辨率1nm，可测量台阶高度范围0-300μm，有点类似低阶版AFM。

图 台阶仪软件界面

下面将五种膜厚测试方法进行比较。

审核编辑：汤梓红