白光干涉仪在EUV光刻后的3D轮廓测量

引言

EUV（极紫外）光刻技术凭借 13.5nm 的短波长，成为 7nm 及以下节点集成电路制造的核心工艺，其光刻后形成的三维图形（如鳍片、栅极、接触孔等）尺寸通常在 5-50nm 范围，高度 50-500nm。这些结构的关键尺寸（CD）均匀性、边缘粗糙度（LER）、高度偏差等参数直接决定器件的电学性能，例如 3nm 节点要求 CD 偏差 < 0.5nm，LER<0.3nm。传统测量方法中，扫描电镜（SEM）虽能提供高分辨率 CD 数据，但无法直接获取三维高度信息；原子力显微镜（AFM）效率低，难以覆盖大面积工艺均匀性评估。白光干涉仪凭借非接触、纳米级精度、三维成像的特性，成为 EUV 光刻后 3D 轮廓测量的关键工具，为曝光能量控制、掩模缺陷修复提供精准数据支撑。

EUV 光刻后测量的核心需求

EUV 光刻后测量需满足三项关键指标：一是超精细参数表征，需同步获取 CD（误差 <±0.3nm）、高度（精度 <±0.1nm）、LER（<0.2nm）、侧壁倾角（偏差 <±0.05°），尤其需捕捉 EUV 光吸收不均导致的局部图形畸变；二是缺陷敏感性检测，需识别因掩模缺陷或光路污染导致的纳米级凸起（高度 > 1nm）、凹陷（深度 > 1nm）等异常结构；三是材料兼容性保障，测量过程需避免 EUV 光刻胶（通常为化学放大型）因光照或机械作用发生性能退化，单 12 英寸晶圆测量时间 < 20 分钟。

接触式测量易造成纳米结构坍塌，光学轮廓仪垂直分辨率不足（>1nm），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

超纳米级精度测量能力

白光干涉仪的垂直分辨率达 0.05nm，横向分辨率 0.2μm，通过共聚焦干涉（CSI）与相移干涉（PSI）复合模式，可重建 EUV 光刻图形的原子级三维形貌。其采用的多波长相位解包裹算法能精准区分光刻胶与硅基底的界面，计算图形高度（重复性误差 < 0.08nm）；通过亚像素边缘追踪技术提取 CD 值，结合功率谱密度分析量化 LER，对 30nm 宽的鳍片结构，可实现 CD 测量偏差 < 0.2nm，满足 EUV 光刻的严苛要求。

材料与工艺兼容性

针对 EUV 光刻胶对短波长光的敏感性，白光干涉仪采用 500-600nm 波段的可见光光源，避免引发光刻胶二次化学反应。非接触测量模式不会破坏高宽比 > 8 的纳米线结构，通过优化光源强度（5-10mW）和积分时间（5-10ms），可在低反射率光刻胶表面（反射率 <3%）获取信噪比> 40dB 的干涉信号，确保超精细参数的稳定提取。

大面积缺陷筛查能力

通过精密气浮平台的拼接扫描技术，白光干涉仪可在 15 分钟内完成 12 英寸晶圆上 10mm×10mm 区域的三维成像，结合深度学习算法自动识别纳米级缺陷（识别准确率 > 99%）。软件支持缺陷类型分类（如颗粒污染、图形变形）与参数统计，生成缺陷密度分布图，为 EUV 光刻系统的洁净度控制提供数据依据。

具体测量流程与关键技术

测量系统配置

需配备超高数值孔径物镜（NA=1.4）与单色化白光光源（半峰宽 < 10nm），提升空间分辨率与相位测量精度；采用防震光学平台（振动控制 < 10nm）与恒温系统（温度波动 <±0.05℃），减少环境干扰；Z 向扫描范围≥5μm，步长 0.05nm 以捕捉原子级高度变化。测量前用标准 EUV 光刻样板（含 20nm 线宽、100nm 高度图形）校准，确保尺寸偏差 < 0.1nm。

数据采集与处理流程

晶圆经真空吸附固定在防静电载物台后，系统通过 Mark 点定位曝光场，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 EUV 光刻胶表面的随机起伏噪声；二是参数提取，计算 CD、高度、LER、侧壁倾角等参数，生成 3D 形貌图与轮廓线图；三是缺陷分析，与设计模板比对，标记超差结构与异常缺陷。

典型应用案例

在 3nm 逻辑芯片的 EUV 光刻测量中，白光干涉仪检测出某曝光场的 CD 均匀性 3σ=0.6nm（标准 < 0.8nm），但局部区域存在 0.3nm 的高度偏差，追溯为 EUV 曝光能量的微区波动，调整光源匀化系统后高度均匀性提升至 3σ=0.2nm。在掩模缺陷影响分析中，发现因掩模上 1nm 凸起导致的光刻图形对应位置出现 0.8nm 凹陷，为掩模修复提供了精确坐标与尺寸依据。

应用中的挑战与解决方案

超小尺寸图形的信号解析

对 < 20nm 的图形，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边缘模糊，将 CD 测量误差控制在 0.15nm 以内。

多层膜结构的界面干扰

EUV 光刻通常涉及 SiNx、SiO₂等多层膜基底，界面反射会导致高度测量失真。通过光谱干涉分析技术分离各层反射信号，可将高度测量精度提升至 0.05nm。

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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。

有机油膜厚度扫描：毫米级超大视野，轻松覆盖 5nm 级有机油膜，实现全区域高精度厚度检测，助力润滑材料研发与质量检测。

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分层膜厚无损检测：采用非接触、非破坏测量方式，对多层薄膜进行 3D 形貌重构，精准分析各层膜厚分布，为薄膜材料研究提供无损检测新方案。

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