在集成電路檢測中，高光學對比度的晶圓級階高標準對提升自動圖像識別的精度至關重要。傳統(tǒng)基于單層Si-SiO?薄膜的階高標準在低臺階高度下對比度不足，通常需借助金屬鍍層增強信號，但這會引入污染風險。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究提出了一種基于絕緣體上硅（SOI）全介質(zhì)多層膜（Si-SiO?-Si）的新型階高標準。該結構通過優(yōu)化膜層設計，在不同臺階高度下均可實現(xiàn)高反射對比度。本文在8英寸晶圓上成功制備了20 nm、100 nm與500 nm三種規(guī)格的標準樣品。測試表明，其光學對比度最高可達同類單層膜標準的百倍以上，同時臺階高度控制精準、表面粗糙度優(yōu)異。該方案無需金屬鍍層，從根源上避免了污染，為半導體制造中的高精度光學檢測提供了可靠解決方案。

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階高標準

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圖像對比度的形成示意圖

（a）可見光波段鹵素光源的歸一化光譜（b）可見光波段Basler彩色CCD的歸一化光譜響應

階高標準是校準納米測量儀器（如臺階儀、原子力顯微鏡）的重要參照物，其性能直接影響半導體生產(chǎn)中的計量精度與良率控制。自動光學檢測系統(tǒng)依賴圖案的明暗對比進行識別與測量，因此階高標準的對比度成為關鍵指標。

傳統(tǒng)的單層SiO?-on-Si階高標準，其對比度受限于SiO?厚度與臺階高度的耦合關系，在低臺階（如≤100 nm）時對比度顯著下降。行業(yè)慣用的解決方案是沉積鉻等金屬層以增強光反射，但金屬顆?？赡芪廴井a(chǎn)線及器件。另一種改進思路是局部調(diào)整SiO?厚度，但未能從根本上解決低階高區(qū)域的對比度問題。

為此，本研究提出一種全介質(zhì)多層膜設計方案，利用Si-SiO?-Si結構，通過調(diào)控中間SiO?層的厚度來實現(xiàn)寬范圍、高對比度的光學響應，同時完全避免使用金屬材料。

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設計與仿真

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階高標準的光學對比度可用韋伯對比度定量描述，其大小主要取決于臺階表面與襯底區(qū)域在檢測光譜范圍內(nèi)的反射率差異。在固定照明與探測條件下，提升對比度的核心在于最大化兩區(qū)域的反射率比值。

單層膜結構中，襯底反射率固定，表面反射率由臺階高度（即SiO?厚度）決定，設計自由度受限。而在本文提出的三層膜結構中，頂層Si的厚度決定臺階高度，中間SiO?層的厚度則可獨立優(yōu)化，通過干涉效應抑制襯底區(qū)域的反射，從而大幅提升對比度。

（a）多層膜階高標準的截面示意圖（b）單層膜階高標準的截面示意圖；不同階高的多層膜與單層膜階高標準模擬光譜：（c）20 nm（d）100 nm（e）500 nm

多層膜與單層膜階高標準對比度模擬結果對比

本文采用傳輸矩陣法進行光學仿真，針對20 nm、100 nm和500 nm三種目標臺階高度，優(yōu)化了中間SiO?層的厚度。仿真結果表明，多層膜結構在所有高度下均展現(xiàn)出顯著高于單層膜的對比度，尤其在20 nm時，對比度從單層膜的0.06提升至4.56，增幅超兩個數(shù)量級。

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制備與實驗結果

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制備工藝

多層膜標準制備工藝流程示意圖

在8英寸硅襯底上，通過離子束濺射依次沉積SiO?與多晶硅薄膜。隨后采用電子束光刻定義臺階圖案，并利用感應耦合等離子體刻蝕進行圖形轉移。工藝中利用SiO?相對于Si更低的刻蝕速率，將其作為刻蝕停止層，實現(xiàn)了對臺階高度的精確控制。

光學性能

不同階高多層膜階高標準的光譜測量結果：（a）20 nm；（b）100 nm；（c）500 nm

（a）8英寸晶圓上100 nm多層膜階高標準示例照片；鹵素光照明下不同階高多層膜階高標準的CCD圖像：（b）20 nm（c）100 nmd）500 nm；鹵素光照明下不同階高單層膜階高標準的CCD圖像：（e）20 nm（f）100 nm（g）500 nm

光譜測量顯示，制備的20 nm、100 nm和500 nm多層膜階高標準對比度分別為4.87、2.37和1.57，與仿真趨勢高度吻合。光學顯微鏡圖像直觀表明，多層膜樣品在各階高下均呈現(xiàn)清晰圖案，而單層膜在20 nm時幾乎不可辨，驗證了多層膜方案在提升低階高可視性方面的卓越效果。

臺階高度準確性與表面粗糙度

（a）階高標準的AFM表面形貌圖；階高標準上下表面的AFM形貌圖：（b）上表面；（c）下表面

標稱20 nm、100 nm與500 nm階高的實測結果

測量結果表明，所有臺階高度的均勻性優(yōu)異（標準偏差<0.3 nm），實際高度與設計值偏差小。臺階上下表面的算術平均粗糙度Ra均低于0.15 nm，滿足高精度計量對參考表面質(zhì)量的要求。

本研究成功設計并制備了一種基于全介質(zhì)多層膜的無金屬、高對比度晶圓級階高標準。該方案通過解耦臺階高度與光學對比度設計參數(shù)，實現(xiàn)了從亞50nm到數(shù)百納米范圍內(nèi)的一致高對比度，且避免了金屬污染風險。實驗證實其同時具備優(yōu)異的階高控制精度與表面質(zhì)量。這項工作不僅提供了一種更可靠的計量標準，也為將光學薄膜設計理念擴展至其他類型計量標準（如畸變靶、分辨率靶）提供了思路。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內(nèi)領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Metal-free high-contrast wafer-level step height standards with large height-range based on alldielectric multilayers》

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