基于光机械多探针原理的广域薄膜表面形貌测量方法研究

In the semiconductor industry, a device that can measure the surface profile of thin film like photoresist with high accuracy and high speed is needed. Here, the problem is that photoresist is less than 500 nm thick. When we measure it with the light scanning method directly, multiple interferences and reflections of the thin film obstruct the profile measurement with optical noise, making correct measurement impossible. As another approach, atomic force microscopy (AFM) can be used to take measurements by a probe with high accuracy. However, if the measured object is softer than the AFM stylus tip, the tip may deform it during the measurement, and the speed is limited because AFM is used in micro-area measurements. Since the photoresist surface is deformable and smooth, the measurement device must not damage it during the measurement, and the resolution in the horizontal direction must be in tens of micrometers. In the last research, we developed an apparatus using a multi-ball cantilever and white light interferometer to measure the surface profile of thin film. The results demonstrated the feasibility of the constructed multi-ball cantilever system for measuring thin film with high accuracy. In this research we will be important in the surface measurement method using square-pattern probes and white light interferometer. This system, as assessed with a scanning method, suffers from the presence of a moving stage and systematic sensor errors. Therefore, we approach using a multi-probe together with an autocollimator as an additional angle measuring device, which has the potential for self-calibration of multi-probe. Using the least-squares analysis with the error separation method using the autocollimator, we will obtain a shape close to the real file. In the last, we construct an experimental apparatus and made measurements on resist film and discuss the uncertainty of apparatus.

光刻技术在半导体产业微细化，高集成化进程中有着极其重要的作用，本项目的研究就是针对下一代短波光刻技术中必不可少的光刻胶薄膜表面形貌的高速、高精度测量所提议的新一代测量理论及测量方法的研究。本项目的研究目的是提出并建立广域光刻胶表面形貌的高精度测量理论和方法。传统的表面测量方法很难实现本课题中光刻胶薄膜的测量要求，为了解决这个问题，本研究提出应用光学测量和机械接触相结合的理论来进行测量。我们曾经应用一维线性排列的光-机械多探针传感器进行了基础研究，证明了此方法测量透明半透明薄膜的可行性。但在纳米领域里作为测量难点的三维形状测量方法还有很多理论和技术挑战。在此，我们重点研究光-二维网格多探针传感器的扫描型测量方法及多点测量误差分离理论，以实现光刻胶表面的三维高精度，高速形貌测量。应用所研发光-机械探针传感器，建立扫描型广域表面形貌测量装置，通过基础实验分析对新测量理论及测量仪器进行有效性评价。

信息化社会里半导体产业已经成为所有产业的基础，高性能、低成本的半导体产业是情报技术高度发展的原动力，光刻技术在半导体集成化进程中有着极其重要的作用。本项目针对光刻胶薄膜表面形貌测量应用传统方法难实现的问题，提出光学测量和接触式探针相结合的表面形貌测量方法，开展了接触式探针的制作、多探针测量误差分离理论研究及测量实验分析。.根据光刻胶薄膜测量的要求和目标，研究中应用白光干涉计New View系列作为扫描型光学测量仪器，接触部分研发二维网格状探针。讨论适合与光刻胶薄膜表面接触的探针的形状，研究扫描型测量方法以实现高速的测量，探索多探针法的误差分离理论减小或消除误差实现高精度测量，研究光-接触多探针结合理论测量流程及获得表面形貌的方法，建立测量理论方法模型。分析了探针与薄膜表面接触的形态，通过有限元模拟讨论探针接触对薄膜表面的影响，讨论探针先端的形状、探针间隔及探针数量，提出了对于探针形状及尺寸的设想，设计二维探针，研究其测量方法。应用精密三维平台、白光干涉计和网状探针构建的测量装置对台阶试件及膜材料进行了测量，分析不确定性，对网状探针测量的有效性进行了测试评价实验，并评价本测量方法的有效性。运用MEMS技术制备了9×9网格状的独立多探针，针对各向异性湿法腐蚀所需温度较高(80-95℃)，而SU-8胶探针结构高温易变形的问题，提出使用各项同性湿法腐蚀并严格控制两种腐蚀方法腐蚀硅基深度的解决方法，并测量所制作探针的物理特性。.通过项目研究，发表学术论文10篇，申请发明专利3项。培养研究生5名。本项目的研究为MEMS技术制作二维网状探针提供了可供参考的方法，多探针测量的自校正理论对提高测量精度有着重要意义，光-多探针结合的方法为我国广域三维形貌测量方法有着重要的推进作用。