侧壁怎么测？富睿思国产原子力显微镜真三维测量模式实测解析

导读：为满足先进制程对三维表征的需求，富睿思开发出了基于 Flared tip方案的真三维测量模式（True3DMeasurement，以下简称True3D）。

True3D模式采用自适应矢量扫描策略，能自动识别侧壁位置并实时调整扫描角度，可实现对样品真三维形貌的高分辨无损检测，适配富睿思全系原子力显微镜（AFM）机型。

一、主流FIB/SEM方法的局限性

半导体工艺关注的三维尺寸信息主要包括IC结构的三维轮廓形状、高度/深度、线宽/槽宽、侧壁倾角、侧壁粗糙度等。目前业内普遍采用的检测方式是利用FIB切开样品后借助SEM扫描断面。

由于SEM本质上是二维测量工具，因此，该方法只能提供截面的轮廓线以及深、宽、倾角等面内投影信息，无法得到侧壁粗糙度。此外，FIB/SEM方法对样品具有破坏性，并非无损测量。

二、 富睿思True3D模式的扫描策略及应用案例

在上期文章《富睿思真三维测量模式丨原子力显微镜（AFM）的真三维测量及侧壁扫描技术》中，我们介绍了富睿思原子力显微镜（AFM）的真三维测量模式（True3DMeasurement，以下简称True3D），本期将通过实测案例进一步展示该模式的一些扫描策略。

1.    完整三维形貌扫描

在进入真三维模式前，富睿思AFM首先使用常规探针对样品进行预扫描。确定需要开展三维关键尺寸（CD）测量的区域后，设备执行自动换针操作，将测头上的普通探针替换为Flared-tip型CD探针，之后测头重新定位至待测区域并切换为True3D模式进针。

若期望获得某个范围内的完整三维形貌，用户可设定XY扫描行程、行内像素点间距以及扫描线间距，设备将自动根据样品形貌走势实时调整扫描行进方向，完成对包含侧壁在内的各个表面的逐点探测。

图1 某结构的三维测量结果：（a）结构三维形貌；（b）50条截面轮廓线投影。

图1给出了某IC结构的典型测量结果。所用CD探针底部直径约120 nm；扫描范围2.8 μm × 2 μm，共扫描50条线，每条线像素数约325。

从图1中可见，该IC结构侧壁上下两段斜率存在显著差异，测得关键尺寸如下：

• 左侧壁上/下段：倾角分别为55.83° / 82.88°；粗糙度（Sq）分别为2.4 nm / 1.4 nm；

• 右侧壁上/下段：倾角分别为54.13° / 81.96°；粗糙度（Sq）分别为3.4 nm / 1.1 nm；

• 结构高度：394.7 nm，扣除针尖直径（120 nm）后的半高宽约998.4 nm。

尽管在True3D模式下获取图1信息需要较长的时间，但这能够呈现比SEM图像更为丰富的3D数据。业内常用的FIB/SEM方法观察的只是一个截面，给出的信息实际上仅相当于图1中的一条轮廓线。换言之，富睿思AFM在True3D模式下单线扫描即可达到与 FIB/SEM 方法相近的效果。

2.    截面轮廓扫描

图2 指定位置截面轮廓扫描结果。

图2给出了True3D模式与FIB/SEM方法类比的截面轮廓扫描策略“Section only”，即只在用户指定位置扫描一条或几条截面轮廓线。

图2中所示为图1同一结构某截面处重复扫描得到的两条轮廓线。扫描长度为3.5 μm，每条线像素数约360，耗时约75秒。两条线良好的一致性表明轮廓扫描结果可重复，从轮廓线上量出的左右侧壁倾角、结构高度和宽度均与图1给出的值相近。

“Section only”策略给出的几何信息类型与FIB/SEM方法相同，缺失的侧壁粗糙度则可通过True3D模式下的另一种扫描策略——“Sidewall only”获取。

3.    侧壁扫描

只针对侧壁面内形貌的扫描策略称“Sidewall only”。执行该策略之前须先获得一条包含侧壁段的截面轮廓线，用户只需在轮廓线上框选感兴趣的侧壁位置，探针即可按照设定的范围仅对该侧壁面进行扫描。由于侧壁面内的扫描无需改变探针行进角度，“Sidewall only”测量耗时相比扫描结构的完整三维形貌会大幅缩短。

图3 左侧壁“Sidewall only”扫描结果：（a）原始扫描数据；（b）第25条扫描线；（c）虚线框1对应区域的侧壁数据抽取及调平结果；（d）虚线框2对应区域的侧壁数据抽取及调平结果。

图4 右侧壁“Sidewall only”扫描结果：（a）原始扫描数据；（b）第25条扫描线；（c）虚线框1对应区域的侧壁数据抽取及调平结果；（d）虚线框2对应区域的侧壁数据抽取及调平结果。

图3和图4分别给出了图2中左右两个侧壁的扫描结果。每个侧壁面扫描范围为1.95 μm × 340 nm，各扫描50条线，每条线约90个像素点，耗时约13分钟。

分别提取侧壁上斜率不同的上半段和下半段数据，进行调平处理后计算粗糙度可得：

• 左侧壁上/下段粗糙度（Sq）分别为2.24 nm / 1.2 nm；

• 右侧壁上/下段粗糙度（Sq）分别为2.27 nm / 0.89 nm。

4.    深度探测保护

在实际应用中，部分样品的高度可能超出探针可测范围，此时若直接进针扫描极易造成针尖损坏。针对此类测量需求，True3D模式提供深度探测保护功能。

在深度探测保护策略下，

• 进针点须定位在样品的高处；

• 开始扫描后，系统将实时检测探针相对于初始点的下降位置；

• 当下降至设定的保护阈值时，探针将执行回扫动作。

图5 深度保护策略下的某凸台边缘轮廓扫描结果（左：Tapping模式下得到的凸台上表面形貌；右：True3D模式下得到的边缘轮廓线）。

图5给出了某高度超过10 μm的凸台结构边缘轮廓测量结果。左侧形貌图是普通探针在Tapping模式下测得的凸台上表面形貌，可见其表面粗糙度较大。右侧所示为True3D模式实时测得的凸台右边缘轮廓。

在本次测试中，探针下降保护阈值设为1.1 μm，因此探针扫描至侧壁1.1 μm深处时即停止下降。从已获得的轮廓中可见侧壁和上表面均有较大起伏，与常规模式扫描结论相符。侧壁局部倾角超过80°，与工艺预期一致。

三、结语与展望

尽管AFM并非效率最高的表征工具，但凭借其独有的高分辨无损三维检测能力和显著的综合成本优势，在半导体量测领域仍有巨大的应用潜力。

富睿思国产AFM的True3D模式，可为先进制程中的真三维关键尺寸（CD）的检测需求提供性价比极佳的解决方案。

未来，我们将继续分享富睿思AFM的True3D模式与其他方法的测量结果对比，敬请关注！

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关于富睿思仪器

富睿思仪器（FreeSpirit Instruments）创立于2021年，是一家专注于表面精密测量设备研发与生产的高科技创新企业。

公司核心创始团队源自天津大学精仪系，立足于自主研发的技术底座，公司目前已推出多款具有核心知识产权的原子力显微镜（AFM）、白光轮廓仪（WLI）以及原子力显微镜-白光轮廓仪联用系统，并已成功交付国内头部高校、科研院所以及工业企业。

公司致力于为前沿科研、化合物半导体、Micro-LED及新型显示等领域，提供稳定、可靠的国产精密量测解决方案。

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