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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
时间：2026-07-01
本世纪初FinFET的发明使得IC结构从平面走向立体，此后三维量测的重要性逐渐为半导体行业熟知。近年随着GAA、3D NAND、先进封装等工艺的快速发展，垂直堆叠式结构成为主流，复杂三维表征需求亦不断扩大。
产线关注的三维关键尺寸（CD）通常包括结构顶部/底部的平面尺寸，台阶/孔槽的高度/深度，侧壁的倾角、底切、面/边/线宽粗糙度等。这些参数直接影响器件的电气性能，是完成工艺闭环必须监控的指标。然而，在先进制程中针对上述CD参数尤其是侧壁的测量却极具挑战。
1. 半导体行业四大主流三维量测方法
半导体业内常用的三维量测方法可归为光学、电子束、X射线、探针四类。
01 光学方法
光学方法包括白光干涉、共聚焦、OCD等。前两者受衍射极限制约，横向分辨力仅为亚微米；OCD基于预设模型由散射信号反演被测结构的多种尺寸，分辨力不受瑞利判据限制，测量速度快，是当前先进制程最主要的在线量测手段，但该技术只能给出周期结构的平均尺寸且准确性依赖于模型。
02 电子束方法
电子束方法即通过SEM、TEM直接对样品进行多角度拍照测量。为从截面视角获取深度、侧壁倾角等信息，设备一般会集成FIB用于局部切口。虽对样品具有破坏性，但电子束能够给出直观的形貌图片，横向分辨力最优，适合各类复杂结构，因此也常被工业界视为关键尺寸量测的标准。
03 X射线方法
X射线方法包括显微 CT和CD-SAXS，核心优势在于能够穿透样品获得内部信息。显微CT用于内部三维成像，分辨力在数十至数百纳米；CD-SAXS类似OCD，也是通过散射信号拟合出三维尺寸，分辨力高但同样需要精确的建模，适用于周期结构而不能测量孤立对象。
04 探针方法
探针方法主要指基于原子力显微镜（AFM）的测量技术。AFM原理上即为三维实空间成像工具，横向分辨力接近SEM，同时还具备独有的亚埃级纵向（图像深度）分辨力，是目前唯一能够同时得到表面三维尺寸和粗糙度的无损测量技术。AFM 的最大不足在于效率，因而多用于复检及失效分析。
上述所有三维量测技术中，只有AFM的测量结果有明确的溯源路径，具备严格的计量意义。因此，尽管成像速度慢，AFM仍是半导体量测领域不可或缺的基准工具，与SEM互为补充，相互印证。
2. 侧壁探测技术的两大流派
应说明的是，AFM可测的结构受探针和扫描策略限制，使用锥形针尖及光栅式扫描策略的常规AFM实际上只能给出不含侧壁信息的2.5D图像。当被测结构侧壁较陡时，锥形针尖无法触及侧壁，对于开口较小的沟槽结构，锥形针尖也触不到底部；即便采用锥角很小的高深宽比探针，仍不可能探测90°及大于90°（底部回缩）的侧壁面内形貌。
真正能够实现完整三维尺寸量测的AFM通常称为CD-AFM或3D-AFM，在关键的侧壁探测技术方面，此类设备又分为Flared tip和Tilt scan两种流派。
01 Flared tip流派
Flared tip方案最早可见于上世纪九十年代IBM的研究论文，基本思路是将针尖做成底部向外凸出的细杆，再通过横向触碰探测侧壁。该方案的优势在于能够连续拾取底部顶部和左右侧壁的形貌，直接获得完整三维图像；在针尖工艺支持的情况下，也可以探测深宽比相对较大的结构。Flared tip的缺点是面内分辨力不及锥形针尖，扫描控制策略亦比较复杂。
02 Tilt scan流派
Tilt scan的思路更为直接：倾斜测头或样品使锥形针尖能够接触侧壁，之后通过常规扫描即可获得侧壁形貌。该方案的长处在于可以提供和常见AFM图像一致的分辨力，控制策略较为简单；不足则是需要改变倾角多次下针才能探测不同方向的侧壁，最终还须通过图像拼接获得完整三维形貌。
3. 自研高光：富睿思真三维测量模式True3DMeasurement
针对真三维表征需求，富睿思成功开发出了基于Flared tip方案的真三维测量模式True3DMeasurement。该模式采用了改进的自适应矢量扫描策略，能够自动识别侧壁位置并实时调整扫描角度，可适配富睿思全系原子力显微镜机型。
图1 富睿思自制Flared tip探针
图2 标称高度503 nm光栅样品的True3DMeasurement模式测量结果
图1所示为富睿思自制的一款Flared tip探针的SEM图像，图2、图3给出了富睿思8英寸机型AFM-Baritone在True3DMeasurement模式下使用该探针测量标准光栅和某干法刻蚀结构的效果。
从图1中可见Flared tip是一种极易折损的纤细结构。AFM-Baritone的自动换针功能可方便地根据工作模式需要切换不同类型的探针以降低Flared tip针尖因不当使用而受损的风险。
图2所示光栅区域长宽范围为10 μm × 8 μm，共扫描83条线，每条线含像素点数约530。根据实测数据量得光栅高度为504.9 nm，周期5.01 μm，考虑针尖直径补偿后的槽宽（半高处）约2.01 μm，侧壁倾角85.7°~88.5°。针对同一截面线的50次重复扫描高度值标准差0.35 nm，宽度值标准差1.65 nm。
图3 干法刻蚀结构的True3DMeasurement模式测量结果
图3所示样品为两个干法刻蚀结构，均呈现典型的Bowing特征。图中第一行样品预期槽宽600 nm，扫描区域长宽范围2.5 μm × 1.5 μm，共扫描31条线，每条线含像素点数约370，实测高度1.188 μm，槽宽最窄处约576.4 nm，Bowing区域最宽处约662.2 nm。第二行样品预期槽宽1000 nm，扫描区域长宽范围3.8 μm × 4.3 μm，共扫描51条线，每条线含像素点数约465，实测高度1.279 μm，槽宽最窄处约954.0 nm，Bowing最宽处约1017.5 nm。
上图所示干法刻蚀结构的三维测量效果是目前其他方法难以在不破坏样品的前提下达到的，一定程度上体现了True3DMeasurement模式的优异测量能力。值得一提的是，富睿思200 mm机台原子力显微镜AFM-Baritone同样支持Tilt scan方式。得益于全测头扫描架构，富睿思的大样品台机型具有很强的载物能力，只需在样品台上安装楔块使样品倾斜，即可利用常规锥形探针实现对部分侧壁的扫描。在下一期推送中，我们将展示更多的3D测量效果，敬请持续关注。
4. 富睿思8英寸机型原子力显微镜AFM-Baritone
AFM-Baritone是面向科研和高端工业用户开发的一款大机台原子力显微镜，配备200毫米全自动样品台，可用于8英寸以内各种规格晶圆及其他样品的形貌和物性检测。
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