探针轮廓仪原理

随着器件尺寸不断缩小，表面翘曲度可能引发一些问题从而影响器件的正常功能。在半导体中，薄膜应力对半导体能带隙偏移、超导转变温度和磁各向异性等电子特性有直接影响。在器件制造过程中，监控因薄膜沉积而产生的应力至关重要。在薄膜层面，应力通常会影响薄膜的附着力并产生晶格缺陷和表面再构，从而限制厚层薄膜的生长。在器件层面，应力的形成很少会直接导致良率下降，而是会缩短产品使用寿命。使用寿命缩短会导致每年在产品服务和保修方面花费数百万美元，这是一个重大问题。结合成熟的应力计算理论模型与 KLA 探针式轮廓仪的精密测量，我们可以进行独立于材料与表面特性的精确薄膜应力测。背景应力无法直接测量，它是因薄膜沉积而产生的。薄膜沉积会导致基片弯曲并改变原始形状。基片的曲率半径可以通过测量基片翘曲度和挠度而获得。可以采用 G. Gerald Stoney 开发的用于测量薄膜应力的悬臂梁技术，通过比较薄膜沉积前后的曲率半径变化来估算应力：其中应力测量技术HRP® 和 Tencor® P 系列轮廓仪可在无需拼接的情况下测量衬底的整片直径，可提供基片翘曲度和挠度的详细数据。首先收集薄膜沉积前和薄膜沉积后的扫描图像，然后通过计算由于薄膜沉积而引起的基片曲率半径变化，即可计算应力。HRP 系列和 Tencor P 系列模型为用户提供两种应力计算算法：n 阶多项式和 13 点最小二乘拟合。前代模型仅提供一种方法：13 点最小二乘拟合。在多项式拟合程序中，用户可以指定使用 5 阶、6 阶或 7 阶多项式来计算曲率半径。n 阶多项式有 n+1 个系数：为了确定这些系数，考虑使用 3 阶多项式的示例：一共需要四个方程式来确定这些系数。可以简单地将以上方程式乘以 x3、x2、x 和 1（未知数的系数），生成这些方程式。生成的四个方程式如下：使用Crout法求解联立方程式，即可确定这四个系数，并获得将高度表示为位置函数的多项式。曲率半径由多项式的二阶导数确定。13 点最小二乘拟合法的步骤包括将局部数据拟合成弧线，并根据这些弧线的局部曲率计算平均曲率。由于这种方法多次使用相同的数据点，因此更易受到噪声和震动信号影响，可靠性不佳。最小二乘拟合算法中剔除了所收集数据中前 5% 和后 5% 的数据。其余数据被分为三个长度为 0.3L 的数据段，其中 L 为扫描长度。通过计算第 1~13 ，2~14直至N-12~N个点的局部曲率（其中 N 为数据段中数据点的总数），可确定局部的曲率半径。每个数据段的平均曲率是局部曲率的均值。局部曲率的计算方法需要 2 阶多项式（其中二阶导数用于计算曲率）。多项式的一般方程式如下：该方程式的期望值为：通过以下方程式将残差 (yi- &ycirc i) 平方和最小化：其中 n 为第一个数据点。这些方程式进一步简化为：然后，我们可以使用矩阵行列式或简单替代法求解系数的这些方程式，然后计算曲率。收集应力数据对于精确应力测量，使用针对应力配置的通用载台或应力载台非常重要。应力载台具有三个用于支撑样品的支撑销钉以及两个或三个用于辅助定位晶圆的定位销（有缺口的晶圆使用两个定位销，有平边的晶圆使用三个定位销）。需要注意的是，支撑销钉和定位销的位置需要根据样品大小进行调整。支撑销钉将样品保持在适中位置，通过均匀分布样品重量，防止 (a) 载台形状和 (b) 重力对晶圆形状产生影响。定位销确保样品被放置于一个可复现的位置，从而提高准确性、重复性和安全性。图 1 显示了用于 8 英寸（200 毫米）晶圆的应力定位载台。图：用于应力测量的通用载台，带有三个定位销（在载台外缘）和三个支撑销钉（在载台中部）。定位销和支撑销钉的位置可调整，以适应不同的晶圆尺寸。轮廓仪使用金刚石探针接触样品以收集形貌数据，沉积前后的数据收集采用相同的测试配方，以确保收集的数据具有相同的材料特性和数据分辨率。样品本征特性对于某些光学分析技术而言可能是个问题，而探针式轮廓仪的直接测量技术可以测量任何样品，不受样品特性的影响。应力测试配方的建立优化了数据采集，其关键参数包括扫描长度、探针施力、扫描速率、采样率和纵向量程。在应力测试配方中，用户还可以选择计算应力所用的算法工具。多项式拟合算法提供了最佳测量性，但也可以使用 13 点最小二乘拟合法来增强与先前应力测量技术的匹配度。图：用于应力测量的通用载台上的 200 毫米晶片。载台外围可以看到两个定位销，晶圆放置于三个支撑销钉（图中未显示）的顶部。建议的测量参数包括：-- 探针针尖半径 ≥ 2μm；-- 扫描长度应为晶圆总直径的 80%，扫描应通过晶圆中心；-- 探针施力为 2mg；-- 扫描速率为 1-5mm/s -- 采样率为 200Hz；-- 针尖纵向量程取决于晶片的翘曲度。如果实现不知道翘曲度，请从最大的纵向量程开始测量，以适应较大的翘曲度。如果已知翘曲度跨越的针尖纵向运动范围较小，则使用较小的纵向量程。应力测量准确性保障Tencor 和 HRP 探针式轮廓仪采用光学平晶，以确保载台在水平面无起伏地横向移动。为确保轮廓仪针尖在曲面上运动的准确性，可测试已知曲率半径的镜面，如下图所示。下表列出了与扫描长度函数相关的平整度规格，以及翘曲度和应力重复性。表：扫描平整度和重复性规格*扫描平整度和翘曲度重复性基于 15 次重复次数、2mm/s 扫描速度、2mg 力、200Hz、最大针尖纵向范围、在100mm 镜面上的 80mm 扫描长度和 在150mm 晶圆上的 120mm 扫描长度。图：标定半径为 20.13 ± 0.5m 的镜面测量结果。应力测量分辨率应力分辨率取决于三个参数：轮廓仪的纵向范围、衬底的弹性特性以及衬底和薄膜的厚度。对于 Tencor P 系列，针尖纵向范围取决于使用的扫描头（范围为 6.5μm-1000μm）。而 HRP 的纵向在 3.25μm 与 327μm 之间可变。无论选择哪个范围，垂直分辨率都是亚埃级。衬底的双轴弹性模量因所用衬底而异。通常该值在 1 x 1011Pa 与 5 x 1011Pa 之间变化。最后，薄膜和衬底厚度对于确定应力分辨率来说非常重要。衬底厚度的典型值约为数百微米，而薄膜厚度通常在 100&angst 与 2μm 之间，当然也可能有更厚的薄膜。下表列出了可以测得的应力值示例。表：一系列衬底的测定应力结论HRP 系列和 Tencor P 系列轮廓仪可提供有效的薄膜应力监控和测量方法。由于过高应力可能会导致半导体器件失灵，因此应力监控至关重要。轮廓仪使用接触式量测方法，让探针针尖持续接触样品表面进行扫描，无需拼接即可进行大范围扫描，可确保数据准确性和重复性。这种直接测量不受样品材料和光学特性的影响，得到的结果具有亚埃级的垂直分辨率。应力配方中配有两种不同算法来分析数据：13 点最小二乘拟合和高阶多项式拟合。根据薄膜沉积前后曲率半径的变化，使用 Stoney 方程式提供准确、可重复的薄膜应力测量结果。参考文献1. “Material Science of Thin Films”, Chapter 12, p 711-712, Milton Ohring, 2nd Ed., 2002.2. “Tencor P-11 Long Scan Profiler Operations”, KLA, 1996, section 11.3. Wafer Stress Application Option, Ch. 14.

KLA探针式轮廓仪的过去，现在，与未来。KLA Instruments&trade 探针式轮廓仪（也称台阶仪）提供高精度2D和3D表面量测，测量台阶高度、表面粗糙度、翘曲度和应力以及优秀的稳定性和可靠性，满足客户的研发和生产要求。目前，KLA Instruments&trade 台阶仪包括专为研发助力的Alpha-Step® 系列D-500/D600桌面式台阶仪，工厂生产用Tencor® P-系列P-7，P-17，P-17 OF量产型台阶仪，还有自动化产线上的 HRP® 系列P-170和HRP-260全自动台阶仪。自1977年KLA首款商用探针式轮廓仪问世，经过四十多年的不断探索和技术创新，KLA取得了一个又一个突破，不断稳固自身在行业中的领导地位。1977Alpha-Step® 100 是Tencor 推出的首款台阶仪产品。其在台阶高度测量的准确性和重复性方面表现优异。凭借价格实惠、外形小巧和功能强大，很快就成为大多数半导体制造厂或晶圆厂重要的工具。1983Alpha-Step 200 发布，扫描速度比竞品快 2 倍，配备 CRT 显示器，能够自动测量、调平和计算。1987Alpha-Step 250 问世，灵敏度增强至 1 &angst ，增加了隔声外壳。1988Tencor P系列的P-1探针式轮廓仪实现了单次长度 200mm 扫描，且无需任何拼接。P-1 轮廓仪采用革 命性的全新设计，在扫描平台、光学和传感器技术方面进行了行业创新，提供无可匹敌的稳定性、灵敏度和重复性。该系统具有超平面扫描平台，能够单次扫描实现高达 200mm 的高分辨率，确定表面粗糙度、波纹度和薄膜应力特征。新平台也是 3D 扫描平台，增加了第三维度来表现表面形貌。该系统的特色是采用顶视光学系统来提供清晰的样品视图，不受传统倾斜侧视的扭曲影响。此外，该系统的传感器技术采用业界先进的线性可变差分电容器 (LVDC)，从而使电子分辨率达到亚埃级，并且转动惯量小，可实现低作用力控制并降低对噪声的敏感性。1991Tencor P2H 支持自动晶圆和磁盘机械手臂， 减少接触样品带来的污染。同年的Tencor P2 采用开放式框架，支持尺寸达 430mm x 430mm 的样品，同时Tencor FP2可扫描尺寸达 630mm x 630mm 的样品，用于平板行业。1994Tencor P-20 全自动探针式轮廓仪发布，增加了图案识别和 SECS/GEM，并且与现有的机械手臂相结合，实现了全自动化。Alpha-Step 500增加垂直量程至 1mm，并配备了全新高倍率光学器件和彩色摄像头。1996Tencor P-10、 P-11、 P-12 和 P-22 相继发布，产品采用最新的低作用力控制技术，延长垂直量程至1000µ m并增强环境隔离功能。Microhead II 增强线性可变差分电容器 (LVDC)，并增加低至 0.05mg的程式控制低作用力。它增加了通过动态调整枢轴上的作用力，确保在任何台阶高度下，样品表面都能够施加相同的力。此外，新传感器可支持高达 1000µ m 台阶高度。P-12 新增隔声罩和主动隔离台，不仅增强对环境噪声的隔离，还能够测量超光滑硬盘的粗糙度。P-22 在现有 P-20 机械手臂的基础上新增一个隔离台，实现自动晶圆传送、图案识别和 SECS/GEM 等全自动测量，从而为半导体行业提供整体解决方案， 提高其生产效率。1997Tencor P-30 将开放式晶圆盒机械臂替换为 SMIF 机械臂和系统的内置微环境， 以支持半导体行业新的洁净度要求。HRP-220 是在线表面量测的一大突破，配备了 P-22 的长扫描平台以及高分辨率压电平台，DuraSharp® 探针可实现精细的特征测量和分析。同年，Tencor Instruments 和 KLA Instruments 两家公司合并成立了 KLA-Tencor, Inc.，成为世界领先的半导体制造和相关行业的良率管理及工艺控制解决方案供应商之一。1998HRP-320 在HRP-220 的测量能力基础上扩展到 300mm 晶圆，是能够单次扫描测量 300mm 晶圆全直径的系统。1999HRP-240 和 HRP-340 在使用的便利性、产出和精度上有了重大改进。新增压电挠性平台设计，以尽量减少平面外的运动，扫描平面度 2x 在保持 90µ m x 90µ m 扫描区域和 1nm 分辨率的同时，比以前的设计有了很大的进步。该系统增加在线高倍和低倍光学器件，并利用距离传感器实现无接触自动聚焦，从而可允许快速、精确对焦，并通过减少探针的表面接触次数来延长其使用寿命。长扫描平台通过增加线性编码器来提高样品定位的准确性，而更细螺距的丝杠可实现更高的分辨率。通过增加数字信号处理器来管理所有平台控制，将计算机处理能力留给用户接口，从而改善系统的整体性能。新增浸渍模式（Dipping Mode&trade ）能够测量高深宽比的蚀刻深度特征。2001Tencor P-15 结合了 P-10 和 P-11 系统的功能，技术更加成熟，为单一平台上的研发和生产提供支持。2003Alpha-Step IQ 在 Alpha-Step 500 基础上新增 USB 电子器件和全新设计的软件，可以显著提供增强的扫描排序和数据分析能力。2007Tencor P-16+ 在-15 的基础上进行了改进：新的 USB 电子器件、更强大的软件以及 Apex 高级数据分析和报告撰写软件功能。2008Tencor P-6 是一台高性能探针式轮廓仪，在较小的平台上沿用了 P-16+ LVDC 传感器技术和扫描平台技术。HRP-250 和 HRP-350 仪器采用噪音更低的 LVDC 传感器技术、新的隔离系统（仅 HRP-350）和第二代 DuraSharp II 探针。可实现更小特征的测量和接近 2 倍的吞吐量。2009Ambios Technology 加入KLA-Tencor并发布 XP100 和 XP200，采用光学杠杆传感器技术，垂直量程1200µ m 并支持200mm晶圆样品。2010KLA-Tencor 发布了基于 Ambios Technology 平台的 Alpha-Step D-100 和 D-120，采用增强光学杠杆传感器技术， 显著改善了测量的稳定性。2013Tencor P-7 和 P-17 配备了新高分辨率彩色相机，并增强了对翘曲度和应力的测量。2014Alpha-Step D-500 和 D-600 仪器采用了与 P系列相同的高分辨率相机。增加了侧视图的梯形校正功能，并且进一步改善了测量的重复性。2016Tencor P-170结合了 P-17 与 HRP 机械手臂，是一款新的全自动探针式轮廓仪。同年，HRP系列的新机型HRP-260 也随后发布。新仪器在自动化晶圆处理方面有了重大的改进。增加了几何图案识别，提高了倾斜校正算法的准确性，并采用新方法进行自动灯光控制。机械手臂包含新电子器件，可支持碳化硅 (SiC) 和蓝宝石等透明样品以及硅、砷化镓 (GaAs) 和 AlTiC 等不透明样品的预对准。也支持卡盒内wafer探测和读取wafer ID.2019KLA Instruments&trade 全系列探针式轮廓仪Alpha-Step® 、Tencor® P- 和 HRP® ，移植软件平台至最新的Windows 10 OS。同时，新的测量和数据分析功能发布在新的软件平台中。2023KLA将继续探索的脚步，而探针式轮廓仪全线产品也将持续发展，为满足客户的需求不断努力创新。Keep Looking Ahead！

加利福尼亚州圣何塞，2024年 9 月 10 日 —— 布鲁克公司今日宣布推出 Dektak ProTM 探针式轮廓仪，这是行业领先的 Dektak® 产品线中的下一代轮廓仪。新的台式系统融合了超过 55年的创新成果，为半导体应用提供了高达200 毫米的全尺寸样品测量区域，并通过改善用户体验和测量精度缩短了获得结果的时间。Dektak Pro 的进步巩固了该品牌作为世界上最先进的探针式轮廓仪的地位，使其能够满足众多工业和研究市场当前和未来的研发、工艺开发以及QA/QC 需求。 “我们与 Dektak 工具有着悠久的历史。它们一直为我们的 MEMS 晶圆厂提供自动化和可靠的台阶轮廓测量，我们对此深信不疑，” 泰国微电子中心（TMEC）晶圆厂经理 Nithi Atthi 博士说，“新系统的技术进步有望提供更多的测量能力，以满足我们对 MEMS 计量要求日益严格的高深宽比微结构。” “Dektak 这个名字已经成为探针式轮廓测量的代名词，这是有充分理由的。每年都有数百台 Dektak 系统在全球安装，证明了业界对这项技术的持久需求。” 布鲁克摩擦学、探针和光学计量业务高级总监兼总经理 Samuel Lesko 补充道，“通过 Dektak Pro，我们在测量能力和操作简便性方面迈出了下一步，同时保持了 Dektak 众所周知的价值和可靠性，我非常期待看到我们的客户在未来几年中使用该系统的多种方式。”关于 Dektak Pro Dektak 探针式轮廓仪广泛应用于微电子、半导体、显示、太阳能、医疗和材料科学市场，是全球数百个生产、研究和故障分析中心必不可少的精密计量仪器。Dektak 系统用于二维轮廓测量和三维表面轮廓分析应用，可测量应力、纳米薄膜厚度和台阶高度，重复性优于 4 埃。新型 Dektak Pro 引入了台阶高度和应力测量升级，扩大了其应用范围。简化的自动台阶检测程序只需要更少的用户定义参数，以进行简洁分析，减少用户操作引起的变化。二维应力测量分析现在比以往任何时候都更可定制，允许用户定义区域并通过参数调整提高精度。新的自动定心和晶圆面成像功能还使晶圆翘曲的快速表征和三维应力分析成为可能。本文转载自布鲁克纳米表面仪器部公众号，原文链接https://mp.weixin.qq.com/s/41S0RkbhgeyFubbv1566kQ