实测案例——晶圆上氮氧化锂（LiPON）薄膜的表征（一）

引言：ThetaMetrisis 公司的 FR-tools 系列产品（包括 FR-pRo、FR-ES、FR-Scanner、FR-uProbe/FR-Mic、FR-Ultra）专用于测量介电质、光刻胶、金属及半导体薄膜的厚度和光学常数（折射率 n 与消光系数 k），其测量厚度范围为 1 nm 至 5000 μm。FR-tools 的工作原理是基于白光反射光谱技术，这是一种精确、快速且无损的测量方法，几乎无需或完全不需要样品制备。

FR-tools 设备实现了白光反射光谱技术的应用。该技术利用光强来测量薄膜或多层膜堆在不同波长下的反射情况，入射光垂直照射于样品表面。这种光谱反射技术能够评估各类薄膜的厚度、粗糙度、均匀性以及光学常数。WLRS 技术并不直接测量物理属性，而是测量由这些属性在系统内所激发的光学响应。因此，求解这一逆问题需要借助数值方法，通过使测量数据与计算数据达到最佳拟合来实现。由此，便可推断出待测的实际物理属性——例如薄膜的层厚及光学特性。

白光反射光谱技术系统包含一个光源、一台微型光谱仪以及一根反射探头。光源发出的光通过一根反射式光学探头（对应图 1a 中的光纤 a1 至 a6）引导至待表征的样品上。典型的样品结构是在反射型或透射型衬底（如硅晶圆、玻璃载玻片）上覆盖一层或多层透明及半透明薄膜。来自光源的光束与样品相互作用（图 1b），反射光由同一根反射探头收集（通过图 1a 中的光纤 b），并传导至光谱仪。由于各光束之间存在光程差，光谱仪上会观测到干涉条纹。图 2 展示了一个典型的位于硅衬底上的二氧化硅层的反射光谱。在同一幅图中，同时也展示了入射光（参考）光谱。干涉条纹的数量和形状取决于膜层的厚度及其折射率。通过将反射光谱与合适的物理模型及算法进行拟合，即可计算出薄膜的厚度和折射率，如图 3 所示。

图 1： 典型的白光反射光谱技术装置示意图。(a) 反射探头结构的细节，(b) 光穿过双层样品的光路细节。

图 2： 来自二氧化硅/硅样品的反射光谱（白色曲线）、理想反射体的反射光谱（橙色曲线）以及暗光谱（蓝色曲线）。

图 3： 归一化镜面反射（干涉）光谱：实验曲线（红色曲线），拟合曲线（绿色曲线）。

样品：本表征报告聚焦于两片镀膜8英寸硅晶圆的厚度测量。样品清单如下：

? 样品1 - 区域1：铂钛层上的锂磷氧氮薄膜
? 样品1 - 区域2：硅基底上二氧化硅层之上的锂磷氧氮薄膜
? 样品2 - 区域1：硅基底上的二氧化硅层

测量在选定的芯片上进行。芯片上执行测量的具体区域如下图所示。黑色方框对应光斑尺寸，即反射信号的收集区域。

本次样品表征采用配备5倍物镜的 FR-Scanner-AllInOne-Mic-XY200 可见光/近红外型号设备完成。该设备工作光谱范围为 380-1020 nm，可测量的薄膜厚度范围为 15 nm 至 90 μm。光斑尺寸约为 50 μm，此处指采集反射信号的方形区域边长。

FR-Scanner-AllInOne-Mic-XY200 设备将先进的光学、电子及机械模块集成于一体，可对图形化及非图形化薄膜进行高精度、高准确度的表征。典型应用实例包括（但不限于）：微图形化表面、粗糙表面等多种场景。晶圆置于真空吸盘上，该吸盘可支持最大直径 200 mm 的各种尺寸晶圆，并配备有反射率标准件。表征工作由强大的光学模块执行，其光斑尺寸可小至数微米。电动 XY 载物台在每个轴向上均可提供 200 mm 的行程范围，具有高速、超高精度及优异的重复性。本次分析采用的分析方法为快速傅里叶变换。