一、測(cè)量需求背景

表面形貌測(cè)量通常關(guān)注三類指標(biāo)：臺(tái)階高度、粗糙度與三維形狀。其中粗糙度描述表面微觀起伏的統(tǒng)計(jì)特征，不直接對(duì)應(yīng)某一具體結(jié)構(gòu)尺寸，卻通過摩擦磨損、密封配合、疲勞壽命、光學(xué)散射、膜層附著等過程影響產(chǎn)品表現(xiàn)。

在半導(dǎo)體與精密光學(xué)制造中，粗糙度更多出現(xiàn)在工序中間而非終檢環(huán)節(jié)。化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）后的表面質(zhì)量決定外延生長(zhǎng)質(zhì)量與柵氧界面狀態(tài)；鍍膜前的基底粗糙度會(huì)影響膜層附著力，同時(shí)干擾后續(xù)的膜厚光學(xué)測(cè)量，表面過粗會(huì)使反射信號(hào)明顯減弱。因此粗糙度測(cè)量的核心問題不是"能不能測(cè)"，而是"用哪類方法測(cè)、在什么條件下測(cè)"。

二、參數(shù)體系與技術(shù)參數(shù)

粗糙度參數(shù)分為兩套體系。沿單條線采樣的二維參數(shù)按 ISO 4287 定義，在一整片面上統(tǒng)計(jì)的三維參數(shù)按 ISO 25178 定義。產(chǎn)線上常用的二維參數(shù)為 Ra、Rz、Rq，其定義與敏感性差異如下表。

四類測(cè)量方法在接觸方式、分辨率、測(cè)量范圍與速度上的差異，構(gòu)成了選型的基本依據(jù)。

三、測(cè)量方案

白光干涉（WLI / PSI）將寬譜光分為參考光與樣品光兩路，兩路反射光疊加產(chǎn)生干涉條紋，由條紋反演各點(diǎn)高度。其垂直分辨率與物鏡倍率無關(guān)，大視場(chǎng)下仍可達(dá)到亞納米級(jí)；相移干涉（PSI）模式針對(duì)更光滑表面，垂直分辨率更高，白光干涉（WLI）模式量程更大。

白光共聚焦通過針孔濾除離焦光線，僅焦點(diǎn)處反射光進(jìn)入探測(cè)器，再經(jīng)縱向?qū)忧信c橫向掃描重建三維形貌。其優(yōu)勢(shì)在于橫向分辨率與陡峭表面適應(yīng)能力，大角度斜坡、深溝槽等干涉法易丟信號(hào)的區(qū)域更適合采用。

觸針式臺(tái)階儀由金剛石探針貼附表面掃描，探針隨表面起伏運(yùn)動(dòng)，傳感器將位移轉(zhuǎn)換為高度信號(hào)。該方法不受樣品反射率與透光性影響，垂直分辨率可達(dá)亞埃級(jí)，量程覆蓋納米級(jí)至毫米級(jí)，并可同時(shí)計(jì)算薄膜應(yīng)力；代價(jià)是接觸式掃描，軟質(zhì)樣品存在劃傷風(fēng)險(xiǎn)，且以線掃描為主。

原子力顯微鏡（AFM）通過針尖與樣品表面間的原子力反饋控制掃描，垂直分辨率達(dá)埃級(jí)，橫向可分辨納米級(jí)特征，適用于超光滑表面與納米結(jié)構(gòu)表征；其限制在于視場(chǎng)小、速度慢，數(shù)十微米見方區(qū)域單次掃描需數(shù)分鐘，不適用于大面積統(tǒng)計(jì)。

按樣品條件可歸納為三條選型主線：樣品怕劃傷或需要三維面粗糙度，優(yōu)先光學(xué)方法；臺(tái)階高度大或樣品反射率過低，考慮觸針臺(tái)階儀；需要納米級(jí)橫向結(jié)構(gòu)分辨或?qū)Τ饣砻孀鲋俨抿?yàn)證，采用 AFM。優(yōu)尼康科技可提供白光干涉輪廓儀、三維光學(xué)輪廓儀與觸針式臺(tái)階儀等表面形貌測(cè)量方案，并依據(jù)樣品類型與測(cè)量條件協(xié)助確定物鏡倍率、濾波參數(shù)及取樣長(zhǎng)度。

四、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與條件影響

光學(xué)方法測(cè)粗糙度的邊界主要來自三方面。其一，橫向分辨率受物鏡數(shù)值孔徑限制，表面紋理接近光斑尺寸時(shí)起伏會(huì)被平滑，測(cè)得數(shù)值偏小，此時(shí)需轉(zhuǎn)入 AFM。其二，Ra 處于亞納米至數(shù)納米區(qū)間的超光滑表面，普通白光干涉的噪聲可能淹沒真實(shí)信號(hào)，采用相移干涉（PSI）模式更合適，該模式針對(duì) 0 至 3 微米的超光滑表面，垂直分辨率優(yōu)于 0.1 nm，RMS 重復(fù)性可達(dá) 0.1 nm。其三，反射率極低的樣品干涉信號(hào)強(qiáng)度不足，反射率適用范圍通常為 0.05% 至 100%，超出該范圍可改用共聚焦或觸針法；表面起伏達(dá)到毫米級(jí)或紋理過于復(fù)雜時(shí)，干涉條紋會(huì)丟失，共聚焦或大行程臺(tái)階儀更為穩(wěn)定。

Ra 并非與測(cè)量條件無關(guān)的常數(shù)。取樣長(zhǎng)度、評(píng)定長(zhǎng)度與濾波截止波長(zhǎng)不同，同一表面的 Ra 可相差數(shù)倍。跨設(shè)備比較數(shù)據(jù)前，需確認(rèn)雙方的濾波設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)版本一致。一般將截止波長(zhǎng)設(shè)定為明顯大于表面紋理特征周期的檔位，避免將波紋度或形狀誤差計(jì)入粗糙度。橫向采樣密度同樣影響結(jié)果，采樣點(diǎn)間距過大會(huì)漏掉細(xì)紋理，使 Ra 偏小；測(cè)量目標(biāo)越精細(xì)，橫向步距需越小，對(duì)應(yīng)到光學(xué)設(shè)備是物鏡倍率或共聚焦步距，對(duì)應(yīng)到觸針設(shè)備是數(shù)據(jù)點(diǎn)間距。

五、結(jié)果討論

以三類典型樣品為例。CMP 后的晶圓不適合再引入接觸式測(cè)量，采用白光干涉做非接觸面掃描，在片上取多個(gè)區(qū)域統(tǒng)計(jì) Sa 與 Ra，可同時(shí)反映單點(diǎn)質(zhì)量與整片拋光均勻性；多層膜或高低差混存的圖案片更適合共聚焦模式。精密光學(xué)鏡片與窗口片的散射損耗與表面粗糙度直接相關(guān)，鍍膜前需確認(rèn)基底粗糙度，亞納米級(jí) Ra 的超光滑鏡片采用 PSI 模式，曲率大或臺(tái)階明顯的元件采用共聚焦或白光干涉。鍍膜與布線前的基底檢查中，先進(jìn)封裝銅走線表面粗糙度常在數(shù)十至兩百納米量級(jí)，反射法膜厚測(cè)量在該類區(qū)域信號(hào)下降明顯，粗糙度與膜厚兩項(xiàng)配合檢查是產(chǎn)線常見組合。

樣品與環(huán)境條件同樣影響數(shù)據(jù)可信度。測(cè)量前需確認(rèn)表面清潔，顆粒與液滴殘留會(huì)被計(jì)入真實(shí)起伏；粗糙度測(cè)量對(duì)振動(dòng)敏感，設(shè)備宜置于隔振環(huán)境，周邊大功率設(shè)備運(yùn)行會(huì)明顯增大數(shù)據(jù)噪聲；軟質(zhì)樣品若必須采用接觸法，探針力應(yīng)由低到高逐級(jí)嘗試，測(cè)量后檢查表面是否留下劃痕。

粗糙度測(cè)量不存在適用于全部表面的單一方法。確定測(cè)量參數(shù)、目標(biāo)分辨率與樣品是否可接觸后，再在白光干涉、白光共聚焦、觸針臺(tái)階儀與 AFM 之間選擇。非接觸與面統(tǒng)計(jì)需求交由光學(xué)方法，大量程、低反射與應(yīng)力計(jì)算場(chǎng)景交由觸針臺(tái)階儀，超光滑表面與納米結(jié)構(gòu)仲裁交由 AFM；跨設(shè)備比較數(shù)據(jù)前，先確認(rèn)濾波設(shè)置一致。針對(duì)具體樣品，攜帶實(shí)際樣片做方法對(duì)比實(shí)測(cè)，是驗(yàn)證選型是否合理的可行途徑。