在集成電路檢測中，高光學(xué)對比度的晶圓級階高標(biāo)準(zhǔn)對提升自動圖像識別的精度至關(guān)重要。傳統(tǒng)基于單層Si-SiO?薄膜的階高標(biāo)準(zhǔn)在低臺階高度下對比度不足，通常需借助金屬鍍層增強信號，但這會引入污染風(fēng)險。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究提出了一種基于絕緣體上硅（SOI）全介質(zhì)多層膜（Si-SiO?-Si）的新型階高標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化膜層設(shè)計，在不同臺階高度下均可實現(xiàn)高反射對比度。本文在8英寸晶圓上成功制備了20 nm、100 nm與500 nm三種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)樣品。測試表明，其光學(xué)對比度最高可達同類單層膜標(biāo)準(zhǔn)的百倍以上，同時臺階高度控制精準(zhǔn)、表面粗糙度優(yōu)異。該方案無需金屬鍍層，從根源上避免了污染，為半導(dǎo)體制造中的高精度光學(xué)檢測提供了可靠解決方案。

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階高標(biāo)準(zhǔn)

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圖像對比度的形成示意圖

（a）可見光波段鹵素光源的歸一化光譜（b）可見光波段Basler彩色CCD的歸一化光譜響應(yīng)

階高標(biāo)準(zhǔn)是校準(zhǔn)納米測量儀器（如臺階儀、原子力顯微鏡）的重要參照物，其性能直接影響半導(dǎo)體生產(chǎn)中的計量精度與良率控制。自動光學(xué)檢測系統(tǒng)依賴圖案的明暗對比進行識別與測量，因此階高標(biāo)準(zhǔn)的對比度成為關(guān)鍵指標(biāo)。

傳統(tǒng)的單層SiO?-on-Si階高標(biāo)準(zhǔn)，其對比度受限于SiO?厚度與臺階高度的耦合關(guān)系，在低臺階（如≤100 nm）時對比度顯著下降。行業(yè)慣用的解決方案是沉積鉻等金屬層以增強光反射，但金屬顆?？赡芪廴井a(chǎn)線及器件。另一種改進思路是局部調(diào)整SiO?厚度，但未能從根本上解決低階高區(qū)域的對比度問題。

為此，本研究提出一種全介質(zhì)多層膜設(shè)計方案，利用Si-SiO?-Si結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控中間SiO?層的厚度來實現(xiàn)寬范圍、高對比度的光學(xué)響應(yīng)，同時完全避免使用金屬材料。

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設(shè)計與仿真

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階高標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)對比度可用韋伯對比度定量描述，其大小主要取決于臺階表面與襯底區(qū)域在檢測光譜范圍內(nèi)的反射率差異。在固定照明與探測條件下，提升對比度的核心在于最大化兩區(qū)域的反射率比值。

單層膜結(jié)構(gòu)中，襯底反射率固定，表面反射率由臺階高度（即SiO?厚度）決定，設(shè)計自由度受限。而在本文提出的三層膜結(jié)構(gòu)中，頂層Si的厚度決定臺階高度，中間SiO?層的厚度則可獨立優(yōu)化，通過干涉效應(yīng)抑制襯底區(qū)域的反射，從而大幅提升對比度。

（a）多層膜階高標(biāo)準(zhǔn)的截面示意圖（b）單層膜階高標(biāo)準(zhǔn)的截面示意圖；不同階高的多層膜與單層膜階高標(biāo)準(zhǔn)模擬光譜：（c）20 nm（d）100 nm（e）500 nm

多層膜與單層膜階高標(biāo)準(zhǔn)對比度模擬結(jié)果對比

本文采用傳輸矩陣法進行光學(xué)仿真，針對20 nm、100 nm和500 nm三種目標(biāo)臺階高度，優(yōu)化了中間SiO?層的厚度。仿真結(jié)果表明，多層膜結(jié)構(gòu)在所有高度下均展現(xiàn)出顯著高于單層膜的對比度，尤其在20 nm時，對比度從單層膜的0.06提升至4.56，增幅超兩個數(shù)量級。

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制備與實驗結(jié)果

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制備工藝

多層膜標(biāo)準(zhǔn)制備工藝流程示意圖

在8英寸硅襯底上，通過離子束濺射依次沉積SiO?與多晶硅薄膜。隨后采用電子束光刻定義臺階圖案，并利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕進行圖形轉(zhuǎn)移。工藝中利用SiO?相對于Si更低的刻蝕速率，將其作為刻蝕停止層，實現(xiàn)了對臺階高度的精確控制。

光學(xué)性能

不同階高多層膜階高標(biāo)準(zhǔn)的光譜測量結(jié)果：（a）20 nm；（b）100 nm；（c）500 nm

（a）8英寸晶圓上100 nm多層膜階高標(biāo)準(zhǔn)示例照片；鹵素光照明下不同階高多層膜階高標(biāo)準(zhǔn)的CCD圖像：（b）20 nm（c）100 nmd）500 nm；鹵素光照明下不同階高單層膜階高標(biāo)準(zhǔn)的CCD圖像：（e）20 nm（f）100 nm（g）500 nm

光譜測量顯示，制備的20 nm、100 nm和500 nm多層膜階高標(biāo)準(zhǔn)對比度分別為4.87、2.37和1.57，與仿真趨勢高度吻合。光學(xué)顯微鏡圖像直觀表明，多層膜樣品在各階高下均呈現(xiàn)清晰圖案，而單層膜在20 nm時幾乎不可辨，驗證了多層膜方案在提升低階高可視性方面的卓越效果。

臺階高度準(zhǔn)確性與表面粗糙度

（a）階高標(biāo)準(zhǔn)的AFM表面形貌圖；階高標(biāo)準(zhǔn)上下表面的AFM形貌圖：（b）上表面；（c）下表面

標(biāo)稱20 nm、100 nm與500 nm階高的實測結(jié)果

測量結(jié)果表明，所有臺階高度的均勻性優(yōu)異（標(biāo)準(zhǔn)偏差<0.3 nm），實際高度與設(shè)計值偏差小。臺階上下表面的算術(shù)平均粗糙度Ra均低于0.15 nm，滿足高精度計量對參考表面質(zhì)量的要求。

本研究成功設(shè)計并制備了一種基于全介質(zhì)多層膜的無金屬、高對比度晶圓級階高標(biāo)準(zhǔn)。該方案通過解耦臺階高度與光學(xué)對比度設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)了從亞50nm到數(shù)百納米范圍內(nèi)的一致高對比度，且避免了金屬污染風(fēng)險。實驗證實其同時具備優(yōu)異的階高控制精度與表面質(zhì)量。這項工作不僅提供了一種更可靠的計量標(biāo)準(zhǔn)，也為將光學(xué)薄膜設(shè)計理念擴展至其他類型計量標(biāo)準(zhǔn)（如畸變靶、分辨率靶）提供了思路。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Metal-free high-contrast wafer-level step height standards with large height-range based on alldielectric multilayers》

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