在半導體芯片制造過程中，臺階結構的精確測量至關重要，通常采用白光干涉儀或步進儀等非接觸式測量設備進行監控。然而，SiO?/Si臺階高度標準在測量中存在的問題顯著影響了測量精度。傳統標準的上表面（SiO?）和下表面（Si）的折射率（n）和消光系數（k）差異導致了反射光的干涉相消現象，進而影響白光干涉儀的測量結果。為解決這一問題，本研究結合半導體濺射工藝，提出在臺階標準表面濺射一層金屬鉻（Cr）。通過光學理論分析，探討材料層對測量的影響，并采用Flexfilm探針式臺階儀與白光干涉儀進行對比測試，以驗證優化工藝的有效性。

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測量偏差的理論分析

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• 白光干涉儀的測量原理

白光干涉儀的測量原理

白光干涉儀基于光的干涉效應測量臺階高度，如圖所示。光源發出的白光經分束器分成兩束，一束從參考鏡反射，另一束從被測表面反射。兩束光重新結合后形成干涉條紋，并通過CCD記錄，最終計算臺階高度。干涉條紋的可見度（M）由兩束光的強度比決定：式中，I?, I? 為兩束光強度，Δ為光程差，λ為波長。

白光干涉儀掃描的臺階結構

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測量誤差來源分析

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傳統SiO?/Si臺階結構由于上下表面材料不同，導致反射率和相位差變化，影響干涉條紋的精確提取。根據菲涅耳反射理論，當光從一種介質進入另一種介質時，反射率（R）可表示為：

其中，n為折射率，k為消光系數。由于SiO?（n≈1.46）與Si（n≈3.88）的光學參數差異顯著，使得反射光強度變化，導致干涉儀測量偏差。

臺階高度標準件測試結果對比

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臺階標準制備工藝優化

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• 標準制備流程

傳統的SiO?/Si臺階制備工藝包括：1.熱氧化（SiO?層生長）2.旋涂光刻膠3.曝光與顯影（1:1掩膜接觸式光刻）4. 干法/濕法蝕刻（優化臺階結構）5.去膠（H?SO?/H?O?混合清洗）

• 磁控濺射金屬層改進

[標準件] 制備工藝的改進

為解決光學參數差異問題，本研究在去膠后增加一步Cr濺射工藝。Cr具有高折射率（n≈3.18）、硬度和耐腐蝕性，可有效覆蓋SiO?/Si表面，使上下表面光學參數均一化。采用磁控濺射技術，確保金屬層厚度均勻。

• 改進后臺階標準的實驗驗證

制備不同標稱高度（20–1000 nm）的臺階標準，采用兩種方法測量：臺階儀（基準測量）：接觸式測量，激光干涉儀校準，ABay誤差補償。白光干涉儀（非接觸式測量）：比較兩種方法的數據，分析誤差大小。

實驗數據表明，濺射Cr層后的臺階標準測量誤差＜1%，驗證了工藝優化的有效性。本研究通過濺射金屬鉻（Cr）層于SiO?/Si臺階高度標準表面，成功解決了白光干涉儀的測量偏差問題，顯著提升精度至1%以內。實驗表明，該方案工藝兼容半導體制造流程（熱氧化/蝕刻后添加濺鍍），有效消除了上下表面光學參數（n和k）差異導致的誤差，適用于20–1000 nm量程的計量需求。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準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，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

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

通過使用高精度的Flexfilm探針式臺階儀作為比對標尺，對開發的標稱范圍20~1000 nm的帶鉻鍍層臺階標準件高度進行了嚴格評價。實驗數據清晰表明，鍍層成功將白光干涉儀的測量相對誤差抑制在±0.83%以內（平均值絕對值<1%），相比未鍍層的“裸”SiO?/Si標準件精度提升顯著。此方案為半導體精密計量提供了可靠工具，具有潛力在更廣泛的光學測量環境中推廣應用。原文出處:《Effect analysis of surface metal layer on step height standard》

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