Lambda Vision薄膜厚度测量仪助力树脂片实现湿法 CMP SiO₂膜厚原位测量

引言

Takahiro Oniki 团队发表研究“In situ measurement method for film thickness using transparency resin sheet with low refractive index under wet condition on chemical mechanical polishing"，针对化学机械抛光（CMP）过程中湿法条件下二氧化硅（SiO₂）膜厚原位测量受浆料膜厚波动干扰的技术难题，提出采用低折射率透明树脂片的创新方案，为 CMP 工艺终点监测提供了稳定可靠的测量方法。

摘要 

化学机械抛光（CMP）工艺中，浆料膜厚波动、界面光反射干扰等问题导致湿法条件下硅片表面二氧化硅（SiO₂）膜厚的原位精准测量面临挑战。本研究提出利用低折射率透明树脂片构建膜厚测量系统，通过匹配树脂片与水/ 浆料的折射率，消除厚层（树脂片- 水/ 浆料）的光学干涉信息。实验采用 Lambda Vision TFW-100 膜厚测量系统，对比折射率1.53 和1.36 的两种树脂片，发现折射率1.36（接近水的折射率1.33）的氟基树脂片可有效抑制树脂- 水界面的光反射与散射，即使水膜厚度在2.5-20μm 波动，仍能获得清晰的SiO₂膜干涉信号。将该树脂片应用于实际CMP 浆料（Fujimi COMPOL 80）体系，测量误差仅为±8nm，实现了湿法条件下SiO₂膜厚的稳定精准测量，为CMP 工艺终点监测提供了实用解决方案。

在以往的研究中，已开发出可见光波段高透射率、低折射率的透明微图案化抛光垫。该透明微图案化抛光垫已应用于颗粒运动观测系统。本研究提出，将基于树脂片的薄膜厚度原位测量方法与传统测量设备相结合，可应用于化学机械抛光（CMP）的终点监测系统。

图1 为膜厚测量系统的示意图，表1 列出了本研究的实验条件。采用Lambda Vision TFW-100薄膜厚度测量仪测定硅片表面二氧化硅（SiO₂）膜的反射光谱。

（Lambda Vision TFW-100薄膜厚度测量仪）

通过对干涉反射光谱进行曲线拟合，计算得出薄膜厚度。拟合所用公式如下：

式中，n 为折射率，d 为薄膜厚度，λ₂ₘ为相长干涉波长，λ₂ₘ₊₁为相消干涉波长。

结论

本研究中的低折射率透明树脂片被应用于膜厚测量系统。通过调节折射率，可在湿法条件下实现二氧化硅（SiO₂）薄膜厚度的选择性测量 —— 这是因为该薄膜光学测量系统能消除由抛光垫和水膜构成的厚层带来的干涉信息。

通过采用与浆料折射率近乎一致的透明树脂这一简易方法，可为传统测量设备赋予高效的抗浆料膜干扰能力。因此，即便化学机械抛光（CMP）过程中抛光垫与硅片之间的浆料膜厚发生波动，仍能在湿法条件下实现精准的厚度测量。

该结果表明，基于低折射率透明树脂片的光学测量系统是一种实用的化学机械抛光（CMP）原位监测系统。