用于原子力显微镜的探针损伤检测方法与流程

1.本发明大体上涉及半导体检验技术；尤其是，本发明涉及探针损伤检测方法。


背景技术：

2.原子力显微镜(atomic force microscope, afm)是一种具有原子级高分辨的检测仪器，可以对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质进行表征，例如表征材料表面微观形貌，及其电磁性质。由于afm测量系统具有纳米级的测量分辨率，同时afm的检测过程不受材料限制，使得afm的检测对象的范围十分广泛。另一方面，随着集成电路设计关键尺寸缩减，芯片的特征尺寸的减小对检测仪器提出了更高的要求。
3.afm探针作为afm的重要组件，是实现高分辨率检测的关键部件之一，而且探针的参数和精度对测试结果具有重要的影响。通常，探针主要由基底、微悬臂和针尖组成，在测试过程中，针尖接触到样品表面，产生了相互作用力，造成探针微悬臂的弯曲，通过检测微悬臂的弯曲大小，从而得到各种信息。然而，探针针尖在测试过程中不断磨损，导致测试精度降低、尤其是在检测诸如沟槽或台阶之类的微细结构出现无法接触样品底部的情况，导致分辨率低，探测结果偏离样品实际形貌，量测的准确性和重复性下降。
4.因此，有必要提出一种用于原子力显微镜的探针损伤检测方法。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于原子力显微镜的探针损伤的检测方法，用于解决现有生产测量工序中原子力显微镜探针针尖的磨损程度和使用寿命没有得到有效地监控，导致出现不必要地反复测量，浪费机台的产量。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于原子力显微镜的探针损伤检测方法，所述探针损伤检测方法包括：1）提供一标准样品，所述标准样品的表面形成有特征尺寸的图形；2）选取探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹；3）将探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓进行拟合以获取所述探针的质量水平，步骤3）包括3-1）基于所述探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓的拟合曲线，获取所述探针针尖的特征尺寸的实际值；3-2）基于所述探针针尖的特征尺寸的实际值与基准值获取探针针尖的磨损程度；4）响应于所述探针的质量水平，判定是否更换用于测量待测样品的探针。
7.可选地，通过刻蚀工艺于所述标准样品的表面形成所述图形，所述图形包括具有一高度差的沟槽或台阶结构中的至少一种，并且所述图形具有在500nm至1000nm范围内的线宽。
8.可选地，步骤4）包括：4-1）将第一阈值设定为允许所述探针执行测量的针尖临界高度；
4-2）根据所述探针的磨损程度不高于所述第一阈值，判定使用选取的所述探针对所述待测样品进行量测。
9.可选地，所述探针损伤检测方法还包括：4-1）将第一阈值设定为允许所述探针执行测量的针尖临界高度；4-2）根据所述探针的磨损程度高于所述第一阈值，判定更换选取的所述探针；5）拾取同一型号的另一探针，重复步骤2）至4）。
10.可选地，在步骤2）处，根据所述待测样品表面的特征图形的关键尺寸调用测量程式，基于所述测量程式选取探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹，其中所述待测样品为同一批次加工的微细结构。
11.可选地，所述待测样品表面的特征图形包括台阶结构或沟槽，所述台阶结构的深宽比小于1:1，所述沟槽的深宽比小于10:1。
12.可选地，所述探针损伤检测方法还包括：6）收集磨损程度高于第一阈值的同一型号探针；将第二阈值设定为允许所述探针执行测量的临界尖端直径，将实际尖端直径低于所述第二阈值的探针依所得的探针针尖的磨损程度进行分级并标记，得到若干组磨损等级的探针集合以用于量测不同尺寸范围的特征尺寸。
13.可选地，步骤6）还包括：将实际尖端直径高于所述第二阈值的探针判定为报废。
14.可选地，根据所述待测样品表面形成的沟槽深度调用第一测量程式：将基于所述第一测量程式选用的探针依所得的探针针尖的磨损程度进行分级并标记，得到若干组磨损等级的探针集合以用于量测不同深度水平的沟槽。
15.如上所述，本发明的用于原子力显微镜的探针损伤检测方法，具有以下有益效果：本发明通过在量测同一批次的待测样品之前配置探针针尖的损伤检测方法，可以及时、有效地监测到探针针尖的磨损程度，防止探针损伤带来的量测精度下降，避免测量过程中不必要的反复测量而影响测试的吞吐量，导致机台产能的浪费。
16.本发明的探针损伤检测方法还可以基于针尖的磨损程度对受损的针尖进行标记以及其中一些受损的针尖可以通过降级使用的方式被再利用，节省了测量工序的维护成本，同时提高测试耗材的利用率。此外，结合针尖尖端的磨损程度信息对测试参数进行优化，减少了不必要地重复量测或者重量，有利于降低探针的磨损速率。
附图说明
17.图1显示为本发明实施例的用于原子力显微镜的探针损伤检测方法的流程图。
18.图2显示为原子力显微镜的初始探针针尖图像及其示意图。
19.图3显示为用原子力显微镜探针量测的芯片结构示例。
20.图4显示为本发明实施例中标准样品的结构示意图。
21.图5显示为本发明实施例中用于afm的探针损伤检测方法的步骤2）所得的探针针尖跟随标准样品的表面起伏移动的轨迹示意图。
22.图6a显示根据本发明实施例中用于afm的探针损伤检测方法选用受损探针针尖量测标准样品的表面形貌所得的针尖移动轨迹；图6b为基于图6a的针尖移动轨迹与标准样品的图形轮廓拟合所得的实际针尖形貌。
23.图7a显示根据本发明实施例的afm探针损伤检测方法用受损探针针尖量测标准样
品的表面形貌所得的针尖移动轨迹；图7b为基于图7a的针尖移动轨迹与标准样品的图形轮廓拟合所得的实际针尖形貌。
24.图8显示根据本发明实施例中用于afm的探针损伤检测方法的步骤6）依所得的探针针尖的磨损程度进行分级和标记的示例。
具体实施方式
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
26.如本文中所使用，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可描述各种元件、组件、区、 层和/或区段，但其中的任一者均不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、 区、材料、层或区段与另一元件、组件、区、材料、层或区段区分开。
27.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
28.除了芯片制造的主要工艺制程之外，对芯片的缺陷检测和各项关键尺寸的测试也是工艺流程中必不可少的重要工序。其中原子力显微镜主要通过检测针尖与测试晶圆间的原子间作用力来获得样品表面的微观信息，因此可以用于测量半导体或绝缘体。afm有多种操作模式，常用操作模式有：接触式、非接触式、轻敲式，由于轻敲模式通过提供针尖足够的振幅来克服针尖和样品间的粘附力，避免针尖被卡在样品表面，因此在扫描时对样品几乎没有损伤，并且具有分辨率高及成像清晰等优势，目前被广泛应用于集成电路大规模的生产中，尤其是应用于沟槽深度、深沟槽隔离结构（sti）与有源区（aa）的台阶高度差以及微细加工后的表面粗糙度。
29.尽管在轻敲模式中，通过悬臂梁的带动探针针尖振动而敲击样品表面，样品表面受横向作用力的影响较小，因而对样品的磨损较小，但是探针针尖本身在测试过程中仍会不断磨损。探针针尖部分的主要指标有探针针尖曲率半径和探针针尖高度，小的尖端直径和大的针尖高度会提升afm的成像，参见图2所示的原子力显微镜的初始探针针尖图像和示意图。然而，随着探针针尖在测试过程被磨损，针尖的尖端直径增大和/或针尖高度减小，导致测试精度降低、尤其是在检测诸如沟槽或台阶之类的微细结构出现无法接触样品底部的情况，导致分辨率低，探测结果偏离样品实际形貌，量测值的准确性和重复性变差。
30.为了有效监控用于原子力显微镜的探针针尖的磨损程度和使用寿命，本发明提供了一种用于原子力显微镜的探针损伤检测方法，所述探针损伤检测方法包括：1）提供一标准样品，所述标准样品的表面形成有特征尺寸的图形；2）选取探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹；3）将探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓进行拟合，以获取所述探针的质量水平；
4）响应于所述探针的质量水平，判定是否更换用于测量待测样品的探针。
31.此后，将参照图1-图7具体描述本发明的用于原子力显微镜的探针损伤检测方法。
32.如图1所示，首先进行步骤1），提供一标准样品，所述标准样品的表面形成有特征尺寸的图形。具体地，所述图形可以包括但不限于：具有一高度差的通孔、盲孔、凹陷、沟槽或台阶结构中的至少一种。在一示例中，所述标准样品可以是表面形成有特征图形的芯片，所述特征图形具有标定的特征尺寸，如图2所示的形成有沟槽的半导体芯片结构。在其他实例中，所述图形可以通过在标准样品的表面执行光刻刻蚀工艺获得，如图3所示的图形100。所述图形的特征尺寸，例如是在500nm至1000nm范围内的线宽a。
33.然后进行步骤2），选取探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹。具体地，所述待测样品为同一批次加工的微细结构，步骤2）包括：根据所述待测样品的特征图形、其关键尺寸和/或加工精度范围调用测量程式，基于所述测量程式选取用于量测所述待测样品的探针的类型，以及获取用于量测所述待测样品的扫描参数，例如是，幅值设定点、自由振幅、扫描速度。在一示例中，所述待测样品为具有一深度的沟槽，可以根据所述待测样品表面形成的沟槽深度调用第一测量程式：将基于所述第一测量程式选取类型为fib2-100a的细探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹。在另一示例中，所述待测样品为具有一高度差的台阶结构，可以根据所述待测样品表面形成的沟槽深度调用第二测量程式：将基于所述第二测量程式选取类型为rtespa的粗探针并扫掠所述标准样品以获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹。作为示例，可以基于所述测量程式将选取的探针扫掠线宽a的标准样品（如图4所示），获取所述探针跟随所述标准样品的表面起伏移动的轨迹，参见图5所示的轨迹100’。在本实施例中，所述待测样品表面的特征图形包括台阶结构或沟槽，所述台阶结构的深宽比小于1:1，所述沟槽的深宽比小于10:1。
34.接着进行步骤3），将探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓进行拟合，以获取所述探针的质量水平。具体地，步骤3）包括：3-1）基于所述探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓的拟合曲线，获取所述探针针尖的特征尺寸的实际值；3-2）基于所述探针针尖的特征尺寸的实际值与基准值获取探针针尖的磨损程度，其中所述探针针尖的特征尺寸包括针尖尖端直径和针尖高度。在步骤3-1）处，基于所述探针的移动轨迹与所述标准样品的图形轮廓的拟合曲线，例如图6a和图7a显示出选用损伤探针针尖量测标准样品的表面形貌所得的针尖移动轨迹1100a’和2100a’，其中示出了标准样品的图形轮廓；相应地，图6b显示为基于图6a所得的针尖移动轨迹1100a’与标准样品的图形轮廓拟合所得的实际针尖形貌1100b’，图7b显示为基于图7a的针尖移动轨迹2100a’与标准样品的图形轮廓拟合所得的实际针尖形貌2100b’。由图6b和图7b可见，拟合所得的损伤探针的针尖尖端直径和针尖高度均有不同程度的磨损，图7b所示的受损针尖与图6b所示的受损针尖相比，针尖高度相差不大，针尖高度的实际值相较于基准值分别减少了200nm，而图7b所示的受损针尖具有在150nm~200nm的针尖尖端直径，大于图6b所示的受损针尖的尖端直径。
35.在本实施例中，步骤3-2）处，基于所述探针针尖的特征尺寸的实际值与基准值获取探针针尖的磨损程度用针尖减少的高度与基准高度的比值表征，即探针针尖的基准高度与实际高度之差比上基准高度的值。
36.步骤3）之后，继续进行步骤4），响应于所述探针的质量水平，判定是否更换用于测
量待测样品的探针。具体地，步骤4）包括：4-1）将第一阈值设定为允许所述探针执行测量的针尖临界高度；步骤4-1）之后，步骤4）还包括：4-2）根据所述探针的磨损程度不高于所述第一阈值，判定使用选取的所述探针对所述待测样品进行量测；或者根据所述探针的磨损程度高于所述第一阈值，判定更换选取的所述探针。由于afm检测技术应用于探测芯片上微细加工而成的图形，例如是刻蚀形成的沟槽，采用探针针尖在样品表面扫描得到表面形貌的相位或三维图像，探针尖端的尺寸和形状直接影响检测分辨率，及时有效地监测探针针尖的磨损程度，可以确保测试的精度和重复性。
37.所述探针损伤检测方法还包括：在步骤4-2）根据所述探针的磨损程度高于所述第一阈值判定更换选取的所述探针之后，执行步骤5），拾取同一型号的另一探针，重复步骤2）至4）。
38.可选地，在步骤5)之后，可以执行步骤6），收集磨损程度高于第一阈值的同一型号探针，将第二阈值设定为允许所述探针执行测量的临界尖端直径，将尖端直径的实际值低于所述第二阈值的探针依所得的探针针尖的磨损程度进行分级并标记，得到若干组磨损等级的探针集合以用于量测不同尺寸范围的特征尺寸，其中各磨损等级对应于探针量测的图形的一特征尺寸范围。作为示例，所述待测样品上形成有沟槽，所述特征尺寸为所述沟槽的深度，若干个磨损等级中的一个磨损等级的探针用于量测具有对应深度水平的沟槽。具体地，将基于所述第一测量程式选用的探针依所得的探针针尖的磨损程度进行分级并标记，得到若干组磨损等级的探针集合以用于量测不同深度水平沟槽。图8显示根据步骤6）对类型为fib2-100a的受损探针依所得的探针针尖的磨损程度进行分级和标记的示例，由图表可知，各磨损等级的探针用于量测对应深度水平的沟槽，且随针尖的磨损等级递增，量测沟槽的深度水平降低，确保降级使用的受损探针有效接触并探测到沟槽的底部。步骤6）还包括：将实际尖端直径高于所述第二阈值的探针判定为报废。进一步地，基于收集探针磨损后的针尖高度和尖端直径，可以对测量参数进行优化。由此可见，本实施例通过及时获取在测量过程中探针针尖的磨损程度以及校准针尖线宽，不仅可以确保探针与样品表面的有效afm执行的测试精度，还可以通过对受损的探针进行标记以及分级使用，可以延长探针的利用率，有利于提升针尖的使用寿命。
39.综上所述，本发明提供的用于原子力显微镜的探针损伤检测方法，具有以下有益效果：本发明通过在量测样品前引入探针针尖的损伤检测方法来监控探针针尖的磨损程度，防止探针损坏带来的量测问题，避免测量过程中不必要的反复测量而影响测试的吞吐量，导致机台产能的浪费；此外，采用本发明的探针损伤检测方法及时获取探针的磨损程度，还可以采用将磨损程度较低的探针进行标记并分级使用，可提升afm探针的利用率，结合针尖尖端的磨损程度信息对测试参数进行优化，减少不必要的加量或者重量，可以降低探针的磨损速率。所述探针损伤检测方法具有工艺简单、可操作性强等优势。
40.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
41.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。