石墨粉研磨机,原子力

相對地，經由化學機械研磨後，從元件尺寸(10毫米)的參數量測需求也正快速地成長。 製程研發與生產監控的量測包含了栓塞凹陷(plug recess)、引線和栓塞的淺碟化(dishing)、圖案區域的磨蝕(erosion)與晶粒的平坦度。 一項結合探針表面輪廓儀(stylus surface profilers)與原子力顯微鏡(atomic force microscopes；AFM)功能的新設備已經特別發展出來用以量測化學機械研磨製程參數。 由於可以提供次微米製程中，大區域的全域性平坦化，使得化學機械研磨成為目前半導體工業中，發展最快速的領域之一。

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同時，化學機械研磨特性的量測，在次微米元件製造的製程發展與生產監控中，也變得相對的重要。 在這些製程中所需要的小尺寸，將嚴格地要求化學機械研磨製程特性和量測設備的規格。 製程研發人員和工程師，需要可以量測整個晶片長度距離(約10毫米)，可以解析到130奈米或更小結構內部特性的非破壞性輪廓量測工具。

半導體國際技術藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS)1 預期到西元2001年將需要有1奈米解析度的顯微鏡。 根據ITRS在西元1999年藍圖中所定義的解析度，是指可以辨識出結構間差異的精準對公差比為0.1(precision-to-tolerance ratio；P/T=0.1)。 ITRS的說明範例如下：在2001年最小的閘極寬度預計為100奈米，所以指定的製程公差(P/T值中的T值)為?奈米。 這表示需要有能力可以量測?奈米範圍變化；或換句話說，可以準確量測到0.9奈米(P/T值中的P值)的輪廓量測工具。 根據已發表的原子力顯微鏡輪廓量測儀指出，在100奈米高度蝕刻後，0.5奈米的準確度應該是可能實現的。

半導體製造商期望新的量測技術具有延伸性，並且很小心地權量這些新工具，和他們內部採用來縮小元件尺寸所需求設備相關的技術藍圖。

由德州儀器(Texas Instruments)最近的報導指出，德州儀器在可預見的未來，將會持續以每年70%的倍率來縮小元件尺寸2。

這表示量測工具不只必須符合目前技術的需求，而且更要超越藍圖上好幾個世代，以便讓設備系統在實驗室中可以有較長的使用週期。 最近微處理機的發表指出，領先的供應商將會持續需要超過1999年ITRS藍圖中，所預期的製程技術與量測設備。

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這會造成自1996年以來空前的尺寸縮小率，將130奈米世代拉到2002年。 由於這個理由，新採購的量測設備，將會直接面臨到是否可以展示超越技術藍圖，而且必須可以領先檢測今年將生產的尺寸後幾個世代的發展元件。 #P#原子力輪廓儀(AFP)的描述在這篇文章中我們使用由Veeco Instruments製造的 Vx AFP 原子力輪廓儀(atomic force profiler；AFP)來進行本篇文章中的量測。 這個設備是設計給200釐米或300釐米晶圓使用，可以操作到65微米乘以65微米的掃描，並且可以量測晶圓上任何位置100毫米長的輪廓剖面。 原子力輪廓儀是發展來同時具有探針輪廓和原子力顯微鏡的功能。

一般的探針輪廓掃描儀的長距離掃描功能是非常重要的，以便可以在化學機械研磨中觀察到晶片尺寸的特徵。 除了此項功能外，我們還需要原子力顯微鏡，來解析表面輪廓的次奈米變化。 當未來薄膜堆疊縮小尺寸化後，化學機械研磨相關的淺碟化、磨蝕和凹陷的製程寬限(process widow)也將會隨著縮小。

對於半導體元件而言，此儀器用來量測的AFM模式是非破壞性的，因為施予探針之力為垂直於被量測表面，而此力比移除表面原子所需的力量小很多。 #F#圖一：Veeco Instruments 製造的Vx AFP原子力輪廓儀(AFP)之概圖。 原子力顯微鏡至少包含了四個特定的操作模式，這些模式可以指定探針，如何和量測表面接觸的方式。

原子力

原子力顯微鏡和探針掃描的不同，在於探針的半徑，小到可以允許只感測到探針和樣品間的原子交互作用力。 原子力顯微鏡或輪廓儀的回饋控制是藉由感測探針和樣品的電子層作用力。

探針和表面的接觸是控制在化學鍵等級範圍內，一般是幾個埃(angstrom)，這由顯微鏡所使用何種原子力感測型式所決定。 原子力顯微鏡最重要的是擁有可以感測這些原子力和可以快速反應的懸臂樑(cantilever)控制。 依據探針的接觸距離，可以區分為採用吸引力模式或是排斥力模式等四種類別。 而支撐探針在樣品表面移動的懸臂樑，可以是靜態的或是由其共振頻率所驅動。 原子力顯微鏡的四種操作模式，分別是吸引力靜態模式、吸引力動態模式、排斥力靜態模式和排斥力動態模式。

在本篇文章中所使用的，是已專利的排斥力動態模式(TappingMode)。

在此模式下，懸臂樑和探針是被驅動在它們的共振頻率下(約100kHz)。 當探針“輕敲“表面時，儀器藉由維持樣品和探針距離，來保持懸臂樑震幅為一常數。

當懸臂樑和探針掃描表面時，樣品的橫向和縱向尺寸，是藉由精密地監控懸臂樑和探針移動來觀察。 此方法的優點包含了較高的橫向掃描速度、次奈米解析度和只在樣品上施予垂直力。 在樣品上的垂直力可以在半導體表面進行非破壞性的量測，因為樣品原子的位移，不會超過原子鍵的彈性限制。

感測頭本身是一個特別設計，用在高重複使用率的原子力顯微鏡量測設備。

除了它的線性輪廓掃瞄功能外，原子力輪廓儀具有所有原子力顯微鏡的功能，特別是可以掃描65微米乘上65微米方塊的高解析光柵。 所有的傳動裝置和感測設備，都固定在和地板震動隔離的堅固結構上。 在隔離的結構上，環繞著支持聲波衰減壁板的骨架，這可以讓此設備在吵雜的潔淨室環境中使用。 此儀器的採樣密度，大到足夠讓晶片長度的輪廓可以在有效解析度下放大，並且在不需要重新量測下，便可以觀看同一個樣品輪廓剖面的細緻特徵。

每一個輪廓剖面，包含了由DSP以約20 kHz採樣速度，採樣的262,000資料點，一個10毫米的輪廓剖面，每微米內將會有26.2個採樣點(對應於到每個資料點間隔38奈米)。 輪廓掃描速度可以快到每秒200微米；而對於某一特定的樣品，可使用的速度將由指定的尺寸和範圍所決定。