借力三大工具，精準量测样品表面粗糙度

“不同产品与製程，对粗糙度要求相异甚大，将影响后续镀膜的附着性。

  量测粗糙度藉以製程改善方向有其必要，该如何选择到位的分析工具呢?

一般普遍都晓得的观念，在爬山、跑步等运动时所穿着鞋子底部、或是越野车轮胎的表面，都会採用粗大的颗粒来增加摩擦阻力，相反地在清洁用品或外套衣服上若是经过一些特殊的表面处理，能够减少表面附着力，在经过液体沖洗泼洒后不致吸附表面。

这些都与表面粗糙与否有关。当然，在电子产品与半导体晶圆製造时的表面也均有粗糙度的要求，将会影响其后续製程如清洗的洁净度、镀膜的附着性、蚀刻的方向性等。

因此针对不同产品、製程或试样，其粗糙度的要求也相异甚大。如晶圆或玻璃的表面，其平均粗糙度约在一奈米（1 nm）以下，而经过微蚀、清洗后，表面粗糙度稍微增加，如此可提高后续镀膜的附着性。

在製程设备中装载晶圆的载具，经过机台不断重複运作，或与蚀刻液、镀膜、机械等应力的交互作用的影响下，可能导致粗糙度是数十甚至数百奈米的变异。这样的量测範围与精度就并非在同一种仪器上可执行量测的，有时会受限于样品的尺寸大小，不得不更换仪器来量测。

那么，在各式各样的产品里，该如何挑选适当的量测工具呢?本期宜特小学堂，将与各位分享"如何借力三大工具，精準量测样品表面粗糙度。"

表面纹路（Surface texture）的粗糙度（Roughness）定义

"真实的表面与完美水平面之间的垂直高度差"（参见图一）。目前国际规範 ISO 与 ANSI 中明确定义的有所谓"算术平均粗糙度- Ra（Arithmetic average roughness，AA）"、"方均根粗糙度 – Rq （Root Mean Square roughness，RMS）"等等，均可以用于定义样品粗糙度的大小与变化，提供製程改善的方向。

                                        ▲图一：（图片来源 ANSI / ASME B46.1, ASME, New York）

一、三大利器速得正确粗糙度数值

粗糙度传统的量测方式，是採用一支钨钢针进行表面接触方式的扫描（图二），但受限针的曲率半径较大，以及接触的施力易刮伤样品或造成形变等问题，仅适用于固体较硬的材质量测，或简单的高度差量测（如表面形貌仪，Surface profiler / Alpha-Stepper），其他如半导体使用光阻、高分子类软性的材料就无法使用了。

 

▲图二: 探针曲率影响扫描形貌的真实性（图片来源：Modern tribology handbook 2001 by CRC Press LLC）

宜特实验室，提供了三种表面粗糙度量测的分析工具，包括白光干涉仪（White Light Interference，WLI）、原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）与 X 光反射分析（X-Ray Reflectometry，XRR）

白光干涉仪（WLI）：适用于大尺寸、非透光材料样品

白光干涉仪 （WLI）是利用光学干涉的原理（图三），在建设性干涉条纹的间距等于固定波程差，即可应用于计算高度，以形成表面高低起伏的立体 3D 形貌（图四），并进而计算出粗糙度，因为是採用光学显微镜，适合应用在较巨观的样品上，如待测物尺寸大于一百微米（100 um）以上、甚至于数个毫米（mm）均可採用此方式量测。

WLI 大多应用在金属或线路，以及塑胶等不透光材料的表面形貌量测，透光材料如玻璃等就不适用。或是若待测物在表面无法进一步镀金属来进行 WLI 量测时，就必须考虑使用其他分析技术。

图五为金属表面经过酸洗后的表面粗糙度量测约三百微米（300 um）见方的结果，平均粗糙度（Ra）在一微米（1 um）以上。

▲图三: 白光干涉条纹

▲图四: 3D表面形貌

 

▲图五: 2D / 1D表面形貌与分析粗糙度Ra数值

2.原子力显微镜（AFM）：适用于晶圆及玻璃材料样品

原子力显微镜（AFM），是使用奈米等级的硅探针进行扫描以取得表面高低起伏的形貌，可针对极平坦的样品、或高分子软性材料（如: 光阻）进行表面粗糙度量测，常应用于晶圆与玻璃清洗、镀膜或蚀刻前后等这类表面数十微米範围的微观分析。

近年来更大量运用在积体电路上化学机械研磨（CMP）、线路重布（RDL）与凸块下金属化（UBM）製程，相关的研究均使用 AFM 在蚀刻製程的前、后表面做量测监控，如果粗糙度异常将会导致后续覆盖薄膜的剥落甚至是可靠度的问题发生。

如图六为高分子材料聚醯亚胺（PI）二微米（2 um）见方的表面形貌，平均粗糙度（Ra）仅约八奈米（8nm）。为了进行实验前、后的比较，必须在不破坏晶圆片的状态下做量测，因此 AFM 设备的规格除了提供基本的量测外，待测样品的载具台，必须达十二吋，方能满足十二吋晶圆的量测需求。

 

▲图六: AFM 量测表面形貌与分析粗糙度 SAD 百分比、Rq 和 Ra 数值。

3. X 光反射分析（XRR） :适用于多层膜、极薄膜样品

X　光绕射分析（XRD）设备有搭载薄膜 X 光反射率（X-ray Reflectivity，简称 XRR）分析的功能。XRD 是运用绕射原理，而 XRR 则是 X 光的反射法，透过全反射光谱与分析软体拟合的方式得到粗糙度，适用在极薄膜（Ultra-Thin film）。当总膜厚在五百奈米（500 nm）以下，可用此分析得到粗糙度、以及厚度（Thickness）与电子密度（Density）等相关资讯。

XRR 最特殊的是当样品为多层膜（Multi Layers）时，除了得到表面最上层的粗糙度外，亦可得到膜与膜层或是膜于基材之间的介面粗糙度（Interface roughness），这部分是前两种工具 – WLI 与 AFM 所无法直接量测的。此外在材料的方面并无结晶与否的限制，即使是非晶质的有机材料，都可以应用 XRR 来量测。

不过因为是採用光反射原理，薄膜表面平均粗糙度还是有其要求，如果大于 5 nm 即不适用了。

现今，半导体製程上使用越来越多属于奈米等级的薄膜，如图七，为厚度仅约 7 nm 的氧化铝薄膜镀在硅晶圆上，表面粗糙度约五埃（0.5 nm），硅晶圆与氧化铝的介面粗糙度约二埃（0.2 nm），这都可以很快地不破坏样品而经由 XRR 分析得知，若用一般的 AFM 显微镜是完全无法得到厚度。

▲图七: XRR 拟合分析氧化铝薄膜的厚度、粗糙度与密度。

二、一表参透三大粗糙度分析利器特性

以上三种粗糙度分析，样品均不需要进入真空系统，因此大部分样品均可直接分析，分析完仍可进行后续的实验，不会破坏样品。最后下表为上述三种量测设备的特性比较，可以针对欲进行样品尺寸的要求与粗糙度量测的範围，选择最合适的设备来获得最有效的数据分析。

▲表一: 表面粗糙度分析工具比较表

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（图片来源：宜特科技）