摘要
本文針對(duì)碳化硅襯底 TTV 厚度測(cè)量中各向異性帶來的干擾問題展開研究,深入分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理,提出多種解決策略,旨在提高碳化硅襯底 TTV 厚度測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性,為碳化硅半導(dǎo)體制造工藝提供精確的測(cè)量技術(shù)支持。
引言
碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料,憑借其優(yōu)異的物理化學(xué)性能,在高功率、高頻電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。晶圓總厚度變化(TTV)是衡量碳化硅襯底質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一,精準(zhǔn)測(cè)量 TTV 對(duì)于保障器件性能和良率至關(guān)重要。然而,碳化硅晶體具有顯著的各向異性,其晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)在不同晶向存在差異,這種各向異性會(huì)對(duì) TTV 厚度測(cè)量造成干擾,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差,影響工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估。因此,研究解決碳化硅襯底 TTV 厚度測(cè)量中的各向異性干擾問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
各向異性干擾產(chǎn)生的原因
碳化硅晶體的各向異性主要源于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。不同晶面的原子排列方式和鍵合強(qiáng)度存在差異,使得在進(jìn)行 TTV 測(cè)量時(shí),測(cè)量儀器與襯底表面的相互作用因晶向不同而變化。例如,在原子力顯微鏡(AFM)測(cè)量中,探針與不同晶面的接觸力和摩擦力不同,導(dǎo)致測(cè)量的表面形貌出現(xiàn)偏差。此外,光學(xué)測(cè)量方法中,碳化硅襯底對(duì)光的反射、折射和吸收特性也會(huì)隨晶向改變,從而影響測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性,造成 TTV 測(cè)量誤差 。
解決各向異性干擾的策略
測(cè)量方法優(yōu)化
選擇對(duì)各向異性不敏感的測(cè)量技術(shù),如基于 X 射線衍射(XRD)的 TTV 測(cè)量方法。XRD 通過分析晶體的衍射圖譜獲取晶格參數(shù),進(jìn)而計(jì)算襯底厚度,其測(cè)量結(jié)果受表面形貌和晶向影響較小。此外,改進(jìn)傳統(tǒng)測(cè)量方法,在使用光學(xué)測(cè)量設(shè)備時(shí),可采用多角度測(cè)量方式,從不同方向獲取測(cè)量數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)融合降低各向異性帶來的干擾 。
樣品預(yù)處理
對(duì)碳化硅襯底進(jìn)行預(yù)處理,改善其表面狀態(tài)以減少各向異性影響。通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù),使襯底表面更加平整均勻,降低因表面粗糙度差異導(dǎo)致的測(cè)量誤差。同時(shí),可對(duì)襯底進(jìn)行表面鈍化處理,改變表面物理化學(xué)性質(zhì),減小測(cè)量儀器與襯底表面的相互作用差異 。
數(shù)據(jù)處理與校正
建立基于碳化硅晶體各向異性特性的數(shù)學(xué)模型,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。利用已知的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)參數(shù),結(jié)合測(cè)量得到的數(shù)據(jù),通過算法補(bǔ)償各向異性帶來的偏差。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對(duì)大量不同晶向、不同條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,構(gòu)建高精度的數(shù)據(jù)校正模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的智能修正 。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述解決策略的有效性。選取不同晶向的碳化硅襯底樣品,分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。對(duì)照組采用傳統(tǒng)測(cè)量方法,實(shí)驗(yàn)組采用優(yōu)化后的測(cè)量方法、經(jīng)過預(yù)處理的樣品,并結(jié)合數(shù)據(jù)處理校正策略。使用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)兩組樣品的 TTV 進(jìn)行測(cè)量,對(duì)比測(cè)量結(jié)果。初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,實(shí)驗(yàn)組測(cè)量結(jié)果的誤差范圍較對(duì)照組縮小約 30%,有效降低了各向異性干擾對(duì) TTV 厚度測(cè)量的影響。
高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)運(yùn)用第三代掃頻OCT技術(shù),精準(zhǔn)攻克晶圓/晶片厚度TTV重復(fù)精度不穩(wěn)定難題,重復(fù)精度達(dá)3nm以下。針對(duì)行業(yè)厚度測(cè)量結(jié)果不一致的痛點(diǎn),經(jīng)不同時(shí)段測(cè)量驗(yàn)證,保障再現(xiàn)精度可靠。?

我們的數(shù)據(jù)和WAFERSIGHT2的數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了真值的再現(xiàn)性:

(以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果)
該系統(tǒng)基于第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù),相較傳統(tǒng)雙探頭對(duì)射掃描,可一次完成所有平面度及厚度參數(shù)測(cè)量。其創(chuàng)新掃描原理極大提升材料兼容性,從輕摻到重?fù)絇型硅,到碳化硅、藍(lán)寶石、玻璃等多種晶圓材料均適用:?
對(duì)重?fù)叫凸?,可精?zhǔn)探測(cè)強(qiáng)吸收晶圓前后表面;?
點(diǎn)掃描第三代掃頻激光技術(shù),有效抵御光譜串?dāng)_,勝任粗糙晶圓表面測(cè)量;?
通過偏振效應(yīng)補(bǔ)償,增強(qiáng)低反射碳化硅、鈮酸鋰晶圓測(cè)量信噪比;

(以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果)
支持絕緣體上硅和MEMS多層結(jié)構(gòu)測(cè)量,覆蓋μm級(jí)到數(shù)百μm級(jí)厚度范圍,還可測(cè)量薄至4μm、精度達(dá)1nm的薄膜。

(以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果)
此外,可調(diào)諧掃頻激光具備出色的“溫漂”處理能力,在極端環(huán)境中抗干擾性強(qiáng),顯著提升重復(fù)測(cè)量穩(wěn)定性。

(以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果)
系統(tǒng)采用第三代高速掃頻可調(diào)諧激光器,擺脫傳統(tǒng)SLD光源對(duì)“主動(dòng)式減震平臺(tái)”的依賴,憑借卓越抗干擾性實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì),還能與EFEM系統(tǒng)集成,滿足產(chǎn)線自動(dòng)化測(cè)量需求。運(yùn)動(dòng)控制靈活,適配2-12英寸方片和圓片測(cè)量。

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