摘要

本文對(duì)碳化硅襯底 TTV 厚度測(cè)量的多種方法進(jìn)行系統(tǒng)性研究，深入對(duì)比分析原子力顯微鏡測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法、X 射線衍射測(cè)量法等在測(cè)量精度、效率、成本等方面的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下選擇合適的測(cè)量方法提供參考依據(jù)。

引言

在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，碳化硅（SiC）襯底憑借出色的性能，成為高功率、高頻電子器件制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。晶圓總厚度變化（TTV）作為衡量碳化硅襯底質(zhì)量的核心指標(biāo)之一，其測(cè)量精度直接影響器件性能與生產(chǎn)良率。目前，針對(duì)碳化硅襯底 TTV 厚度測(cè)量存在多種技術(shù)手段，每種方法都有其獨(dú)特的適用場(chǎng)景與局限性。全面評(píng)測(cè)這些測(cè)量方法的優(yōu)劣勢(shì)，有助于科研與生產(chǎn)人員根據(jù)實(shí)際需求選擇最佳方案，提升測(cè)量的準(zhǔn)確性與效率。

光學(xué)測(cè)量法

優(yōu)勢(shì)

光學(xué)測(cè)量法具有測(cè)量速度快、非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)碳化硅襯底表面造成損傷 。例如，白光干涉儀通過(guò)分析干涉條紋獲取表面形貌信息，可快速完成大面積測(cè)量，適用于生產(chǎn)線上的快速抽檢。此外，該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較低，設(shè)備成本也相對(duì)適中，易于在企業(yè)中推廣使用。

劣勢(shì)

光學(xué)測(cè)量法受表面粗糙度和反射率影響較大。當(dāng)碳化硅襯底表面粗糙度較高或存在氧化層等影響反射率的因素時(shí)，測(cè)量信號(hào)易發(fā)生畸變，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大 。而且，該方法在測(cè)量精度上相對(duì)有限，對(duì)于超薄或高精度要求的碳化硅襯底 TTV 測(cè)量，難以滿足需求。

原子力顯微鏡測(cè)量法

優(yōu)勢(shì)

原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量法能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的超高測(cè)量精度，可清晰獲取碳化硅襯底表面的微觀形貌信息，準(zhǔn)確測(cè)量 TTV 厚度 。它適用于對(duì)測(cè)量精度要求極高的科研實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，能夠?yàn)檠芯刻蓟枰r底表面特性提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，AFM 還可對(duì)襯底表面的力學(xué)性能等進(jìn)行同步分析，提供更多維度的研究數(shù)據(jù)。

劣勢(shì)

AFM 測(cè)量速度極慢，一次測(cè)量只能覆蓋極小的區(qū)域，若要完成整片襯底的測(cè)量，耗時(shí)極長(zhǎng)，無(wú)法滿足生產(chǎn)線快速檢測(cè)的需求。此外，設(shè)備價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高，且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻，需要在恒溫、恒濕、低振動(dòng)的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，限制了其廣泛應(yīng)用。

X 射線衍射測(cè)量法

優(yōu)勢(shì)

X 射線衍射（XRD）測(cè)量法對(duì)碳化硅晶體的各向異性不敏感，測(cè)量結(jié)果受表面形貌和晶向的影響較小，能夠準(zhǔn)確測(cè)量襯底內(nèi)部的晶格參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出 TTV 厚度 。對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各向異性明顯的碳化硅襯底，XRD 測(cè)量法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可提供可靠的測(cè)量結(jié)果。

劣勢(shì)

XRD 測(cè)量設(shè)備龐大復(fù)雜，操作難度高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作與維護(hù) 。并且，該方法測(cè)量成本高，檢測(cè)周期長(zhǎng)，不適用于對(duì)測(cè)量效率要求較高的常規(guī)檢測(cè)場(chǎng)景。同時(shí)，其測(cè)量深度有限，只能反映襯底表面一定深度范圍內(nèi)的信息，對(duì)于厚度變化的全面表征存在局限性。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比

選取不同表面狀態(tài)的碳化硅襯底樣品，分別采用光學(xué)測(cè)量法、原子力顯微鏡測(cè)量法和 X 射線衍射測(cè)量法進(jìn)行 TTV 厚度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在測(cè)量光滑表面樣品時(shí)，光學(xué)測(cè)量法耗時(shí)僅為 5 分鐘，測(cè)量誤差約 ±1μm；原子力顯微鏡測(cè)量法耗時(shí)長(zhǎng)達(dá) 2 小時(shí)，測(cè)量誤差在 ±5nm 以內(nèi)；X 射線衍射測(cè)量法耗時(shí) 40 分鐘，測(cè)量誤差約 ±0.5μm。在測(cè)量粗糙表面樣品時(shí)，光學(xué)測(cè)量法誤差增大至 ±3μm，而其他兩種方法誤差波動(dòng)相對(duì)較小，直觀體現(xiàn)出各測(cè)量方法在不同條件下的性能差異。

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(guò)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。