隨著半導體技術(shù)向高集成度與高性能方向不斷發(fā)展，工藝尺寸持續(xù)縮小，制造工藝對膜厚、線寬、臺階高度及電阻率等關(guān)鍵參數(shù)的測量精度提出了更高要求。然而，半導體測量設備在實際應用中面臨量值溯源體系不完善、測量結(jié)果不一致等突出問題，直接影響工藝控制的準確性與器件性能的可靠性。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文通過系統(tǒng)研究臺階儀、橢偏儀、掃描電子顯微鏡和四探針測試儀等典型測量設備的計量方法，分析其量值溯源中的關(guān)鍵要素，提出構(gòu)建多維度計量數(shù)據(jù)模型庫，并建立基于數(shù)據(jù)的設備管控決策機制，從而為實現(xiàn)測量設備的精準溯源、科學管理與全生命周期控制提供有效解決方案，推動工藝質(zhì)量提升與良率優(yōu)化。

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測量設備與工藝對應關(guān)系

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典型測量設備與對應工藝

半導體工藝流程復雜，涵蓋晶圓制備、溝槽光刻、溝槽刻蝕、薄膜沉積、離子注入、拋光、金屬化及封裝測試等環(huán)節(jié)。每道工序均需配備專用測量設備，以監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)。

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典型設備計量技術(shù)

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臺階儀

（a）臺階儀測量原理（b）臺階高度樣板（c）臺階高度樣板三維圖像（d）臺階儀校準數(shù)據(jù)

臺階儀為接觸式表面形貌測量設備，通過探針在樣品表面移動，感知高度變化，轉(zhuǎn)換為電信號并重建輪廓。其校準依賴于臺階高度標準樣板，該樣板經(jīng)光刻、刻蝕、濺射等工藝制成，具備已知高度與良好表面特性。

校準過程中，采用激光干涉儀或原子力顯微鏡對臺階高度進行定值，依據(jù)JJF129—2017規(guī)范評價儀器的示值誤差與重復性。

橢偏儀

（a）橢偏儀測量原理（b）研制的 2~1 000 nm 膜厚標準樣片（c）橢偏儀校準數(shù)據(jù)

橢偏儀通過分析偏振光在薄膜表面的反射行為，獲取薄膜厚度與折射率。其校準采用氧化法制備的膜厚標準樣板，定值設備包括XPS與光譜型橢圓儀。

校準依據(jù)JJG14—2011，重點評估膜厚與折射率的測量準確度。

掃描電子顯微鏡（SEM）

（a）線距樣板：左-豎柵，右-格柵（b）X 向測量示值誤差

SEM通過電子束掃描樣品表面，收集二次電子等信號成像，用于微納尺度圖形測量。其校準采用線距標準樣板，通過原子力顯微鏡或可溯源SEM進行定值。

校準依據(jù)JJF 1351—2012，評估測長示值誤差、正交畸變等參數(shù)。

四探針測試儀

（a）四探針測試儀測量原理（b）方阻示值誤差

四探針測試儀采用直流四探針法測量電阻率，通過外側(cè)探針注入電流，內(nèi)側(cè)探針檢測電壓，計算得出電阻率值。校準采用摻雜硅片作為電阻率標準樣板，通過標準電流源與納伏表實現(xiàn)溯源。校準依據(jù)JG 508—2004，主要評價方阻示值誤差，典型誤差控制在3%以內(nèi)。

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計量管控決策機制

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基于數(shù)據(jù)的計量技術(shù)管控體系決策機制思路

為實現(xiàn)設備全生命周期管理，提出基于數(shù)據(jù)的計量技術(shù)管控體系。該體系通過采集多維度計量數(shù)據(jù)與設備運行狀態(tài)信息，構(gòu)建計量數(shù)據(jù)模型庫，集成至質(zhì)量管理平臺。系統(tǒng)能夠自動評估設備重復性、穩(wěn)定性，識別關(guān)鍵參數(shù)，制定科學校準周期與應急響應機制，為設備采購、驗收、使用與維護提供決策支持。

半導體測量設備的準確性與可靠性直接關(guān)系到工藝控制水平與產(chǎn)品良率。本文系統(tǒng)闡述了臺階儀、橢偏儀、SEM與四探針測試儀等典型設備的計量方法與溯源體系，并提出構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的計量管控機制，為半導體制造企業(yè)提升工藝控制能力與設備管理水平提供技術(shù)參考。未來，隨著工藝節(jié)點不斷推進，計量技術(shù)將繼續(xù)朝著更高精度、更強溯源性與更智能化的方向發(fā)展。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《典型半導體工藝測量設備計量技術(shù)》

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