如何在晶圆制造中，利用非接触式传感器实现纳米级平面度、厚度与对准的高速精密测量？【半导体在线检测】

1. 晶圆的基本结构与技术要求

晶圆，通常由高纯度的硅材料制成，是集成电路的“基石”。想象一下，它就像一块极其平整的“画板”，上面要用纳米级的“画笔”绘制出无数精密的电路图案。一块典型的晶圆厚度只有几百微米，但其表面需要处理成镜面般光滑，并在其上层层叠加各种薄膜、光刻胶、金属线路等。

在晶圆制造过程中，对位移测量的技术要求极高：

• 极致的平面度与表面形貌： 晶圆在每个工艺步骤中，都必须保持极高的平面度。哪怕是几十纳米的高度波动，都可能导致光刻聚焦不准，造成芯片报废。这就要求测量设备能够检测到晶圆表面微米甚至纳米级的起伏。

• 精确的层厚控制： 在沉积（deposition）或刻蚀（etching）薄膜时，每一层的厚度都需精确控制在纳米甚至亚纳米级别。这直接关系到芯片的电学性能。

• 亚纳米级的位置对准： 晶圆在不同设备之间传输，以及在同一设备内部进行多层图案叠加时，都需要进行极其精确的对准。任何微小的错位都会导致电路无法正常连接。这就像要把两张写满了字的透明纸完全重叠起来，任何一点偏差都无法接受。

• 无接触测量： 晶圆表面极其脆弱，并且对洁净度要求极高。任何物理接触，无论是机械探头、灰尘还是静电放电，都可能造成划痕、污染或损伤，导致芯片失效。因此，测量必须是非接触式的。

• 高速与实时性： 半导体生产线是高吞吐量的，需要在极短的时间内完成大量晶圆的加工和检测。测量设备必须具备高采样率，才能跟上生产节拍，实现实时监控。

传统的接触式传感器，如机械探针，虽然在宏观测量中表现出色，但在半导体晶圆制造中却无能为力。首先，它们在接触晶圆时，会不可避免地带来机械应力、磨损甚至污染，这对于脆弱且要求极高洁净度的晶圆是致命的。其次，机械接触的精度和响应速度通常难以达到纳米级别，更无法满足高速在线检测的需求。这就是为什么我们需要更先进的非接触式解决方案。

2. 晶圆相关技术标准简介

在晶圆制造中，为了确保质量和工艺稳定，行业内定义了多种关键的监测参数，并发展出相应的评价方法。这些参数帮助我们量化晶圆的物理特性，确保它们符合设计要求。

• 晶圆弓形度（Bow）和翘曲度（Warp）： 这描述了晶圆整体的平面度。弓形度是指晶圆中心相对于边缘的弯曲程度，就像一个碗的形状；翘曲度则更复杂，描述了晶圆表面整体的不规则变形，有点像一张扭曲的纸。它们通过测量晶圆在未受支撑状态下的最大高度偏差来评估。

• 局部平面度（Site Flatness）： 相比于整体弓形翘曲，局部平面度更关注晶圆表面在特定小区域（例如光刻曝光区域）内的平整度。这对于保证光刻成像的清晰度和均匀性至关重要。通常通过计算特定区域内最高点和最低点之间的差异来衡量。

• 总厚度变化（Total Thickness Variation, TTV）： 这是指一块晶圆上最厚点与最薄点之间的厚度差。TTV是评估晶圆厚度均匀性的关键指标，对于后续的薄膜沉积和刻蚀工艺有直接影响。

• 表面粗糙度（Surface Roughness）： 描述了晶圆表面微观尺度的不平整程度，例如RMS粗糙度（均方根粗糙度）。过高的表面粗糙度会影响薄膜的附着性、散射光线，甚至导致缺陷。

• 颗粒污染（Particle Contamination）： 指晶圆表面存在的微小颗粒数量和大小。即使是纳米级的颗粒，也可能在芯片上造成短路或开路。通常通过光学散射法进行检测。

• 图案位置精度（Pattern Placement Accuracy）： 衡量晶圆上已形成图案相对于设计基准或前一层图案的对准偏差。这对于多层芯片结构的精确叠加是核心。

3. 实时监测/检测技术方法

为了克服传统接触式传感器的局限性，并满足半导体制造对纳米级位移测量的苛刻需求，业界发展出了一系列先进的非接触式测量技术。

市面上各种相关技术方案

1. 激光三角测量原理

想象一下，你用一支激光笔斜着照向一个物体，光斑会落在物体表面。如果你从另一个角度观察这个光斑，你会发现当物体前后移动时，光斑在你的视野中也会跟着移动。激光三角测量传感器就是利用了这个几何原理。

工作原理和物理基础： 传感器内部包含一个激光发射器和一个位置敏感探测器（如CMOS或PSD）。激光器发射一束经过聚焦的激光束，斜射到被测晶圆表面，形成一个光斑。当晶圆表面发生位移时，光斑反射回来的角度会发生变化。这个角度变化导致反射光在位置敏感探测器上的成像位置发生偏移。传感器通过精确检测这个光斑在探测器上的位置偏移量，并结合预先设定的光学几何关系，就能计算出晶圆表面的实际位移。

其核心在于一个三角关系。设激光器与探测器之间的基线长度为L，激光器的发射角度为θ1，反射光被探测器接收的角度为θ2。当被测物表面从距离h1移动到h2时，反射光在探测器上的位置会从x1移动到x2。通过几何推导，位移量Δh = h2 - h1与探测器上的光斑位移Δx = x2 - x1之间存在一个三角函数关系。在简化模型中，可以近似为Δh ≈ Δx / tan(θ)。更精确的计算会考虑整个光学路径和探测器的非线性。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 典型可达微米到亚微米级别，在短量程内一些高性能产品可达数十甚至数纳米。* 分辨率： 最高可达0.01% F.S.（满量程）甚至更低，在小量程下可实现纳米级分辨率。* 测量范围： 从几毫米到数百毫米不等，非常灵活。* 采样/测量频率： 高达数千赫兹甚至上万赫兹，能够满足高速在线测量的需求。

技术方案的优缺点：* 优点： 结构紧凑，成本相对较低，测量速度快，可用于测量多种材料表面，应用广泛，适合集成到自动化设备中。对于轮廓测量和厚度测量有很好的表现。* 局限性： 测量精度可能受被测物表面特性（颜色、光泽度、粗糙度）和倾斜角度影响。对于镜面反射或透明材料，测量可能不稳定或不准确。对于极高精度的纳米级绝对距离测量，可能不如干涉仪或共焦色谱。* 成本考量： 中等偏低，是工业应用中性价比非常高的非接触式测量方案。

2. 共焦色谱原理

想象一下，你有一束包含了所有颜色的光（比如白光），通过一个特殊的透镜，你可以让不同的颜色（波长）在不同的距离上聚焦成一个最亮最清晰的点。红色光可能在离你最近的地方最清楚，蓝色光在最远的地方最清楚，而中间的颜色则在它们之间依次聚焦。

工作原理和物理基础： 共焦色谱传感器发射一束宽光谱（例如白光）光束。通过一个特殊的色散光学系统，这束光被处理成不同波长的光在空间中具有不同的聚焦位置。也就是说，每个波长的光都有一个独特的、与距离对应的最佳聚焦平面。当这束光照射到晶圆表面并反射回来时，只有在晶圆表面上精确聚焦的那个波长的光能够穿过传感器内部的一个微小共焦孔径（pinhole），到达光谱接收器。传感器通过分析接收到的光线的波长成分（即哪个波长的光最强），就能精确计算出晶圆表面的距离。

其物理基础是光的色散特性和共焦光学原理。色散效应使得不同波长的光具有不同的折射率，从而在光学系统中产生不同的聚焦距离。共焦孔径则起到空间滤波的作用，只允许从焦点区域反射回来的光通过，极大提高了轴向分辨率。通过探测器分析接收到的光谱，找到峰值波长λ_peak，这个λ_peak与物体的距离d之间存在一个函数关系，即d = f(λ_peak)。

核心性能参数的典型范围：* 精度和分辨率： 极高，典型可达数十纳米甚至亚纳米级别（0.00x μm），适用于微米到纳米级的位移测量。* 测量范围： 通常较短，从几百微米到几十毫米，但能提供极高的精度。* 采样/测量频率： 高达数万赫兹（kHz），例如70 kHz，满足高速测量需求。

技术方案的优缺点：* 优点： 对被测物表面特性不敏感（无论是透明玻璃、高反射镜面还是粗糙表面，甚至多层材料），几乎不受倾斜角度影响，非接触，不会损伤样品，精度极高。* 局限性： 测量范围相对较短，设备通常较为复杂和昂贵，可能需要较大的安装空间。* 成本考量： 较高，主要应用于对精度要求极致的科研和高端工业领域。

3. 激光干涉测量原理

想象两支完全一样的水波，它们在平静的水面上相遇时，如果波峰对波峰、波谷对波谷，就会叠加变大；如果波峰对波谷，就会相互抵消。激光干涉测量就是利用激光这种“光波”的这种特性来测量距离。

工作原理和物理基础： 激光干涉仪使用一束高度稳定、波长已知的单色激光（如氦氖激光）。这束激光被分束器分成两束：一束作为参考光，沿固定路径传播；另一束作为测量光，射向被测晶圆上安装的反射镜，并随晶圆的移动而改变其光程。当这两束光重新汇合时，由于测量光路径因晶圆位移而发生变化，两束光之间会产生相位差，从而形成明暗相间的干涉条纹。系统通过精确计数这些干涉条纹的周期性变化（或测量相位变化），就能以极高的精度计算出晶圆沿激光传播方向上的微小位移。

其物理基础是光的波动性和干涉原理。当两束相干光（频率相同，相位差恒定）叠加时，其强度会发生周期性变化。位移量ΔL与干涉条纹计数N和激光波长λ的关系为：ΔL = N * λ / 2。这里的λ/2是因为当测量光路增加或减少一个波长时，往返光路会变化两个波长，导致一个完整的干涉周期。

核心性能参数的典型范围：* 精度： 业界最高，通常以ppm（百万分之一）表示，例如±0.5 ppm，意味着在很长的测量范围内也能保持极高精度。* 分辨率： 极致，可达纳米甚至皮米级别（例如1 nm）。* 测量范围： 极大，可达数十米甚至更远，适用于大型设备的校准。* 最大测量速度： 可达数米/秒。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率无与伦比，被认为是长度测量的黄金标准；测量范围广，稳定性高，非接触。* 局限性： 对环境因素（温度、气压、湿度、空气湍流）非常敏感，需要进行环境补偿；要求在被测物上安装反射器，这在某些晶圆制造环节可能不便；设备复杂且成本高，通常用于设备校准而非实时在线产品检测。* 成本考量： 极高，主要用于计量、精密机床校准等高端应用。

4. 机器视觉与图像处理原理

想象你用一台高清摄像机拍摄晶圆，然后用电脑软件去分析这些照片。晶圆上的每一个微小图案、每一条边缘，软件都能“看到”并记住它们的位置。当晶圆移动时，软件通过对比前后照片上这些图案和边缘的位置变化，就能计算出晶圆在平面上移动了多少。

工作原理和物理基础： 智能视觉系统通过高分辨率工业相机捕获晶圆表面的图像。这些图像随后被传输到高性能处理器中，利用先进的图像处理算法（如边缘检测、模式识别、特征提取、深度学习）进行实时分析。系统能够识别并跟踪图像中的特定目标、特征点、边缘或区域。通过对连续图像帧中的这些特征进行亚像素级的精确跟踪，系统可以计算出物体在二维或三维空间中的位移变化、运动轨迹、形变或对准误差。

其物理基础是光学成像和数字图像处理理论。通过镜头将物体光信号转换为数字图像，再利用各种数学和统计算法从图像数据中提取几何信息。例如，通过计算图像中图案的几何中心或特定边缘的坐标，然后将像素坐标通过校准转换成实际物理尺寸，进而计算位移。

核心性能参数的典型范围：* 测量精度： 亚像素级定位精度，具体精度取决于相机分辨率、镜头质量、视野范围和校准精度，通常在微米到亚微米级别。* 图像采集速度： 从每秒数十帧到数百帧不等，取决于相机型号和图像分辨率。* 处理速度： 依赖于内置处理器的性能，可实现实时分析和决策。

技术方案的优缺点：* 优点： 提供丰富的图像信息，可进行复杂图案的识别、对准、缺陷检测和尺寸测量；灵活性高，可适应多种检测任务；非接触。* 局限性： 精度受限于光学系统（镜头、相机像素）和照明条件；对于直接的“Z轴”高度或位移测量，通常需要结合结构光、立体视觉或其他3D成像技术；高速运动下可能需要更高性能的相机和处理器。* 成本考量： 中等偏高，根据系统复杂度和所需精度差异较大。

市场主流品牌/产品对比

在高速位移测量领域，有许多国际知名品牌提供优秀的解决方案。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士在自动化传感器领域具有领先地位，其产品以高性能和易用性著称。例如LJ-X8000系列超高速高精度位移传感器，提供了行业领先的测量能力。该系列典型型号如LJ-X8080，Z轴标准测量范围可达±40 mm，采样速度最高16 kHz，重复精度最高0.05 μm。其产品对多种表面（包括黑色、高光泽或粗糙表面）具有强大的适应性，易于集成和操作，广泛应用于在线检测、质量控制和自动化生产线。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有ZLDS103激光位移传感器是一款性能卓越的超小型设备，尺寸仅45*30.5*17mm。它提供高精度测量，线性度达到±0.05%，数字输出分辨率高达0.01%，测量频率最高可达9400Hz。该传感器拥有10/25/50/100/250/500mm等多种量程选择，并提供标准红色半导体激光（660nm波长）以及可选的蓝光或UV半导体激光器（405nm或450nm波长），后者特别适用于高温物体和有机材料的测量。ZLDS103集成了速度、灵活性和高性能于一体，是精密测量领域的理想选择，尤其适合需要高速、高精度测量的工业应用，特别是空间受限的场所。

• 德国米铱 (采用共焦色谱技术) 德国米铱是全球领先的精密传感器制造商，其共焦色谱位移传感器提供极高的测量精度和分辨率。例如optoNCDT 2400系列，optoNCDT 2402-2型号的测量范围为2 mm，采样速率最高70 kHz，分辨率高达 0.003 μm，线性度为±0.03% F.S.。这种技术对各种表面类型（包括透明玻璃、镜面、粗糙表面）具有出色的兼容性，非接触测量，不会损伤样品，广泛应用于半导体、医疗、精密机械和航空航天等高科技领域。

• 英国雷尼绍 (采用激光干涉测量技术) 英国雷尼绍是全球领先的精密测量和运动控制技术公司，其XL-80激光干涉仪提供业界顶级的超高精度和分辨率。XL-80的位移测量精度高达±0.5 ppm，分辨率可达1 nm，最大测量速度4 m/s，最大测量范围80 m。它适用于最严苛的精密测量和校准任务，如大型机床和精密运动平台的动态校准，在计量和精密制造领域享有极高声誉。

• 美国康耐视 (采用机器视觉与图像处理技术) 美国康耐视在工业机器视觉领域处于领先地位，其智能视觉系统如In-Sight D900，通过内置的高分辨率CMOS相机和深度学习工具进行实时图像分析。该系统拥有强大的图像处理能力，尤其擅长处理复杂和变化的检测任务，可实现对运动物体轨迹、位置和形变的实时高精度跟踪。其测量精度达到亚像素级，广泛应用于自动化装配、质量控制、机器人引导等领域。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的位移测量设备，就像选择一把趁手的工具，需要根据具体任务（即应用场景）来挑选。以下是一些关键的技术指标及其对测量效果的影响，以及相应的选型建议：

• 精度（Accuracy）： 精度是测量值与被测量的真实值之间的接近程度。实际意义： 它直接决定了你测量结果的可靠性。对最终测量效果的影响： 在晶圆制造中，如果精度不足，可能会导致产品尺寸超差、图案错位，最终良率下降。

• 分辨率（Resolution）： 分辨率是传感器能够检测到的最小位移量。实际意义： 意味着即使晶圆只移动了非常小的距离，传感器也能识别出来。对最终测量效果的影响： 对于纳米级测量，高分辨率至关重要，它决定了你能够捕捉到最细微的变化。

• 线性度（Linearity）： 线性度描述了传感器输出信号与被测量（位移）之间关系的直线程度。实际意义： 一个好的线性度意味着在整个测量范围内，传感器输出的比例是恒定的。对最终测量效果的影响： 优秀的线性度保证了在传感器整个量程内的测量结果都是一致和准确的，减少了误差。

• 测量范围（Measurement Range）： 测量范围是传感器能够有效测量的最大位移距离。实际意义： 你需要测量的晶圆位移量在传感器的这个范围内。对最终测量效果的影响： 选择过小的量程可能无法覆盖整个测量需求，选择过大的量程则可能牺牲精度。

• 采样/测量频率（Sampling/Measurement Frequency）： 指传感器每秒能够进行多少次测量。实际意义： 就像摄像机的帧率，频率越高，对高速运动的捕捉能力越强。对最终测量效果的影响： 对于高速运动的晶圆或快速变化的工艺，高采样频率能够提供更实时的反馈，防止数据滞后导致控制不及时。

• 光源波长（Light Source Wavelength）： 激光位移传感器使用的激光波长，例如红色、蓝色或紫外（UV）激光。实际意义： 不同波长的光与不同材料的相互作用方式不同。对最终测量效果的影响：

  • 红光： 最通用，成本相对低。

  • 蓝光： 对高温物体、有机材料（如光刻胶）和一些透明材料有更好的穿透性和测量稳定性。

  • UV光： 穿透性更强，可用于更特殊的材料。

• 环境适应性（Environmental Robustness）： 包括防护等级（如IP67）、工作温度范围、抗振动和抗冲击能力。实际意义： 传感器在工业环境下能否稳定可靠地工作。对最终测量效果的影响： 低劣的环境适应性会导致传感器故障、数据漂移或测量不稳定，影响生产效率和产品质量。

选型建议：

• 对纳米级绝对距离测量要求高，且被测物表面复杂（透明、高反光），但测量范围不大： 优先考虑共焦色谱传感器。它们对表面特性不敏感，能提供较高的精度。

• 高速运动，需要亚微米级或更高精度，主要进行轮廓、厚度、位置监测，且预算适中： 激光三角测量传感器是性价比高且应用广泛的选择。若空间受限，可选择紧凑型设备，例如英国真尚有提供的设备。

• 需要对晶圆上的复杂图案进行高精度对准、缺陷检测或三维形貌分析： 机器视觉系统是强大的工具，能提供丰富的图像信息和智能分析能力。

• 作为精密机床、运动平台的校准基准，或进行超长行程、高精度的位移测量： 激光干涉仪是合适的选择，但需考虑环境控制和反射器安装。

• 对于洁净室环境： 确保所选设备具备ISO Class兼容性，且材料不易产尘。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在半导体晶圆制造中应用非接触式位移传感器时，可能会遇到一些挑战，但通过适当的措施可以有效解决。

1. 问题：晶圆表面特性复杂，测量信号不稳定。

   • 原因及影响： 晶圆表面可能存在高反射区域（如金属层）、透明区域（如玻璃基板或介质层）、粗糙区域，或者颜色深浅不一的图案。这会导致激光/光束在不同区域的反射或散射特性差异巨大，使得传感器接收到的信号强度和稳定性波动，进而影响测量结果的准确性和重复性。

   • 解决建议：

     • 选择合适的测量原理： 对于高度复杂或透明/高反光表面，共焦色谱传感器具有先天优势，因为它对表面特性不敏感。

     • 选用短波长激光： 对于激光三角测量传感器，选用蓝光或UV波长激光器，它们对某些特定材料（如硅、光刻胶）的穿透性和反射特性可能更优，能提供更稳定的测量。

     • 优化安装角度： 调整传感器的安装角度，避免激光直接形成镜面反射，导致信号饱和或丢失。有时轻微倾斜传感器反而能获得更好的散射信号。

     • 使用多传感器或多点测量： 在关键区域部署多个传感器，或利用扫描方式获取更多数据，通过数据融合提高测量鲁棒性。

2. 问题：环境因素（温度、振动、洁净度）对测量精度造成影响。

   • 原因及影响：

     • 温度变化： 会导致传感器本身的光学元件、电路以及被测晶圆的热膨胀/收缩，引入测量误差。

     • 振动： 生产线上的设备振动会引起晶圆与传感器之间的相对位移，直接影响测量的稳定性。

     • 空气湍流或颗粒： 洁净室内的空气流动或微小颗粒可能影响光束路径，导致光线折射或散射，尤其是对于高精度光学测量（如激光干涉仪）。

   • 解决建议：

     • 严格控制环境： 在洁净室内维持恒定的温度、湿度和气压。对于激光干涉仪，必须配备环境补偿系统来校正光路中的空气折射率变化。

     • 减振措施： 将传感器和晶圆固定在独立的、高刚性的减振平台上，以隔离外部振动。

     • 选择高防护等级传感器： 选用防护等级达IP67或更高的传感器，使其能抵御环境中的灰尘和水分。同时，确保传感器本身符合洁净室标准，避免成为污染源。

     • 传感器内部温度补偿： 部分高端传感器会内置温度传感器和补偿算法，以校正自身因温度变化引起的测量漂移。

3. 问题：测量速度与纳米级精度之间的平衡难以实现。

   • 原因及影响： 通常，为了达到更高的测量精度，传感器可能需要更长的信号积分时间或更复杂的信号处理算法，这会牺牲测量速度。在高速生产线上，如果测量速度跟不上，就会成为生产瓶颈。

   • 解决建议：

     • 选择高采样频率的传感器： 优先选用在保持高精度的同时，具备高采样/测量频率的传感器（如每秒数千乃至上万次）。

     • 优化测量策略： 并非所有区域都需要纳米级测量。可以在关键区域进行高精度、相对慢速的测量，而在非关键区域进行快速扫描，通过局部和整体的结合来优化效率。

     • 并行测量： 部署多个传感器进行并行测量，或利用多点扫描技术，在相同时间内获取更多数据，提高整体效率。

     • 硬件加速与优化算法： 利用传感器内置的高性能处理器或外部FPGA/GPU进行高速数据处理，优化测量算法以缩短响应时间。

4. 问题：传感器安装空间受限。

   • 原因及影响： 半导体制造设备往往非常紧凑，内部空间宝贵，难以安装体积较大的传感器。

   • 解决建议：

     • 选用超小型传感器： 优先选择如英国真尚有ZLDS103这类体积紧凑的传感器，它们专为空间受限的应用设计。

     • 光纤分离式传感器： 考虑使用光纤探头与控制器分离的传感器系统。探头可以做得非常小巧，直接安装在测量点附近，而控制器可以放置在设备外部或更宽敞的位置。

4. 应用案例分享

非接触式纳米级位移测量技术在半导体晶圆制造的各个环节都发挥着不可或缺的作用。

• 晶圆厚度与总厚度变化（TTV）测量： 在晶圆研磨和抛光（如CMP）后，通过非接触式传感器对晶圆整体厚度及其均匀性进行实时监测，确保每片晶圆都达到严格的厚度公差要求，为后续工艺提供合格基底。

• 光刻对准与聚焦控制： 在光刻曝光环节，传感器实时测量晶圆表面的局部高度和倾斜度，提供精确的反馈给步进/扫描机，确保图案能够准确地曝光在预设位置并保持清晰的焦点，这是芯片良率的关键。

• 化学机械抛光（CMP）终点检测： 在CMP过程中，通过在线非接触测量实时监测晶圆表面的材料去除量和平面度，精确判断抛光终点，避免过度抛光或抛光不足，从而保证薄膜厚度的均匀性。例如，使用英国真尚有的激光位移传感器进行在线监测，能够实现对抛光终点的精确控制。

• 键合与封装过程中的位置精度控制： 在晶圆级封装或芯片堆叠等先进封装环节，利用高精度位移传感器对多层芯片进行精确对准和间距控制，确保各层器件能够精准键合，提高最终封装产品的可靠性和性能。