如何在复杂晶圆表面实现纳米级平整度非接触测量与高速在线检测？【半导体质量控制】

1. 晶圆的基本结构与检测要求

在半导体制造中，晶圆是所有集成电路的基石。你可以把它想象成一块超大、超薄、表面经过高度抛光的“硅板”。在这个“板”上，需要通过一系列极其精密的工艺（比如光刻、刻蚀、薄膜沉积等），一层一层地“印刷”出复杂的电路图案。最终，这些图案会形成数以亿计的微型晶体管和互联线。

晶圆的平整度，就是指它的表面有多“平”，没有凹凸不平、翘曲或起伏。这就像在画布上作画，如果画布本身就是皱巴巴的，那么画出来的图案肯定会变形、模糊。对于晶圆而言，如果表面不平，在光刻过程中，投影到晶圆上的电路图案就会失焦，导致图案边缘模糊、线条不均匀，甚至出现断路或短路，这直接影响芯片的良品率和最终性能。

随着半导体工艺节点的不断缩小，现在电路的特征尺寸已经进入了纳米级别。这意味着对晶圆平整度的要求也达到了前所未有的苛刻程度，通常需要控制在亚微米甚至纳米级别。一个细微的平整度偏差，可能就会造成大量芯片报废，给制造商带来巨大损失。因此，在晶圆的生产和加工过程中，对平整度进行高精度、无损、实时的检测至关重要。

2. 晶圆平整度相关技术标准简介

为了确保晶圆在整个制造流程中的质量一致性，半导体行业对晶圆的平整度制定了多项监测参数和评价方法。这些参数帮助我们量化晶圆表面的几何特性：

• 总厚度变化 (Total Thickness Variation, TTV)： 这表示晶圆上最厚点和最薄点之间的厚度差。它反映了晶圆整体的厚度均匀性，如果TTV过大，可能会导致后续工艺中薄膜沉积不均或热应力分布不均。

• 局部厚度波动 (Local Thickness Variation, LTW)： 与TTV关注整体不同，LTW衡量的是晶圆特定小区域内的厚度变化。在光刻等需要高分辨率对准的工艺中，即使整体TTV合格，局部的厚度波动也可能导致图案缺陷。

• 平整度 (Flatness)： 这是对晶圆表面整体形状偏差的描述。通常通过将晶圆表面拟合到一个理想的参考平面，然后计算表面各点到这个参考平面的最大正负偏差来评估。它直接关系到光刻曝光时焦深的一致性。

• 翘曲度 (Warp) 和弓形度 (Bow)： 这两个参数主要描述晶圆的宏观变形。翘曲度是指晶圆两面最大相对偏差，而弓形度是晶圆中心点到参考平面或边缘的偏差。它们通常由晶圆内部的应力引起，可能导致晶圆在传输或处理过程中破裂。

• 表面粗糙度 (Roughness, 如Ra、Rq)： 反映晶圆表面的微观纹理和细微起伏。过高的表面粗糙度会影响薄膜的附着力、介电击穿性能，甚至在纳米尺度上影响电路的电学性能。

这些参数的检测和评估，共同构建了晶圆平整度检测的完整体系。通过精确测量这些参数，制造商能够及时发现并纠正生产过程中的问题，确保晶圆质量满足下一道工序的要求。

3. 实时监测/检测技术方法

传统位移传感器之所以难以满足晶圆亚微米级平整度检测，主要原因在于它们的精度、分辨率、测量方式（接触/非接触）、对材料的适应性以及光斑尺寸等方面的局限性。下面我们来详细了解市面上各种相关的位移检测技术方案。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 线性变差动变压器（LVDT）

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是一种常见的接触式位移传感器。它的核心部件是一个可自由移动的磁芯，位于一个包含一个初级线圈和两个对称次级线圈的管状骨架内。

• 工作原理和物理基础： 当初级线圈通入交流电时，会产生交变磁场。这个磁场通过磁芯耦合到两个次级线圈。当磁芯在线圈内部移动时，它与两个次级线圈之间的磁耦合强度会发生变化。如果磁芯在中心位置，两个次级线圈的感应电压大小相等，方向相反，差值输出为零。当磁芯偏离中心时，与其中一个次级线圈的耦合增强，与另一个的耦合减弱，导致两个次级线圈的感应电压不再相等，从而产生一个与磁芯位移量成线性关系的差分电压输出。 其输出电压差 $V_{out}$ 可以表示为：$V_{out} = V_1 - V_2$，其中 $V_1$ 和 $V_2$ 分别是两个次级线圈的感应电压。在理想线性范围内， $V_{out} = K cdot x$，其中 $K$ 是比例常数， $x$ 是磁芯相对于中心的位移。

• 核心性能参数： 测量范围通常在几毫米到几十毫米，非线性度在±0.25%满量程左右，分辨率理论上无限，但实际受限于信号处理电路的噪声和精度，可达微米级别。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 结构坚固，可靠性高，耐恶劣环境（如灰尘、油污），无摩擦磨损（磁芯与线圈无物理接触），寿命长，分辨率高。

  • 局限性： LVDT是接触式测量，需要探针物理接触晶圆表面。这在精密制造中是不可接受的，因为它可能划伤或污染晶圆，引入颗粒，对产品造成不可逆的损伤。此外，测量力也可能引起晶圆变形，影响测量准确性。

3.1.2 涡流位移传感器

涡流传感器是一种非接触式位移传感器，主要用于测量导电金属物体的位置。

• 工作原理和物理基础： 传感器内部的线圈通入高频交流电，产生一个高频交变磁场。当导电的被测金属物体靠近这个磁场时，根据法拉第电磁感应定律，会在物体表面感应出涡流。这些涡流反过来会产生一个与传感器线圈磁场方向相反的磁场，从而改变传感器线圈的等效阻抗（包括感抗和电阻）。线圈阻抗的变化量与被测物体到探头的距离（位移）有直接关系。通过精确测量这个阻抗变化，就可以计算出物体的位移量。 线圈的阻抗 $Z$ 是由电阻 $R$ 和感抗 $X_L = omega L$ 组成，即 $V_{out} = V_1 - V_2$0。当涡流效应发生时，等效电感 $V_{out} = V_1 - V_2$1 和等效电阻 $R$ 都会发生变化，这些变化量与探头到导电表面的距离 $V_{out} = V_1 - V_2$3 密切相关。

• 核心性能参数： 测量范围通常在几微米到几毫米，重复精度可达亚微米级（如0.5 µm），线性度在±1%满量程以内，测量频率可达几十千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触测量，避免了对物体的损伤。对恶劣环境（如灰尘、油污、潮湿）具有很强的抵抗力，坚固耐用，响应速度快。

  • 局限性： 最大的缺点是只能测量导电金属材料。对于半导体晶圆，特别是上面有介质层、钝化层或非导电衬底的区域，涡流传感器无法有效测量。它也无法测量玻璃、陶瓷等绝缘材料。这使其无法满足晶圆表面复杂结构和多种材料的检测需求。

3.1.3 激光三角测量传感器

激光三角测量传感器是非接触式光学位移传感器中的一种常见类型，广泛应用于工业自动化领域。

• 工作原理和物理基础： 激光二极管发出激光束，经过聚焦透镜后形成一个光斑照射到被测物体表面。物体表面反射的漫射光（非镜面反射）通过接收透镜聚焦到位置敏感探测器（PSD，Position Sensitive Detector）或CMOS/CCD图像传感器上。当被测物体发生位移时，反射光斑在接收器上的位置会随之改变。传感器控制器通过分析反射光斑在探测器上的位置变化，结合预设的几何三角关系，计算出物体与传感器之间的距离。 基于三角几何原理，被测物体位移 $V_{out} = V_1 - V_2$4、传感器基线长度 $V_{out} = V_1 - V_2$1、出射激光角度 $V_{out} = V_1 - V_2$6 和接收光角度 $V_{out} = V_1 - V_2$7 之间存在关系。当物体发生微小位移时，探测器上光斑的位移 $V_{out} = V_1 - V_2$8 与物体位移 $V_{out} = V_1 - V_2$4 之间大致满足：$V_1$0 （简化后的近似关系，实际更为复杂）。

• 核心性能参数： 测量范围从几毫米到数百毫米不等，精度通常在微米级别（如1-10 µm），重复精度可达亚微米到数微米，测量速率可达数千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 非接触测量，避免损伤。量程范围相对较大，响应速度快，成本相对较低。

  • 局限性： 对被测物体表面特性敏感。对于高光泽度、镜面或透明材料（如抛光后的晶圆表面、玻璃），激光三角测量可能因为反射光太强、太弱或发生折射而无法得到稳定的测量结果。光斑尺寸通常较大，难以测量微米级的精细特征。精度难以达到亚微米级别，无法满足晶圆平整度的苛刻要求。

3.1.4 光谱共焦（色差共焦）传感器

光谱共焦传感器（也常被称为色差共焦传感器）是一种利用光学色散原理实现高精度非接触测量的技术，特别适合透明、镜面、多层材料的检测。

• 工作原理和物理基础： 光谱共焦技术的核心在于利用光学色散现象和共聚焦原理。它首先发出一束宽谱白光（包含多种颜色的光）。这束白光经过一个特殊设计的物镜（即色差物镜）后，会因为不同波长的光在透镜中的折射率不同，导致它们被聚焦到不同的空间深度。简单来说，就是不同颜色的光有各自的焦点，形成一个“光谱焦点列”。 当被测物体表面（例如晶圆）位于这个焦点列中的某个位置时，只有与该位置对应的特定波长的光才能最清晰地聚焦到表面并反射回来。这些反射光再经过接收光学系统，并通过一个小的针孔（共聚焦孔径）过滤。这个针孔的作用是只允许来自焦平面上的光通过，从而最大限度地抑制了非焦点处的杂散光。最后，通过一个光谱仪（如光栅分光器）将通过针孔的光分解成光谱，并由探测器（如CCD线阵相机）检测反射光强度最高的波长。由于每个波长都对应一个唯一的焦点距离，通过检测到的峰值波长，就可以极其精确地确定被测物体表面的位置，即位移。 对于透明或多层材料，例如带有不同镀层的晶圆，由于光线会在每个界面的前后表面发生反射，因此在光谱中可以识别出多个强度峰值。每个峰值都对应一个反射界面，通过分析这些峰值之间的波长差，传感器可以直接计算出每一层的厚度，而无需已知材料的折射率，这极大地简化了测量过程。 物理基础涉及色散效应：透镜对不同波长的光具有不同的焦距 $V_1$1。以及共聚焦原理：只有来自焦点的光才能通过针孔到达探测器。通过检测反射光强度峰值对应的波长 $V_1$2，并利用预先标定好的焦距-波长对应关系 $V_1$3，即可确定被测表面距离。对于多层测量，检测到的多个峰值波长 $V_1$4 对应不同的层界面深度 $V_1$5，从而可计算层厚度。

• 核心性能参数： 光谱共焦传感器通常能实现纳米级的分辨率和亚微米级的精度，某些型号的光斑尺寸可以小至2μm，采样频率可达数万赫兹，并且可以测量具有一定倾斜角度的表面。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度和分辨率： 能够达到亚微米甚至纳米级的测量精度，满足晶圆平整度的苛刻要求。

    • 非接触式测量： 对晶圆表面无任何物理损伤或污染风险，是精密制造的理想选择。

    • 多材质适应性： 对各种复杂表面都能稳定测量，尤其擅长高反光和透明材料。

    • 多层测量能力： 能够穿透透明介质，同时测量多个界面的位置和各层厚度，无需预设折射率，这在带有各种薄膜层的晶圆检测中非常有用。

    • 小光斑尺寸： 能够精确检测微米级的细微特征，如晶圆上的沟槽深度、台阶高度等。

    • 倾角测量能力强： 能够测量有倾斜角度的表面，扩大了应用范围。

  • 局限性： 测量量程相对其他一些技术（如激光干涉仪）较小。设备成本相对较高。对环境光的要求相对较高。

3.1.5 激光干涉测量

激光干涉测量代表了位移测量的最高精度等级，通常用于校准精密设备或进行极高精度的科学研究。

• 工作原理和物理基础： 基于迈克尔逊干涉仪原理。一束高稳定性的激光被分束器分为两束：一束作为测量臂，射向被测物体上的反射器（通常是角锥棱镜或平面反射镜）；另一束作为参考臂，射向一个固定的参考反射器。两束光反射后在分束器处汇合，产生干涉条纹。当被测物体发生微小位移时，测量臂的光程会发生变化，导致干涉条纹移动。通过精确计数移动的干涉条纹数量，并结合激光的已知波长，就可以计算出被测物体的精确位移量。 位移 $V_1$6，其中 $V_1$7 是计数到的干涉条纹变化数量，$V_1$8 是激光的波长。每次光程变化半个波长，干涉条纹就移动一个周期。

• 核心性能参数： 系统精度可达±0.5 ppm（百万分之一），分辨率可达纳米级（1 nm）甚至亚纳米级，测量范围可以非常大（几十米），最大测量速度可达数米/秒。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 无与伦比的超高测量精度和分辨率，是所有位移测量技术中的最高等级。测量范围广，非接触式测量。

  • 局限性： 通常需要反射镜或棱镜作为合作目标，这意味着无法直接测量晶圆的原始表面。对环境（温度、气流、振动）极其敏感，需要严格的温度控制和防振措施。设备复杂，成本高昂，不适合在生产线上进行大量晶圆的在线实时检测，更常用于高精度设备的校准。

3.2 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在精密位移传感器领域具有代表性的国际品牌，涵盖不同的技术路线，以便更好地理解各自的特点和适用性。

• 德国米铱

  • 采用技术：激光三角测量。

  • 核心参数：测量范围通常在几十毫米（如50 mm），线性度±0.03%满量程，重复精度在1.5 µm左右，测量速率最高2.5 kHz。

  • 应用特点：德国米铱在工业级非接触位移传感器领域拥有广泛的产品线，其激光三角传感器以其可靠性和坚固的工业设计而著称。适用于自动化生产线上的常规位移监测、厚度测量和轮廓检测，尤其在对精度要求不是极高（微米级）但需要高稳定性的场合表现出色。

  • 独特优势：出色的性价比和易于集成的特点，适用于广泛的工业应用。

• 日本基恩士

  • 采用技术：激光共聚焦，通常为色差共聚焦。

  • 核心参数：测量范围通常在±0.5 mm，重复精度可达10 nm，采样速度最高64 kHz，分辨率可达1 nm（通过平均化）。

  • 应用特点：日本基恩士以其创新技术和用户友好型产品闻名。其激光共聚焦系列凭借其亚微米甚至纳米级的超高精度和超高速测量能力，在半导体、平板显示器、精密机械加工等对位移精度要求极高的应用中具有显著优势。对透明、镜面或粗糙表面均能稳定测量，能满足晶圆平整度、厚度检测的严苛要求。

  • 独特优势：将超高精度与高速测量相结合，对复杂表面具有优秀的适应性，同时提供强大的软件功能和易用性。

• 瑞士堡盟

  • 采用技术：涡流原理。

  • 核心参数：测量范围通常在几毫米（如1 mm），线性度< ±1%满量程，重复精度< 0.5 µm，测量频率最高10 kHz。

  • 应用特点：瑞士堡盟的涡流传感器以其坚固耐用和对恶劣环境的抵抗力强而闻名。特别适合在有粉尘、油污、湿气的工业环境下对金属部件进行高速在线位移测量。常用于主轴轴向跳动、气隙监测、振动分析等。

  • 独特优势：非接触测量，无磨损，寿命长，在需要高精度和高可靠性的金属件测量中表现优异。

• 英国雷尼绍

  • 采用技术：激光干涉测量。

  • 核心参数：测量范围可达数十米（如80米），系统精度±0.5 ppm，线性度达纳米级，最大测量速度4 m/s，分辨率1 nm。

  • 应用特点：英国雷尼绍是全球精密测量领域的领导者，其激光干涉仪系统代表了位移测量的最高精度等级。主要应用于高精度机床校准、精密设备定位、超高精度科学实验等对精度要求达到纳米甚至亚纳米级的场合。

  • 独特优势：提供无与伦比的测量精度和稳定性，是计量和校准领域的行业标杆，但通常需要合作目标。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器如同为特定任务挑选最趁手的工具，需要全面考量其性能指标与实际应用需求。

• 分辨率 (Resolution)： 指传感器能识别的最小位移量。对于晶圆亚微米级平整度检测，需要纳米级的分辨率。分辨率越高，传感器捕捉表面微小起伏的能力越强，才能发现细微的工艺缺陷。如果分辨率不足，很多微小的平整度问题就会被“忽略”，导致误判。

  • 选型建议： 确保所选传感器的分辨率至少达到检测要求的一个数量级以上。例如，如果要求检测0.1微米的平整度偏差，传感器分辨率至少应达到10nm。

• 精度 (Accuracy)： 指测量结果与真实值之间的接近程度。精度是衡量传感器性能的核心指标。在晶圆检测中，高精度意味着对平整度的量化更为可靠和真实。达到亚微米级平整度要求的传感器，其线性精度需达到±0.01%F.S.或绝对精度达到纳米级别。

  • 选型建议： 精度比分辨率更重要，是决定测量结果可靠性的关键。务必选择精度能够满足甚至略高于晶圆平整度公差要求的传感器。

• 光斑尺寸 (Spot Size)： 指传感器照射到被测物体表面的光点大小。光斑尺寸越小，传感器能够探测到的表面细节就越精细，避免“平均化”掉微小的特征。对于晶圆上的微沟槽、微台阶等特征，较小的光斑尺寸至关重要。

  • 选型建议： 根据晶圆上需要检测的最小特征尺寸来选择。光斑尺寸应远小于最小特征尺寸，以保证能够精准捕捉到这些细节。

• 采样频率 (Sampling Frequency)： 指传感器每秒能进行多少次测量。高采样频率意味着更快的检测速度和更高的效率，尤其在进行在线全尺寸晶圆扫描时，能大大缩短检测时间，提高生产节拍。

  • 选型建议： 对于在线检测和高吞吐量需求，选择采样频率尽可能高的传感器。

• 量程 (Measurement Range)： 指传感器能够测量的最大位移范围。虽然晶圆平整度偏差很小，但由于晶圆可能存在整体翘曲或在传送过程中有小的垂直跳动，适当的量程能够确保在动态环境下稳定测量。

  • 选型建议： 量程要覆盖可能的最大位移变化，但对于光谱共焦传感器，量程和精度往往是互相制约的，量程越大精度可能略有下降，需根据实际需求平衡。

• 多材质适应性与多层测量能力： 晶圆表面可能覆盖有不同的介质层（如氧化硅、氮化硅），有些是透明的，有些是高反射的。传统传感器可能无法有效测量这些复杂表面。光谱共焦技术对多种材质以及多层透明材料均能稳定测量。

  • 选型建议： 考虑到晶圆表面的复杂性，优先选择对多种材质和透明/多层材料具有良好适应性的传感器，特别是具备无需已知折射率即可测量多层厚度能力的传感器。

• 防护等级与环境适应性： 半导体制造通常在洁净室环境中进行，但传感器本身也需要具备一定的防护能力，以抵御可能的微尘和湿气。

  • 选型建议： 考虑传感器探头的防护等级，确保其能在洁净室环境中稳定工作，且易于清洁和维护。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高精度的晶圆平整度检测中，即使选择了最先进的传感器，实际应用中也可能遇到各种挑战。

• 环境振动与温度漂移

  • 原因与影响： 晶圆检测通常在纳米级精度下进行，生产车间或实验室中哪怕是微小的机械振动、气流扰动，或者环境温度的微小变化（导致传感器或晶圆材料热膨胀/收缩），都可能对测量结果产生显著影响，表现为数据跳动、测量不稳定或产生系统性误差。

  • 解决建议：

    • 防振措施： 将检测设备安装在高性能防振台上，隔绝来自地面的振动。

    • 环境控制： 在恒温恒湿的洁净室中进行测量，尽量减少空气流动，必要时对传感器探头进行温度补偿。

    • 数据后处理： 利用传感器内置的滤波功能（如高斯滤波、滑动平均）或外部算法，对采集到的数据进行平滑处理，去除随机噪声。

• 晶圆表面特性复杂（高反射、透明、多层结构）

  • 原因与影响： 晶圆表面通常经过高度抛光，呈现镜面特性；同时，半导体工艺会在晶圆上沉积多层透明或半透明的薄膜。传统的激光三角测量传感器难以应对镜面反射，而一般单点激光共焦传感器可能无法穿透多层介质或准确测量各层厚度。

  • 解决建议：

    • 选择光谱共焦传感器： 这类传感器正是为解决这类问题而设计。它们利用色差原理，对高反射、镜面和透明材料具有优异的适应性，并且能够穿透多层透明介质，测量各层厚度。

    • 优化传感器安装角度： 对于部分漫反射或微粗糙表面，可以通过调整传感器探头的倾斜角度来优化信号接收。

• 测量速度与数据吞吐量

  • 原因与影响： 随着生产线的自动化和晶圆尺寸的增大，快速、高密度的全尺寸晶圆平整度扫描成为必需。如果传感器采样频率不足或数据处理能力受限，将成为生产线的瓶颈。

  • 解决建议：

    • 高采样频率传感器： 优先选择具有高采样频率的传感器。

    • 多通道并行测量： 利用多通道控制器同时连接多个探头，对晶圆进行多点同步测量，从而大幅提高检测效率。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，支持1-8个通道，最多可控制8个探头，能够实现高效的数据采集。

    • 优化软件与算法： 确保配套软件具备高效的数据采集、处理和分析能力，支持实时分析TTV、LTW等参数。英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，其软件支持位移、单边测厚、对射测厚、段差测量、平面度计算等多种测量模式，并内置高斯滤波、中值滤波、滑动平均、极值处理等数据优化功能，可以更好地满足数据处理需求。

• 传感器校准与长期稳定性

  • 原因与影响： 高精度传感器在长期使用过程中，其性能可能会因环境变化、内部老化等因素发生轻微漂移，导致测量结果的准确性下降。

  • 解决建议：

    • 定期校准： 严格按照厂商建议，使用经过认证的标准块定期对传感器进行校准，确保其测量准确性。

    • 环境监测： 持续监测洁净室的环境参数，并在必要时进行调整，以保持传感器工作的最佳条件。

    • 专业维护： 定期进行设备检查和维护，确保光学器件清洁，连接线缆无松动。

4. 应用案例分享

光谱共焦传感器凭借其高精度、非接触、多材质适应性等优势，在精密制造和半导体行业得到了广泛应用：

• 半导体晶圆检测： 用于精确测量晶圆的厚度、整体及局部平整度，检测表面沟槽的深度和宽度，以及晶圆的倾斜度，确保光刻和刻蚀工艺的精度和良品率。

• 3C电子产品制造： 在手机显示屏、摄像头模组和多层玻璃组件的生产中，用于检测玻璃的厚度、段差，以及电子板上涂层或漆膜的高度和均匀性，保证产品组装精度和外观质量。

• 光学元件检测： 精密测量各种镜片的厚度、平面度和弧高，例如蓝玻璃滤光片的厚度一致性，以确保光学系统的性能达到设计要求。

• 新能源电池制造： 在锂电池生产过程中，用于检测电池极片（如铜箔）的厚度一致性、封边厚度，以及石墨导热膜的厚度分布，对电池性能和安全性至关重要。