半导体晶圆高反光表面纳米级角度测量，如何实现稳定高精度在线检测？【光谱共焦, 几何参数】

半导体晶圆是现代电子产业的基石，它的质量直接关系到集成电路的性能和可靠性。对于这种高度精密的材料，微米乃至纳米级别的检测是必不可少的，特别是对于高反光表面的角度测量，更是生产中的一大挑战。

1. 半导体晶圆的基本结构与技术要求

想象一下，半导体晶圆就像一块高度抛光的玻璃或镜子，表面极其光滑，甚至透明。在制造集成电路时，我们要在它上面刻画出无数微米甚至纳米级的电路图案，这就像在镜子上进行精细的雕刻。由于其独特的制造工艺和材料特性（如硅、砷化镓等），晶圆表面通常呈现出高反光或镜面反射的特性。

这种高反光特性源于其材料的晶体结构和极高的表面光洁度。当光线照射到晶圆表面时，大部分光线会以规律的方向反射出去，而不是散射开来。这使得传统的测量方法难以稳定地接收到有效的反射信号，就像想看清镜子里的细节，但镜面反射的光线却总是让人睁不开眼。

在半导体制造过程中，晶圆的每一个参数都至关重要，特别是角度测量。晶圆的倾斜度、平整度、厚度均匀性等都直接影响后续光刻、薄膜沉积、刻蚀等工艺的精度。例如，如果晶圆表面存在微小的倾斜，在光刻时会导致图形错位；如果厚度不均，则会影响芯片的电学性能。因此，需要以微米甚至纳米级的精度来测量晶圆的这些几何参数。

2. 半导体晶圆检测相关技术标准简介

为了确保半导体晶圆的质量，行业内对晶圆的各项几何参数都制定了严格的检测标准。这些标准定义了如何评估晶圆的形状、尺寸和表面状况。以下是一些关键的监测参数及其评价方法：

• 平整度 (Flatness)：用于描述晶圆表面相对于一个理想参考平面的整体偏离程度。它通常通过测量晶圆表面上大量点的Z轴坐标，然后计算这些点与一个拟合参考平面之间的最大高度差来评估。晶圆越平整，制造出的芯片良率越高。

• 总厚度变化 (TTV - Total Thickness Variation)：指晶圆上测得的厚度最大值与最小值之差。这反映了整个晶圆的厚度均匀性。检测时，会在晶圆不同位置测量厚度，然后计算出这个范围。

• 局部厚度波动 (LTW - Local Thickness Variation)：关注晶圆特定小区域内的厚度变化。TTV是整体概念，而LTW则聚焦于局部区域的均匀性，这对于识别局部的缺陷和应力分布非常重要。

• 翘曲度 (Bow & Warp)：描述晶圆在没有外部应力作用下，由于内部应力或制造过程中的热效应而导致的弯曲变形。翘曲度通常通过测量晶圆中心点与边缘点的高度差或整体的三维形貌来评估。

• 倾斜度 (Tilt)：指晶圆表面相对于某一参考基准面（例如设备平台或标准平面）的角度偏差。在自动化生产线中，晶圆的精确对准和倾斜度控制对于确保后续工艺的准确性至关重要。倾斜度通常通过在晶圆表面采集至少三个点的Z轴坐标，然后通过几何计算确定晶圆表面所形成的平面与参考平面之间的夹角来获得。

3. 实时监测/检测技术方法

解决高反光表面角度测量难题，特别是满足半导体晶圆的微米级检测要求，需要依赖先进的非接触式光学测量技术。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光三角测量法

工作原理和物理基础

想象一下，你用一束激光笔斜着照射在一个物体表面，然后从另一个角度用一个摄像头（或位置敏感探测器，PSD）去看这个光斑。如果物体表面高低不平，光斑在摄像头里的位置就会发生移动。激光三角测量就是利用这个"位移"来反推物体的高度。

具体来说，传感器向被测表面发射一束已知角度的激光，反射光被一个接收光学系统收集，并投射到位置敏感探测器上。当被测物体表面高度发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会相应移动。通过测量光斑在探测器上的位置变化，结合传感器固定的几何参数（如激光发射角、接收镜头焦距、探测器到镜头的距离等），就可以通过三角关系计算出被测物体表面的位移量，即高度信息。

其核心物理基础是简单的三角几何原理。如果激光器、接收器和被测点形成一个三角形，通过测量激光器到接收器基线的距离 L，激光发射角 α，反射光接收角 β，以及接收器上光斑的位置偏移量 Δx，就可以计算出被测物体的高度变化 Δh。

一个简化的公式可以表示为：Δh = L * tan(θ)，其中 θ 是与光斑位移相关的角度。更精确地，考虑发射角 θe，接收角 θr，以及接收器焦距 f，光斑在PSD上的位移 Δp 与距离变化 Δz 的关系可以近似为：Δz = Δp / (tan(θe) + tan(θr))。

核心性能参数的典型范围

• 精度：通常在微米级别，一些高端型号可达亚微米级（0.01% - 0.1% F.S.）。

• 分辨率：0.1 μm到几微米。

• 响应时间：非常快，采样频率可达数十到数百 kHz。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 测量速度快，适用于高速在线检测。

  • 结构相对简单，成本适中。

  • 对于漫反射表面表现良好。

• 缺点：

  • 对高反光和镜面表面测量效果不佳：当光线高度反射时，大部分光线会偏离接收器，导致信号弱或丢失，难以获得稳定的数据。这就像试图用手电筒直接照向镜子，反射光线刺眼，很难在旁边看清反射点。

  • 容易受到环境光和被测物体颜色、粗糙度变化的影响。

  • 存在“阴影效应”，即当测量倾斜表面或深孔时，接收光路可能被遮挡，导致无法测量。

3.1.2 光谱共焦测量法

工作原理和物理基础

可以想象，光谱共焦传感器就像一个拥有多种颜色的“手电筒”，它发出的宽带白光（包含彩虹般的所有颜色）通过特殊的光学元件（如色散物镜）被分解成不同的波长，而每种颜色的光都在不同的距离上精确聚焦。这意味着红色光可能聚焦在离传感器较远的地方，蓝色光聚焦在较近的地方，中间的颜色则依次聚焦在中间的不同位置。

当传感器靠近晶圆表面时，只有恰好聚焦在晶圆表面的那个颜色的光才能清晰地反射回来，并沿着原来的光路返回到传感器内部。传感器内部的检测器（光谱仪）会分析返回光的频谱，寻找哪种波长的光强度最高。这个强度最高的波长就对应着晶圆表面到传感器的精确距离。这就像一个“火眼金睛”，只认准最清晰的那一束光，即便其他光线也反射回来，它也能准确分辨出哪束光是“焦点”。

这种技术的核心物理基础是色散效应和共焦原理。

1. 色散效应：通过色散透镜（例如复消色差透镜），使得不同波长的光在光轴上具有不同的焦点位置。对于给定的入射宽带光，波长 λ 与其焦点位置 z 之间存在一一对应关系 z = f(λ)。

2. 共焦原理：只有当被测物体的表面位于特定波长的焦平面上时，该波长的反射光才能通过传感器内部的针孔或狭缝（共焦孔径）并被探测器接收。这样可以最大限度地抑制离焦光线的干扰，提高轴向分辨率。

当宽带光束照射到被测表面时，只有在表面上聚焦的特定波长的光会被高效反射回传感器，并通过共焦针孔。传感器内部的光谱仪会分析这些反射光的光谱，检测到强度最高的波长 λ_peak。通过预先标定的波长-距离对应关系 z = f(λ_peak)，就可以精确地计算出被测表面到传感器的距离 z。

核心性能参数的典型范围

• 分辨率：通常可达纳米级甚至亚纳米级（例如1纳米或更低）。

• 精度：在亚微米到纳米级别（例如 ±0.01% F.S.）。

• 测量速率：通常可达几千到几十千赫兹。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 对高反光和镜面表面有卓越的适应性：光谱共焦技术通过接收垂直反射光，几乎不受表面倾角和反射率的影响，即使是镜面和玻璃等高反光材料也能稳定测量。这对于半导体晶圆这类高反光表面尤为重要。

  • 能够测量透明材料厚度及多层结构：由于不同层（如晶圆上的薄膜）会分别反射对应焦点的光，传感器能同时识别多层反射信号，从而测量每层的厚度，而无需预知折射率。

  • 抗环境光干扰能力强：共焦原理有效抑制了离焦光线和环境光的干扰。

  • 无阴影效应：测量光路与接收光路重合，不存在激光三角测量法中的阴影区，可以测量深孔和陡峭斜面。

• 缺点：

  • 测量速度相较于部分激光三角传感器可能略慢（但仍足以满足多数在线检测需求）。

  • 成本相对较高。

  • 受限于物镜的数值孔径，对极端陡峭的漫反射表面（如超过80-85度）测量能力会下降。

3.1.3 结构光三维扫描技术

工作原理和物理基础

想象一下，你不是用一束点状激光去测量，而是用一个投影仪向物体表面投射出一系列已知的图案，比如直线、条纹或栅格。然后，从另一个角度用一个高分辨率摄像头去拍摄这些被图案照亮的表面。如果物体表面是平的，图案看起来是规则的；但如果表面有高低起伏，这些图案就会发生变形，就像把一张方格纸盖在不平整的物体上，方格会随着物体形状而扭曲。结构光三维扫描技术就是通过分析这些图案的变形程度，来计算出物体表面的三维形状，包括高度信息。

具体而言，结构光系统通常包含一个投影仪和一个或多个摄像头。投影仪向被测物体表面投射预设的、编码的结构光图案（例如正弦光栅、平行条纹、随机点阵等）。由于被测物体的三维几何形状，这些图案在表面上会发生形变。摄像头从特定角度捕捉这些变形后的图像。通过图像处理算法，分析图案的变形量、相位信息或视差，并结合系统校准参数（如投影仪和摄像头的相对位置、焦距等），可以精确计算出被测表面上每个点的三维坐标，从而重建出完整的表面形貌。

其物理基础主要涉及三角测量原理和图像处理算法。每个被投影到物体表面的光点或光线，其在摄像头图像上的位置变化，可以被视为一个三角测量问题。通过光线追迹和几何关系，可以从图像像素坐标反推出空间三维坐标。

例如，对于一个简单的条纹投影系统，当已知投影仪 P、摄像头 C 的相对位置及它们之间的基线距离 B，以及投影光线角度 α 和接收光线角度 β 时，被测点 M 的深度 Z 可以通过以下关系计算：Z = B / (tan(α) + tan(β))。实际应用中，会涉及更复杂的编码策略和相位解算技术，如傅里叶变换轮廓术。

核心性能参数的典型范围

• Z轴重复精度：通常在微米级别，高端型号可达亚微米级。

• X/Y轴分辨率：通常在几十微米到几百微米。

• 扫描速度：可达几千赫兹的轮廓率。

技术方案的优缺点

• 优点：

  • 能够一次性获取大量点云数据，实现高效率的全场三维测量。

  • 非接触式测量，对被测物无损伤。

  • 适用于复杂形貌的测量。

• 缺点：

  • 对高反光表面敏感：与激光三角测量类似，结构光在测量高反光或镜面表面时，由于反射光过于集中，可能导致局部曝光过饱和或信号丢失，影响三维数据重建的准确性。这就像在镜子上投射图案，图案可能变得模糊不清或出现强烈反光点。

  • 测量精度通常略低于点式测量（如光谱共焦）的Z轴精度。易受环境光干扰。

  • 测量周期相对较长，不适合超高速的单点测量。

3.2 市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士：

  • 采用技术：主要利用激光三角测量法。

  • 核心性能参数：例如，其LK-G5000系列传感器头，测量范围可达±2 mm，线性度最高±0.03% F.S.，重复精度可达 0.005 μm，采样频率最高达392 kHz。

  • 应用特点和独特优势：日本基恩士在工业自动化和测量领域具有领导地位，其激光位移传感器以超高精度、高速测量和卓越的稳定性著称。产品易于集成到自动化生产线中，实现非接触式、在线批量检测，特别适用于需要精密尺寸和倾角控制的漫反射表面应用。

• 德国米铱：

  • 采用技术：基于光谱共焦测量法。

  • 核心性能参数：例如，confocalDT 2471系列配合IFS2405传感器，测量范围可达3 mm，分辨率高达0.002 μm（2纳米），线性度可达±0.03% F.S.，测量速率最高可达70 kHz。

  • 应用特点和独特优势：德国米铱是精密测量传感器领域的全球领先企业，其光谱共焦传感器特别适用于对镜面、透明、多层或高反光表面进行纳米级高精度测量。该技术具有抗环境光干扰能力强、几乎无阴影效应的优点，是苛刻工业环境中实现非接触、在线倾角检测的理想选择，尤其擅长处理半导体晶圆这类高难度表面。

• 加拿大北极星：

  • 采用技术：采用结构光三维扫描技术。

  • 核心性能参数：例如，Gocator 2500系列智能三维传感器，扫描速度最高达5 kHz（轮廓率），Z轴重复精度可达0.2 μm，X轴分辨率可达0.02 mm。

  • 应用特点和独特优势：加拿大北极星在智能三维传感器领域是创新领导者。Gocator系列传感器集成了扫描、测量和决策功能，可直接输出结果。其高速、高分辨率的三维扫描能力非常适合在线自动化检测，能够非接触式地处理复杂形貌的平面倾角测量，广泛应用于电子、汽车、半导体等制造行业的三维轮廓和尺寸检测。

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

选择合适的传感器来解决高反光表面角度测量难题时，需要综合考量多项关键技术指标：

• 分辨率与精度：

  • 实际意义：分辨率指的是传感器能够检测到的最小高度变化量，精度则是测量结果与真实值之间的一致性。对于半导体晶圆的微米级检测要求，纳米级的分辨率和微米级的精度是基本要求。

  • 影响：低分辨率或低精度会导致微小的角度偏差无法被有效识别，从而影响后续工艺的良率。

  • 选型建议：对于晶圆检测，应优先选择分辨率在1-10纳米、精度在±0.01μm或±0.01%F.S.（量程百分比）的传感器。

• 量程：

  • 实际意义：传感器能够测量的最大高度范围。

  • 影响：量程过小可能无法覆盖晶圆的整体形貌或生产线中的位置波动；量程过大则可能牺牲分辨率和精度。

  • 选型建议：根据晶圆的尺寸、预期的最大高度变化以及系统集成中的机械公差来选择。例如，±500μm到±5000μm的量程通常能满足大多数晶圆平整度或厚度检测需求，同时保证较高精度。

• 光斑尺寸：

  • 实际意义：传感器投射到被测物体表面的测量光点的大小。

  • 影响：光斑尺寸决定了测量的空间分辨率。光斑越小，能够检测到的细节越精细，对于晶圆表面微米级结构的测量至关重要。

  • 选型建议：对于半导体晶圆的微米级检测，光斑尺寸应尽可能小，例如2μm到10μm。光斑过大可能会导致“平均效应”，掩盖微小缺陷或局部的精确角度变化。

• 最大可测倾角：

  • 实际意义：传感器能够稳定测量并获得有效数据时的最大表面倾斜角度。

  • 影响：对于高反光表面，特别是镜面材料，过大的倾角会导致反射光偏离接收器，造成数据丢失。

  • 选型建议：光谱共焦传感器在测量高反光表面时通常具有更大的倾角适应性，这对于晶圆的轻微翘曲或安装倾斜非常有利。激光三角法在此方面表现较弱。

• 采样频率：

  • 实际意义：传感器每秒能够完成的测量次数。

  • 影响：采样频率决定了测量效率和数据获取的速度。在高速自动化生产线中，高采样频率能够确保在短时间内获取足够的测量数据。

  • 选型建议：对于在线检测，采样频率应至少达到几千赫兹，高精度晶圆检测可能需要达到更高，以保证在快速移动中也能得到密集的、可靠的数据点。

• 多材质适应性与多层测量能力：

  • 实际意义：传感器能否稳定测量不同材质（金属、玻璃、陶瓷等）和具有多层结构的材料。

  • 影响：半导体晶圆上可能存在不同材质的薄膜层，具备多材质和多层测量能力的传感器可以一次性完成更多维度的检测。

  • 选型建议：光谱共焦传感器在多材质和多层测量方面具有显著优势，无需已知折射率即可直接测量透明材料厚度，非常适合晶圆及其上薄膜的综合检测。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在半导体晶圆的高反光表面角度测量中，工程师们常常会遇到一些棘手的问题：

• 高反光问题导致测量不稳定：

  • 原因：晶圆表面如同镜面，激光或结构光照射后，大部分光线会以单一方向反射，导致传统传感器难以稳定接收到足够强的有效信号。这就像拿着普通相机去拍一块镜子，很容易出现过曝或者拍不到细节。

  • 影响：测量数据跳动大，重复性差，无法达到微米级精度要求。

  • 解决建议：优先选择采用光谱共焦原理的传感器。这类传感器通过接收垂直反射的宽带光，对高反光和镜面表面具有天然的优势，能够稳定获取有效信号。同时，优化传感器的安装角度，尽量使测量光线垂直于被测表面，可以进一步提高信号质量。

• 透明材料多层反射干扰：

  • 原因：半导体晶圆可能包含透明介质层（如二氧化硅薄膜），当光线穿透这些层时，会在不同介质界面发生反射，导致传感器接收到多个反射信号，难以区分哪个是目标表面。

  • 影响：测量结果出现混淆或错误，无法准确测量单层厚度或特定层位移。

  • 解决建议：采用光谱共焦传感器。光谱共焦技术能够同时识别来自不同深度界面的多层反射信号，并计算出每层的厚度及层间距离，甚至无需预知材料的折射率，从而有效解决多层反射干扰问题。

• 测量稳定性受环境影响：

  • 原因：高精度光学测量对环境非常敏感，如温度变化、气流扰动、机械振动、灰尘颗粒等都可能影响测量结果。

  • 影响：测量数据出现漂移或噪声，导致精度下降。

  • 解决建议：

    1. 环境控制：在洁净室环境下进行测量，严格控制温度、湿度和空气洁净度。

    2. 减振措施：安装传感器和晶圆平台时，采用防振台、减振器等，隔离外部振动。

    3. 传感器防护：选择防护等级高的传感器（如IP65），探头前端加装防尘罩，定期清洁光学元件。

    4. 数据滤波：在软件层面采用高斯滤波、中值滤波、滑动平均等数据处理算法，平滑数据，降低随机噪声的影响。

• 复杂表面形貌测量挑战：

  • 原因：晶圆表面除了平坦区域，还可能存在沟槽、台阶、斜边等复杂结构，或者在生产过程中出现翘曲变形。

  • 影响：传感器可能出现“阴影效应”（特别是激光三角法），或无法准确测量陡峭角度，导致数据缺失或误差。

  • 解决建议：

    1. 光谱共焦传感器：由于其同轴光路设计，没有阴影效应，对于深孔、斜面等复杂形貌具有良好的测量能力。

    2. 多探头布置：对于大尺寸晶圆或复杂形貌，可以通过多通道控制器同时连接多个探头，从不同角度或位置进行协同测量，获取更全面的三维数据。

    3. 精确运动控制：结合高精度运动平台（如带有编码器反馈的伺服系统），使传感器能够沿着预设路径扫描晶圆表面，从而获取整个表面的高密度数据。

4. 应用案例分享

• 半导体晶圆厚度、平整度、沟槽深度检测：光谱共焦传感器能够对晶圆进行非接触、高精度的厚度测量，评估其整体和局部的平整度，并精确测量晶圆表面的微米级沟槽或台阶深度，确保芯片制造工艺的严格要求。

• 晶圆倾斜度检测：通过在晶圆表面采集多个点的Z轴高度数据，软件可以计算出晶圆相对于参考平面的精确倾斜角度，这对于光刻机等设备的精确对准至关重要。例如，英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，可支持最多5轴编码器同步采集，实现高精度位置关联，有助于提升倾斜度检测的准确性。

• 多层玻璃、透明薄膜厚度测量：在3C电子或光学领域，光谱共焦传感器能够穿透透明材料，同时识别并测量不同介质层（如蓝玻璃、复合膜）的厚度，无需已知折射率。

• 微小部件轮廓扫描与缺陷检测：应用于精密制造领域，对微型金属件、陶瓷件等进行高分辨率的轮廓扫描，检测其几何尺寸、台阶高度差、孔深度，以及表面微小缺陷，确保产品质量。英国真尚有提供的最小外径仅3.8mm的探头，适合测量小孔内部特征。

针对半导体晶圆等高反光表面的角度测量，激光三角测量法、光谱共焦测量法和结构光三维扫描技术各有优劣。激光三角测量速度快、成本适中，但对高反光表面适应性差；结构光三维扫描能一次性获取大量数据，但精度和抗干扰能力有限；光谱共焦测量在高反光表面表现出色，精度高，但成本相对较高。

在实际选择时，需要根据具体的应用场景、测量需求和预算进行综合考虑。例如，对于需要超高精度和稳定性的晶圆检测，光谱共焦可能是更优的选择；而对于大批量、快速的表面轮廓扫描，结构光三维扫描可能更具优势。