如何通过光谱共焦技术，实现200/300mm晶圆的纳米级精度高速检测，应对多层、透明与深沟槽等复杂表面形貌测量挑战？【半导体计量】

晶圆的基本结构与技术要求

晶圆是半导体产业的核心基石，想象它就像一块极度平整、厚度均匀的硅制“画布”，所有复杂的集成电路都将在这上面绘制出来。一块晶圆通常是圆形薄片，直径从200毫米到300毫米不等，未来还会有更大尺寸。它的厚度虽然只有几百微米（比如300毫米晶圆通常在775微米左右），但对内部和表面的质量要求却达到了纳米甚至亚纳米级别。

为了确保最终芯片的性能和良率，晶圆在制造过程中需要满足一系列严苛的技术要求：

• 厚度与厚度均匀性： 晶圆整体厚度必须在非常小的公差范围内，更重要的是，在整个晶圆表面，任何一点的厚度差异都不能超过允许范围。如果厚度不均，就像一张纸一边厚一边薄，在后续的光刻、薄膜沉积等工序中，会导致图案失真或薄膜层不均匀，进而影响电路性能。

• 平整度与翘曲度： 晶圆表面必须极其平整，不能有任何局部隆起或凹陷，也不能整体弯曲或翘起。这就像制造精密的显示屏玻璃，如果玻璃本身不平，贴合度和显示效果都会出问题。在半导体制造中，平整度直接关系到光刻图案的清晰度和精度，而翘曲则会影响晶圆在设备中的稳定传输和定位。

• 表面粗糙度： 晶圆表面必须如同镜面般光滑，任何微小的粗糙度都会影响后续薄膜的附着力、电路的电学性能，甚至可能引起短路。

• 缺陷检测： 晶圆表面不能有任何肉眼看不见的微小颗粒、划痕、沾污或晶格缺陷。这些“瑕疵”哪怕只有几十纳米大小，都可能导致数以万计的晶体管失效，直接影响芯片的良率。

这些参数的精准控制，是晶圆从“硅料”到“芯片”成功转化的关键。

晶圆相关技术标准简介

为了确保全球半导体产业的标准化和互操作性，行业内制定了多项技术标准，其中SEMI（国际半导体设备材料协会）M1标准是晶圆领域最基础也最重要的规范之一。它定义了硅晶圆的物理和几何特性，确保不同供应商的晶圆能在各种设备上稳定加工。

针对晶圆的质量监测，以下是一些核心参数的定义和评价方法：

• 总厚度变化 (TTV - Total Thickness Variation)： 衡量的是晶圆表面最高点到最低点之间的垂直距离。计算方法是测量晶圆上多个点的厚度，然后找出最大厚度值和最小厚度值，两者的差值即为TTV。TTV值越小，晶圆的厚度均匀性越好。

• 翘曲度 (Warp)： 描述的是晶圆整体宏观的非平面变形程度。你可以想象一块晶圆像一张纸一样，由于受力或温度变化而产生的弯曲或扭曲。Warp的测量通常通过在晶圆多个点上测得的厚度数据，计算一个“最佳拟合平面”，然后衡量晶圆表面点与这个平面之间的最大垂直偏差。

• 弯曲度 (Bow)： 衡量晶圆中心点相对于边缘的垂直偏差，它反映了晶圆整体的凹陷或凸起趋势。Bow通常通过测量晶圆中心厚度与边缘平均厚度的差异来评估。

• 平整度 (Flatness)： 相对于TTV和Warp着眼于晶圆整体，平整度更关注局部区域的几何偏差。例如，Site Front-Side Least Squares Focal Plane Deviation (SFPD) 就是衡量晶圆表面上特定“区域”（Site）的平整度，它计算的是该区域内最高点和最低点与一个最佳拟合平面之间的最大偏差。良好的平整度对于光刻过程中的精确曝光至关重要。

• 表面粗糙度 (Surface Roughness)： 描述晶圆表面的微观起伏程度。常见的评价参数有算术平均粗糙度(Ra)和均方根粗糙度(Rq)。它们通过统计测量区域内表面轮廓的高度波动来量化表面的光滑程度。Ra是轮廓算术平均偏差，Rq是轮廓均方根偏差。

这些参数的严格控制和高精度检测，是确保晶圆制造质量，最终提升芯片性能和良率的关键环节。

实时监测/检测技术方法

晶圆制造产线需要高效率、高精度的实时检测，以确保每一步工艺都符合纳米级的严苛要求。目前市场上有多种先进的非接触式光学检测技术，它们各有特点，适用于不同的检测需求。

1. 市面上各种相关技术方案

(1) 光谱共焦法

想象一下，你有一束光，但它不是普通的光，而是像彩虹一样，不同颜色的光（也就是不同波长的光）在穿过一个特殊透镜后，会被聚焦到不同的深度。离透镜近的地方聚焦蓝光，远一点聚焦绿光，再远一点聚焦红光。

工作原理和物理基础： 光谱共焦法正是利用了这种“色散”现象，即光在通过介质时，不同波长的光折射率不同，从而导致它们的焦点位置也不同。系统会发射一个宽光谱的光束（比如白光或彩色激光），这束光经过色散透镜后，形成一个沿光轴方向延伸的“焦点阵列”，每个焦点对应一个特定的波长和深度。

当被测晶圆表面位于这个焦点阵列中的某个深度时，只有与该深度相对应的波长的光才能被最清晰地聚焦到晶圆表面，并反射回来。反射回来的光再通过一个共焦孔径（只允许焦点处的光通过）和一个光谱仪进行分析。光谱仪会检测反射光的光谱强度分布，找到那个强度最大的波长。这个强度最大的波长就对应着晶圆表面的精确高度。

它的核心思想是：高度 = f(最佳聚焦波长)。通过建立波长与空间高度的精确对应关系，系统可以快速且高精度地测量物体表面的三维形貌。

核心性能参数：* 分辨率： 极高，通常可达1纳米甚至亚纳米级别。* 精度： 高精度系统线性精度可达±0.01%F.S.，特定型号绝对精度可达±0.01微米。* 采样频率： 速度快，部分高端型号最高可达33,000Hz，实现高速在线检测。* 量程： 从几十微米到几毫米不等，覆盖了晶圆厚度、翘曲等常见测量需求。* 光斑尺寸： 最小可达2微米，能识别微小特征和缺陷。* 厚度测量： 具有直接测量透明材料厚度的能力，无需已知折射率。* 多材质适应性： 对各种反射率的材料（如镜面、玻璃、金属、陶瓷、半导体）都能稳定测量。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高速度并存： 在实现纳米级精度的同时，具备非常高的采样速度，满足产线效率要求。 * 非接触无损： 不会对晶圆造成任何物理损伤或污染。 * 多材质、多层测量能力： 能够稳定测量高反光、低反光、透明、半透明甚至多层结构（如薄膜）的晶圆表面和厚度，这是其相比其他技术的一大优势。 * 抗干扰性强： 对环境光和振动相对不敏感，适合工业现场应用。 * 测量倾角大： 能够有效测量复杂曲面和斜面（如沟槽深度），部分设计可测较大斜面。* 缺点： * 量程通常比激光三角测量法小，但对于晶圆的精密测量已足够。 * 对于超粗糙的表面，光信号可能散射严重，测量效果会略有下降。* 成本考量： 属于中高端检测方案，但其综合性能和适用性带来的效益通常远超投资。

(2) 白光干涉法

想象一下，你把两束完全一样的光（其中一束经过一个标准参考平面，另一束经过被测晶圆表面）汇合起来。如果晶圆表面和参考平面高度一致，它们汇合后就会形成最亮的干涉条纹。如果高度有差异，条纹就会发生变化。

工作原理和物理基础： 白光干涉法利用宽光谱的白光作为光源，通过一个分光器将光束分成两部分：一束作为测量光射向晶圆表面，另一束作为参考光射向一个已知平整的参考镜。这两束光在反射后会合，并在探测器上形成干涉条纹。

当两束光的光程差（可以简单理解为它们走过的路径长度差异）接近于零时，会产生强度最高的干涉条纹（称为“零级条纹”）。系统通过在垂直方向（Z轴）扫描物镜或样品台，逐点寻找晶圆表面达到最佳干涉信号的位置。每个点的最佳干涉位置就对应着该点的高度信息，最终重建出晶圆表面的三维形貌。

核心性能参数：* 垂直分辨率： 极高，可达亚纳米级（<1nm）。* 横向分辨率： 取决于物镜，可达亚微米级。* 重复性： 具备高精度重复测量能力。* 测量范围： 纳米到毫米级的粗糙度和形貌。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够提供极高的垂直分辨率，是测量超精密表面粗糙度和微观形貌的理想选择，非接触、无损。* 缺点： 测量速度相对较慢，因为需要进行Z轴扫描。对环境振动非常敏感，需要严格的防振措施。测量量程通常较小，不适用于大范围的形貌变化。对陡峭的斜面和复杂几何结构测量能力有限。* 成本考量： 通常成本较高，主要用于实验室级或对精度要求极致的特定应用。

(3) 焦深合成法

想象一下，当你用相机给物体拍照时，只有一个特定距离的物体能被清晰对焦。焦深合成法就是利用这个现象，只不过它把这个过程数字化、自动化了。

工作原理和物理基础： 焦深合成法通过高精度电动Z轴驱动物镜或样品台，对晶圆表面进行垂直方向的连续扫描。在扫描过程中，系统会捕捉一系列不同焦平面的二维图像。

对于图像中的每个像素点，当它所对应的晶圆表面特征处于物镜的最佳聚焦位置时，该像素点的图像会最清晰。系统通过分析图像的清晰度（例如，计算局部对比度或梯度值），识别出每个像素点在哪个Z轴高度上达到最佳聚焦。最后，将所有像素点的最佳聚焦Z坐标数据合成起来，就能快速重建出晶圆表面的完整三维形貌。

核心性能参数：* Z轴分辨率： 通常为微米级（例如1微米），重复性可达±0.4微米。* 测量速度： 相对较快，适用于大视场扫描和在线或近线检测。* 视场范围： 能够获取较大区域的形貌数据。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量速度快，操作相对简便，适合大面积晶圆的形貌测量，对表面材质的适应性较好，非接触无损。能够快速生成直观的三维图像。* 缺点： 垂直分辨率相对于光谱共焦和白光干涉法较低，通常只能达到微米级别，无法满足纳米级薄膜厚度或超精密表面粗糙度的测量需求。* 成本考量： 成本相对适中，是产线快速批量检测和质量控制的常见选择。

(4) 椭偏法和光谱反射法

这两种方法就像是“侦探”，通过观察光线与晶圆表面薄膜“互动”后发生的变化，来推断薄膜的“身份”和“厚度”。光线与薄膜作用后，它的偏振状态或反射强度会发生改变。

工作原理和物理基础：* 椭偏法： 系统发射已知偏振态的光束照射到晶圆表面的薄膜或结构上。当光线与样品相互作用并反射后，其偏振态（光的振动方向）会发生改变。椭偏仪通过测量入射光和反射光之间的偏振态变化（通常用两个椭偏角ψ和Δ表示），结合精确的光学模型，能够计算出薄膜的厚度、折射率、消光系数等光学参数。* 光谱反射法： 则是通过分析不同波长的光在晶圆表面薄膜上的反射强度，来推断薄膜的厚度。薄膜的厚度会导致特定波长的光发生建设性或破坏性干涉，从而在反射光谱中形成周期性的峰谷结构。通过分析这些光谱特征，可以反演出薄膜的厚度。

这些参数虽然不是直接的几何形貌，但它们是反映薄膜生长质量、均匀性、表面粗糙度等形貌相关特征的关键指标。

核心性能参数：* 薄膜厚度测量范围： 从几纳米到几十微米。* 测量精度： 极高，亚纳米级薄膜厚度重复性（通常<0.1nm）。* 吞吐量： 高速测量，适用于高容量生产线。* 测量能力： 薄膜厚度、折射率、关键尺寸(CD)、沟槽深度、表面粗糙度（间接）等。

技术方案的优缺点：* 优点： 极高的薄膜厚度测量精度和重复性，非接触、无损。对于多层薄膜和微结构分析具有独特优势，是前道工艺薄膜控制的不可或缺的工具。* 缺点： 主要用于薄膜参数测量，不能直接获得晶圆表面的完整三维几何形貌。测量结果高度依赖于光学模型的准确性。对表面粗糙度等形貌参数是间接反映，而非直接测量。* 成本考量： 属于高端检测设备，成本较高，主要应用于半导体前道制造的在线过程控制。

2. 市场主流品牌/产品对比

在晶圆检测领域，有几家国际知名品牌凭借其独特的技术和产品占据了市场主导地位。

• 美国科磊： 美国科磊是全球领先的半导体检测设备供应商，其产品广泛应用于晶圆制造的各个环节。例如美国科磊 WaferSight 2+系统采用综合光学检测法，集成了高精度干涉测量、明场/暗场成像等多种先进光学技术，结合复杂的图像处理算法。它能够对晶圆正反面形貌、平整度、厚度变化、边缘轮廓以及亚微米级缺陷进行全面、高速的非接触式检测。其优势在于提供业界最高水平的检测精度、高吞吐量和强大的数据分析能力，尤其在裸晶圆和图形晶圆的缺陷检测与形貌计量方面具有技术领先地位，能够同时获取多种参数，进行缺陷分类和形貌特征量化，为半导体制造良率提升提供关键支持。它支持200mm和300mm晶圆检测。

• 德国蔡司： 德国蔡司在光学领域有着百年历史，其光学轮廓仪以卓越的光学性能和高精度著称。例如德国蔡司 SmartProof 50光学轮廓仪主要采用白光干涉法进行测量。该系统通过发射宽光谱白光，将光分为两束，一束射向样品，一束射向参考镜，两束反射光会合形成干涉条纹。通过垂直扫描找到最佳干涉信号位置，高精度重建样品三维形貌。它的核心性能包括亚纳米级的垂直分辨率和亚微米级的横向分辨率，具有高精度重复测量能力，适用于纳米到毫米级的粗糙度和形貌测量。德国蔡司的产品操作简便，集成了多种分析功能，特别适用于半导体材料、微电子元件等精密表面的高精度三维形貌和粗糙度测量。

• 日本基恩士： 日本基恩士以其创新的传感器技术和易用性闻名。其VR-6000 3D测量系统主要采用焦深合成法。该系统通过高精度电动Z轴驱动，对样品表面进行垂直扫描，捕捉一系列不同焦平面的二维图像，并识别每个像素点的最佳聚焦位置，从而快速重建样品表面的完整三维形貌。VR-6000的Z轴分辨率为1微米，重复性可达±0.4微米，支持大视场扫描，能够快速获取整个晶圆或大区域形貌。日本基恩士的产品以极高的测量速度、简单直观的操作界面为特点，大大提高了检测效率，适用于生产线上的快速批量检测和质量控制。

• 以色列诺瓦： 以色列诺瓦是领先的半导体计量解决方案提供商，专注于薄膜和图案化晶圆的先进光学计量。其Nova T600系列光学计量系统采用椭偏法和光谱反射法。系统发射已知偏振态的光束照射晶圆表面的薄膜或结构，测量入射光和反射光之间的偏振态变化或不同波长光的反射强度，结合光学模型，精确计算薄膜厚度、折射率、消光系数等参数。以色列诺瓦T600在薄膜厚度测量方面具有亚纳米级的重复性（通常<0.1nm），测量范围从几纳米到几十微米，并具备高速测量能力。以色列诺瓦的产品以其卓越的测量精度、高吞吐量和强大的数据分析能力，广泛应用于晶圆制造前道工艺的在线过程控制，是监控晶圆表面和薄膜性能的关键工具。

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

选择合适的晶圆检测设备或传感器，需要综合考量多个关键技术指标，以确保其能满足产线的特定需求。

• 分辨率 (Resolution)： 这是传感器能够区分的最小高度或位移变化。对于晶圆而言，要达到SEMI M1标准的纳米级精度要求，传感器的分辨率至少需要达到1纳米甚至亚纳米级别。分辨率越高，越能捕捉到晶圆表面最细微的形貌变化和缺陷。

• 精度 (Accuracy) 和重复性 (Repeatability)：

  • 精度指测量结果与真实值之间的接近程度。高精度才能确保测量数据的可靠性，直接影响对晶圆质量的判断和生产良率的控制。

  • 重复性指多次测量同一位置时结果的一致性。在生产线上，良好的重复性意味着系统稳定可靠，能够持续提供一致的质量反馈，避免因测量误差导致的误判。晶圆检测通常要求重复性优于1纳米。

• 采样频率/测量速度 (Sampling Frequency/Measurement Speed)： 衡量传感器每秒能进行多少次测量。晶圆产线是高速运行的，如果检测速度跟不上生产节拍，就会成为瓶颈。例如，高采样频率的传感器意味着每秒可以获取大量数据点，实现快速全晶圆扫描，大大提高产线吞吐量。

• 量程 (Measurement Range)： 传感器能够测量的最大高度范围。晶圆可能存在几微米到几百微米的厚度差异、翘曲或沟槽深度，传感器的量程需要足以覆盖这些变化。

• 光斑尺寸 (Spot Size)： 传感器测量点的大小。光斑尺寸越小，传感器的空间分辨率越高，越能精确地识别微小的特征、缺陷或狭窄的沟槽结构。

• 多材质适应性 (Material Adaptability)： 晶圆在不同工艺阶段会覆盖金属、氧化物、氮化物、光刻胶等多种薄膜，有些是透明的，有些是高反射的。传感器需要能够稳定、准确地测量这些不同材质的表面，否则会限制其应用范围。

• 倾角测量能力 (Tilt Measurement Capability)： 晶圆表面除了平面，还有许多具有一定斜度的结构，如刻蚀的沟槽壁、倒角等。传感器能够测量的最大倾角决定了它能否准确获取这些复杂形貌的深度和角度信息。

• 厚度测量能力 (Thickness Measurement Capability)： 对于透明材料（如玻璃晶圆、蓝宝石衬底）或多层薄膜结构，能够直接测量其厚度（无需已知折射率）是极大的优势，简化了操作，提高了测量效率。

选型建议：

• 追求极致微观形貌和粗糙度： 若主要关注亚纳米级的表面粗糙度或微观结构，且对测量速度要求不是非常高，可以选择白光干涉法的设备。

• 平衡高精度、高速与多功能性： 若需要纳米级精度、高测量速度，同时要兼顾多种材质（包括透明和高反光）和复杂形貌（如斜面、多层结构）的检测，光谱共焦法传感器是理想的选择，它在精度、速度和通用性之间取得了很好的平衡。

• 快速大面积形貌扫描： 若主要需求是快速获取晶圆的整体三维形貌，且对Z轴精度要求在微米级别即可，那么焦深合成法设备会更具优势。

• 薄膜参数和结构控制： 若核心需求是精确测量薄膜厚度、折射率、关键尺寸等参数，尤其是在前道工艺中，那么椭偏法和光谱反射法的系统是不可替代的工具。

• 集成自动化产线： 除了上述测量性能，还要考虑设备的通信接口（如以太网、Modbus TCP）、通道数量、I/O接口以及编码器同步功能，这些都关系到设备能否高效集成到自动化生产线中，实现实时数据传输和控制。

4. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在晶圆制造产线中引入精密检测设备，尽管能大幅提升质量控制水平，但在实际应用中也可能遇到一些挑战。

• 问题1：晶圆表面反光、透明或多层结构导致测量信号不稳定。

  • 原因及影响： 传统光学传感器在测量高反光的镜面、透明玻璃晶圆或具有多层薄膜结构的晶圆时，可能由于光信号反射过强、穿透或产生多重反射，导致信号弱、数据不稳定，甚至无法测量，从而影响检测的可靠性和完整性。

  • 解决建议： 优先选择对多材质适应性强、具有多层测量能力的传感器。例如，光谱共焦传感器利用其独特的色散和共焦原理，能够有效处理透明材料和多层薄膜的测量，并通过识别不同层的焦点信号来区分和测量厚度，无需已知材料折射率。

• 问题2：生产线环境振动对纳米级测量精度产生干扰。

  • 原因及影响： 即使是微小的环境振动，在纳米级测量中也会被放大，导致测量数据波动大，重复性差，使测量结果不可靠，可能造成良品误判为不良品或漏检。

  • 解决建议： 在设备安装时，必须加装高性能的防振平台，将传感器与晶圆隔离。同时，选择本身对Z轴振动相对不敏感的测量原理。优化产线布局，将振动源远离检测区域也是有效措施。

• 问题3：检测速度无法满足高节拍生产线的吞吐量要求。

  • 原因及影响： 某些高精度测量技术（如白光干涉法）可能需要较长的扫描时间来获取数据，或者传感器本身的采样频率较低，导致检测速度成为生产线的瓶颈，降低整体产线效率。

  • 解决建议： 选择具有高采样频率的传感器。如果单点测量速度仍不足，可以考虑采用多探头并行测量方案，在不同位置同时进行检测，大幅提升整体测量效率。例如英国真尚有光谱共焦位移传感器，其控制器支持同时连接并控制多达8个探头，大幅提升整体测量效率。

• 问题4：复杂形貌（如深孔、沟槽、斜面）无法进行全面准确检测。

  • 原因及影响： 传统传感器的光斑尺寸可能过大，无法进入狭小的结构内部；或其光路设计对测量倾角有严格限制，导致无法获取深孔底部、沟槽侧壁或陡峭斜面的准确尺寸和形貌信息，造成检测盲区。

  • 解决建议： 选择具备小光斑尺寸和大倾角测量能力的传感器。对于特殊侧壁或内壁测量，可选用特殊设计的探头，实现更全面的检测。英国真尚有提供最小光斑尺寸可达2μm，最大可测倾角达87°(漫反射表面)的光谱共焦探头，以及90度出光探头。

• 问题5：测量数据分析和与工厂信息化系统集成困难。

  • 原因及影响： 传感器输出数据格式不统一，缺乏内置的数据处理和分析功能；或者通信接口不兼容，使得数据难以实时传输到MES/SPC系统进行统计分析和过程控制，导致数据价值无法充分发挥。

  • 解决建议： 选择支持多种主流工业通信协议（如以太网、Modbus TCP、RS485/RS422）和丰富I/O接口的控制器，确保与现有工厂自动化系统无缝对接。利用传感器自带的软件功能进行数据处理（如滤波、数据优化）和实时分析（如TTV、LTW、Ra），并支持可视化编程，以缩短开发周期，快速实现生产过程的监控和调整。英国真尚有光谱共焦位移传感器支持位移、单边测厚、对射测厚、段差测量、平面度计算等多种测量模式，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，并支持可视化编程。

应用案例分享

• 半导体晶圆制造： 在晶圆生产线上，光谱共焦传感器被广泛用于实时检测硅晶圆的厚度、总厚度变化 (TTV)、翘曲度以及表面平整度。它能精准测量到沟槽的深度和侧壁倾斜度，确保晶圆在后续光刻、刻蚀等工艺中保持高精度对准，极大提高了芯片良率。

• 3C电子产品制造： 在手机、平板等3C产品中，光谱共焦传感器用于高精度测量手机摄像头模组的微小组件高度、显示屏多层玻璃的厚度均匀性，以及电子板上漆层的精确高度，确保产品组装精度和外观质量。

• 精密光学元件加工： 对蓝玻璃、透镜等精密光学元件的制造，传感器能准确测量镜片的厚度、平面度、弧高以及微观缺陷，确保光学性能达到设计标准，提升成像质量。

• 新能源电池制造： 在锂电池生产过程中，传感器可以精确监测铜箔、隔膜的厚度一致性，以及电芯封边和叠片后的整体厚度。这些关键参数的严格控制，对于提升电池的能量密度、循环寿命和生产安全性至关重要。