如何在半导体制造中选择精度达1纳米的非接触技术，高效完成多层晶圆的薄膜厚度与三维形貌检测？【在线质量控制】

基于多层结构晶圆的基本结构与技术要求

想象一下，一块半导体晶圆，尤其是用于制造先进芯片的多层结构晶圆，就像一座由无数微观城市堆叠而成的摩天大楼。这座“大楼”的每一层（也就是每一层薄膜或结构）都必须建造得极其精确，无论是它的厚度、平整度，还是它与其他层之间的接口状况，都直接影响着整个芯片的性能和可靠性。

多层结构晶圆通常由硅基底，以及在其上通过各种工艺（如沉积、光刻、刻蚀等）生长或堆叠的多层薄膜构成。这些薄膜可能是氧化层、氮化层、金属互连层、介电层等，它们的厚度从几十纳米到几微米不等。

对于这样的复杂结构，我们在测量时面临着几项严苛的技术要求：

• 纳米级精度： 芯片制造工艺已进入纳米时代，哪怕是几纳米的偏差都可能导致器件失效。因此，对晶圆三维形貌的测量精度必须达到纳米级别。

• 多层识别与厚度测量： 晶圆是多层的，我们不仅要测量最顶层的形貌，还需要能够穿透透明或半透明的上层，准确识别并测量其内部各层界面的形貌和各层薄膜的厚度。这就像要在透过玻璃窗看清屋内的每一层楼的结构，并准确判断每层楼的高度。

• 克服表面反射率干扰： 晶圆表面可能高度抛光，像镜面一样光滑，导致强烈的反射；也可能部分区域是漫反射，或者存在透明介质。这些不同的光学特性会严重干扰传统测量方法，让测量数据变得不可靠。如何“看穿”这些复杂的表面，精确地获取形貌数据，是一个巨大的挑战。

• 非接触测量： 晶圆表面非常脆弱且价值高昂，任何物理接触都可能引入划痕或污染，造成不可逆的损伤。所以，测量必须是非接触式的，像“用光线扫描”一样，不留下任何痕迹。

针对多层结构晶圆的相关技术标准简介

为了确保晶圆的质量，行业内对晶圆的各种参数都有一套严格的评价体系。以下是一些常见的监测参数及其评价方法：

• 厚度 (Thickness)： 这是指晶圆的总厚度，以及在多层结构中每一层薄膜的单独厚度。评价时通常会测量晶圆上多个点，计算平均厚度、厚度不均匀性（Total Thickness Variation, TTV）等。

• 平整度 (Flatness)： 描述晶圆表面相对于一个理想平面的偏离程度。它分为全局平整度（如Bow和Warp，描述整个晶圆的弯曲或扭曲）和局部平整度（如Site Flatness，描述芯片区域内的平整度）。平整度不佳会导致光刻焦点偏移，影响良率。

• 粗糙度 (Roughness)： 衡量晶圆表面微观不平整的程度。常见的评价参数有算术平均粗糙度（Ra）、均方根粗糙度（RMS或Rq）等。粗糙度过大会影响薄膜的附着性，甚至造成电学短路。

• 台阶高度 (Step Height)： 在晶圆表面常常存在通过刻蚀或沉积形成的高度差异，比如不同功能区域的边界。测量这些台阶的高度对于确认工艺的准确性至关重要。

• 沟槽深度 (Trench Depth)： 在一些先进芯片结构中，会制作深窄的沟槽以实现隔离或形成特定结构。精确测量这些沟槽的深度和形状是工艺控制的关键。

这些参数的监测，都是为了确保每一步制造工艺都在严格控制之下，从而生产出高品质、高性能的芯片。

实时监测/检测技术方法

市面上各种相关技术方案

在半导体和精密制造领域，为了实现对多层结构晶圆的三维形貌进行纳米级非接触测量，并克服表面反射率干扰，涌现了多种先进的实时监测技术。它们各有特点，适用于不同的场景。

1. 光谱共焦测量技术

光谱共焦测量技术（Chromatic Confocal Measurement），就像给普通的光学显微镜加上了“深度感知”的能力，它能精确判断物体表面在哪个深度。

• 具体工作原理： 这种技术的核心在于利用了“色散”现象。想象一下，一束普通的白光（包含多种颜色），通过一个特殊设计的物镜后，不同的颜色（也就是不同的波长）会因为色散效应，聚焦在光轴上不同的深度位置。例如，红光可能聚焦在较远的地方，蓝光则聚焦在较近的地方，就像彩虹一样，光线沿着深度方向被“分层”了。 当我们将这束光线投射到被测晶圆表面时，只有恰好聚焦在晶圆表面的那个颜色的光才能被清晰地反射回来，并通过一个微小的针孔，最终被光谱仪接收。光谱仪会分析返回光的颜色，然后根据预先标定好的“颜色-距离”对应关系，就能精准地知道晶圆表面的高度。 对于多层透明晶圆，它的神奇之处在于，即使是内部的界面，只要有光线反射回来，光谱仪也能识别出对应波长，从而测量出内部各层的深度，实现一次测量多层同时成像。

• 物理基础： 主要依赖于透镜的纵向色差。当一束包含宽谱光的准直光束经过一个具有色散特性的透镜时，不同波长的光会聚焦在光轴上的不同位置。对于一个特定的物镜，其色散特性是固定的，因此可以建立一个从波长（λ）到焦点位置（z）的映射关系。 当物体表面处于某个焦点z上时，对应波长的光被反射并穿过共焦针孔，被探测器接收。通过检测反射光波长峰值，即可确定z值。 核心公式可以理解为：Z = f(λ)，其中Z是测量深度，λ是接收到的峰值波长。这个函数关系通过系统标定获得。

• 核心性能参数的典型范围：

  • Z轴分辨率：通常可达1纳米（nm）甚至更高。

  • 横向分辨率：一般在微米（µm）级别，例如2µm到10µm。

  • 测量量程：从几十微米到几毫米不等，取决于具体型号。

  • 采样频率：可高达数万赫兹（Hz），实现快速扫描。

  • 多层测量能力：单次测量可识别多达5层或更多层介质。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高精度、高分辨率： 能够实现纳米级Z轴测量精度。

    • 非接触式： 对脆弱的晶圆表面没有任何损伤。

    • 多材质适应性强： 能够稳定测量金属、陶瓷、玻璃、镜面等多种材质，特别是对透明、半透明和高反射表面有很好的适应性，因为它不依赖于反射光的总强度，而是依赖于特定波长的峰值强度，有效克服了表面反射率的干扰。

    • 多层测量能力： 能够一次性穿透并识别多层透明介质的界面，并直接测量各层厚度，无需预设折射率。

    • 抗倾角能力： 对倾斜表面有一定的测量能力。

  • 缺点：

    • 与白光干涉等技术相比，横向分辨率可能略低。

    • 对于大面积扫描，如果需要极高的横向细节，可能需要配备XY扫描平台。

    • 系统的光路设计和校准较为复杂。

2. 白光干涉测量技术

白光干涉测量技术（White Light Interferometry - WLI），可以形象地理解为用“光的波纹”来感知表面高低。

• 具体工作原理： 这种技术发射的是宽光谱的白光，就像手电筒的光一样。这束光被分成两路：一路射向被测晶圆表面，另一路射向一个已知高度的参考镜面。两路反射回来的光线会在传感器上重新相遇并叠加。 当两束光相遇时，如果它们的路程差非常小（接近零），就会产生清晰、高对比度的“干涉条纹”。随着扫描头或样品在Z方向移动，在不同高度的表面位置，都会有特定时刻产生最强的干涉条纹。通过追踪这些条纹出现的位置，系统就能以极高的精度重建物体表面的三维形貌。

• 物理基础： 基于迈克尔逊干涉原理。白光作为宽谱光源，只有当两束光的光程差（OPD）在光源的相干长度范围内时，才能产生可见的干涉条纹。对于白光，相干长度极短，因此只有当物体表面与参考镜面的距离几乎相等时，才会出现高对比度的干涉条纹。通过Z轴扫描，寻找干涉图样包络线的峰值位置，这个位置对应着物体表面的精确高度。 干涉强度 I(z) = I0 * [1 + γ(OPD) * cos(2π * OPD / λ_mean)]，其中 γ(OPD) 是相干函数，在OPD接近零时达到最大值。

• 核心性能参数的典型范围：

  • Z轴分辨率：可达0.1纳米（nm）甚至更高。

  • 横向分辨率：可达亚微米级，如0.37微米。

  • Z轴测量范围：通常从几百微米到几毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 超高Z轴分辨率： 能够达到亚纳米级别，非常适合测量极其微小的表面粗糙度、台阶高度。

    • 非接触、无损： 不对样品造成物理损伤。

    • 二维面测量： 可以快速获取一个区域的3D形貌数据。

  • 缺点：

    • 对样品表面的倾斜度有较高要求，过于陡峭的坡度可能无法测量。

    • 对环境振动非常敏感，需要良好的减震措施。

    • 在测量多层透明材料时，由于每个界面都可能产生干涉，信号处理会变得复杂，有时难以区分。

    • 测量范围相对有限。

3. 焦点变化法

焦点变化法（Focus Variation），可以看作是一种通过“找最清晰的图像”来测量高度的方法。

• 具体工作原理： 这种技术就像一个非常仔细的摄影师在拍照。传感器通过光学系统，逐层扫描工件表面，在不同的焦平面上拍摄一系列图像。当某个表面特征刚好处于焦点位置时，它的图像会最清晰、对比度最高。 系统会分析这些图像，找出图像中最清晰的像素点对应的Z轴位置，然后将这些信息拼接起来，就能重建物体表面的三维形貌。有点像用多张不同焦点的照片合成一张全景深的照片，但这里是为了提取高度信息。

• 物理基础： 基于图像在焦点处具有最大对比度或锐度。通过Z轴扫描，在每个XY点采集一系列图像。利用图像处理算法（如梯度法、方差法、傅里叶变换法等）计算每个像素的清晰度值。清晰度峰值对应的Z轴位置即为该像素点的表面高度。

• 核心性能参数的典型范围：

  • Z轴重复性：可达0.02微米（µm）。

  • 横向分辨率：亚微米级，如0.4微米。

  • Z轴测量范围：可达几十毫米。

  • 测量时间：快的话可达1秒全范围3D测量（取决于测量模式和区域）。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 高速、大范围测量： 适合快速、大面积的3D测量，尤其是在生产线上进行质量控制。

    • 操作简便： 通常不需要复杂的样品夹具或准备。

    • 对材质适应性好： 能够测量多种材料，包括透明和高反射表面。

    • 可测量斜面： 相对其他光学方法，对倾斜度有较好的适应性。

  • 缺点：

    • Z轴分辨率通常不如白光干涉或光谱共焦高。

    • 测量精度可能受表面纹理和对比度的影响。

    • 数据量较大，需要强大的图像处理能力。

4. 原子力显微镜 (AFM)

原子力显微镜（Atomic Force Microscopy - AFM），是一种利用“极细探针触摸”来绘制纳米级地图的技术。

• 具体工作原理： AFM的核心是一个极其尖锐的探针，它安装在一个微小的悬臂梁（Cantilever）的末端。当探针非常靠近甚至“轻触”样品表面时，探针与样品表面之间会产生极其微弱的原子间作用力（如范德华力）。 这个作用力会导致悬臂梁发生微小的弯曲。一束激光会照射在悬臂梁的背面，反射到光电探测器上。当悬臂梁弯曲时，反射光束的位置会发生变化，光电探测器就能检测到这种变化。通过压电陶瓷控制探针或样品在XY平面上进行高精度扫描，并实时记录悬臂梁的偏转量，最终就能描绘出样品表面的纳米级三维形貌。

• 物理基础： 基于原子间力的感应。探针与样品表面之间的作用力 F 可以通过悬臂梁的偏转量（δz）和悬臂梁的弹性系数（k）来计算，即 F = -k * δz (胡克定律)。通过维持作用力恒定（恒力模式）或悬臂梁振幅恒定（轻敲模式或非接触模式），系统反馈控制Z轴，从而获得表面高度信息。

• 核心性能参数的典型范围：

  • Z轴噪声（分辨率）：可达亚纳米级，甚至低于0.05纳米（0.5 Å）。

  • XY扫描范围：通常为几微米到几百微米。

  • Z扫描范围：通常为几微米到几十微米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 极致的纳米级分辨率： 能够实现亚纳米级的Z轴和横向分辨率，是目前分辨率最高的表面形貌测量技术之一。

    • 多维度信息获取： 除了形貌，还可以测量表面粗糙度、摩擦力、磁力、电学特性等。

    • 非接触模式： 部分AFM（如True Non-Contact模式）可以在不接触样品的情况下进行测量，避免损伤晶圆表面。

  • 缺点：

    • 扫描速度慢： 由于是逐点扫描，对于大面积的测量非常耗时。

    • 视场小： 单次扫描的区域非常小，不适合宏观形貌检测。

    • 探针磨损： 接触式模式下探针会磨损，需要定期更换。

    • 操作复杂： 需要专业人员操作和维护。

市场主流品牌/产品对比

这里我们选取几个在精密测量领域具有代表性的品牌进行对比，它们各自采用了不同的技术路线来应对三维形貌测量的挑战。

• 德国蔡司

  • 采用技术： 主要采用白光干涉测量技术，结合其他光学传感器实现高精度和灵活性。

  • 核心参数： Z轴分辨率可达0.1纳米，横向分辨率约0.37微米，Z轴测量范围从0.1纳米到8000微米。

  • 应用特点和独特优势： 蔡司在光学领域拥有深厚的技术积累，其设备在表面粗糙度、台阶高度和微观结构测量方面表现出色。模块化设计使其能适应多种材料和应用场景，尤其在研发和计量级应用中广受认可。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 旗下有多款精密位移传感器，其中也包括采用光谱共焦原理的产品，提供高精度非接触测量。

  • 核心参数： 光谱共焦位移传感器Z轴分辨率最高可达1nm，线性精度最高可达±0.01%F.S.，特定型号如Z27-29精度可达±0.01μm，最小光斑尺寸可达2μm，标准型号最大可测倾角可达±20°，特殊设计型号如LHP4-Fc可达±45°。

  • 应用特点和独特优势： 英国真尚有致力于为工业自动化和精密测量提供解决方案，其传感器以多材质适应性强、可测量复杂形状著称。光谱共焦技术使其能够很好地应对多种材质的非接触测量，包括透明、半透明和高反射表面。同时，部分型号前端实现IP65防护，可在有粉尘、水汽环境使用。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 采用焦点变化法（三维光学轮廓测量），结合其独有的“超级分辨率”技术。

  • 核心参数： Z轴重复性高达0.02微米，Z轴测量范围最大25毫米，横向分辨率在0.4微米。全范围3D测量最快可达1秒。

  • 应用特点和独特优势： 以高速、操作简便、无需复杂样品准备著称，特别适合生产线上的快速、大批量检测和质量控制。能够测量各种材料，包括透明和高反射表面，其高效性在工业界具有显著优势。

• 韩国朴氏系统

  • 采用技术： 原子力显微镜（AFM），并强调其“True Non-Contact”模式。

  • 核心参数： Z轴噪声低于0.5 Å（0.05纳米），XY扫描范围最大300微米，Z扫描范围15微米。适用于最大300毫米的晶圆。

  • 应用特点和独特优势： 在纳米级超高分辨率方面无出其右，能够检测亚纳米级的缺陷和形貌。其无损的True Non-Contact模式对脆弱的晶圆表面提供了极致保护，是半导体工业中高精度缺陷分析和工艺控制的顶尖工具，尤其适用于研发和失效分析。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择适合多层结构晶圆三维形貌扫描的设备，就像选择一套定制工具，需要根据你的具体任务（测量需求）来挑选最合适的“锤子”或“螺丝刀”。这里有几个关键指标，你必须仔细考虑：

1. Z轴分辨率和精度：

   • 实际意义： Z轴分辨率代表传感器能识别的最小高度变化，精度则表示测量结果与真实值之间的最大偏差。你可以把Z轴分辨率想象成一把尺子上的最小刻度，而精度则是这把尺子刻度到底准不准。对于纳米级测量，这两者是核心指标。

   • 对测量效果的影响： 分辨率越高，能检测到的微观细节（如表面粗糙度、微小台阶）就越精细；精度越高，测量结果就越可靠，越能避免误判。

   • 选型建议： 如果你的晶圆工艺对高度变化非常敏感（例如，膜厚公差只有几纳米），或者需要检测亚纳米级的表面粗糙度，那么Z轴分辨率达到1纳米甚至更高的设备是必须的。对于一般形貌测量，10纳米级别的分辨率可能就够了。

2. 横向分辨率和光斑尺寸：

   • 实际意义： 横向分辨率代表传感器能在表面上分辨的最小几何特征尺寸。光斑尺寸是指测量时光束在样品表面形成的最小区域。这就像你用不同粗细的笔在画图，笔尖越细，画出的线条就越精细。

   • 对测量效果的影响： 光斑尺寸越小、横向分辨率越高，就能捕捉到越细小的表面结构、缺陷（如划痕、颗粒）以及窄小的沟槽和孔洞。

   • 选型建议： 如果需要精细测量晶圆上的微小图案、线条宽度或微结构，那么横向分辨率和光斑尺寸越小越好（例如，小于5微米）。对于大面积的宏观平整度测量，光斑尺寸略大一些也可以接受。

3. 量程 (测量范围)：

   • 实际意义： 指传感器能测量的最大高度或深度差。

   • 对测量效果的影响： 量程决定了传感器能够应对的样品高度变化范围。如果测量目标有较大的高度差（比如深孔、高台阶），量程不足的设备就无法完整测量。

   • 选型建议： 晶圆通常比较薄，但如果需要测量晶圆整体厚度、或者有深沟槽，则需要几十微米到几毫米的量程。对于仅仅测量表面粗糙度或微小台阶，几百微米的量程就足够了。

4. 采样频率/扫描速度：

   • 实际意义： 采样频率是指传感器每秒能进行多少次测量。扫描速度则是指单位时间内可以获取多少数据点。这两者决定了测量效率。

   • 对测量效果的影响： 高采样频率和扫描速度可以大大缩短测量时间，提高生产线的检测吞吐量。

   • 选型建议： 对于在线检测或需要快速获取大量数据的应用，选择采样频率高（例如，数万赫兹）的设备至关重要。研发阶段或小批量检测可以适当放宽要求。

5. 多层测量能力与材质适应性：

   • 实际意义： 能否穿透上层透明介质测量内部各层，以及能否适应高反射（镜面）、透明、漫反射等多种材质。

   • 对测量效果的影响： 这是多层晶圆测量的“核心技能”。如果设备不能识别多层，就无法进行薄膜厚度测量；如果不能处理镜面或透明材质，就无法测量晶圆。

   • 选型建议： 光谱共焦技术在这方面有天然优势，能同时识别并测量多层透明介质的厚度，且对反射率变化不敏感。这是选择多层晶圆测量设备时非常重要的考量点。

6. 最大可测倾角：

   • 实际意义： 指传感器能够准确测量样品表面最大倾斜角度的能力。

   • 对测量效果的影响： 如果晶圆表面存在陡峭的沟槽壁、斜面，而传感器倾角适应能力不足，就会导致这些区域无法获取数据（产生“阴影区”）。

   • 选型建议： 对于需要测量复杂三维结构（如微纳刻蚀结构、MEMS器件）的晶圆，选择支持更大倾角（例如，超过20度甚至45度）的设备会更有利。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的设备，在实际应用中，你仍然可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能让你事半功倍。

1. 表面反射率变化与镜面效应干扰：

   • 问题： 晶圆表面可能局部是高度抛光的镜面，局部是刻蚀后的漫反射区域，或存在透明薄膜。这些光学特性差异可能导致传统光学传感器信号饱和、缺失，或产生虚假反射，难以准确识别真正的表面。

   • 原因与影响： 镜面反射光强度极高，可能导致传感器饱和；漫反射光强度低，可能导致信号不足；透明层内部界面的多次反射会混淆测量结果。

   • 解决建议：

     • 选择光谱共焦传感器： 这类传感器通过检测特定波长的峰值强度来确定高度，对反射光的总强度不敏感，因此能有效克服镜面反射造成的饱和问题，并对透明多层材料有很好的识别能力。

     • 调整光源强度： 针对不同表面特性，动态调整光源强度或曝光时间，确保信号在传感器的最佳接收范围内。

     • 多层算法优化： 利用设备内置的多层识别算法，增强对透明层内部界面的区分能力，并能校正由于折射率差异带来的测量偏差。

2. 多层界面识别与薄膜厚度测量的挑战：

   • 问题： 当晶圆上的多层透明薄膜非常薄或各层折射率非常接近时，传感器可能难以区分这些紧密相邻的界面，或者无法准确测量每层薄膜的厚度。

   • 原因与影响： 信号峰值可能重叠或不明显，导致测量结果不准确，甚至无法获取。

   • 解决建议：

     • 高Z轴分辨率设备： 确保选择Z轴分辨率足够高的设备，才能分辨出微小的层间距。

     • 优化算法： 利用设备提供的高级信号处理和峰值识别算法，增强对微弱信号和相邻峰值的区分能力。

     • 光源优化： 采用高稳定性、宽光谱的光源，有助于提高信号质量和识别精度。

3. 倾斜表面或深孔结构的数据缺失：

   • 问题： 晶圆上可能存在深孔、陡峭的沟槽壁或倾斜角度很大的结构。如果传感器光学设计不佳，光线反射不回接收器，导致这些区域无法获得有效的测量数据，形成“阴影区”。

   • 原因与影响： 光学系统接收角度有限，超过一定倾角，反射光会偏离接收窗口。

   • 解决建议：

     • 选择大倾角测量能力的传感器： 某些光谱共焦传感器通过优化光学设计，支持高达45度甚至87度（漫反射表面）的倾角测量。

     • 使用多角度探头： 对于深孔或侧壁，可以考虑使用90度出光探头，从侧面进行扫描。

     • 多角度扫描策略： 通过倾斜样品或传感器，从不同角度进行多次扫描，然后将数据拼接起来。

4. 环境振动与温度波动影响：

   • 问题： 纳米级精度测量对环境非常敏感，轻微的振动（来自机器、人员走动）或温度变化都可能导致测量结果的漂移或不准确。

   • 原因与影响： 振动会使样品与传感器之间的距离不断变化；温度变化会导致设备或样品热膨胀/收缩。

   • 解决建议：

     • 安装防振平台： 使用主动或被动防振平台，隔离外部振动。

     • 控制环境： 在恒温恒湿的洁净室中使用设备，减少环境因素的影响。

     • 软件滤波： 利用测量软件内置的高斯滤波、中值滤波等功能，对采集到的数据进行后期处理，消除随机噪声。

     • 稳定设备基座： 确保传感器和样品夹具都安装在稳定、坚固的基座上。

应用案例分享

光谱共焦传感器由于其独特的技术优势，在多层结构晶圆三维形貌扫描方面得到广泛应用。例如，英国真尚有的光谱共焦传感器，凭借其多材质适应性和高精度，能够胜任以下应用：

• 半导体制造： 精确测量晶圆的整体厚度、局部平整度，以及芯片制造过程中刻蚀沟槽的深度和宽度，检测表面微缺陷，确保每一片晶圆都符合严格的工艺要求。

• 3C电子产品： 对手机摄像头模组中的多层玻璃镜片进行厚度测量和表面形貌检测，确保光学性能；测量显示屏的平面度、段差，提高显示效果。

• 光学器件： 精密测量各种光学镜片的厚度均匀性、表面粗糙度和曲率，如蓝玻璃滤光片等，保证光路的精确性。

• 新能源电池： 监测锂电池铜箔、铝箔的厚度一致性和表面粗糙度，以及涂层厚度和边缘形貌，这对于电池的性能和安全性至关重要。