如何在半导体晶圆制造中，实现1纳米级沟槽深度的高速在线测量？【非接触式检测】

晶圆硅片纳米级沟槽的深度测量是半导体制造中的一个核心环节。想象一下，晶圆就像一块平整的土地，而我们要在上面“耕耘”出无数微小的“田埂”和“沟渠”，这些“沟渠”就是纳米级的沟槽，它们构成了芯片内部复杂的电路结构。这些“沟渠”的深度、宽度乃至侧壁的平整度，都直接影响着电路的性能和芯片的良率。所以，能否精准、快速地测量这些微小沟槽的深度，对于提高生产效率至关重要。

1. 晶圆硅片纳米级沟槽的基本结构与技术要求

晶圆硅片是制造半导体器件的基础材料，而纳米级沟槽是其表面通过光刻、刻蚀等工艺形成的微观结构，用于隔离晶体管、构建电容器或作为互连线。

• 基本结构：沟槽通常呈现为微米或纳米级的长条形凹陷，其侧壁可以是垂直的，也可以有一定的倾斜角度。沟槽的底部是硅衬底或已有的介质层，顶部则是晶圆的表面。这些沟槽的尺寸极小，例如，一些先进工艺的沟槽宽度可能只有几十纳米，深度可达数百纳米到数微米。

• 技术要求：

  • 深度一致性：要求同一晶圆上所有沟槽的深度高度一致。哪怕是几个纳米的偏差，都可能导致器件电学性能不均匀，影响芯片功能。

  • 侧壁垂直度/倾角控制：沟槽的侧壁角度直接影响后续填充材料的质量和器件的电容/电阻特性。例如，过大的倾角可能导致填充不均匀，产生空洞，而过于陡峭的侧壁则可能在某些工艺中难以实现。

  • 底部平整度：沟槽底部表面应尽量平整，没有明显的粗糙或缺陷，以确保后续工艺的良好附着和电学连接。

  • 高深宽比测量：随着技术演进，沟槽往往变得更窄更深，形成了高深宽比结构，这对测量工具的光学穿透和聚焦能力提出了严峻挑战。

2. 晶圆硅片沟槽测量相关技术标准简介

在半导体行业中，对晶圆硅片沟槽深度的监测参数主要关注以下几点：

• 沟槽深度（Trench Depth）：这是最核心的参数，通常定义为从晶圆表面参考平面到沟槽底部平均深度的距离。评价方法是取沟槽内部多个测量点的平均值，以降低局部不均匀性的影响。

• 沟槽宽度（Trench Width）：从沟槽顶部的边缘到另一个边缘的距离，或者沟槽底部最窄处的距离。宽度与深度共同构成沟槽的几何尺寸。

• 沟槽侧壁角度（Sidewall Angle）：衡量沟槽侧壁相对于晶圆表面垂直方向的倾斜度。理想情况下，许多沟槽要求侧壁尽可能垂直（即90度），但实际工艺中总会有一定的角度偏差。通常通过测量侧壁的坡度来计算。

• 底部粗糙度（Bottom Roughness）：沟槽底部的微观起伏程度，常用Ra、Rq等参数来衡量。它反映了刻蚀工艺的均匀性，过高的粗糙度会影响后续薄膜沉积的质量。

• 总深度变化（Total Trench Variation, TTV）：指晶圆上所有测量沟槽深度的最大值与最小值之差，用于评估整个晶圆上沟槽深度的一致性。

这些参数的精确测量是半导体工艺控制的关键，有助于及时发现和纠正生产偏差，确保产品质量。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在晶圆硅片纳米级沟槽的在线测量中，非接触式光学测量技术是主流，能够兼顾精度和效率。

• 光谱共聚焦法 光谱共聚焦测量技术是一种高性能的非接触式位移和厚度测量方法。它的工作原理就像是给白光“戴上了不同颜色的眼镜”，让每种颜色的光（不同波长的光）在不同的高度上才能看得最清楚（聚焦）。

  具体来说，传感器会发射一束宽谱白光（包含多种颜色的光）。这束白光穿过一个特殊的透镜，这个透镜具有色差特性，就像我们小时候玩的凸透镜，会把不同颜色的光聚焦在不同的距离上。比如，红光可能聚焦在距离探头较远的地方，而蓝光则聚焦在距离探头较近的地方。当探头垂直对着晶圆表面时，只有恰好聚焦在晶圆表面的某个特定波长的光，才能被表面反射回来。这束反射光再通过一个微小的针孔（只允许特定角度的光通过），最终被一个光谱仪接收。

  光谱仪的作用就是“识别”反射回来的光是哪种颜色（哪个波长），而这个波长就对应着探头到晶圆表面的精确距离。例如，如果反射回来的是红光，那么传感器就知道晶圆表面距离它有多远；如果是蓝光，距离又是另外一个值。通过这种方式，传感器可以精确地测量出每一个点的Z轴高度。

  对于晶圆沟槽深度的测量，光谱共聚焦传感器会首先测量沟槽上方平坦表面的高度值Z1，然后将光斑聚焦到沟槽底部，测量底部的高度值Z2。沟槽深度D = Z1 - Z2。由于其可以同时识别多层介质，对于透明介圆或者多层结构，也能准确测量各层表面的高度或厚度。

  物理基础与公式：该方法的核心是利用色差原理和共聚焦原理。色差透镜使不同波长的光聚焦在不同轴向位置上。当被测表面处于某一波长λ的焦点位置时，该波长的反射光通过共聚焦针孔被检测器接收并形成光谱峰。通过检测光谱仪测得的峰值波长λ_peak，并利用预先建立的波长-距离标定曲线（Z = f(λ_peak)），即可精确计算出被测点的高度Z。

  核心性能参数典型范围：分辨率可达1纳米（nm）甚至更高，测量速度非常快，采样频率通常在数千赫兹（kHz）到数万赫兹，光斑尺寸可以做到2微米（μm）左右，能够测量较大倾斜角的表面，对透明材料的厚度测量能力也很强。

  技术方案的优缺点：* 优点： * 高精度与高分辨率：纳米级的测量能力，能满足晶圆制造对微小沟槽的严苛要求。 * 非接触式测量：避免对晶圆表面造成物理损伤或污染，特别适用于敏感的半导体材料。 * 高速测量：高采样频率使其能实现在线实时检测，提高生产效率。 * 多材质适应性：对金属、玻璃、镜面、透明材料等多种表面都能稳定测量，尤其适用于透明薄膜或多层结构的厚度测量。 * 复杂形貌测量：小光斑和大的倾角测量能力使其能有效测量深孔、斜面和复杂沟槽。* 缺点： * 成本较高：设备投资相对较高。 * 测量范围受限：单个传感器的量程通常相对有限，需要根据应用选择合适型号。 * 对表面反射率变化敏感：在极端反射率变化大的区域，可能需要更复杂的信号处理或优化。

• 白光干涉法 白光干涉法是一种非常精密的非接触式表面形貌测量技术。它的工作方式就像是拿着一把“光尺”去测量，这把尺子非常特殊，它利用光波的干涉现象来判断高度。

  简单来说，系统会发出一束“彩色”的白光，这束光被分成两路：一路射向待测的晶圆表面，另一路射向一个非常平整的参考镜。这两路光分别从晶圆表面和参考镜反射回来，然后在探测器那里重新汇合。当这两束光的光程（光走过的距离）差异非常小的时候，它们就会发生干涉，形成肉眼可见的“彩虹”条纹。其中，干涉条纹最清晰、最亮的那个位置，就代表这两束光走过的距离几乎完全相等。

  通过精确地上下移动参考镜或者待测样品，寻找晶圆表面每一点产生最清晰干涉条纹的位置，就能计算出该点的准确高度。通过扫描整个区域，就能得到晶圆表面包括沟槽在内的三维形貌数据。

  物理基础与公式：基于迈克尔逊干涉仪等结构，利用双光束干涉原理。当两束相干光的光程差δ满足δ = mλ (m为整数，λ为波长) 时，发生相长干涉，形成亮条纹；当δ = (m+1/2)λ 时，发生相消干涉，形成暗条纹。对于白光干涉，使用宽谱光源，只有当两臂的光程差接近零时，才能观察到高对比度的干涉条纹。通过找到每个点最佳干涉条纹（零光程差）对应的Z轴位置，即可得到高度信息。

  核心性能参数典型范围：Z轴分辨率可达0.1纳米（nm），Z轴重复精度可达1纳米（nm），测量范围从几微米到几毫米，X/Y轴分辨率受限于光学系统和相机像素。

  技术方案的优缺点：* 优点：极高的Z轴测量精度和分辨率，能够进行纳米级的表面形貌分析，对粗糙表面适应性较好。* 缺点：测量速度相对较慢，通常需要进行Z轴扫描，不太适合所有高速在线检测；对环境振动敏感，设备成本较高。

• 激光三角测量法 激光三角测量法是一种直观且快速的非接触式测量方法，想象一下，你用手电筒照墙壁，如果墙壁是斜的，或者有凹凸，手电筒的光斑就会发生变形或移动。激光三角测量就是利用这个原理，但做得非常精确。

  传感器会发射一道窄窄的激光线（或者一个激光点）到晶圆表面。当这束激光碰到表面后，会反射回来。传感器内部有一个高分辨率的相机，它会从一个特定的角度捕捉这束反射光。如果晶圆表面存在高度变化（比如有沟槽），那么反射回来的激光在相机靶面上的位置就会发生偏移。根据发射激光的已知角度、接收相机的角度以及它们之间的距离，形成一个几何三角形。通过测量激光在相机图像上的位置偏移，就可以利用简单的三角函数关系，精确地计算出晶圆表面该点的实际高度。

  物理基础与公式：基于几何三角测量原理。激光器、被测点和接收器（相机镜头中心）构成一个三角形。当被测点高度Z发生变化时，反射光在相机图像传感器上的成像位置Δx也会相应变化。通过几何关系，可以推导出Z与Δx之间的函数关系。一个简化的公式可以表示为：Z = (L * tan(α)) / (1 + (Δx * tan(α)) / (F * cos(β)))，其中L是基线长度，α是激光入射角，β是相机接收角，F是相机焦距。实际应用中会通过标定获得更复杂的映射关系。

  核心性能参数典型范围：Z轴重复精度可达0.2微米（μm），X轴分辨率可达6微米（μm），扫描速度非常快，最高可达10kHz（每秒1万个轮廓）。

  技术方案的优缺点：* 优点：测量速度快，适用于高速生产线上的在线检测；集成度高，传感器本身通常包含处理能力，可直接输出三维数据或厚度结果；设备相对紧凑，易于集成部署。* 缺点：精度和分辨率通常低于光谱共聚焦和白光干涉法；对晶圆表面反光率和倾斜角变化较为敏感；对于透明或半透明材料的测量能力有限。

• 红外吸收法 红外吸收法是一种通过“透视”材料来测量厚度的方法。想象一下，你用一个特殊的手电筒（红外光）去照一张有颜色的纸，纸越厚，光线穿透后就会越暗。红外吸收法就是利用了这种特性。

  系统会发射特定波长的红外光穿透待测的晶圆硅片或其上的膜层。不同的材料，甚至同一材料的不同厚度，对红外光的吸收程度是不同的。传感器会测量红外光在穿透材料前后的强度变化。根据预先建立好的“光强变化-厚度”的校准关系，就能计算出材料的厚度。

  物理基础与公式：基于朗伯-比尔定律。当一束单色光穿过均匀介质时，其强度衰减与介质的厚度和浓度成正比。公式为：A = εbc，其中A是吸光度（A = log10(I0/I)，I0是入射光强度，I是透射光强度），ε是摩尔吸光系数（与材料性质有关），b是光程长度（即膜厚），c是物质浓度。对于均质材料，吸光度与厚度b成正比。

  核心性能参数典型范围：测量精度优于±0.1%，测量速率可达毫秒级响应，适用于高速生产线；测量范围通常适用于几十微米到几百微米的薄膜。

  技术方案的优缺点：* 优点：非接触、测量速度快，适用于连续生产线上的在线厚度测量；对材料特性敏感，可用于成分分析。* 缺点：主要用于测量膜层厚度或整个硅片厚度，不直接测量纳米级沟槽深度；需要预先校准，对材料成分和均匀性有要求；不适用于不透红外光的材料；不能提供表面形貌信息。

（2）市场主流品牌/产品对比

• 日本基恩士 (采用白光干涉法) 日本基恩士在精密测量领域表现出色，其白光干涉法产品在Z轴重复精度上可达到0.001微米（即1纳米），Z轴分辨率更是高达0.1纳米。测量范围最高可达25毫米。这类设备在测量纳米级膜厚和精细表面形貌方面具有卓越的能力，通常被应用于研发实验室和对质量控制要求极高的环节。其优势在于极高的测量精度和分辨率，以及高度的自动化和便捷的操作。

• 德国米铱 (采用光谱共聚焦法) 德国米铱在光谱共聚焦领域有着领先地位，其产品对标准白色表面的分辨率可达0.03微米，测量速率最高可达70kHz，光斑直径小至3微米。这使得它在晶圆沟槽的纳米级深度在线测量中具有显著优势。即使面对粗糙、反射或透明表面，德国米铱的传感器也能提供高精度和高稳定性的测量结果。其响应速度快，抗外部光干扰能力强，产品线丰富，适合在线高速检测和质量控制。

• 加拿大LMI科技 (采用激光三角测量法) 加拿大LMI科技以其3D智能传感器系列闻名，采用激光三角测量法。其产品的X轴分辨率可达6微米，Z轴重复精度可达0.2微米，扫描速度最高可达10kHz。加拿大LMI科技的传感器集成了处理能力，能够快速输出三维数据或厚度结果，非常适合高速生产线上的在线检测。其优势在于高集成度、极快的测量速度和良好的部署易用性，对表面形貌和厚度变化的适应性较好。

• 美国高泰 (采用红外吸收法) 美国高泰专注于在线膜厚测量系统，采用红外吸收法。其产品在特定材料和厚度范围内的测量精度优于±0.1%，并具有毫秒级的响应速度。美国高泰的系统专为在线卷材和片材的连续厚度测量设计，速度快，非常适合大规模批量生产。其独特优势在于能够实时提供厚度分布图和一致性数据，便于过程控制和缺陷检测，是膜材行业领先的在线测量解决方案供应商。

（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

在为晶圆硅片纳米级沟槽深度测量选择合适的设备时，需要综合考虑以下技术指标：

• 分辨率（Resolution）：指传感器能区分的最小高度变化。对于纳米级沟槽，高分辨率是基本要求，直接决定了能否看到微小的深度差异。

• 精度（Accuracy）：衡量测量结果与真实值之间的接近程度。它包含了线性度、重复性等多个方面，是评估测量可靠性的关键。

• 重复性（Repeatability）：在相同测量条件下，多次测量的结果一致性。高重复性意味着传感器稳定可靠，不受随机误差影响，是保证生产质量的关键。

• 测量速度/采样频率（Sampling Frequency）：指传感器每秒能进行多少次测量。对于在线测量，高采样频率至关重要，它能让生产线在快速移动时也能捕捉到足够密度的测量数据，不遗漏任何潜在缺陷。

• 光斑尺寸（Spot Size）：测量光束在被测物表面形成的最小直径。沟槽通常非常狭窄，因此需要极小的光斑，才能聚焦到沟槽内部，避免测量到沟槽边缘或侧壁。

• 量程（Measurement Range）：传感器能测量的最大高度范围。要确保量程足够覆盖沟槽的深度变化，以及晶圆表面的整体起伏。

• 最大可测倾角（Maximum Measurable Angle）：传感器能够稳定测量倾斜表面的能力。晶圆沟槽的侧壁往往有一定倾角，甚至可能呈现复杂结构，较大的倾角测量能力能有效测量这些区域。

• 材质适应性（Material Adaptability）：传感器对不同表面材质（如硅、氧化层、金属层）和表面状态（如镜面、粗糙面、透明）的测量能力。半导体晶圆表面复杂多样，需要传感器具备良好的适应性。

选型建议：

• 对于极致精度和分辨率要求（如亚纳米级沟槽，研发或实验室环境）：白光干涉法可能是首选，但要接受其相对较慢的测量速度和对环境振动的敏感性。

• 对于纳米级沟槽深度在线高速检测，且晶圆表面可能复杂（如多层、透明介质）：光谱共聚焦传感器是理想选择，它兼顾了高精度、高速度、小光斑和多材质适应性。

• 对于对测量速度要求极高，精度要求略低于纳米级（如微米级沟槽深度或表面轮廓）：激光三角测量法可能是一个更经济且高效的选择。

• 对于测量晶圆整体或膜层厚度而非沟槽深度：红外吸收法能提供快速的在线厚度检测，但不能用于形貌或沟槽深度测量。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的晶圆硅片纳米级沟槽深度在线测量中，即便使用了先进的传感器，也可能遇到一些挑战。

• 问题1: 晶圆表面反光率不均匀

  • 原因：晶圆表面可能包含多种材料层（如硅、氧化硅、氮化硅、金属布线），或者经过不同的表面处理，导致局部区域的反光率差异很大。比如，金属区域可能反射率很高，而刻蚀后的硅表面可能反射率较低。

  • 影响：光学传感器在不同反光率区域的信号强度会发生剧烈变化，可能导致测量数据不稳定、信噪比下降，甚至在某些区域无法获得有效数据。这就像你用手电筒去照一面既有镜子又有黑板的墙，反射回来的光强度差异很大，很难同时看清楚所有细节。

  • 解决建议：

    • 选择具有高动态范围和多材质适应性的光谱共聚焦传感器，它们通常能更好地应对不同反射率的表面。

    • 通过传感器软件的自适应增益或曝光控制功能，自动调整光源强度或接收器灵敏度。

    • 在数据处理中加入高斯滤波或中值滤波等算法，平滑数据，减少噪声影响。

• 问题2: 沟槽深宽比大，测量光斑无法有效触及底部或被侧壁遮挡

  • 原因：随着半导体工艺发展，沟槽越来越窄、越来越深，形成了所谓的“高深宽比”结构。在这种情况下，测量光束可能无法完全到达沟槽底部，或者从底部反射回来的光被陡峭的侧壁遮挡，无法被传感器接收。

  • 影响：无法准确测量沟槽底部深度，导致数据缺失或严重偏差，特别是在沟槽边缘。

  • 解决建议：

    • 选用光斑尺寸极小的传感器，以确保光斑能进入狭窄的沟槽底部。

    • 考虑使用探头前端带有90度出光设计或可调节角度的传感器，以便从不同方向照射沟槽侧壁或底部，获取更全面的数据。

    • 结合多点或扫描测量，并通过高级算法重建沟槽的三维形貌，从而推算深度。

• 问题3: 测量速度与精度之间的权衡

  • 原因：在线测量要求高速度，而高精度往往需要更长的采样时间或更精密的扫描。在高速运动的生产线上，传感器采集数据的时间窗口非常短，可能导致为了追求速度而牺牲精度，反之亦然。

  • 影响：如果速度不够快，会成为生产线的瓶颈；如果为了速度牺牲精度，则测量结果不可靠，无法有效指导生产。

  • 解决建议：

    • 选择高采样频率和高分辨率兼备的光谱共聚焦传感器，以在高速下尽可能保持高精度。

    • 优化测量路径和数据采集策略，只测量关键点或关键区域，减少不必要的扫描。

    • 利用传感器内置的高级数据处理功能（如滤波、平均），在不显著增加时间的前提下提高数据质量。

• 问题4: 环境振动和温度变化

  • 原因：半导体生产车间内通常有大量运行设备，会产生微小的机械振动。同时，环境温度的波动也可能导致晶圆本身或传感器内部光学元件发生微小形变。

  • 影响：这些环境因素可能导致晶圆与传感器之间的相对位置发生微小变化，从而引入测量误差，降低测量结果的重复性和稳定性。

  • 解决建议：

    • 在设备安装时，将传感器和晶圆固定在减振台上，或使用高刚性、低振动传递的结构。

    • 确保测量区域的环境温度稳定，避免剧烈波动。

    • 选择具备环境补偿功能或温度稳定性高的传感器。

    • 在软件中引入数字滤波算法（如滑动平均），以抑制高频振动带来的随机噪声。

4. 应用案例分享

• 半导体晶圆制造：在芯片制造流程中，精密测量硅晶圆表面的沟槽深度、凸块高度、多层膜厚和平整度，确保光刻、刻蚀和沉积等关键工艺的精度，提高芯片的良品率和性能。

• 微机电系统 (MEMS) 器件：用于检测微型传感器、执行器等MEMS器件的复杂微结构尺寸，如微孔深度、悬臂梁厚度、腔体高度和侧壁角度，以保障MEMS器件的组装精度和功能性能。

• 光学元件制造：对光学镜片、光纤连接器、蓝玻璃等精密光学元件的表面粗糙度、曲率半径和厚度进行纳米级测量，确保光学性能达到设计要求。

• 精密制造与质量控制：在手机摄像头模组、显示屏、精密金属件等高价值产品的制造过程中，进行段差测量、孔深度、螺纹孔深度和平面度检测，确保产品尺寸精度和表面质量。