一、引言
1.1 研究背景與意義
在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的浪潮中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)的核心支撐，正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，深刻改變著人們的生活和社會(huì)的運(yùn)行方式。從智能手機(jī)、電腦到各類智能穿戴設(shè)備，從自動(dòng)駕駛汽車到人工智能服務(wù)器，半導(dǎo)體器件無處不在，成為推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵力量。而晶圓，作為半導(dǎo)體器件的核心載體，其制造精度和質(zhì)量直接決定了半導(dǎo)體器件的性能、可靠性和成本。在半導(dǎo)體制造的復(fù)雜流程中，晶圓厚度是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和質(zhì)量有著深遠(yuǎn)影響。
隨著集成電路制造技術(shù)的不斷演進(jìn)，芯片特征尺寸持續(xù)縮小，這對(duì)晶圓厚度的控制提出了更高的要求。在先進(jìn)的制程工藝中，晶圓厚度的微小偏差都可能導(dǎo)致芯片性能的顯著下降，甚至引發(fā)芯片故障。例如，在高性能處理器的制造中，不均勻的晶圓厚度會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的電流分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生熱點(diǎn)，影響芯片的穩(wěn)定性和壽命。此外，隨著芯片集成度的不斷提高，對(duì)晶圓厚度的一致性要求也越來越嚴(yán)格。只有保證晶圓厚度的高度均勻性，才能確保芯片在制造過程中的一致性和可靠性，提高芯片的良品率和性能穩(wěn)定性。
與此同時(shí)，晶圓減薄工藝的興起與發(fā)展，使得晶圓測(cè)厚成為半導(dǎo)體制造過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在晶圓減薄過程中，精確測(cè)量晶圓厚度可以為工藝控制提供實(shí)時(shí)反饋，確保晶圓減薄的均勻性和準(zhǔn)確性，避免因減薄過度或不足而導(dǎo)致的晶圓報(bào)廢。此外，在晶圓的切割、蝕刻與拋光等后續(xù)加工過程中，準(zhǔn)確的晶圓厚度信息也是保證加工精度和質(zhì)量的重要依據(jù)。
然而，傳統(tǒng)的晶圓厚度測(cè)量方法面臨著諸多挑戰(zhàn)。早期的接觸式測(cè)量方法，如千分尺、輪廓儀等，雖然簡(jiǎn)單直觀，但測(cè)量精度低，且容易對(duì)晶圓表面造成損傷，增加材料損失和生產(chǎn)成本。隨著科技的進(jìn)步，非接觸式測(cè)量方法逐漸成為主流，如白光干涉儀、射線熒光法、激光位移傳感器等。然而，這些方法也存在各自的局限性。例如，白光干涉儀對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，容易受到環(huán)境噪聲和振動(dòng)的干擾；射線熒光法設(shè)備復(fù)雜，成本高昂，且存在輻射風(fēng)險(xiǎn)；激光位移傳感器在測(cè)量透明或高反射率的晶圓時(shí)，容易出現(xiàn)信號(hào)失真和測(cè)量誤差。
光譜共焦傳感器作為一種新興的高精度非接觸式測(cè)量技術(shù)，為晶圓厚度測(cè)量提供了新的解決方案。它融合了光譜分析和共焦成像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)晶圓厚度的高精度、高分辨率測(cè)量。其獨(dú)特的測(cè)量原理使其不受晶圓表面材質(zhì)和光強(qiáng)的影響，能夠有效避免傳統(tǒng)測(cè)量方法中存在的問題。例如，光譜共焦傳感器利用不同波長(zhǎng)的光在聚焦時(shí)的軸向位移差異，通過分析反射光的光譜信息來確定晶圓表面的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓厚度的精確測(cè)量。這種非接觸式的測(cè)量方式不僅避免了對(duì)晶圓表面的損傷，還提高了測(cè)量的速度和精度。
在半導(dǎo)體制造的實(shí)際生產(chǎn)線上，光譜共焦傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)晶圓厚度的變化，為工藝調(diào)整提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓厚度的閉環(huán)控制，有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在光刻工藝中，精確的晶圓厚度信息可以幫助調(diào)整光刻設(shè)備的焦距，確保光刻圖案的精度和質(zhì)量；在芯片封裝過程中，準(zhǔn)確的晶圓厚度測(cè)量可以保證芯片與封裝材料之間的良好貼合，提高封裝的可靠性。
綜上所述，光譜共焦傳感器在半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。深入研究光譜共焦傳感器的測(cè)量原理、優(yōu)化其測(cè)量性能，對(duì)于推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，晶圓厚度測(cè)量技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)投入大量資源，致力于開發(fā)更加先進(jìn)、精確的測(cè)量方法和技術(shù)。
在國(guó)外，美國(guó)、日本和德國(guó)等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在光譜共焦傳感器測(cè)量晶圓厚度的研究方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，如英特爾、IBM 等，利用先進(jìn)的光譜共焦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶圓厚度的高精度測(cè)量。他們通過優(yōu)化傳感器的光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理算法，提高了測(cè)量的分辨率和穩(wěn)定性。例如，英特爾在其半導(dǎo)體制造過程中，采用了高精度的光譜共焦傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶圓厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確控制，有效提高了芯片的良品率和性能。
日本的企業(yè)，如尼康、佳能等，在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積累。他們研發(fā)的光譜共焦傳感器具有高分辨率、高速度的特點(diǎn)，能夠滿足半導(dǎo)體制造對(duì)晶圓厚度測(cè)量的嚴(yán)格要求。例如，尼康的光譜共焦傳感器采用了先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)晶圓厚度的亞微米級(jí)測(cè)量，為半導(dǎo)體制造提供了可靠的技術(shù)支持。
德國(guó)的一些企業(yè)，如米銥、西克等，也在光譜共焦傳感器領(lǐng)域取得了顯著的成果。他們的產(chǎn)品以高精度、高可靠性著稱，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、汽車、航空航天等領(lǐng)域。例如，米銥的光譜共焦傳感器采用了獨(dú)特的光學(xué)原理和先進(jìn)的制造工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種材料表面的高精度測(cè)量，在半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量中表現(xiàn)出色。
在國(guó)內(nèi)，近年來隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)晶圓厚度測(cè)量技術(shù)的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校以及一些科研機(jī)構(gòu)，如中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司等，在光譜共焦傳感器測(cè)量晶圓厚度的研究方面開展了大量的工作。他們通過自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，不斷提高光譜共焦傳感器的性能和測(cè)量精度。
例如，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光譜共焦技術(shù)的晶圓厚度測(cè)量方法，通過優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶圓厚度的高精度測(cè)量。他們的研究成果在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造企業(yè)中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。
浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則開發(fā)了一種新型的光譜共焦傳感器，該傳感器采用了先進(jìn)的光纖技術(shù)和微納加工工藝，具有體積小、重量輕、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。他們的研究成果為光譜共焦傳感器在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用提供了新的思路和方法。
盡管國(guó)內(nèi)外在光譜共焦傳感器測(cè)量晶圓厚度的研究方面取得了一定的成果，但仍然存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的光譜共焦傳感器在測(cè)量精度、速度和穩(wěn)定性等方面還不能完全滿足半導(dǎo)體制造對(duì)高精度、高效率的要求。在測(cè)量精度方面，雖然一些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)的測(cè)量，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到環(huán)境因素、材料特性等因素的影響，測(cè)量精度仍然存在一定的波動(dòng)。在測(cè)量速度方面，目前的測(cè)量速度還不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，需要進(jìn)一步提高測(cè)量速度，以提高生產(chǎn)效率。在穩(wěn)定性方面，傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性還有待進(jìn)一步提高，以確保在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中能夠保持穩(wěn)定的測(cè)量性能。
另一方面，光譜共焦傳感器的成本較高，限制了其在半導(dǎo)體制造中的廣泛應(yīng)用。光譜共焦傳感器的制造工藝復(fù)雜，需要使用高精度的光學(xué)元件和先進(jìn)的制造設(shè)備，導(dǎo)致傳感器的成本居高不下。此外，傳感器的校準(zhǔn)和維護(hù)也需要專業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備，增加了使用成本。因此，降低光譜共焦傳感器的成本，提高其性價(jià)比，是未來研究的一個(gè)重要方向。
1.3 研究?jī)?nèi)容與方法
本研究旨在深入探究光譜共焦傳感器在測(cè)量晶圓厚度方面的應(yīng)用，通過一系列具體的研究?jī)?nèi)容和科學(xué)的研究方法，全面提升對(duì)這一技術(shù)的理解和應(yīng)用水平。
在研究?jī)?nèi)容上，首先深入剖析光譜共焦傳感器測(cè)量晶圓厚度的原理。詳細(xì)闡述光譜共焦的基本原理，包括寬光譜光源發(fā)出復(fù)色光，經(jīng)照明孔、分光棱鏡后被物鏡色散，以不同波長(zhǎng)光投射到被測(cè)物體表面，聚焦在表面的波長(zhǎng)光線反射回對(duì)應(yīng)的針孔，利用表面焦點(diǎn)和圖像平面焦點(diǎn)間的共軛關(guān)系計(jì)算測(cè)距值。深入分析該原理在晶圓厚度測(cè)量中的具體應(yīng)用，如如何通過分析反射光的光譜信息來確定晶圓上下表面的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓厚度的精確測(cè)量。研究過程中，充分考慮晶圓的材質(zhì)特性、表面狀態(tài)等因素對(duì)測(cè)量原理的影響，確保測(cè)量原理的準(zhǔn)確性和可靠性。
其次，進(jìn)行光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。根據(jù)測(cè)量原理和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出合理的測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)處理電路等關(guān)鍵部分。在光源選擇上，考慮其穩(wěn)定性、光譜范圍等因素；光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則注重物鏡的選型、焦距和數(shù)值孔徑的優(yōu)化，以提高測(cè)量的分辨率和精度；探測(cè)器的選擇要滿足高靈敏度、快速響應(yīng)的要求；信號(hào)處理電路則負(fù)責(zé)對(duì)探測(cè)器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際搭建和調(diào)試，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
再者，開展光譜共焦傳感器性能測(cè)試與分析。對(duì)傳感器的測(cè)量精度、分辨率、重復(fù)性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲取不同條件下傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估傳感器的性能表現(xiàn)。分析影響傳感器性能的因素，如環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等，以及測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置，如光源強(qiáng)度、探測(cè)器靈敏度等。針對(duì)影響因素，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，如采用溫度補(bǔ)償技術(shù)、優(yōu)化信號(hào)處理算法等，以提高傳感器的性能。
最后，進(jìn)行光譜共焦傳感器在晶圓厚度測(cè)量中的應(yīng)用案例分析。選取實(shí)際的半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)場(chǎng)景，應(yīng)用所設(shè)計(jì)的光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行晶圓厚度測(cè)量。詳細(xì)記錄測(cè)量過程和結(jié)果，分析測(cè)量數(shù)據(jù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值，如如何通過測(cè)量數(shù)據(jù)優(yōu)化晶圓制造工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。對(duì)應(yīng)用過程中遇到的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，提出解決方案，為光譜共焦傳感器在半導(dǎo)體晶圓制造中的廣泛應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
在研究方法上，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和案例分析相結(jié)合的方式。理論分析方面，通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，深入研究光譜共焦傳感器的測(cè)量原理、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理算法等相關(guān)理論知識(shí)。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和物理原理，對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行模擬和分析，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)研究方面，搭建完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，控制變量，研究各因素對(duì)傳感器性能的影響。使用高精度的標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
案例分析方面，深入半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)企業(yè)，選取實(shí)際的生產(chǎn)案例進(jìn)行分析。了解企業(yè)在晶圓厚度測(cè)量方面的需求和現(xiàn)狀，分析光譜共焦傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和不足。與企業(yè)工程師合作，共同解決應(yīng)用過程中遇到的問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為光譜共焦傳感器的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣提供實(shí)踐依據(jù)。
二、光譜共焦傳感器測(cè)量原理剖析
2.1 光譜共焦基本原理闡釋
光譜共焦傳感器的測(cè)量原理融合了光的色散和共焦技術(shù)，是一種極具創(chuàng)新性和高精度的測(cè)量方式。其核心在于利用寬光譜光源發(fā)出的復(fù)色光，在經(jīng)過一系列復(fù)雜而精妙的光學(xué)元件處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體距離的精確測(cè)量，進(jìn)而為晶圓厚度測(cè)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
當(dāng)一束寬光譜光源發(fā)出的復(fù)色光，猶如一道絢麗的彩虹，蘊(yùn)含著豐富的色彩和能量，首先照射到照明孔上。照明孔的作用如同一個(gè)精密的篩選器，它只允許特定的光線通過，確保進(jìn)入后續(xù)光路的光線具有良好的方向性和穩(wěn)定性。接著，光線穿過分光棱鏡，分光棱鏡就像一位神奇的魔術(shù)師，將復(fù)色光巧妙地分解成不同波長(zhǎng)的單色光。這些單色光仿佛被賦予了不同的 “使命”，各自沿著不同的路徑傳播。
隨后，經(jīng)過色散處理的不同波長(zhǎng)的光被物鏡聚焦到光軸上，色散地形成一條彩虹狀分布帶，宛如一條懸掛在光軸上的七彩絲帶，美不勝收。這條分布帶中的每一種顏色都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的波長(zhǎng)，而這些波長(zhǎng)與物體到透鏡的距離之間存在著緊密而微妙的聯(lián)系。當(dāng)這束色散后的光照射到樣品上時(shí)，只有聚焦到測(cè)量物體表面的反射光才能經(jīng)歷后續(xù)的關(guān)鍵過程。
照射在光軸與物體表面交點(diǎn)的光，如同找到了 “歸宿”，經(jīng)過分光部件，成功通過小孔照射到光譜分析儀。光譜分析儀就像是一位敏銳的 “觀察者”，它能夠精確地測(cè)量反射光的波長(zhǎng)。根據(jù)波長(zhǎng)計(jì)算就可以獲得鏡頭到被測(cè)物的距離，這一過程猶如解開一道神秘的密碼，將光的波長(zhǎng)信息轉(zhuǎn)化為物體的距離信息。
在整個(gè)測(cè)量過程中，表面焦點(diǎn)和圖像平面焦點(diǎn)間的共軛關(guān)系起著至關(guān)重要的作用。這種共軛關(guān)系就像一座無形的橋梁，將物體表面的實(shí)際位置與傳感器所接收到的光學(xué)信號(hào)緊密地聯(lián)系在一起。通過對(duì)反射光的波長(zhǎng)進(jìn)行精確測(cè)量和分析，利用表面焦點(diǎn)和圖像平面焦點(diǎn)間的共軛關(guān)系，從而計(jì)算出測(cè)距值，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體距離的高精度測(cè)量。
為了更深入地理解光譜共焦傳感器的測(cè)量原理，我們可以借助一個(gè)生動(dòng)的比喻。想象一下，光譜共焦傳感器就像是一位技藝高超的音樂家，寬光譜光源發(fā)出的復(fù)色光如同一段豐富多樣的旋律，包含著各種不同的音符（波長(zhǎng)）。照明孔和分光棱鏡就像是音樂的過濾器和調(diào)音器，將這段旋律進(jìn)行篩選和分解，使其更加清晰和有序。物鏡則像是一位指揮家，將不同的音符（波長(zhǎng)）聚焦到特定的位置，形成一條和諧的彩虹狀分布帶。當(dāng)光照射到物體表面并反射回來時(shí)，光譜分析儀就像是一位專業(yè)的音樂評(píng)論家，能夠準(zhǔn)確地分辨出每個(gè)音符（波長(zhǎng)），并根據(jù)這些音符（波長(zhǎng)）計(jì)算出物體的距離，就像從旋律中解讀出音樂的內(nèi)涵一樣。
在實(shí)際應(yīng)用中，光譜共焦傳感器的測(cè)量原理展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)。由于其利用光的色散和共焦原理，檢測(cè)不受光強(qiáng)的影響，鏡頭內(nèi)部元器件不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，從而保證了測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。此外，光譜共焦傳感器采用同軸共焦原理，可以保證即使被測(cè)物存在傾斜或翹曲，也可進(jìn)行高精度的測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)不會(huì)改變，且沒有像差干擾，所以不會(huì)影響測(cè)量精度。這使得光譜共焦傳感器在對(duì)測(cè)量精度要求極高的半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。
2.2 測(cè)量晶圓厚度的原理詳述
當(dāng)光譜共焦傳感器用于測(cè)量晶圓厚度時(shí)，其原理基于對(duì)晶圓上下表面反射光的精確分析。首先，傳感器發(fā)出的寬光譜光投射到晶圓上，由于晶圓具有一定的厚度和光學(xué)特性，光在晶圓內(nèi)部會(huì)發(fā)生折射和傳播。
對(duì)于晶圓的上表面，當(dāng)光照射到該表面時(shí)，一部分光被反射回來，這部分反射光的波長(zhǎng)與傳感器到上表面的距離密切相關(guān)。根據(jù)光譜共焦的基本原理，通過測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，就可以精確計(jì)算出傳感器到晶圓上表面的距離，我們將這個(gè)距離記為d1 。
接著，光會(huì)穿透晶圓繼續(xù)傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)晶圓的下表面時(shí)，同樣會(huì)有一部分光被反射回來。這部分反射光在返回傳感器的過程中，經(jīng)歷了與上表面反射光不同的光程。由于晶圓的折射率以及光在晶圓內(nèi)部的傳播路徑，下表面反射光的波長(zhǎng)也包含了豐富的信息。通過對(duì)下表面反射光波長(zhǎng)的測(cè)量和分析，利用光譜共焦的原理和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出傳感器到晶圓下表面的距離，記為d2 。
在實(shí)際計(jì)算過程中，考慮到光在不同介質(zhì)中的傳播特性以及晶圓的折射率等因素，通常會(huì)運(yùn)用一些特定的公式和算法。假設(shè)晶圓的折射率為 n，光在真空中的波長(zhǎng)為λ0 ，在晶圓中的波長(zhǎng)為λ ，根據(jù)光的折射定律和光譜共焦的原理，有λ=λ0除以n 。通過測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，結(jié)合上述關(guān)系以及傳感器的光學(xué)參數(shù)，可以準(zhǔn)確計(jì)算出距離 d1和d2 。
而晶圓的厚度t ，就等于傳感器到下表面的距離d2 減去傳感器到上表面的距離d1 ，即t=d2-d1 。這個(gè)計(jì)算過程看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上涉及到對(duì)光的傳播特性、光譜分析以及數(shù)學(xué)模型的精確運(yùn)用。在實(shí)際測(cè)量中，還需要考慮各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如環(huán)境溫度、濕度對(duì)光的傳播和傳感器性能的影響，晶圓表面的平整度和粗糙度對(duì)反射光的影響等。為了提高測(cè)量的精度和可靠性，通常會(huì)采用一些校準(zhǔn)和補(bǔ)償措施，如對(duì)傳感器進(jìn)行定期校準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和噪聲濾波等處理。
2.3 與其他測(cè)量方法對(duì)比優(yōu)勢(shì)
在半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量領(lǐng)域，光譜共焦傳感器與其他常見測(cè)量方法相比，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。以白光干涉儀、激光位移傳感器等為代表的傳統(tǒng)測(cè)量方法，雖然在一定程度上滿足了部分測(cè)量需求，但在面對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體制造對(duì)高精度、高可靠性的嚴(yán)苛要求時(shí)，逐漸顯露出其局限性。
白光干涉儀利用光學(xué)干涉原理，通過分析干涉條紋的變化來測(cè)量物體的高度和厚度。其測(cè)量精度較高，在一些對(duì)精度要求極高的場(chǎng)合有一定應(yīng)用。然而，白光干涉儀對(duì)測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定性要求極為苛刻，輕微的環(huán)境振動(dòng)、溫度變化或氣流擾動(dòng)都可能導(dǎo)致干涉條紋的不穩(wěn)定，從而引入測(cè)量誤差。在實(shí)際的半導(dǎo)體制造車間中，環(huán)境因素復(fù)雜多變，很難保證始終滿足白光干涉儀的測(cè)量條件。此外，白光干涉儀的測(cè)量速度相對(duì)較慢，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)線上快速測(cè)量的需求。在半導(dǎo)體制造過程中，生產(chǎn)效率至關(guān)重要，而白光干涉儀的低測(cè)量速度可能會(huì)成為生產(chǎn)流程中的瓶頸。
激光位移傳感器則是利用激光的反射原理，通過測(cè)量激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間差或相位差來計(jì)算物體的位移和距離。它具有測(cè)量速度快、響應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)，在一些對(duì)測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合有一定應(yīng)用。但是，激光位移傳感器在測(cè)量透明或高反射率的晶圓時(shí)，會(huì)遇到嚴(yán)重的問題。由于透明晶圓對(duì)激光的透過率較高，使得反射光信號(hào)較弱，難以準(zhǔn)確測(cè)量；而高反射率的晶圓表面則會(huì)使反射光過于強(qiáng)烈，導(dǎo)致傳感器飽和，無法獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，激光位移傳感器的測(cè)量精度相對(duì)較低，難以滿足現(xiàn)代半導(dǎo)體制造對(duì)亞微米級(jí)甚至納米級(jí)精度的要求。
相比之下，光譜共焦傳感器在精度方面表現(xiàn)卓越。它利用光的色散和共焦原理，通過分析反射光的光譜信息來確定物體的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)甚至納米級(jí)的高精度測(cè)量。在測(cè)量晶圓厚度時(shí)，光譜共焦傳感器能夠精確地分辨出晶圓上下表面的位置，從而得到高精度的厚度測(cè)量結(jié)果。這種高精度的測(cè)量能力對(duì)于現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝至關(guān)重要，能夠有效提高芯片的良品率和性能。
在非接觸性方面，光譜共焦傳感器采用非接觸式測(cè)量方式，避免了與晶圓表面的直接接觸，從而不會(huì)對(duì)晶圓表面造成任何損傷。這對(duì)于表面極為脆弱、容易受到劃傷或污染的晶圓來說，是一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)。在半導(dǎo)體制造過程中，晶圓表面的任何微小損傷都可能導(dǎo)致芯片性能的下降，甚至報(bào)廢。因此，光譜共焦傳感器的非接觸性能夠有效保護(hù)晶圓表面，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
光譜共焦傳感器對(duì)透明材料具有出色的適應(yīng)性。由于其測(cè)量原理基于光譜分析，能夠有效識(shí)別透明晶圓的上下表面反射光，從而準(zhǔn)確測(cè)量其厚度。這一優(yōu)勢(shì)使得光譜共焦傳感器在半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，能夠解決其他測(cè)量方法在測(cè)量透明晶圓時(shí)遇到的難題。在實(shí)際應(yīng)用中，光譜共焦傳感器能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量透明晶圓的厚度，為半導(dǎo)體制造工藝提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
三、光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)搭建
3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)宛如一座精密的光學(xué)儀器宮殿，其總體架構(gòu)設(shè)計(jì)融合了多種先進(jìn)技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓厚度的高精度測(cè)量。該系統(tǒng)主要由光源、光學(xué)鏡頭、探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理單元等核心組件構(gòu)成，各組件之間緊密協(xié)作，如同精密鐘表中的齒輪，相互配合，確保測(cè)量工作的精準(zhǔn)與高效。
光源作為整個(gè)系統(tǒng)的 “能量之源”，為測(cè)量提供了關(guān)鍵的照明。在本系統(tǒng)中，選用了寬光譜光源，其發(fā)出的復(fù)色光猶如一道絢麗的彩虹，蘊(yùn)含著豐富的波長(zhǎng)信息。這種光源能夠覆蓋從可見光到近紅外光的廣泛光譜范圍，為后續(xù)的色散和測(cè)量提供了充足的光信號(hào)。例如，常見的超連續(xù)譜光源，其光譜范圍可覆蓋 400nm - 2000nm，能夠滿足不同類型晶圓的測(cè)量需求。
光學(xué)鏡頭則是系統(tǒng)的 “眼睛”，負(fù)責(zé)將光源發(fā)出的光聚焦到晶圓表面，并收集反射光。它主要包括照明物鏡和接收物鏡，二者協(xié)同工作，確保光信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和聚焦。照明物鏡將寬光譜光源發(fā)出的光聚焦到晶圓表面，形成一個(gè)微小的光斑，如同將陽(yáng)光聚焦到一點(diǎn)，增強(qiáng)光的能量密度。接收物鏡則負(fù)責(zé)收集晶圓表面反射回來的光，并將其傳輸?shù)教綔y(cè)器。物鏡的焦距和數(shù)值孔徑是影響測(cè)量精度和分辨率的重要參數(shù)。焦距決定了物鏡對(duì)光的聚焦能力，數(shù)值孔徑則影響了物鏡對(duì)光的收集能力和分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)晶圓的尺寸、表面特性以及測(cè)量精度要求，選擇合適焦距和數(shù)值孔徑的物鏡。
探測(cè)器作為光信號(hào)的 “接收器”，承擔(dān)著將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的重要任務(wù)。在本系統(tǒng)中，采用了高性能的光譜分析儀作為探測(cè)器。它能夠精確地測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，猶如一位敏銳的 “波長(zhǎng)偵探”，捕捉到光信號(hào)中的細(xì)微差異。光譜分析儀的分辨率和靈敏度直接影響著測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。高分辨率的光譜分析儀能夠分辨出非常接近的波長(zhǎng)，從而提高測(cè)量的精度；高靈敏度的光譜分析儀則能夠檢測(cè)到微弱的光信號(hào)，確保在不同的測(cè)量條件下都能準(zhǔn)確地獲取反射光的波長(zhǎng)信息。
數(shù)據(jù)處理單元是系統(tǒng)的 “大腦”，負(fù)責(zé)對(duì)探測(cè)器采集到的電信號(hào)進(jìn)行處理和分析。它首先對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，去除噪聲和干擾，使信號(hào)更加清晰。然后，通過特定的算法對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出晶圓的厚度。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和算法，如快速傅里葉變換、最小二乘法等，以提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度。快速傅里葉變換能夠?qū)r(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，便于分析信號(hào)的頻率成分；最小二乘法能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
在系統(tǒng)的連接方式上，各組件之間通過高精度的光學(xué)光纖和電氣線路緊密相連。光學(xué)光纖負(fù)責(zé)傳輸光信號(hào)，其具有低損耗、高帶寬的特點(diǎn)，能夠確保光信號(hào)在傳輸過程中的質(zhì)量和穩(wěn)定性。電氣線路則負(fù)責(zé)傳輸電信號(hào)和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各組件的精確控制和數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理，各組件之間的連接緊密可靠，確保了測(cè)量系統(tǒng)的高效運(yùn)行和高精度測(cè)量。
3.2 核心組件選型依據(jù)
在搭建光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，核心組件的選型至關(guān)重要，直接影響著系統(tǒng)的測(cè)量性能和精度。
寬光譜光源的選擇是基于其能夠提供豐富的波長(zhǎng)信息，滿足光譜共焦測(cè)量對(duì)多種波長(zhǎng)光的需求。在眾多寬光譜光源中，超連續(xù)譜光源以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。超連續(xù)譜光源能夠覆蓋從可見光到近紅外光的廣泛光譜范圍，其光譜的連續(xù)性和穩(wěn)定性為光譜共焦測(cè)量提供了可靠的基礎(chǔ)。例如，在測(cè)量不同材質(zhì)的晶圓時(shí)，超連續(xù)譜光源的寬光譜特性能夠確保對(duì)各種晶圓的表面都能產(chǎn)生有效的反射光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量。相比之下，傳統(tǒng)的光源如鹵鎢燈、氙燈等，雖然也能提供一定范圍的光譜，但在光譜的穩(wěn)定性、連續(xù)性以及光斑質(zhì)量等方面存在不足。鹵鎢燈的光譜分布不夠均勻，且隨著使用時(shí)間的增加，其發(fā)光強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減；氙燈則存在啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、能耗大等問題。因此，超連續(xù)譜光源成為本系統(tǒng)中光源的理想選擇。
高分辨率探測(cè)器對(duì)于準(zhǔn)確捕捉反射光信號(hào)至關(guān)重要。在探測(cè)器的選型中，CCD 探測(cè)器因其高靈敏度和高分辨率的特點(diǎn)而被采用。CCD 探測(cè)器能夠?qū)⑽⑷醯墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過精確的像素陣列對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理。在光譜共焦測(cè)量中，CCD 探測(cè)器可以準(zhǔn)確地分辨出反射光的波長(zhǎng)信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供高精度的數(shù)據(jù)支持。以測(cè)量晶圓厚度為例，CCD 探測(cè)器能夠清晰地捕捉到晶圓上下表面反射光的細(xì)微差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓厚度的精確測(cè)量。此外，CCD 探測(cè)器還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在不同的測(cè)量環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。與其他類型的探測(cè)器相比，如 CMOS 探測(cè)器，雖然 CMOS 探測(cè)器具有響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在靈敏度和分辨率方面相對(duì)較弱，難以滿足光譜共焦測(cè)量對(duì)高精度的要求。
合適的光學(xué)鏡頭是保證光的色散和聚焦效果的關(guān)鍵。在光學(xué)鏡頭的選擇上，需要綜合考慮多個(gè)因素。物鏡的焦距和數(shù)值孔徑是兩個(gè)重要的參數(shù)。焦距決定了物鏡對(duì)光的聚焦能力，不同的焦距適用于不同的測(cè)量距離和精度要求。在測(cè)量晶圓厚度時(shí)，需要根據(jù)晶圓的尺寸和測(cè)量精度要求，選擇合適焦距的物鏡，以確保光能夠準(zhǔn)確地聚焦在晶圓表面。數(shù)值孔徑則影響了物鏡對(duì)光的收集能力和分辨率，較大的數(shù)值孔徑能夠收集更多的光信號(hào)，提高測(cè)量的靈敏度和分辨率。例如，在測(cè)量高精度的半導(dǎo)體晶圓時(shí)，選擇數(shù)值孔徑較大的物鏡可以更好地分辨晶圓表面的細(xì)微特征，從而提高測(cè)量的精度。此外，物鏡的質(zhì)量和穩(wěn)定性也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因此需要選擇高質(zhì)量、穩(wěn)定性好的物鏡。同時(shí)，還需要考慮物鏡與其他光學(xué)組件的兼容性，以確保整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能最優(yōu)。
3.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)與標(biāo)定方法
為了確保光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，系統(tǒng)校準(zhǔn)與標(biāo)定是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。這一過程猶如為精密儀器校準(zhǔn)刻度，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供了精準(zhǔn)的測(cè)量基準(zhǔn)，使其能夠在后續(xù)的測(cè)量工作中發(fā)揮出最佳性能。
系統(tǒng)校準(zhǔn)的核心目標(biāo)是通過使用標(biāo)準(zhǔn)厚度的晶圓，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行全面而細(xì)致的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)厚度晶圓作為校準(zhǔn)的基準(zhǔn)，其厚度值經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)量和認(rèn)證，具有極高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在實(shí)際操作中，將標(biāo)準(zhǔn)厚度晶圓放置在測(cè)量系統(tǒng)的工作臺(tái)上，調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)的位置和姿態(tài)，確保傳感器能夠準(zhǔn)確地對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)厚度晶圓，獲取測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)厚度值進(jìn)行對(duì)比。若測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，這就如同鐘表的指針偏離了準(zhǔn)確的時(shí)間刻度，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。通過調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)，如光源的強(qiáng)度、探測(cè)器的靈敏度、光學(xué)鏡頭的焦距等，使測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)厚度值盡可能接近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
標(biāo)定波長(zhǎng)與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系是系統(tǒng)校準(zhǔn)與標(biāo)定的關(guān)鍵步驟。在光譜共焦傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，波長(zhǎng)與距離之間存在著緊密的聯(lián)系，這種聯(lián)系是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確標(biāo)定這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用一系列已知厚度的標(biāo)準(zhǔn)晶圓進(jìn)行測(cè)量。這些標(biāo)準(zhǔn)晶圓的厚度呈梯度變化，就像一把具有不同刻度的尺子，涵蓋了測(cè)量系統(tǒng)可能測(cè)量的厚度范圍。通過對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)晶圓的測(cè)量，獲取不同厚度下的反射光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，建立起波長(zhǎng)與距離的對(duì)應(yīng)模型。在建立模型的過程中，運(yùn)用數(shù)學(xué)擬合的方法，如最小二乘法，尋找最能準(zhǔn)確描述波長(zhǎng)與距離關(guān)系的函數(shù)。最小二乘法通過最小化測(cè)量數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)值之間的誤差平方和，來確定模型的參數(shù)，從而使模型能夠最佳地?cái)M合測(cè)量數(shù)據(jù)。通過這種方式建立的波長(zhǎng)與距離對(duì)應(yīng)模型，為后續(xù)的晶圓厚度測(cè)量提供了重要的參考依據(jù)。在實(shí)際測(cè)量中，根據(jù)測(cè)量得到的反射光波長(zhǎng)，通過該對(duì)應(yīng)模型，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出晶圓的厚度。
在實(shí)際操作中，系統(tǒng)校準(zhǔn)與標(biāo)定需要嚴(yán)格遵循一定的步驟和注意事項(xiàng)。在進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定之前，要確保測(cè)量系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，避免受到外界環(huán)境因素的干擾。環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等因素都可能對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，因此需要在穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)晶圓時(shí)，要保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。多次測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)晶圓，取平均值作為測(cè)量結(jié)果，以減小測(cè)量誤差。同時(shí)，要注意測(cè)量過程中的操作規(guī)范，避免因操作不當(dāng)而引入誤差。在建立波長(zhǎng)與距離對(duì)應(yīng)模型時(shí)，要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。使用額外的標(biāo)準(zhǔn)晶圓數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，檢查模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果模型存在誤差，可以通過調(diào)整模型參數(shù)或采用更復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化，以提高模型的精度。
本文參考：高精度激光共焦半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量
李兆宇，劉子豪，王瑤瑩，邱麗榮，楊 帥*
（北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 復(fù)雜環(huán)境智能感測(cè)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）