一、引言

在第三代半導體材料蓬勃發(fā)展的背景下，碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的物理化學性能，成為制備高壓、高頻、高溫功率器件的核心材料。晶圓表面碳化硅外延層的厚度均勻性直接影響器件的電學性能與可靠性，因此實現(xiàn)納米級精度的非接觸式厚度測量至關重要。泓川科技 LT-IT50 白光干涉測厚傳感器基于先進的白光干涉原理，結合高靈敏度光學系統(tǒng)與數(shù)字化信號處理技術，為碳化硅晶圓的精密檢測提供了高效可靠的解決方案。

二、碳化硅層測量的技術挑戰(zhàn)

（一）材料特性帶來的檢測難點

碳化硅外延層厚度通常在 1-100μm 范圍（折射率 1.5 時），且表面存在原子級臺階流結構，對測量設備的空間分辨率與線性度提出嚴苛要求。同時，晶圓制造過程中存在振動、溫度波動等干擾因素，需傳感器具備強抗擾動能力。

（二）傳統(tǒng)測量方法的局限性

接觸式測厚（如探針法）易引入機械應力導致樣品損傷，且單點測量效率低；激光反射法受限于材料折射率變化，在復雜界面（如多層膜結構）測量中精度不足。而白光干涉技術基于光程差匹配原理，可通過光譜分析實現(xiàn)非接觸式絕對厚度測量，避免上述問題。

三、LT-IT50 傳感器的核心技術優(yōu)勢

（一）納米級精度的光學測量原理

（二）高動態(tài)性能適應復雜工況

1. 超快采樣與產線集成：10kHz 采樣速率支持動態(tài)掃描測量，配合 ABZ 編碼器觸發(fā)功能，可在晶圓高速旋轉或平移過程中實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)采集，滿足半導體產線節(jié)拍要求。

2. 寬工作距離與靈活安裝：50±2mm 工作范圍（參考距離 50mm）允許傳感器在晶圓傳輸機械臂振動環(huán)境下穩(wěn)定工作，±3° 測量角度適應非正交安裝場景，光斑直徑 100μm 確保邊緣區(qū)域的精確探測。

3. 抗干擾設計保障數(shù)據(jù)可靠性：內部信號數(shù)字化處理技術將靜態(tài)噪聲控制在 1nm（均方根偏差，1kHz 采樣），配合高信噪比探測器，在車間環(huán)境（溫度波動 ±5℃，濕度 20%-85% RH）下重復精度達 1nm（連續(xù) 10000 次測量 RMS）。

   
   

   
   

四、碳化硅晶圓厚度測量方案設計

（一）系統(tǒng)組成與硬件配置

測量系統(tǒng)由 LT-IT50 傳感器、高精度運動平臺（亞微米級定位精度）、TSConfocalStudio 測控軟件及工業(yè) PC 組成（如圖 2 所示）。傳感器通過 Ethernet 接口（100BASE-TX）與上位機通信，支持 Modbus 協(xié)議與 4-20mA 模擬輸出，兼容 PLC 控制。

（二）測量流程與關鍵工藝

1. 樣品預處理：使用去離子水超聲清洗晶圓表面，去除顆粒污染物，避免雜質反射光對干涉信號的干擾。

2. 系統(tǒng)校準：采用標準硅片（厚度已知，NIST 可追溯）進行折射率校準，修正環(huán)境溫度（0-50℃）對光學路徑的影響（溫度系數(shù) < 0.01% F.S./℃）。

3. 掃描策略：對 8 英寸晶圓采用螺旋掃描軌跡，單點間距 50μm，覆蓋中心區(qū)、邊緣區(qū)（距邊緣 2mm）及晶向定位邊，單次全晶圓測量時間≤60 秒。

4. 數(shù)據(jù)處理：軟件自動剔除異常點（基于 3σ 準則），生成厚度二維分布云圖與統(tǒng)計報告，計算平均值、標準差及邊緣厚度梯度（單位：nm）。

（三）特殊場景應對

• 邊緣效應補償：針對晶圓邊緣（R 角區(qū)域）的曲面形態(tài)，通過傾斜測量（≤3°）結合幾何算法修正光程差，確保邊緣 50μm 范圍內的測量精度與平面區(qū)域一致。

• 多層膜干擾抑制：當碳化硅層下方存在氧化硅緩沖層時，利用白光干涉的低相干特性，分離不同界面的干涉信號，避免傳統(tǒng)單色光干涉的多峰誤判問題。

五、實測數(shù)據(jù)與性能驗證

（一）標準樣品測試

對厚度 10μm 的碳化硅標準片（NPL 認證，標稱值 10.002μm）進行 100 次重復測量，結果顯示均值 10.001μm，標準差 0.9nm，驗證了 1nm 級重復精度（如圖 3 所示）。線性度測試中，在 1-100μm 范圍內使用階梯式標準片（間隔 10μm），實測值與標稱值偏差均≤18nm，滿足 ±20nm 線性誤差要求。

（二）量產晶圓檢測

某 6 英寸碳化硅晶圓（外延層厚度 20μm）的檢測數(shù)據(jù)顯示，中心區(qū)域厚度均值 20.012μm，邊緣區(qū)域（距邊緣 5mm）厚度 20.008μm，標準差 12nm，厚度均勻性（3σ）≤0.12%，優(yōu)于行業(yè)標準（≤0.2%）。生產過程中，通過 10kHz 高速采樣捕捉到機械臂振動導致的瞬時厚度波動（幅值 ±50nm），系統(tǒng)實時觸發(fā)警報并剔除異常數(shù)據(jù)，避免不良品流入下工序。

六、結論