一、引言

在第三代半導(dǎo)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(xué)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(xué)性能與可靠性，因此實(shí)現(xiàn)納米級精度的非接觸式厚度測量至關(guān)重要。泓川科技 LT-IT50 白光干涉測厚傳感器基于先進(jìn)的白光干涉原理，結(jié)合高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)與數(shù)字化信號處理技術(shù)，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(shù)挑戰(zhàn)

（一）材料特性帶來的檢測難點(diǎn)

碳化硅外延層厚度通常在 1-100μm 范圍（折射率 1.5 時(shí)），且表面存在原子級臺階流結(jié)構(gòu)，對測量設(shè)備的空間分辨率與線性度提出嚴(yán)苛要求。同時(shí)，晶圓制造過程中存在振動(dòng)、溫度波動(dòng)等干擾因素，需傳感器具備強(qiáng)抗擾動(dòng)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(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致樣品損傷，且單點(diǎn)測量效率低；激光反射法受限于材料折射率變化，在復(fù)雜界面（如多層膜結(jié)構(gòu)）測量中精度不足。而白光干涉技術(shù)基于光程差匹配原理，可通過光譜分析實(shí)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(shù)優(yōu)勢

（一）納米級精度的光學(xué)測量原理

（二）高動(dòng)態(tài)性能適應(yīng)復(fù)雜工況

1. 超快采樣與產(chǎn)線集成：10kHz 采樣速率支持動(dòng)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(zhuǎn)或平移過程中實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)采集，滿足半導(dǎo)體產(chǎn)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(jī)械臂振動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定工作，±3° 測量角度適應(yīng)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(shè)計(jì)保障數(shù)據(jù)可靠性：內(nèi)部信號數(shù)字化處理技術(shù)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(dòng) ±5℃，濕度 20%-85% RH）下重復(fù)精度達(dá) 1nm（連續(xù) 10000 次測量 RMS）。

   
   

   
   

四、碳化硅晶圓厚度測量方案設(shè)計(jì)

（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(yùn)動(dòng)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(jī)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(guān)鍵工藝

1. 樣品預(yù)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(zhì)反射光對干涉信號的干擾。

2. 系統(tǒng)校準(zhǔn)：采用標(biāo)準(zhǔn)硅片（厚度已知，NIST 可追溯）進(jìn)行折射率校準(zhǔn)，修正環(huán)境溫度（0-50℃）對光學(xué)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(diǎn)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(shí)間≤60 秒。

4. 數(shù)據(jù)處理：軟件自動(dòng)剔除異常點(diǎn)（基于 3σ 準(zhǔn)則），生成厚度二維分布云圖與統(tǒng)計(jì)報(bào)告，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及邊緣厚度梯度（單位：nm）。

（三）特殊場景應(yīng)對

• 邊緣效應(yīng)補(bǔ)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(jié)合幾何算法修正光程差，確保邊緣 50μm 范圍內(nèi)的測量精度與平面區(qū)域一致。

• 多層膜干擾抑制：當(dāng)碳化硅層下方存在氧化硅緩沖層時(shí)，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(shí)測數(shù)據(jù)與性能驗(yàn)證

（一）標(biāo)準(zhǔn)樣品測試

對厚度 10μm 的碳化硅標(biāo)準(zhǔn)片（NPL 認(rèn)證，標(biāo)稱值 10.002μm）進(jìn)行 100 次重復(fù)測量，結(jié)果顯示均值 10.001μm，標(biāo)準(zhǔn)差 0.9nm，驗(yàn)證了 1nm 級重復(fù)精度（如圖 3 所示）。線性度測試中，在 1-100μm 范圍內(nèi)使用階梯式標(biāo)準(zhǔn)片（間隔 10μm），實(shí)測值與標(biāo)稱值偏差均≤18nm，滿足 ±20nm 線性誤差要求。

（二）量產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)差 12nm，厚度均勻性（3σ）≤0.12%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.2%）。生產(chǎn)過程中，通過 10kHz 高速采樣捕捉到機(jī)械臂振動(dòng)導(dǎo)致的瞬時(shí)厚度波動(dòng)（幅值 ±50nm），系統(tǒng)實(shí)時(shí)觸發(fā)警報(bào)并剔除異常數(shù)據(jù)，避免不良品流入下工序。

六、結(jié)論