測量探頭溫漂對碳化硅襯底厚度測量的誤差機理及補償技術(shù)

引言

在碳化硅襯底厚度測量過程中，測量探頭溫漂是影響測量準確性的重要因素。深入剖析其誤差機理并研究有效的補償技術(shù)，對提升碳化硅襯底厚度測量精度、保障半導體器件制造質(zhì)量具有關(guān)鍵意義。

誤差機理

材料熱膨脹導致探頭結(jié)構(gòu)變化

測量探頭內(nèi)部包含多種材料部件，如金屬、陶瓷等。不同材料的熱膨脹系數(shù)各異，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，各部件會因熱膨脹程度不同產(chǎn)生相對位移 。例如，探頭的金屬外殼與陶瓷傳感器基座熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度升高時，金屬外殼膨脹幅度大于陶瓷基座，會擠壓傳感器，改變傳感器的初始位置與測量姿態(tài)，進而導致測量碳化硅襯底厚度時出現(xiàn)誤差 。這種結(jié)構(gòu)變化不僅影響探頭的線性度，還會使測量基準發(fā)生偏移，造成測量值偏離實際厚度。

傳感器性能隨溫度波動

探頭內(nèi)的傳感器（如電容式、電感式傳感器）性能會受溫度影響 。以電容式傳感器為例，其電容值與極板間距、介電常數(shù)等參數(shù)相關(guān)，溫度變化會使極板材料熱膨脹，改變極板間距，同時也會影響極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 。當溫度升高，極板間距增大，電容值減小，測量電路輸出信號隨之改變，導致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差 。此外，傳感器內(nèi)部的電子元件，如放大器、濾波器等，其性能參數(shù)（如增益、帶寬）也會隨溫度波動，進一步加劇測量誤差 。

補償技術(shù)

硬件補償

硬件補償可從優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu)和電路設計兩方面入手 。在探頭結(jié)構(gòu)上，選用熱膨脹系數(shù)相近的材料制作探頭部件，或采用特殊的熱補償結(jié)構(gòu)，如雙金屬片補償結(jié)構(gòu)，利用兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬片組合，當溫度變化時，雙金屬片產(chǎn)生變形，抵消因溫度引起的探頭部件相對位移 。在電路設計中，增加溫度補償電路，如使用溫度傳感器實時監(jiān)測探頭溫度，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過電路計算對傳感器輸出信號進行修正 。例如，采用負反饋電路，根據(jù)溫度變化反向調(diào)整電路參數(shù)，補償因溫度引起的傳感器性能變化 。

軟件補償

軟件補償基于大量實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型 。通過在不同溫度條件下對標準碳化硅襯底進行多次測量，記錄溫度與測量誤差數(shù)據(jù)，利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等算法擬合出溫度與測量誤差的關(guān)系模型 。在實際測量時，系統(tǒng)實時獲取探頭溫度，代入模型計算出對應的誤差補償值，對測量結(jié)果進行修正 。例如，使用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型，將溫度作為輸入層變量，測量誤差作為輸出層變量，通過訓練使網(wǎng)絡學習溫度與誤差之間的復雜映射關(guān)系，從而實現(xiàn)高精度的軟件補償 。

高通量晶圓測厚系統(tǒng)運用第三代掃頻OCT技術(shù)，精準攻克晶圓/晶片厚度TTV重復精度不穩(wěn)定難題，重復精度達3nm以下。針對行業(yè)厚度測量結(jié)果不一致的痛點，經(jīng)不同時段測量驗證，保障再現(xiàn)精度可靠。?

我們的數(shù)據(jù)和WAFERSIGHT2的數(shù)據(jù)測量對比,進一步驗證了真值的再現(xiàn)性：

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

該系統(tǒng)基于第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù)，相較傳統(tǒng)雙探頭對射掃描，可一次完成所有平面度及厚度參數(shù)測量。其創(chuàng)新掃描原理極大提升材料兼容性，從輕摻到重摻P型硅，到碳化硅、藍寶石、玻璃等多種晶圓材料均適用：?

對重摻型硅，可精準探測強吸收晶圓前后表面；?

點掃描第三代掃頻激光技術(shù)，有效抵御光譜串擾，勝任粗糙晶圓表面測量；?

通過偏振效應補償，增強低反射碳化硅、鈮酸鋰晶圓測量信噪比；

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

支持絕緣體上硅和MEMS多層結(jié)構(gòu)測量，覆蓋μm級到數(shù)百μm級厚度范圍，還可測量薄至4μm、精度達1nm的薄膜。

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

此外，可調(diào)諧掃頻激光具備出色的“溫漂”處理能力，在極端環(huán)境中抗干擾性強，顯著提升重復測量穩(wěn)定性。

（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

系統(tǒng)采用第三代高速掃頻可調(diào)諧激光器，擺脫傳統(tǒng)SLD光源對“主動式減震平臺”的依賴，憑借卓越抗干擾性實現(xiàn)小型化設計，還能與EFEM系統(tǒng)集成，滿足產(chǎn)線自動化測量需求。運動控制靈活，適配2-12英寸方片和圓片測量。