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泓川科技白光干涉測厚儀在晶圓碳化硅層厚度測量中的應(yīng)用實踐

時間:2025/4/13閱讀:275
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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。

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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

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(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,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(jī)械應(yīng)力導(dǎo)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(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

LT-IT50 采用白光干涉技術(shù),通過高亮度彩色光源(波長范圍 400-700nm)照射樣品,經(jīng)被測碳化硅層上下表面反射的光信號在探測器上形成干涉條紋(如圖 1 所示)。利用傅立葉變換對干涉光譜進(jìn)行處理,提取光程差信息,結(jié)合材料折射率計算厚度:

其中,ΔL 為光程差,n 為碳化硅折射率(1.52@633nm)。該原理避免了傳統(tǒng)電學(xué)方法的非線性誤差,理論線性精度僅受限于光譜分析算法,實測線性誤差≤±20nm(JIS B7444 標(biāo)準(zhǔn)驗證)。

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(二)高動態(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 ±5℃,濕度 20%-85% RH)下重復(fù)精度達(dá) 1nm(連續(xù) 10000 次測量 RMS)。


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四、碳化硅晶圓厚度測量方案設(shè)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(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(zhǔn)則),生成厚度二維分布云圖與統(tǒng)計報告,計算平均值、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,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(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)械臂振動導(dǎo)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(jié)論

泓川科技 LT-IT50 白光干涉測厚傳感器憑借納米級精度、高動態(tài)響應(yīng)及強抗干擾能力,有效解決了碳化硅晶圓厚度測量中的技術(shù)難題。其創(chuàng)新的光學(xué)設(shè)計與數(shù)字化信號處理技術(shù),不僅滿足半導(dǎo)體制造對高精度檢測的需求,更通過高效的產(chǎn)線集成能力提升了生產(chǎn)效率。隨著第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展,該技術(shù)方案將在晶圓制造、封裝測試等環(huán)節(jié)發(fā)揮關(guān)鍵作用,助力實現(xiàn)碳化硅功率器件的可靠性與良率提升。


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