碳化硅衬底 TTV 厚度测量方法的优劣势对比评测

摘要

本文对碳化硅衬底 TTV 厚度测量的多种方法进行系统性研究，深入对比分析原子力显微镜测量法、光学测量法、X 射线衍射测量法等在测量精度、效率、成本等方面的优势与劣势，为不同应用场景下选择合适的测量方法提供参考依据。

引言

在第三代半导体材料领域，碳化硅（SiC）衬底凭借出色的性能，成为高功率、高频电子器件制造的关键基础材料。晶圆总厚度变化（TTV）作为衡量碳化硅衬底质量的核心指标之一，其测量精度直接影响器件性能与生产良率。目前，针对碳化硅衬底 TTV 厚度测量存在多种技术手段，每种方法都有其独特的适用场景与局限性。全面评测这些测量方法的优劣势，有助于科研与生产人员根据实际需求选择最佳方案，提升测量的准确性与效率。

光学测量法

优势

光学测量法具有测量速度快、非接触式测量的特点，不会对碳化硅衬底表面造成损伤 。例如，白光干涉仪通过分析干涉条纹获取表面形貌信息，可快速完成大面积测量，适用于生产线上的快速抽检。此外，该方法操作相对简便，对操作人员的技术要求较低，设备成本也相对适中，易于在企业中推广使用。

劣势

光学测量法受表面粗糙度和反射率影响较大。当碳化硅衬底表面粗糙度较高或存在氧化层等影响反射率的因素时，测量信号易发生畸变，导致测量误差增大 。而且，该方法在测量精度上相对有限，对于超薄或高精度要求的碳化硅衬底 TTV 测量，难以满足需求。

原子力显微镜测量法

优势

原子力显微镜（AFM）测量法能够实现纳米级的超高测量精度，可清晰获取碳化硅衬底表面的微观形貌信息，准确测量 TTV 厚度 。它适用于对测量精度要求极高的科研实验场景，能够为研究碳化硅衬底表面特性提供详细数据。同时，AFM 还可对衬底表面的力学性能等进行同步分析，提供更多维度的研究数据。

劣势

AFM 测量速度极慢，一次测量只能覆盖极小的区域，若要完成整片衬底的测量，耗时极长，无法满足生产线快速检测的需求。此外，设备价格昂贵，维护成本高，且对测量环境要求苛刻，需要在恒温、恒湿、低振动的环境下进行测量，限制了其广泛应用。

X 射线衍射测量法

优势

X 射线衍射（XRD）测量法对碳化硅晶体的各向异性不敏感，测量结果受表面形貌和晶向的影响较小，能够准确测量衬底内部的晶格参数，进而计算出 TTV 厚度 。对于晶体结构复杂、各向异性明显的碳化硅衬底，XRD 测量法具有独特的优势，可提供可靠的测量结果。

劣势

XRD 测量设备庞大复杂，操作难度高，需要专业的技术人员进行操作与维护 。并且，该方法测量成本高，检测周期长，不适用于对测量效率要求较高的常规检测场景。同时，其测量深度有限，只能反映衬底表面一定深度范围内的信息，对于厚度变化的全面表征存在局限性。

实验对比

选取不同表面状态的碳化硅衬底样品，分别采用光学测量法、原子力显微镜测量法和 X 射线衍射测量法进行 TTV 厚度测量。实验结果显示，在测量光滑表面样品时，光学测量法耗时仅为 5 分钟，测量误差约 ±1μm；原子力显微镜测量法耗时长达 2 小时，测量误差在 ±5nm 以内；X 射线衍射测量法耗时 40 分钟，测量误差约 ±0.5μm。在测量粗糙表面样品时，光学测量法误差增大至 ±3μm，而其他两种方法误差波动相对较小，直观体现出各测量方法在不同条件下的性能差异。

高通量晶圆测厚系统运用第三代扫频OCT技术，精准攻克晶圆/晶片厚度TTV重复精度不稳定难题，重复精度达3nm以下。针对行业厚度测量结果不一致的痛点，经不同时段测量验证，保障再现精度可靠。​

我们的数据和WAFERSIGHT2的数据测量对比,进一步验证了真值的再现性：

（以上为新启航实测样品数据结果）

该系统基于第三代可调谐扫频激光技术，相较传统双探头对射扫描，可一次完成所有平面度及厚度参数测量。其创新扫描原理极大提升材料兼容性，从轻掺到重掺P型硅，到碳化硅、蓝宝石、玻璃等多种晶圆材料均适用：​

对重掺型硅，可精准探测强吸收晶圆前后表面；​

点扫描第三代扫频激光技术，有效抵御光谱串扰，胜任粗糙晶圆表面测量；​

通过偏振效应补偿，增强低反射碳化硅、铌酸锂晶圆测量信噪比；

（以上为新启航实测样品数据结果）

支持绝缘体上硅和MEMS多层结构测量，覆盖μm级到数百μm级厚度范围，还可测量薄至4μm、精度达1nm的薄膜。

（以上为新启航实测样品数据结果）

此外，可调谐扫频激光具备出色的“温漂”处理能力，在极端环境中抗干扰性强，显著提升重复测量稳定性。

（以上为新启航实测样品数据结果）

系统采用第三代高速扫频可调谐激光器，摆脱传统SLD光源对“主动式减震平台”的依赖，凭借卓越抗干扰性实现小型化设计，还能与EFEM系统集成，满足产线自动化测量需求。运动控制灵活，适配2-12英寸方片和圆片测量。