激光干涉法在碳化硅衬底 TTV 厚度测量中的精度提升策略

摘要

本文针对激光干涉法在碳化硅衬底 TTV 厚度测量中存在的精度问题，深入分析影响测量精度的因素，从设备优化、环境控制、数据处理等多个维度提出精度提升策略，旨在为提高碳化硅衬底 TTV 测量准确性提供理论与技术支持。

引言

随着碳化硅半导体产业的蓬勃发展，对碳化硅衬底质量要求日益严苛，晶圆总厚度变化（TTV）作为关键质量指标，其精确测量至关重要。激光干涉法凭借非接触、测量速度快等优势，在碳化硅衬底 TTV 厚度测量中得到广泛应用。然而，受设备性能、环境因素、样品特性等影响，测量精度仍有待提高。探索有效的精度提升策略，对保障碳化硅衬底生产质量、推动半导体产业发展具有重要意义。

影响激光干涉法测量精度的因素分析

设备自身因素

激光干涉仪的光源稳定性、光学元件精度对测量精度影响显著。光源波长波动、光束发散角变化会导致干涉条纹畸变；光学元件的表面粗糙度、面形误差会引入额外的光程差，造成测量偏差。此外，干涉仪的信号采集与处理系统的分辨率和采样频率不足，也难以捕捉微小的厚度变化，影响测量精度。

环境因素

环境温湿度、振动、空气流动等因素会干扰激光干涉测量。温度变化会引起光学元件热胀冷缩，改变光程；湿度变化可能导致光学元件表面结露或腐蚀，影响光学性能；振动和空气流动会使干涉条纹抖动，导致数据采集不准确。

样品因素

碳化硅衬底的表面形貌、反射率差异会影响干涉效果。表面粗糙度高、存在划痕或污渍的衬底，会使反射光发生散射，降低干涉条纹对比度；不同区域反射率不一致，会导致光强信号波动，影响厚度测量准确性。

精度提升策略

设备优化

选用稳定性高的激光光源，如半导体稳频激光器，确保波长稳定性在 ±0.01nm 以内。对光学元件进行高精度加工和严格筛选，定期清洁和校准，减少元件误差。升级信号采集与处理系统，提高分辨率和采样频率，例如将采样频率提升至 10kHz 以上，以更精确地捕捉干涉条纹变化。

环境控制

搭建恒温恒湿、防震的测量环境。将测量室温度控制在（23±0.5）℃，湿度保持在 40% - 60% RH；采用气浮隔振平台和减震地基，隔离外界振动干扰；安装空气净化装置和防风罩，减少空气流动对测量的影响。

数据处理改进

采用数字滤波算法对采集到的干涉数据进行预处理，去除噪声干扰，如使用中值滤波、小波滤波等方法，提高数据信噪比。引入机器学习算法，如卷积神经网络（CNN），对干涉条纹图像进行分析，自动识别和校正因样品表面形貌引起的测量误差，实现更精准的厚度计算。

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。