半导体前道制程工艺中Monitor Wafer（控挡片）的详解；

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在半导体工艺制程中，挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）是两类重要的非产品硅片，主要用于辅助生产、调试机台及监控工艺稳定性。同时，当然还有正片（Prime Wafer），这个就不用多解释了（主要产品）。而挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）一般是由晶棒两侧品质较差处切割出来，用于调试机台、监控良率，比如颗粒、刻蚀速率、薄膜沉积速率和均匀性等。制成越先进，需要的挡片、控片越多。为了避免浪费，挡片会经过研磨抛光，重复利用，但使用次数有限。控片要根据具体情况对待，某些制程的控片是无法回收使用的。

因为它们承担着监控机台健康状态、确保生产稳定性和产品质量的重要角色。虽然挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）本身并不进入产品销售环节，但其存在却是量产稳定性和良率优化的基础，所以，它们的存在都是晶圆制造厂内不可或缺的一部分，以下就是本期要跟大家分享的内容：

一、挡片（Dummy Wafer）的介绍

Dummy Wafer，中文称为填充片，也可叫“挡片”，它是在晶圆制造过程中专门用于填充机台设备的晶圆，通常不会用于实际生产，也不会直接作为成品出售。其主要作用是为满足设备运行的特定要求或约束，确保设备的工艺性能稳定，同时优化资源利用率并减少生产风险。挡片（Dummy Wafer）的设计和使用是晶圆厂生产管理的重要组成部分。在晶圆制造的不同工艺阶段，由于设备的特性及工艺要求，挡片（Dummy Wafer）在保证设备正常运行、优化资源分配、降低良品晶圆损耗方面起到了不可替代的作用。其核心定义是：用于稳定工艺环境、保护正片及调试机台的辅助硅片。它存在的主要功能是：

1、填充设备容量

某些设备（如炉管、刻蚀机）在运行时对晶圆数量有一定要求。例如，炉管设备的热处理工艺需要晶圆在一定数量的情况下，才能形成稳定的气流、温度场和化学反应环境。如果只放置少量生产晶圆，设备性能可能不稳定，最终影响工艺质量。因此，挡片（Dummy Wafer）被用来填充设备以达到所需数量。将晶圆设备比作一个烤箱，如果烤箱里只放一块面包，热量可能分布不均匀，但如果放满面包，就能均匀受热。同理，挡片（Dummy Wafer）起到了“凑人数”的作用，确保设备在最佳负载下运行。

2、保护生产晶圆

在某些高风险工艺中，比如离子注入、刻蚀和化学气相沉积（CVD），设备调试或初始工艺阶段可能存在工艺不稳定或颗粒生成较多的情况。如果直接使用生产晶圆（PW），可能造成不可挽回的良率损失。挡片（Dummy Wafer）在此类工艺中起到试探性作用，避免生产晶圆直接暴露在潜在风险下。挡片（Dummy Wafer）就像探路先锋，先确认前方道路安全，再让生产晶圆“放心通过”。

3、均匀分布工艺负载

某些设备在进行工艺处理时，需要工艺载体（例如炉管或刻蚀腔体）内的晶圆分布均匀。例如在物理气相沉积（PVD）中，如果晶圆数量或摆放位置不对称，可能导致沉积速率和厚度均匀性受到影响。挡片（Dummy Wafer）的加入能够平衡设备内晶圆的布局，确保整个工艺的稳定性和均匀性。

4、减少设备闲置成本

在晶圆制造中，设备的启动和关闭都会消耗大量时间和资源。如果没有生产晶圆需要加工，设备长时间闲置可能导致资源浪费和设备性能下降。通过加工挡片（Dummy Wafer），可以让设备保持活跃状态，同时为后续生产做好准备。

5、进行设备验证和工艺调试

挡片（Dummy Wafer）通常被用作设备的验证载体。例如，在设备维护、清洗后，需要使用挡片（Dummy Wafer） 测试设备状态是否恢复正常。如果检测到异常，可以调整设备参数或进行再次清洗，而不需要直接损耗生产晶圆。设备就像一辆汽车，挡片（Dummy Wafer）就像测试用的轮胎，确保汽车性能正常后，再换上“昂贵”的生产用轮胎。

部分挡片经研磨抛光后可重复使用（称为“可再生硅片”），但使用次数受限于表面损伤程度。

二、控片（Monitor Wafer）的介绍

控片同样由晶棒两侧品质较差部分切割而成，其核心定义是：用于监控机台运行状态、工艺精度及良率的辅助硅片。它存在的主要功能是：

1、机台稳定性监控

在正式生产前或生产过程中，定期使用控片测试机台的重复性（如刻蚀速率、薄膜沉积均匀性），确保设备性能符合要求；

2、工艺良率监控

通过插入控片增加监控频率，实时跟踪正式生产片的工艺质量（如颗粒污染、缺陷率），及时调整工艺参数；

3、新工艺验证

在引入新工艺或设备改造后，通过控片验证工艺效果，降低正片报废风险。

部分特殊制程的控片因污染或性能损耗无法回收，需按一次性耗材处理。

上面讲完了挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）的介绍后，肯定有些朋友会有疑问：这两个东西不就是同一种么？是的，在行业中，很多时候大家并没有把挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）分开来跟大家讲解，一般也都会把Monitor Wafer统称为“控挡片”。

所以，综合来讲：Monitor Wafer（控挡片）就是一种非生产晶圆（NPW），其主要目的是通过各种监控方法评估和确保机台的运行状态、工艺参数的稳定性以及产品加工过程的可靠性。在生产过程中，所有机台和工艺步骤都需要严格控制，而Monitor Wafer（控挡片）可以作为“探针”对设备和工艺进行实时或周期性的“体检”，类比成“医疗中的体检工具”。通过在日常生产中定期或不定期使用Monitor Wafer（控挡片），可以有效预警机台异常，减少良率波动，同时优化维护策略。

三、Monitor Wafer（控挡片）的分类及用途

Monitor Wafer（控挡片）根据其用途和检测频率可分为以下两类：Daily Monitor和随货Monitor。

1、Daily Monitor

（1）Daily Monitor的介绍

Daily Monitor是用于机台的日常健康检查，在每个工作日或特定生产班次的开始时运行。它的作用一般是检测机台是否处于良好工作状态，定义基准工艺参数，比如刻蚀速率、薄膜均匀性等。

（2）Daily Monitor应用场景

刻蚀机台的Daily Monitor：通过Monitor Wafer检测特定Recipe下的刻蚀深度、速率以及侧壁角度。

薄膜设备的Daily Monitor：用于验证薄膜的厚度分布和均匀性。

（3）Daily Monitor的检测流程

放置Monitor Wafer到设备中；运行指定的工艺Recipe；提取Wafer测试结果；与既定标准对比，判断是否需要调整设备或维护。

2、随货Monitor

（1）随货Monitor的介绍

随货Monitor用于在生产加工过程中，夹杂在批次生产晶圆（PW）之间运行，以监控实际生产中的设备状态。它的作用是确保设备在连续生产中的性能稳定，并提供在线监测，减少突发故障对批次生产的影响。

（2）随货Monitor的应用场景

化学机械抛光（CMP）过程的随货Monitor：检测抛光后的表面粗糙度和均匀性；

扩散炉管的随货Monitor：监测扩散过程中的厚度一致性。

（3）随货Monitor的检测流程

a.在指定批次产品晶圆之间插入Monitor Wafer；

b.运行与产品晶圆相同的Recipe；

c.收集数据并分析，确保批次生产的连续性和一致性。

四、Monitor Wafer（控挡片）在炉管设备中作用

Monitor Wafer（控挡片）被用于隔绝制程条件较差的地方，以及填充产品不足时空出的位置。它对炉管内的气流进行阻挡分层，从而使气流中的反应气体与被加工硅片均匀接触。使炉管内温度分布均匀，使得晶圆表面均匀发生化学反应，从而沉积或生长均匀的薄膜。

因此，氧化、扩散炉做工艺调试时，一般都会在晶舟上放满片子，以求达到最好的膜厚均匀性效果。

五、Monitor Wafer（控挡片）的主要监测指标及作用原理

Monitor Wafer（控挡片）通过模拟产品晶圆的加工过程，来获取关键工艺指标的反馈。这些指标涵盖了刻蚀、薄膜、清洗、扩散等多个工艺环节，具体包括以下几个方面：

1、刻蚀速率与均匀性

检测内容：Monitor Wafer（控挡片）会记录机台在特定工艺条件下的刻蚀速率及其均匀性。

作用原理：利用刻蚀完成后晶圆表面的特征（如深度或厚度变化）来判断刻蚀速率是否符合预期。

实际意义：当刻蚀速率异常偏高或偏低时，可能预示着刻蚀设备中的气体流量、等离子功率或温度等参数需要调整。

2、薄膜厚度与均匀性

检测内容：薄膜设备会使用Monitor Wafer（控挡片）验证沉积后薄膜厚度是否达标，以及厚度在晶圆上的分布是否均匀。

作用原理：通过光学或电子显微技术测量薄膜厚度，结合工艺标准进行评估。

实际意义：薄膜均匀性异常可能会影响后续的光刻和刻蚀工艺，降低产品合格率。

3、颗粒污染

检测内容：Monitor Wafer（控挡片）在加工完成后会通过表面扫描检测是否存在颗粒污染。

作用原理：颗粒污染通常由机台内部部件老化、清洁不到位或工艺环境异常引起。

实际意义：颗粒的存在可能导致后续光刻中掩模遮挡、刻蚀误差或器件失效。

4、设备运行稳定性

检测内容：通过重复运行相同工艺条件下的Monitor Wafer（控挡片），分析机台的长期稳定性。

作用原理：数据波动范围是否超过工艺规格是评估设备稳定性的关键。

实际意义：设备的稳定性直接影响晶圆的量产良率。

六、Monitor Wafer（控挡片）的操作流程与关键注意事项

在实际使用Monitor Wafer（控挡片）时，需要遵循一套规范的操作流程，以确保数据的有效性和工艺的稳定性。

1、前期准备

a.确保Monitor Wafer（控挡片）无裂痕、污染等问题；

b.设置测试的Recipe和工艺参数；

c.校准相关测量设备。

2、运行过程

a.将Monitor Wafer（控挡片）插入设备，执行相应的工艺步骤；

b.监控机台的运行状态，如温度、气流等是否正常。

3、后期分析

a.提取完成的Monitor Wafer（控挡片），并进行测量分析；

b.对比结果与标准工艺窗口（Process Window）；

c.根据结果，决定是否需要执行机台维护或参数优化。

4、异常处理

a.若发现参数超出规格范围，立刻停止相关机台的量产；

b.通知设备工程师进行维护（PM）或Recipe调整；

c.重新运行Monitor Wafer（控挡片）验证修复效果。

七、Monitor Wafer（控挡片）的使用挑战与优化方向

尽管Monitor Wafer（控挡片）在晶圆制造中至关重要，但其使用过程中仍面临一些挑战：

1、数据的准确性

Monitor Wafer（控挡片）的表面状态与实际产品晶圆可能有所不同，因此测试结果可能存在偏差；

2、成本问题

高频使用Monitor Wafer（控挡片）会增加生产成本；

3、效率平衡

插入过多的Monitor Wafer（控挡片）可能影响批次的生产效率。

为解决上述问题，可以采取以下优化措施：

1、定制化Monitor Wafer（控挡片）

根据特定工艺需求优化Monitor Wafer（控挡片）的材质和表面特性；

2、智能化数据分析

利用大数据分析和AI工具，提高数据解读的效率和精度；

3、优化测试频率

通过历史数据分析，合理确定Monitor Wafer（控挡片）的使用频率，避免过多或过少测试。

写在最后面的话

挡片（Dummy Wafer）和控片（Monitor Wafer）虽均来源于晶棒非核心区域，但功能侧重不同：挡片以“稳定工艺环境、保护正片”为核心，控片以“监控机台与工艺状态”为核心，二者共同保障半导体制造的精度与良率。

总之，Monitor Wafer（控挡片）作为晶圆制造工艺中不可或缺的环节，扮演着“哨兵”和“医生”的角色，为工艺过程提供了实时监控和健康评估。其高效使用可以大幅降低设备故障率，提高产品良率，并最终提升晶圆制造的经济效益。

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审核编辑 黄宇