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碳化硅衬底 TTV 厚度测量方法的优劣势对比评测

新启航半导体有限公司 ? 2025-08-09 11:16 ? 次阅读
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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。?

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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:

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(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;

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(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。

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(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。

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(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。

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