隨著半導(dǎo)體技術(shù)向高集成度與高性能方向不斷發(fā)展，工藝尺寸持續(xù)縮小，制造工藝對(duì)膜厚、線(xiàn)寬、臺(tái)階高度及電阻率等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量精度提出了更高要求。然而，半導(dǎo)體測(cè)量設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中面臨量值溯源體系不完善、測(cè)量結(jié)果不一致等突出問(wèn)題，直接影響工藝控制的準(zhǔn)確性與器件性能的可靠性。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀(guān)特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文通過(guò)系統(tǒng)研究臺(tái)階儀、橢偏儀、掃描電子顯微鏡和四探針測(cè)試儀等典型測(cè)量設(shè)備的計(jì)量方法，分析其量值溯源中的關(guān)鍵要素，提出構(gòu)建多維度計(jì)量數(shù)據(jù)模型庫(kù)，并建立基于數(shù)據(jù)的設(shè)備管控決策機(jī)制，從而為實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備的精準(zhǔn)溯源、科學(xué)管理與全生命周期控制提供有效解決方案，推動(dòng)工藝質(zhì)量提升與良率優(yōu)化。

1

測(cè)量設(shè)備與工藝對(duì)應(yīng)關(guān)系

flexfilm

典型測(cè)量設(shè)備與對(duì)應(yīng)工藝

半導(dǎo)體工藝流程復(fù)雜，涵蓋晶圓制備、溝槽光刻、溝槽刻蝕、薄膜沉積、離子注入、拋光、金屬化及封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)。每道工序均需配備專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備，以監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)。

2

典型設(shè)備計(jì)量技術(shù)

flexfilm

臺(tái)階儀

（a）臺(tái)階儀測(cè)量原理（b）臺(tái)階高度樣板（c）臺(tái)階高度樣板三維圖像（d）臺(tái)階儀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

臺(tái)階儀為接觸式表面形貌測(cè)量設(shè)備，通過(guò)探針在樣品表面移動(dòng)，感知高度變化，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并重建輪廓。其校準(zhǔn)依賴(lài)于臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)樣板，該樣板經(jīng)光刻、刻蝕、濺射等工藝制成，具備已知高度與良好表面特性。

校準(zhǔn)過(guò)程中，采用激光干涉儀或原子力顯微鏡對(duì)臺(tái)階高度進(jìn)行定值，依據(jù)JJF129—2017規(guī)范評(píng)價(jià)儀器的示值誤差與重復(fù)性。

橢偏儀

（a）橢偏儀測(cè)量原理（b）研制的 2~1 000 nm 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片（c）橢偏儀校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

橢偏儀通過(guò)分析偏振光在薄膜表面的反射行為，獲取薄膜厚度與折射率。其校準(zhǔn)采用氧化法制備的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣板，定值設(shè)備包括XPS與光譜型橢圓儀。

校準(zhǔn)依據(jù)JJG14—2011，重點(diǎn)評(píng)估膜厚與折射率的測(cè)量準(zhǔn)確度。

掃描電子顯微鏡（SEM）

（a）線(xiàn)距樣板：左-豎柵，右-格柵（b）X 向測(cè)量示值誤差

SEM通過(guò)電子束掃描樣品表面，收集二次電子等信號(hào)成像，用于微納尺度圖形測(cè)量。其校準(zhǔn)采用線(xiàn)距標(biāo)準(zhǔn)樣板，通過(guò)原子力顯微鏡或可溯源SEM進(jìn)行定值。

校準(zhǔn)依據(jù)JJF 1351—2012，評(píng)估測(cè)長(zhǎng)示值誤差、正交畸變等參數(shù)。

四探針測(cè)試儀

（a）四探針測(cè)試儀測(cè)量原理（b）方阻示值誤差

四探針測(cè)試儀采用直流四探針?lè)y(cè)量電阻率，通過(guò)外側(cè)探針注入電流，內(nèi)側(cè)探針檢測(cè)電壓，計(jì)算得出電阻率值。校準(zhǔn)采用摻雜硅片作為電阻率標(biāo)準(zhǔn)樣板，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流源與納伏表實(shí)現(xiàn)溯源。校準(zhǔn)依據(jù)JG 508—2004，主要評(píng)價(jià)方阻示值誤差，典型誤差控制在3%以?xún)?nèi)。

3

計(jì)量管控決策機(jī)制

flexfilm

基于數(shù)據(jù)的計(jì)量技術(shù)管控體系決策機(jī)制思路

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理，提出基于數(shù)據(jù)的計(jì)量技術(shù)管控體系。該體系通過(guò)采集多維度計(jì)量數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，構(gòu)建計(jì)量數(shù)據(jù)模型庫(kù)，集成至質(zhì)量管理平臺(tái)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)評(píng)估設(shè)備重復(fù)性、穩(wěn)定性，識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)，制定科學(xué)校準(zhǔn)周期與應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，為設(shè)備采購(gòu)、驗(yàn)收、使用與維護(hù)提供決策支持。

半導(dǎo)體測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性與可靠性直接關(guān)系到工藝控制水平與產(chǎn)品良率。本文系統(tǒng)闡述了臺(tái)階儀、橢偏儀、SEM與四探針測(cè)試儀等典型設(shè)備的計(jì)量方法與溯源體系，并提出構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)量管控機(jī)制，為半導(dǎo)體制造企業(yè)提升工藝控制能力與設(shè)備管理水平提供技術(shù)參考。未來(lái)，隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷推進(jìn)，計(jì)量技術(shù)將繼續(xù)朝著更高精度、更強(qiáng)溯源性與更智能化的方向發(fā)展。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

flexfilm

在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《典型半導(dǎo)體工藝測(cè)量設(shè)備計(jì)量技術(shù)》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問(wèn)題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。