不同的真空吸附方式對(duì)測(cè)量晶圓 BOW 的影響

不同的真空吸附方式，對(duì)測(cè)量晶圓BOW的影響在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，晶圓作為芯片制造的基礎(chǔ)材料，其質(zhì)量把控貫穿整個(gè)生產(chǎn)流程。其中，晶圓的BOW（彎曲度）測(cè)量精度對(duì)于確保后續(xù)工藝的順利進(jìn)行以及芯片性能的穩(wěn)定性起著舉足輕重的作用。而不同的真空吸附方式，作為晶圓測(cè)量環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵支撐技術(shù)，對(duì)BOW測(cè)量結(jié)果有著千差萬別的影響。一、全表面真空吸附方式全表面真空吸附是最為傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的一種方式。其原理是利用均勻分布在吸盤表面的微小氣孔，通過抽真空，使晶圓整個(gè)底面與吸盤緊密貼合。從穩(wěn)定性角度來看，這種吸附方式無疑具有顯著優(yōu)勢(shì)。在測(cè)量過程中，晶圓能夠被牢牢固定在既定位置，幾乎不會(huì)出現(xiàn)位移或晃動(dòng)現(xiàn)象，為高精度測(cè)量儀器提供了穩(wěn)定的操作平臺(tái)。然而，當(dāng)聚焦于晶圓BOW測(cè)量時(shí)，問題逐漸浮現(xiàn)。由于晶圓與吸盤大面積緊密接觸，吸盤施加的壓力均勻覆蓋整個(gè)晶圓底面。對(duì)于一些本身存在微小熱應(yīng)力或內(nèi)部應(yīng)力不均衡的晶圓，這種均勻壓力會(huì)在一定程度上“強(qiáng)制”晶圓趨于平整。例如，在經(jīng)歷高溫退火工藝后的晶圓，其中心區(qū)域因熱擴(kuò)散速率與周邊不一致，往往會(huì)產(chǎn)生一定程度的凸起或凹陷，即BOW現(xiàn)象。但在全表面真空吸附下，該凸起或凹陷被吸盤的均壓部分抵消，測(cè)量探頭所獲取的BOW值相較于晶圓的真實(shí)彎曲程度偏小。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某些特定工藝制程后的晶圓測(cè)量中，全表面真空吸附導(dǎo)致的BOW測(cè)量誤差可達(dá)15%-25%，這無疑會(huì)給后續(xù)基于測(cè)量數(shù)據(jù)的工藝調(diào)整帶來誤導(dǎo)，增加芯片制造的不良率風(fēng)險(xiǎn)。二、邊緣點(diǎn)真空吸附方式與全表面吸附截然不同，邊緣點(diǎn)真空吸附僅在晶圓邊緣選取幾個(gè)特定的點(diǎn)位布置真空吸嘴。這種設(shè)計(jì)的初衷是最大程度減少對(duì)晶圓中心區(qū)域的影響，讓晶圓內(nèi)部應(yīng)力能夠自由釋放，以期望在測(cè)量時(shí)呈現(xiàn)出最真實(shí)的BOW狀態(tài)。在實(shí)際操作中，邊緣點(diǎn)真空吸附確實(shí)在展現(xiàn)晶圓原始BOW特性方面有一定成效。當(dāng)晶圓因前期制造工藝積累了復(fù)雜的內(nèi)部應(yīng)力，如在多層膜沉積工藝后，不同膜層材料的熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)晶圓翹曲，邊緣點(diǎn)吸附能夠避免過度約束，使得測(cè)量設(shè)備能夠探測(cè)到相對(duì)真實(shí)的彎曲情況。但其短板同樣明顯——穩(wěn)定性不足。由于僅依靠少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)提供吸附力，在外界輕微震動(dòng)干擾下，晶圓極易發(fā)生位移或微小轉(zhuǎn)動(dòng)。在高精度的BOW測(cè)量場(chǎng)景中，哪怕是幾微米的位置偏差，都可能導(dǎo)致測(cè)量探頭與晶圓接觸點(diǎn)的壓力分布改變，進(jìn)而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室模擬產(chǎn)線環(huán)境測(cè)試發(fā)現(xiàn)，邊緣點(diǎn)真空吸附方式下，多次測(cè)量同一晶圓的BOW值偏差標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)5微米以上，這對(duì)于如今納米級(jí)精度要求的半導(dǎo)體工藝而言，是難以接受的誤差范圍，嚴(yán)重影響了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性與重復(fù)性。三、環(huán)形真空吸附方式環(huán)形真空吸附作為一種折中的創(chuàng)新方案，近年來備受關(guān)注。它在晶圓邊緣靠近圓周處設(shè)計(jì)了一定寬度的環(huán)形真空吸附區(qū)域。一方面，環(huán)形吸附繼承了全表面吸附的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，通過連續(xù)的環(huán)形吸力，能夠穩(wěn)固地固定晶圓，抵御測(cè)量環(huán)境中的震動(dòng)、氣流擾動(dòng)等不利因素，確保晶圓在多次測(cè)量過程中的位置重復(fù)性良好，偏差可控制在極小范圍內(nèi)，滿足先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝對(duì)測(cè)量穩(wěn)定性的嚴(yán)苛訴求。另一方面，相較于全表面吸附，其避開了晶圓中心大面積區(qū)域，使得晶圓因重力、內(nèi)部應(yīng)力等產(chǎn)生的BOW能夠自然呈現(xiàn)。以化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝后的晶圓為例，由于研磨過程的不均勻性，晶圓中心易出現(xiàn)局部彎曲。環(huán)形真空吸附下，測(cè)量儀器能夠精準(zhǔn)捕捉到這種細(xì)微彎曲變化，相比全表面吸附，BOW測(cè)量精度可提升10%-20%，為工藝優(yōu)化提供了更具參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。四、復(fù)合型真空吸附方式探索隨著半導(dǎo)體技術(shù)向更高精度、更復(fù)雜工藝邁進(jìn)，單一的真空吸附方式愈發(fā)難以滿足需求。目前，科研人員正在探索復(fù)合型真空吸附方式，例如結(jié)合邊緣點(diǎn)吸附的應(yīng)力釋放優(yōu)勢(shì)與環(huán)形吸附的穩(wěn)定性特點(diǎn)，通過智能控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整不同區(qū)域的吸附力。在晶圓初始定位階段，采用邊緣點(diǎn)吸附讓晶圓自然舒展，初步測(cè)量整體BOW趨勢(shì)；隨后切換至環(huán)形吸附，強(qiáng)化固定效果進(jìn)行高精度測(cè)量。這種復(fù)合型方式有望進(jìn)一步降低BOW測(cè)量誤差，推動(dòng)半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)邁向新高度。綜上所述，不同的真空吸附方式在測(cè)量晶圓BOW時(shí)各有利弊。從傳統(tǒng)的全表面、邊緣點(diǎn)吸附到新興的環(huán)形吸附以及未來的復(fù)合型吸附，技術(shù)的迭代始終圍繞著如何在確保測(cè)量穩(wěn)定性的同時(shí)，最大程度還原晶圓真實(shí)的BOW狀態(tài)。只有精準(zhǔn)把握每種吸附方式的特性與影響，持續(xù)創(chuàng)新優(yōu)化，才能為半導(dǎo)體芯片制造的高質(zhì)量發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。五、高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)以光學(xué)相干層析成像原理，可解決晶圓/晶片厚度TTV（TotalThicknessVariation，總厚度偏差）、BOW（彎曲度）、WARP（翹曲度），TIR（TotalIndicatedReading總指示讀數(shù)，STIR（SiteTotalIndicatedReading局部總指示讀數(shù)），LTV（LocalThicknessVariation局部厚度偏差）等這類技術(shù)指標(biāo)。高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)，全新采用的第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù)，相比傳統(tǒng)上下雙探頭對(duì)射掃描方式；可一次性測(cè)量所有平面度及厚度參數(shù)。1，靈活適用更復(fù)雜的材料，從輕摻到重?fù)絇型硅(P++)，碳化硅，藍(lán)寶石，玻璃，鈮酸鋰等晶圓材料。重?fù)叫凸瑁◤?qiáng)吸收晶圓的前后表面探測(cè)）粗糙的晶圓表面，（點(diǎn)掃描的第三代掃頻激光，相比靠光譜探測(cè)方案，不易受到光譜中相鄰單位的串?dāng)_噪聲影響，因而對(duì)測(cè)量粗糙表面晶圓）低反射的碳化硅(SiC)和鈮酸鋰(LiNbO3)；（通過對(duì)偏振效應(yīng)的補(bǔ)償，加強(qiáng)對(duì)低反射晶圓表面測(cè)量的信噪比）絕緣體上硅（SOI)和MEMS，可同時(shí)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)，厚度可從μm級(jí)到數(shù)百μm級(jí)不等?？捎糜跍y(cè)量各類薄膜厚度，厚度最薄可低至4μm，精度可達(dá)1nm?？烧{(diào)諧掃頻激光的“溫漂”處理能力，體現(xiàn)在極端工作環(huán)境中抗干擾能力強(qiáng)，充分提高重復(fù)性測(cè)量能力。4，采用第三代高速掃頻可