不同的真空吸附方式對測量晶圓 BOW 的影響

不同的真空吸附方式，對測量晶圓BOW的影響在半導體產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的當下，晶圓作為芯片制造的基礎材料，其質(zhì)量把控貫穿整個生產(chǎn)流程。其中，晶圓的BOW（彎曲度）測量精度對于確保后續(xù)工藝的順利進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，作為晶圓測量環(huán)節(jié)中的關鍵支撐技術，對BOW測量結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。在測量過程中，晶圓能夠被牢牢固定在既定位置，幾乎不會出現(xiàn)位移或晃動現(xiàn)象，為高精度測量儀器提供了穩(wěn)定的操作平臺。然而，當聚焦于晶圓BOW測量時，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晶圓底面。對于一些本身存在微小熱應力或內(nèi)部應力不均衡的晶圓，這種均勻壓力會在一定程度上“強制”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)域因熱擴散速率與周邊不一致，往往會產(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，測量探頭所獲取的BOW值相較于晶圓的真實彎曲程度偏小。據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在某些特定工藝制程后的晶圓測量中，全表面真空吸附導致的BOW測量誤差可達15%-25%，這無疑會給后續(xù)基于測量數(shù)據(jù)的工藝調(diào)整帶來誤導，增加芯片制造的不良率風險。二、邊緣點真空吸附方式與全表面吸附截然不同，邊緣點真空吸附僅在晶圓邊緣選取幾個特定的點位布置真空吸嘴。這種設計的初衷是最大程度減少對晶圓中心區(qū)域的影響，讓晶圓內(nèi)部應力能夠自由釋放，以期望在測量時呈現(xiàn)出最真實的BOW狀態(tài)。在實際操作中，邊緣點真空吸附確實在展現(xiàn)晶圓原始BOW特性方面有一定成效。當晶圓因前期制造工藝積累了復雜的內(nèi)部應力，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，邊緣點吸附能夠避免過度約束，使得測量設備能夠探測到相對真實的彎曲情況。但其短板同樣明顯——穩(wěn)定性不足。由于僅依靠少數(shù)幾個點提供吸附力，在外界輕微震動干擾下，晶圓極易發(fā)生位移或微小轉(zhuǎn)動。在高精度的BOW測量場景中，哪怕是幾微米的位置偏差，都可能導致測量探頭與晶圓接觸點的壓力分布改變，進而使測量結果出現(xiàn)較大波動。實驗室模擬產(chǎn)線環(huán)境測試發(fā)現(xiàn)，邊緣點真空吸附方式下，多次測量同一晶圓的BOW值偏差標準差可達5微米以上，這對于如今納米級精度要求的半導體工藝而言，是難以接受的誤差范圍，嚴重影響了測量數(shù)據(jù)的可靠性與重復性。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，近年來備受關注。它在晶圓邊緣靠近圓周處設計了一定寬度的環(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，通過連續(xù)的環(huán)形吸力，能夠穩(wěn)固地固定晶圓，抵御測量環(huán)境中的震動、氣流擾動等不利因素，確保晶圓在多次測量過程中的位置重復性良好，偏差可控制在極小范圍內(nèi)，滿足先進半導體制造工藝對測量穩(wěn)定性的嚴苛訴求。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)部應力等產(chǎn)生的BOW能夠自然呈現(xiàn)。以化學機械拋光（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，測量儀器能夠精準捕捉到這種細微彎曲變化，相比全表面吸附，BOW測量精度可提升10%-20%，為工藝優(yōu)化提供了更具參考價值的數(shù)據(jù)。四、復合型真空吸附方式探索隨著半導體技術向更高精度、更復雜工藝邁進，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合型真空吸附方式，例如結合邊緣點吸附的應力釋放優(yōu)勢與環(huán)形吸附的穩(wěn)定性特點，通過智能控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整不同區(qū)域的吸附力。在晶圓初始定位階段，采用邊緣點吸附讓晶圓自然舒展，初步測量整體BOW趨勢；隨后切換至環(huán)形吸附，強化固定效果進行高精度測量。這種復合型方式有望進一步降低BOW測量誤差，推動半導體制造產(chǎn)業(yè)邁向新高度。綜上所述，不同的真空吸附方式在測量晶圓BOW時各有利弊。從傳統(tǒng)的全表面、邊緣點吸附到新興的環(huán)形吸附以及未來的復合型吸附，技術的迭代始終圍繞著如何在確保測量穩(wěn)定性的同時，最大程度還原晶圓真實的BOW狀態(tài)。只有精準把握每種吸附方式的特性與影響，持續(xù)創(chuàng)新優(yōu)化，才能為半導體芯片制造的高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實基礎。五、高通量晶圓測厚系統(tǒng)高通量晶圓測厚系統(tǒng)以光學相干層析成像原理，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）等這類技術指標。高通量晶圓測厚系統(tǒng)，全新采用的第三代可調(diào)諧掃頻激光技術，相比傳統(tǒng)上下雙探頭對射掃描方式；可一次性測量所有平面度及厚度參數(shù)。1，靈活適用更復雜的材料，從輕摻到重摻P型硅(P++)，碳化硅，藍寶石，玻璃，鈮酸鋰等晶圓材料。重摻型硅（強吸收晶圓的前后表面探測）粗糙的晶圓表面，（點掃描的第三代掃頻激光，相比靠光譜探測方案，不易受到光譜中相鄰單位的串擾噪聲影響，因而對測量粗糙表面晶圓）低反射的碳化硅(SiC)和鈮酸鋰(LiNbO3)；（通過對偏振效應的補償，加強對低反射晶圓表面測量的信噪比）絕緣體上硅（SOI)和MEMS，可同時測量多層結構，厚度可從μm級到數(shù)百μm級不等?？捎糜跍y量各類薄膜厚度，厚度最薄可低至4μm，精度可達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，充分提高重復性測量能力。4，采用第三代高速掃頻可