過去幾十年來，為了響應(yīng)半導(dǎo)體和太陽能行業(yè)創(chuàng)新步伐和對表面光潔度的嚴(yán)格要求，晶圓制造（尤其是半導(dǎo)體晶圓）的工藝和質(zhì)量得到了改進(jìn)。以下各節(jié)將討論晶圓表面特性和質(zhì)量測量的幾個重要特性。
傳統(tǒng)上，晶圓表面通過總厚度變化 (TTV)、翹曲、彎曲、平整度和波紋度參數(shù)進(jìn)行測量和表征。通常，TTV、翹曲和彎曲的單位是微米。隨著晶圓直徑的增大，表面光潔度的要求變得更加嚴(yán)格，并且在電子制造中保持高產(chǎn)量仍然很重要。以下將討論一些重要的表面特性。

表面波紋度：TTV、彎曲度和翹曲度

圖 1.5 最好地說明了表征晶圓表面的本體特性，其中晶圓在兩個電容探針之間旋轉(zhuǎn)，這兩個探針對晶圓表面上的點(diǎn)進(jìn)行采樣。基于各種 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，不同的表面測量定義如下：TTV 定義在 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1390 (2002)；ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F533 (2002)；ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F657 (1999)]，彎曲度定義在 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F534 (2002)]，翹曲度定義在 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1390 (2002)；ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F657 (1999)]。這些 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)已于 2003 年 5 月撤銷，并轉(zhuǎn)移到 SEMI (www.semi.org)。描述 TTV、彎曲度和翹曲度的 SEMI 文檔可在 [SEMI 3D12 (2015)；SEMI MF1390 (2018)；SEMI MF1530 (2018); SEMI MF533 (2010); SEMI MF534 (2014); SEMI MF657 (2014)]。

用于定義晶圓表面特性的 TTV、彎曲和翹曲術(shù)語通常在描述晶圓表面光潔度的質(zhì)量時引用。首先定義以下術(shù)語以描述晶圓的各種表面。

● 正面 - 已制造或?qū)⒅圃煊性窗雽?dǎo)體器件的曝光表面。

● 背面 - 與已制造或?qū)⒅圃煊性窗雽?dǎo)體器件的曝光表面相反的表面。

● 中間表面 - 晶圓中正反面等距點(diǎn)的軌跡，如圖 1.5 所示。
圖 1.5 顯示了一個晶圓，當(dāng)它穿過一對非接觸式探針 A 和 B（通常是電容式傳感器）之間的間隙時，它沿其質(zhì)心軸旋轉(zhuǎn)。探針傳感器測量距離a和b，并校準(zhǔn)間隙距離D。因此，當(dāng)晶片表面通過探針之間的間隙時，在采樣和測量時晶片的厚度t為

根據(jù)圖 1.5 中的測量示意圖和公式 (1.4)，給出了以下本體特性。
在完成旋轉(zhuǎn)和掃描后，在晶圓上的采樣點(diǎn)中，總厚度變化 (TTV) 計算為晶圓厚度的最大值與最小值之間的差，如下所示

有關(guān) TTV 的更多參考資料，請參見 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1530 (2002); ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F533 (2002); SEMI MF1530 (2018); SEMI MF533 (2010); SEMI MF657 (2014)]。
彎曲度是指自由、未夾緊的晶圓的中面中心點(diǎn)與中面參考平面之間的偏差，該參考平面由三個等距點(diǎn)在直徑小于晶圓公稱直徑的圓上建立 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F534 (2002); SEMI MF534 (2014); SEMI MF1390 (2018)]。參考圖 1.5，其中定義了探針 A 和 B 之間中跨處與參考平面的距離 z，我們有

彎曲度是晶圓凹凸變形的量度，以晶圓中心為基準(zhǔn)，與厚度變化無關(guān)。彎曲度的正值表示晶圓正面朝上時，中面為凸面（圓頂形）。相反，彎曲度的負(fù)值表示中面為凹面（碗形）。
翹曲度是自由、未夾緊晶圓中面與參考平面的最大距離與最小距離之差 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1390 (2002)；ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F657 (1999)；SEMI MF1390 (2018)；SEMI MF657 (2014)]。與彎曲度一樣，翹曲度也是中面與參考平面之差的測量值。與彎曲度（僅測量晶圓中心點(diǎn)的差異）不同，翹曲度使用晶圓的整個中面來確定最大距離與最小距離之差，同時考慮這些距離的符號。如圖 1.6 所示，建立了一個參考平面，如圖所示，晶圓中面與參考平面的最大距離和最小距離分別標(biāo)記為?dmax?和 dmin。因此，可得到 warp 為

請注意，距離的符號用于確定最佳值并計算扭曲度。當(dāng)參考平面位于探針 A 和 B 之間的中跨時（如圖 1.5 所示），距離 d 與 z 相同；因此，扭曲度可推導(dǎo)出如下公式

?

請注意，公式 (1.8) 中定義的翹曲，其中參考平面定義為兩個探針 A 和 B 之間的中跨，僅是測量值 a 和 b 的函數(shù)。但是，如果任意定義，則翹曲取決于參考平面的位置。

圖 1.7 顯示了計算 TTV、弓形和翹曲值的示例。參考平面取自探頭 A 和 B 之間的中跨，如圖 1.7 所示。

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關(guān)于翹曲的討論
如上例所示，參考平面的位置會影響彎曲度值。在標(biāo)準(zhǔn) [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F657 (1999); SEMI MF657 (2014)] 中，晶圓由參考環(huán)上的三個半球點(diǎn)支撐，該參考環(huán)建立了參考平面。重力引起的偏轉(zhuǎn)也會影響彎曲度和翹曲度值。[ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1390 (2002); SEMI MF1390 (2018)] 中的標(biāo)準(zhǔn)通過定義自動掃描的翹曲度來批準(zhǔn)此類問題。在標(biāo)準(zhǔn)中，中位表面經(jīng)過數(shù)學(xué)校正，以適應(yīng)重力效應(yīng)和儀器的機(jī)械特征。參數(shù) z 定義為晶圓中位表面與中跨中點(diǎn)（上部和下部探頭之間）之間的距離。另請參見圖 1.5。

如前所述，晶圓上表面中點(diǎn)相對于上下探針中間平面的位置 z 為：

與公式 (1.6) 相同。重力和其他補(bǔ)償應(yīng)用于中間表面的 z 位置。然后通過最小二乘擬合掃描模式所有點(diǎn)的中間表面 z 位置數(shù)據(jù)構(gòu)建參考平面。參考平面的 z 值稱為 zref。參考平面偏差 (RPD) 定義為每個點(diǎn)處測量的 z 位置?zcom?與參考 zref 之間的差值

中心處的正 RPD 呈現(xiàn)圓頂形（或凸形）晶圓；中心處的負(fù) RPD 呈現(xiàn)碗形（或凹形）晶圓。
然后，將翹曲定義為公式 (1.9) 中定義的 RPD 最大值與最小值之間的差值，同時考慮值的符號，

翹曲類似于馬鈴薯片效應(yīng)，可能是由于內(nèi)部殘余應(yīng)力或晶圓兩個暴露表面上的應(yīng)力不均引起的，也可能是由于重力引起的變形和旋轉(zhuǎn)晶圓進(jìn)行測量時慣性力的動態(tài)而加劇的。近年來，已經(jīng)開發(fā)了不同的設(shè)備和技術(shù)，例如使用光學(xué)方法的非動態(tài)全表面計量法[Wei and Kao (1999); Wei et al. (1998b)]。

TTV、翹曲、彎曲和平整度的自動測量

TTV/warp/Bow and wafer flatness

請注意，如今在工業(yè)中，TTV、翹曲、彎曲和平整度的測量是通過自動化過程使用具有不同傳感和數(shù)據(jù)分析手段的設(shè)備和裝置進(jìn)行的。例如，執(zhí)行此類自動化測量的設(shè)備將使用電容式傳感和數(shù)據(jù)收集手段對晶圓表面上的許多點(diǎn)進(jìn)行采樣，以計算 TTV、翹曲、彎曲和平整度。

晶圓平整度 wafer flatness

平面化是提高晶圓表面平整度或平面度的過程。平面化技術(shù)可分為兩類：（i）整體平面化和（ii）局部平面化。前者包括減少晶圓表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)長距離變化的技術(shù)，尤其是在微加工中發(fā)生在步進(jìn)機(jī)整個圖像場上的那些變化。后者是指在局部和短距離內(nèi)增加晶圓平整度的技術(shù)。目前，晶圓制造中使用了幾種平面化技術(shù)，包括但不限于：氧化；化學(xué)蝕刻；通過離子注入損傷控制錐度；沉積低熔點(diǎn)玻璃膜；犧牲晶圓鍵合；對沉積膜進(jìn)行再濺射以使其平滑；使用聚酰亞胺膜；使用新型樹脂和低粘度液體環(huán)氧樹脂；使用旋涂玻璃 (SOG) 材料；犧牲蝕刻；以及化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP)。

用于半導(dǎo)體器件制造的起始原始晶圓在規(guī)格內(nèi)是平坦的或平面的。然而，隨著晶圓在器件制造中經(jīng)歷各種步驟，通過連續(xù)的沉積和去除工藝，具有不同形狀和深度的材料層會沉積到晶圓表面上。這些重復(fù)的沉積和去除步驟導(dǎo)致晶圓失去其平坦度或平面性。隨著用于 IC 制造的層數(shù)和互連技術(shù)的不斷發(fā)展，晶圓表面的平坦化進(jìn)一步加劇。

晶圓表面平整度的降低會在器件制造過程中帶來問題。當(dāng)晶圓表面平整度降低時，保持細(xì)線連續(xù)性而不中斷變得更加困難。此外，平面度的逐漸喪失最終使晶圓上精細(xì)特征圖案的成像變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

晶圓平整度和測量標(biāo)準(zhǔn)在 [ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F1530 (2002)；ASTM 標(biāo)準(zhǔn) F533 (2002)] 和 SEMI 文件 [SEMI 3D12 (2015)；SEMI MF533 (2010)；SEMI MF1530 (2018)] 中進(jìn)行了描述。以下介紹將遵循 SEMI [SEMI MF1530 (2018)] 中的標(biāo)準(zhǔn)來確定晶圓平整度。還要注意的是，晶圓平整度的測量現(xiàn)在是使用自動化流程和設(shè)備進(jìn)行的，如第 1.4.3 節(jié)所述。以下步驟旨在幫助您了解如何確定平整度。

公式 (1.4) 可以重寫如下，以表達(dá)晶片表面上許多采樣點(diǎn)的厚度測量數(shù)據(jù)集 t(x, y)，平面坐標(biāo)為 x 和 y

其中 x = y = 0 是晶圓中心平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)。坐標(biāo)系的定義如圖 1.8 所示。公式 (1.11) 中參數(shù)的定義與第 1.4.1 節(jié)中給出的相同。
平整度測定
平整度測定采用以下步驟 [SEMI MF1530 (2018)]。
1. 使用以下公式構(gòu)建參考平面

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● GBIR 為整體測量，以晶圓背面為參考面，以整個?FQA?上的理想晶圓背面為參考平面，以范圍內(nèi)的平整度測量或 TIR 為測量范圍。
● SBID 為位置測量，以晶圓背面為參考面，以整個 FQA 上的理想背面為參考平面，以 FPD 為位置的平整度測量。
● SF3R 為位置測量，以晶圓正面為參考面，以 3/三點(diǎn)參考平面，以范圍內(nèi)的平整度測量或 TIR 為測量范圍。
● SFQR 為位置測量，以晶圓正面為參考面，以最小二乘參考平面，以范圍內(nèi)的平整度測量或 TIR 為測量范圍。
● SFSR 為位置測量，以晶圓正面為參考面，以子位置上的最小二乘參考平面，以范圍內(nèi)的平整度測量或 TIR 為測量范圍。

納米形貌或納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

納米形貌或納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指晶圓表面在指定距離內(nèi)的高度變化，必須對其進(jìn)行控制以滿足微電子制造工藝步驟的要求。自 2003 年以來，與納米形貌有關(guān)的參數(shù)已納入國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (ITRS) [Allan 等人 (2002)；Edenfeld 等人 (2004)]。正面和背面形貌都會影響晶圓是否適合所選工藝步驟。SEMI M43 (2018) 將納米形貌定義為“整個晶圓正面表面在約 0.2 至 20 毫米的空間波長范圍內(nèi)和在固定質(zhì)量區(qū)域 (FQA) 內(nèi)的非線性偏差”。本 SEMI 指南介紹了納米形貌報告流程。[SEMI M78 (2018)] 中規(guī)定了用于大批量生產(chǎn) 130 nm 至 22 nm 代無圖案硅晶片的納米形貌確定指南，并提供了程序和決策樹。

用于成型晶圓的加工工藝（例如切片、研磨和拋光）會使晶圓表面呈現(xiàn)特定的形狀和特性。人們在磨料加工工藝方面投入了大量研究，以了解不同工藝參數(shù)（例如漿料濃度、磨料尺寸分布、施加的載荷對材料去除率的影響、工件的表面粗糙度、材料去除機(jī)理以及材料特性的影響）的影響。

此類工藝和機(jī)床的性質(zhì)會導(dǎo)致晶圓表面不均勻，從而產(chǎn)生具有地形特征的粗糙度、波紋度和翹曲度。地形特征通常根據(jù)其空間波長進(jìn)行分類，如圖 1.9 中的納米地形圖所示。在特殊情況下，晶圓的粗糙度和平整度可能無法代表所關(guān)注的實(shí)際表面納米地形。納米地形的定義可以更細(xì)致地描繪晶圓的表面，在某些特殊情況下不會產(chǎn)生歧義。例如，納米表面形貌被定義為空間波長為 0.2 至 20 毫米的表面偏差，在最終拋光工藝后其幅度為 10 納米 [SEMI；Bhagavat 等 (2010)]。

表面粗糙度

表面的特征在于表面紋理和表面完整性。表面紋理是指表面的拓?fù)浠驇缀涡螤?，最常以表面粗糙度表示。表面完整性與表面下方的材料特性以及表面下特征的變化有關(guān)，尤其是在制造和/或加工過程之后。表面粗糙度是表面紋理的量度 - 這是摩擦學(xué)、設(shè)計和制造等許多領(lǐng)域關(guān)注的話題。粗糙度量化了表面與其理想形狀的偏差，通常描述與標(biāo)稱或理想表面之間的微小、細(xì)微的偏差。粗糙度用其高度、寬度和沿表面的距離來表示。粗糙度不同于波紋度，波紋度是相對于參考表面的重復(fù)偏差（波紋）。它以表面上重復(fù)的波紋圖案的距離來衡量，例如波的空間頻率（表面上的周期性距離）、波紋高度和寬度。

算術(shù)平均粗糙度 Ra
圖 1.10 顯示了表面輪廓，其中繪制了從點(diǎn) A 到點(diǎn) B 的一段表面，線性尺寸為 x，以及與標(biāo)稱表面的相應(yīng)變化 z，如圖所示。表面上 xi 處的點(diǎn) P 具有 zi 的變化。如果將變化 Z(x) 表示為線性尺寸的函數(shù)，則常規(guī)粗糙度 Ra（表示為算術(shù)平均值）定義為

峰谷粗糙度或總高度粗糙度，Rt

粗糙度也可以通過表面輪廓峰谷總高度來量化。這種粗糙度通常稱為總高度或峰谷粗糙度，表示為 Rt。我們將最大峰高定義為 Rp = maxi(zi)，將最大谷深定義為 Rv = |mini(zi)|。請注意 Rv 上的絕對符號，因?yàn)槿绻麤]有 | ? | 運(yùn)算，該值為負(fù)數(shù)。因此，峰谷粗糙度或總高度粗糙度由下式給出

平均粗糙度高度或平均最大高度 Rz
圖 1.11 說明了粗糙度測量 Rz（稱為平均粗糙度高度或平均最大高度）的計算。粗糙度 Rz 定義為 Rti 的連續(xù)值的平均值，每個值都是在總長度 L 內(nèi)的評估區(qū)域 l 上計算得出的，如圖 1.11 所示。當(dāng)評估長度 L 內(nèi)有五 (5) 個采樣區(qū)域 l 時，參數(shù) Rz 與 Rz(DIN) 相同。平均粗糙度高度 Rz 定義如下

十點(diǎn)粗糙度高度或不規(guī)則性十點(diǎn)高度，Rz(ISO)
ISO 對 Rz 的另一個定義是十點(diǎn)粗糙度高度或不規(guī)則性十點(diǎn)高度，表示為 Rz(ISO)。Rz(ISO) 的定義最好地示于圖 1.12。評估長度 L 內(nèi)的五個最大峰和谷分別按大小降序標(biāo)識為 P1 · · · P5 和 V1 · · · V5。h1 · · · h5 的高度是對應(yīng)點(diǎn)對的峰和谷之間的高度，如圖 1.12 所示。因此，Rz(ISO) 定義為五個最大峰和谷的高度的平均值，h1 · · · h5，如下式所示

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表 1.6 總結(jié)了前面介紹的各種粗糙度測量方法。各種粗糙度測量方法的參考資料可以在 [ASME B46 (2009)；ISO-4287 (1996)；Mitutoyo (2016)；Precision Device (2016)] 中找到。
SEMI 定義了表面粗糙度測量方法的應(yīng)用，尤其是均方根粗糙度 [SEMI MF1811 (2016)；SEMI M40 (2014)]。SEMI MF1811 (2016) 提供了從拋光晶圓表面的線性掃描中提取粗糙度參數(shù)的信息。SEMI 定義了均方粗糙度 R2q，其均方根粗糙度的等效公式為

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SEMI 定義了拋光晶圓平面粗糙度測量規(guī)范的七步程序 [SEMI M40 (2014)]。該程序列舉如下：
1. 選擇儀器類型，包括以下三種主要類型：
(a) 輪廓儀：包括原子力顯微鏡 (AFM)、其他掃描探針顯微鏡 (SPM)、光學(xué)輪廓儀 (OPR) 和機(jī)械觸針 (MPR)。
(b) 干涉儀：包括干涉顯微鏡 (IM)。
(c) 散射儀：包括全積分散射儀 (TIS)、角分辨光散射儀 (ARLS) 和掃描表面檢測系統(tǒng) (SSIS)。
2. 選擇測量模式，包括中心點(diǎn) (1)、五點(diǎn) (5)、九點(diǎn) (9)、全 FQA 光柵掃描 (R)、同心全 FQA R-theta 掃描 (C) 和螺旋 R-theta 掃描 (S)；有關(guān)更多詳細(xì)信息和插圖，請參閱 [SEMI M40 (2014)]。
3. 選擇圖案方向：包括 A 型 (A) 和 B 型 (B)；有關(guān)帶插圖的更多詳細(xì)信息，請參閱 [SEMI
M40 (2014)]。
4. 選擇局部測量條件：包括點(diǎn) (P)、線 (L) 或區(qū)域 (A)。
5. 選擇要確定的參數(shù)：包括算術(shù)平均粗糙度、
Ra (A)、均方根粗糙度、Rq (Q)、十點(diǎn)粗糙度、Rz-ISO (Z) 或
峰谷比、Rt (T)。
6. 指定要報告的測量計算：包括平均值 (A)、
范圍 (R)、最大值 (M) 或一個標(biāo)準(zhǔn)偏差、一個西格瑪 (D)。
7. 指定要收集數(shù)據(jù)的帶寬和掃描長度限制。
8. 最后，記錄與這些選擇相關(guān)的縮寫，如上所述，用逗號分隔相鄰的縮寫，并使用句點(diǎn)表示十進(jìn)制數(shù)。這將創(chuàng)建一個七字段縮寫，遵循此過程的第 1 至 7 步。

審核編輯：黃飛

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