01 膜厚及粗糙度检测为何重要

一片晶圆走完上百道制造工序，薄膜沉积可以说是重复次数最多的环节之一。膜厚直接影响电子器件性能，薄膜厚一点、薄一点，CD、应力、介电常数、漏电、刻蚀窗口都会跟着变。

 

粗糙度更为直接，它影响的是集成电路芯片寿命、电学性能以及MOSFET载流子迁移率，这对后续引线键合、倒装贴片等一系列工艺都会产生影响。栅介质界面、金属互连、薄膜堆叠的缺陷萌生，很多时候就是从表面不够干净、不够平开始的，所以晶圆表面粗糙度是最严格控制的参数之一。

如今先进制程越走越窄，计量不只是确认结果，而是要能够反推工艺，把波动压回去。

行业现在的痛点，越来越集中在数据可用性上，而不是数多少次、平均值是多少。举个例子，粗糙度并不是均匀分布，线边缘粗糙度会加剧漏电，而中心区域凹陷可能引发互连层桥接短路或RC延迟增大。如果只关注平均值，可能会把关键区域致命缺陷隐藏掉。

你以为你在测薄膜，但实际你是在测薄膜 + 运动系统 + 环境这三者的叠加。

02 运动平台作用几何

很多人聊到膜厚/粗糙度检测，会把注意力放在光学方案上，比如反射率、椭偏、共焦、白光干涉、散射……这些固然关键。但在产线里，要充分发挥光学方案的作用，你还需要同时考虑到充当躯干的高精密运动平台是否达标，它决定以下三件事：

1.光斑是否一直在该在的位置、该在的高度、该有的入射角

膜厚测量对入射角和焦点位置非常敏感。粗糙度检测对姿态更敏感，哪怕是微小的俯仰/横滚变化，都会改变散射/干涉条件。尤其对于椭偏测量，其对入射角的精度要求通常会在角秒级。

2.扫描轨迹是否可控

现在的测量趋势是更密的点位、更连续的扫描。典型的做法是螺旋扫描、栅格扫描、环形扫描。轨迹越复杂，对插补、同步、加减速控制、动态刚度的要求越高。

3.多机台一致性是否能工程化

平台是几何基准，只要几何稳定、热稳定、装调一致，测量头的标定就更容易收敛，跨机台的matching也更可复制。反过来，如果平台的几何和热漂是随机的，你就只能靠更频繁的标定和更保守的节拍去补。

那么在这个场景下，精密运动平台需要具备哪些特质？

 

Map形态稳定性的重要性，图源半导体工艺知识站

■ 出色的定位精度与重复定位精度：定位精度决定光斑实际到达位置与目标位置的偏差，重复定位精度则影响多次测量点位的一致性，二者共同决定膜厚mapping的空间准确度和测量结果的可复现性；

■ 纳米级在位稳定性：对于需长时间积分或多次平均采样的测量至关重要，会直接影响信噪比和测量重复性；

■ 洁净度：半导体制造环境对洁净度要求极高，运动台的制造装配都需要在洁净室完成且本身不会像丝杠平台那样产生摩擦碎屑。

除此之外，动态性能、整定时间、速度波动这些指标同样不可忽视。

此外，一套成熟的运动系统不止用在一处，在各个关节都可以有实际落点。整体而言，平台越稳，你才越敢把计量做成闭环控制，把异常更早拦在前段，而不是在电测或失效分析才发现。

03 “ZY大中空+Z轴悬挂”解决方案

针对行业痛点，地心科技用现有的产品矩阵搭建“XY大中空+Z轴悬挂”解决方案：XY大中空平台做2D范围内多个位置点对点移动，其中空结构便于配置上下对射测距传感器；Z轴采用双气缸配重，可以做实时对位聚焦，传感器从而获取厚度数据。

 

■ XY中空平台采用CFTCA-250XY，全行程平面度和直线度＜±4μm，安全中空尺寸可以做到50mm*50mm，上轴最大速度1000mm/s，空载加速度可达1g。配置线性放大器，带隔振实验室环境下，它的在位稳定性3nm，最小步进量可以＜5nm。

■ Z轴采用ART130SZ，双气缸平衡设计通过气缸平衡负载重量，能有效避免电机长时间工作发热现象，最大速度可达500mm/s，空载加速度可达1g。配置线性放大器，带隔振实验室环境下，ART130SZ系列平台的在位稳定性可达3nm，最小步进量可以＜5nm。

 

这套方案除了用作膜厚和粗糙度测量，同样可用于晶圆双面翘曲检测，实现一套运动平台多场景复用。整套平台由自研直线电机驱动，全程装配在洁净室完成，同样符合半导体行业对洁净度的要求。

其实半导体制造的精度竞争，早就从器件层延伸到每一个底层部件。

当我们谈论检测能力升级时，不该只盯着镜头和算法，也该看看承载晶圆的那一方平台。