引言

在半导体光刻工艺中，晶圆通过旋涂光刻胶后，利用曝光设备让光源通过一块刻有电路图案的掩膜板照射在晶圆上，利用光阻材料的光敏感特性，将掩模板上的图案转移至光阻层中，形成光阻图案。随着晶圆尺寸的增大和厚度的减小，在晶圆加工过程中的应力会在较大和较薄的晶圆上形成明显的翘曲。

当晶圆发生翘曲时，对晶圆边缘光刻的聚焦影响很大，会增加后续光刻机台的对准难度，进而影响套刻精度，导致器件性能发生变化。

目前控制晶圆表面平整性的方法主要是优化光阻层厚度的均一性并搭配曝光前进行找平(Leveling)扫描，来确认晶圆表面的形貌，对曝光机进行补偿后曝光，减少翘曲的影响。然而，采用该方法，晶圆表面的平整度仍然得不到很好的控制，无法补偿由于晶圆表面不平整所带来的套刻残留(Overlay Residue)。

目前，主要会对晶圆造成翘曲的因素包括有以下几点：经过较大的热过程(高温、长时间)而产生翘曲；对硅片衬底进行沟槽刻蚀，填充不同介质，因材料、图形不同而产生翘曲；硅片衬底上沉积的膜层应力不匹配而产生翘曲；硅片厚度减薄过程中产生的残余应力导致的翘曲。

晶圆翘曲即使可以满足设备加工要求，也会因为热膨胀系数不同，应力不匹配造成内在缺陷，在遭到外力时，非常容易在加工过程引起碎片，导致加工设备及相应承载工具污染，导致设备停产，并需要复杂繁琐且昂贵的设备清洗复机过程。

因此，晶圆的翘曲变形是评价晶圆加工质量的重要技术指标，也是分析晶圆加工残余应力、优化减薄等加工工艺的重要依据。目前处理硅片翘曲的常用手段是通过一定温度时间的热过程进行退火，使之因热膨胀不同存在的内建应力或材料应力不匹配引起的内建应力释放。

晶圆翘曲的参数定义

翘曲度是晶圆的形貌参数之一。表征晶圆形貌的几何参数包括：硅片的厚度、TTV(即Total Thickness Variation，总厚度偏差)、BOW(即弯曲度)、WARP(即翘曲度)、TIR(即Total Indicated Reading，总指示读数)、STIR(即Site Total Indicated Reading，局部总指示读数)、LTV(即Local Thickness Variation，局部厚度偏差)等。

目前较为常用的用于获得晶圆表面形貌及台阶高度的方法，包括但不限于以下几种：1、通过干涉仪(斐索干涉)获得晶圆面形；2、通过白光干涉仪进行晶圆翘曲度、波纹度及粗糙度测量；3、通过台阶仪/探针式轮廓仪进行翘曲度、波纹度、粗糙度、应力及台阶高度测量；4、通过原子力显微镜进行晶圆表面形貌、表面粗糙度、力学、电学等性能测量；5、通过扫描电子显微镜进行晶圆表面形貌测量、成分分析。

与晶圆翘曲度或平坦度相关的参数主要关注以下几项：TTV、BOW和WARP，根据标准ASTM F657、ASTM F534及ASTM F1390，这几项参数的计算定义如下。

TTV

定义：通过扫描模式或一系列点测量过程中遇到的最大厚度值与最小厚度值之间的差值。

上图显示了放置在两个非接触式测量探针之间的晶圆。通过监测上部探针面与上部晶圆表面 (A) 以及下部探针面与下部晶圆表面 (B) 之间的变化，可以计算出厚度。首先，必须使用已知厚度 (T w ) 的晶圆校准系统。将已知厚度的区域放置在探针之间，并获取上部探针与晶圆之间的间隙 (A) 和下部探针与晶圆之间的间隙 (B)。从而计算上部和下部探针之间的总间隙 (Gtotal)Gtotal = A + B + Tw。系统校准后，现在可以测量厚度未知的晶圆。当晶圆放在探针之间时，会获取新的 A 和 B 值，从而计算出晶圆的厚度Tw = Gtotal – (A + B)。因此，TTV = Tmax – Tmin。

BOW

定义：自由、未夹紧的晶片的中位表面的中心点与中位表面参考平面的偏差，该参考平面由在圆上等距分布的三个点确定，该圆的直径小于晶片的公称直径的指定量。

其中，中值表面为晶片上前后表面等距点的轨迹。测量和计算弯曲度时，必须注意必须知道晶片中位表面的位置。通过测量中位表面的偏差，晶片中心点的局部厚度变化可从计算中消除。

由于弯曲度仅在晶圆的中心点处测量，因此计算了晶圆边缘周围的三 (3) 点参考平面。然后通过测量晶圆中心处中间表面的位置并确定其与参考平面的距离来计算弯曲度值。请注意，弯曲度可以是正数或负数。正数表示中间表面的中心点位于三点参考平面上方。负数表示中间表面的中心点位于三点参考平面下方。

WARP

定义：自由、未夹紧的晶圆的中间表面与参考位置的最大和最小距离之间的差异。

与弯曲度一样，翘曲度是晶圆中间表面与参考平面之间差异的测量值。但是，翘曲度使用的是晶圆的整个中间表面，而不仅仅是中心点的位置。通过查看整个晶圆，翘曲度可以更有效地测量晶圆的真实形状。中间表面的位置计算方式与弯曲度计算方式完全相同，如上所示。为了确定翘曲度，有两种构建参考平面的选择。一种是围绕晶圆边缘的相同三点平面。另一种是通过对测量扫描期间获取的中间表面数据进行最小二乘拟合计算。然后通过找到与参考平面的最大偏差 (RPD max ) 和与参考平面的最小差异 (RPD min ) 来计算翘曲度。RPD max定义为参考平面上方的最大距离，为正数。RPD min是参考平面下方的最大距离，为负数。

晶圆翘曲参数的测量方法

针对上述描述的晶圆翘曲度等指标的测试需求，有以下几种方案可以用于晶圆平面翘曲度的测量：

1. 激光干涉测量面型轮廓，成本高，效率高，精度高

2. 接触式台阶仪，成本高，效率低，精度高

3. 条纹结构光反射成像测量，成本高，效率高，精度中高

4. 电容位移传感器，成本高，效率中高，精度高

5. 激光三角位移传感器，成本中，效率中高，精度中高

6. 光谱共焦位移传感器，成本中，效率中高，精度高

基于光谱共焦位移传感器的晶圆翘曲度测量手段

综合上述几种测量手段，其中基于光谱共焦位移传感器的方法在综合成本、样品无损测量、测量效率、测量样品兼容性及测量精度等因素上整体最优，是一种经济的、高精度测量晶圆翘曲度等指标的关键测量技术。下图即为采用光谱共焦位移传感器进行晶圆平坦度测量的实物图。 

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