《Optics and Lasers in Engineering》：Key technologies of a FOUP-integrated spectral confocal module for wafer warpage measurement
编辑推荐：
旋转双探针模块化共聚焦测量系统通过极坐标扫描与Zernike多项式建模实现12英寸硅片全局形变高效检测，采用标准球体与平面镜两阶段标定消除几何误差，结合三点支撑重力补偿抑制结构变形，实验表明系统可实现2.22μm重复性精度和60 wp/h处理速度。
程伟生|尹双雄|向永旭|刘国源|杨军|李泽晓|张晓东
精密测量技术与仪器国家重点实验室，微纳制造技术实验室，天津大学，天津300072，中国
摘要
随着半导体工艺节点的持续缩小和3D异构集成的兴起，对晶圆平整度、翘曲度和弓形的实时高精度测量变得越来越重要。化学机械抛光（CMP）和薄膜沉积等制造步骤会引入不均匀应力，导致整体变形和边缘卷曲，从而降低光刻对准精度、CMP压力均匀性和堆叠可靠性。然而，传统的晶圆翘曲测量系统存在配置笨重、易受振动影响、需要离线操作以及与自动化半导体工艺流程兼容性差的问题。本文介绍了一种旋转式双探针模块化共聚焦晶圆测量系统，该系统完全符合FOUP（Front Opening Unified Pod）标准，并可直接集成到装载端口中。结合Zernike多项式建模的极坐标扫描策略能够高效地重建12英寸晶圆的全场图像。建立了一个参数化运动学模型，考虑了轴的正交性、偏心率和探针姿态误差。此外，还开发了一种基于标准球体和平面镜的两阶段校准方法，以实现几何误差的稳健解耦和补偿。通过有限元分析和基于三点支撑的重力补偿方案来抑制结构变形。实验结果表明，该系统能够实现2.22 μm的翘曲度和弓形测量重复性，标准偏差低于1 μm，纯测量吞吐量超过每小时60片晶圆。除了精度和吞吐量外，所提出的系统还提供了一个即插即用、在线且无污染的检测模块，为晶圆几何监测提供了快速且可扩展的解决方案。它显著降低了集成复杂性，实现了先进半导体制造和工艺质量控制的模块化过程测量。
引言
现代半导体制造正朝着更小的工艺节点和更复杂的封装架构发展。这些趋势要求对晶圆的几何参数（如平整度、翘曲度和弓形）进行实时高精度测量[1]。如果这些参数控制不当，将在光刻对准和多层堆叠过程中积累偏差，从而导致器件产量和性能下降。化学机械抛光（CMP）和薄膜沉积后，未图案化晶圆的几何形状通常会发生明显变化，平整度降低，翘曲度增加。如果不及时监测，这些形状误差会传递到后续处理步骤中并难以纠正[2]。在光刻过程中，翘曲的晶圆无法与曝光系统的焦平面保持对齐。即使是最先进的自动对焦系统也无法完全补偿整体翘曲，从而导致关键尺寸（CD）误差和图案失真。在薄膜沉积和多层堆叠过程中，翘曲会导致应力分布不均，从而产生局部厚度变化、裂纹或分层，降低电气性能和长期可靠性。在CMP过程中，翘曲的晶圆与垫片接触不均匀，导致过度抛光或抛光不足。这些效应会降低层间平整度和互连质量。在严重情况下，高度翘曲的晶圆在处理或夹紧过程中可能会破裂，威胁产量和设备安全[3]。因此，准确测量和控制CMP及薄膜沉积后的晶圆平整度和翘曲度对于维持工艺稳定性和可靠性至关重要。如图1所示，翘曲度测量在整个半导体制造过程中至关重要，能够确保稳定的产量和可靠的工业规模扩展。然而，随着先进的半导体制造设施向全自动化和更严格的工艺控制发展，晶圆翘曲度测量必须超越单纯的精度要求——它还必须支持在线操作、模块化部署以及跨多个工艺阶段的无缝集成。特别是，与标准工艺接口兼容的系统可以直接连接到生产设备上，无需额外处理，从而降低污染风险、最小化对准误差并缩短整体周期时间。真正的即插即用测量模块可以插入CMP、沉积、光刻或键合之前或之后，使翘曲度反馈与工艺补偿紧密耦合。这一发展对测量系统提出了新的要求：它们必须提供高吞吐量、抗振动能力、工业集成能力和全场重建能力，而不仅仅是作为独立的实验室仪器使用。
在晶圆几何测量方面，已经开发了许多高精度技术来测量平整度和翘曲度。其中，白光干涉测量结合亚孔拼接是最成熟的方法之一[4]。例如Zygo NewViewTM系列系统可以实现亚纳米级的高度分辨率。然而，对于大直径晶圆，需要多次拼接操作，这一过程往往引入累积误差，并且对振动非常敏感，限制了其在高吞吐量生产线中的使用。RuiFei Optoelectronics开发的晶圆翘曲测量系统中使用的条纹偏转方法通过分析条纹变形来重建三维表面，具有高测量速度和简单的系统设计。但由于依赖于斜率积分，小的局部误差会累积，使得难以实现全晶圆重建的纳米级精度。激光干涉测量在实验室条件下也提供了出色的全局形状测量能力，如Zygo的系统所示，可以达到纳米级精度。然而，其复杂的光学系统、大型设置和严格的稳定性要求限制了其在工业环境中的使用[6]。最近，频率扫描干涉测量（FSI）引起了越来越多的关注[7]。通过扫描光源频率来提取光路差异，FSI可以同时测量晶圆表面和厚度剖面。尽管比传统干涉测量更强大，但它仍然需要稳定的光源、复杂的信号处理和庞大的光学布局，这阻碍了其在线集成。共聚焦传感提供了另一种选择，具有出色的轴向分辨率和非接触优势，适用于亚微米级检测，已广泛用于微结构分析和缺陷检测[8]。然而，传统的共聚焦系统扫描速度和覆盖范围有限，更适合实验室测试或局部检测，而不是全晶圆在线测量。
在半导体制造中，基于模块化EFM（设备前端模块）/FOUP的测量系统可以与生产线无缝集成。它们减少了晶圆转移和二次对准误差，同时为多个工艺阶段提供灵活的在线检测[9]。在进入关键步骤之前，晶圆可以进行低分辨率预筛查以检测翘曲。那些形状异常的晶圆随后会接受高精度的全场扫描以进行进一步补偿。这种两级检测策略支持高吞吐量生产，同时保持了复杂地形所需的精度，有效提高了工艺效率和晶圆产量。尽管现有的方法（如白光干涉测量、激光干涉测量、条纹偏转和共聚焦显微镜）在分辨率或精度方面各有优势，但它们通常缺乏模块化和工业兼容性。大多数传统的检测工具是专为实验室使用设计的台式系统，体积庞大，易受振动和温度影响，难以与EFM或FOUP平台集成[10]。此外，晶圆检测通常需要额外的处理和对准步骤，这些步骤不仅增加了测量时间，还增加了污染和对准误差的风险。
为了克服上述挑战，本研究提出了一种旋转式双探针模块化共聚焦晶圆测量系统[11]。该系统采用了一种带有旋转运动的新双探针扫描架构，测量模块直接安装在FOUP载体位置。这种配置确保了与EFM和晶圆处理设备的无缝兼容性，消除了传统台式仪器的限制。对于路径规划，采用了基于Zernike多项式建模的极坐标扫描方法[12]。这种策略确保了均匀的空间覆盖，同时大大提高了测量效率[13]。为了应对多种几何误差源，开发了一个综合误差模型，考虑了三点支撑变形、坐标错位和传感器组装误差。通过专门的校准过程，这些误差得到了有效解耦和补偿，确保了系统的稳定性和精度。构建了一个原型系统，并与商用工业仪器进行了实验比较。结果表明，所提出的设计在测量翘曲度（Warp）、总厚度变化（TTV）和表面精度方面表现出色。它还展示了高检测效率和强大的工业兼容性，为模块化高精度晶圆测量系统的工业应用奠定了坚实基础[14]。
部分摘录
测量原理和系统架构
光谱共聚焦传感（SCS）是一种高精度、非接触式测量技术，结合了宽带光谱分析和共聚焦光学原理[15]。宽带光源通过衍射元件分散并分离成不同的波长成分。在共聚焦系统中，每个波长在样品表面的不同高度达到其焦点。当反射光谱被探测器收集时，光谱的峰值强度或质心位置
路径规划和生成
晶圆是一个圆形基底，其表面地形是评估平整度和翘曲度等几何参数的基础。为了描述制造过程中产生的多尺度表面误差，本文采用了Zernike多项式进行表面建模。Zernike函数定义在单位圆盘上[12]，它们是正交的、旋转对称的，因此非常适合晶圆几何测量。不同的工艺会引入不同类型的形状误差。低阶变形，如
校准结果的准确性和重复性实验
为了确保校准参数的稳健性和统计可靠性，设计了多次重复性实验。进行了系统级几何误差校准重复性实验。对于第一阶段的标准球体联合校准，使用了一个传感器进行验证。我们重复了整个轴线的校准过程五次，校准精度和重复性结果如图10所示。
在每次实验中，标准球体被放置
结论
本文解决了先进半导体制造中对晶圆平整度和翘曲度等宏观几何参数进行高精度在线测量的需求。提出并实现了一种旋转式双探针模块化共聚焦测量系统，可以直接集成到上游生产过程中。测量模块安装在装载端口位置，确保了与EFM和FOUP等工艺接口的无缝兼容性。
数据可用性声明
本研究中的原始贡献包含在文章中。如有进一步查询，请联系相应的作者。资助
本研究得到了国家计划（J0017–2326-QT）；国家自然科学基金（62373274 & 52405508）的资助。CRediT作者贡献声明
程伟生：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源，方法论，正式分析，数据管理，概念化。尹双雄：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，资源，调查，正式分析，概念化。向永旭：软件，调查。刘国源：可视化，正式分析。杨军：可视化。李泽晓：监督，项目管理，资金利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：尹双雄和向永旭报告称得到了Standard Optics Technology Tianjin Co., Ltd.的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
