光学3D表面轮廓仪在半导体行业的应用

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引言：半导体产业是一个点石成金的行业，将从普通的石英砂中提取的硅原料制成拥有现代工业系统“心脏”之称的IC芯片，中间须历经数十上百道工序，从硅晶圆的制备到晶圆IC的制造，每一步都对工艺流程的质量有着严格的管控要求，由各式各样的检测仪器共同组成了产品质量监控的守门员，而在这之中，作为产品表面质量检测仪器的光学3D表面轮廓仪，以其超高的检测精度和重复性，发挥着重要的作用。
1 d3 f( G9 n+ H- y& p* G& H, ~- b. L　　中图仪器SuperView W1光学3D表面轮廓仪，是一款专用于超精密加工领域的光学检测仪器，其分辨率可达0.1nm。半导体产业作为超精密加工领域一颗璀璨的明珠，在其硅晶圆的制备和晶圆IC的制造过程中，光学3D表面轮廓仪都以其强大的表面质量检测功能给这颗明珠增添一份靓丽的色彩。
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7 m7 C2 f7 j. D+ `: q# }硅晶圆的粗糙度检测
3 e  N4 s9 L8 H* [) C! J在半导体产业中，硅晶圆的制备质量直接关系着晶圆IC芯片的制造质量，而硅晶圆的制备，要经过十数道工序，才能将一根硅棒制成一片片光滑如镜面的抛光硅晶圆，如下图所示，提取表面一区域进行扫描成像。
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4 d" `' g% C9 _, m  r' d通过上图我们看到，制备好的抛光硅晶圆表面轮廓起伏已在数纳米以内，其表面粗糙度在0.5nm左右，由于其粗糙度精度已到亚纳米量级，而在此量级上，接触式轮廓仪和一般的非接触式仪器均无法满足检测要求，只有结合了光学干涉原理和精密扫描模块的光学3D表面轮廓仪才适用。
晶圆IC的轮廓检测
" V4 M5 T" K1 L% O$ G7 N! g晶圆IC的制造过程可简单看作是将光罩上的电路图通过UV蚀刻到镀膜和感光层后的硅晶圆上这一过程，其中由于光罩中电路结构尺寸小，任何微小的粘附异物和瑕疵均会导致制造的晶圆IC表面存在缺陷，因此必须对光罩和晶圆IC的表面轮廓进行检测。下图是一块蚀刻后的晶圆IC，使用光学3D表面轮廓仪对其中一个微结构扫描还原3D图像，并测量其轮廓尺寸。
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4 X! }1 m: n8 U5 _3 ?晶圆IC减薄后的粗糙度检测
  F8 J* y. J) l& y在硅晶圆的蚀刻完成后，根据不同的应用需求，需要对制备好的晶圆IC的背面进行不同程度的减薄处理，在这个过程中，需要对减薄后的晶圆IC背面的表面粗糙度进行监控以满足后续的应用要求。在减薄工序中，晶圆IC的背面要经过粗磨和细磨两道磨削工序，下图是粗磨后的晶圆IC背面，选取其中区域进行成像分析。

) u* v9 c2 h; N: k/ L- D从上图可以看出，粗磨后的表面存在明显的磨削纹路，而3D图像显示在左下部分存在一处凹坑瑕疵，沿垂直纹理方向提取剖面轮廓并经过该瑕疵，在剖面轮廓曲线里可看到该处瑕疵至大起伏在2.4um左右，而磨削纹理起伏至大在1um范围内波动，并获取该区域的面粗糙度Sa为216nm，剖面线的粗糙度Ra为241nm。而在经过细磨后，晶圆IC背面的磨削纹理已基本看不出，选取表面区域进行成像分析。

从上图可知，在经过细磨之后，晶圆IC背面的磨削纹理轮廓起伏已经降到36nm附近，其表面粗糙度也已经从200多nm直降到6nm左右。
4 f- C4 Z, g! ~2 o" J5 v9 B* G以上是SuperView W1光学3D表面轮廓仪在半导体产业中的几种典型应用案例。目前我国正在大力推进半导体产业跨越式大发展，中图仪器SuperView W1光学3D表面轮廓仪必将为此贡献更多力量。