過去幾十年來，為了響應半導體和太陽能行業創新步伐和對表面光潔度的嚴格要求，晶圓制造（尤其是半導體晶圓）的工藝和質量得到了改進。以下各節將討論晶圓表面特性和質量測量的幾個重要特性。
傳統上，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進行測量和表征。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格，并且在電子制造中保持高產量仍然很重要。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，這兩個探針對晶圓表面上的點進行采樣。基于各種 ASTM 標準，不同的表面測量定義如下：TTV 定義在 [ASTM 標準 F1390 (2002)；ASTM 標準 F533 (2002)；ASTM 標準 F657 (1999)]，彎曲度定義在 [ASTM 標準 F534 (2002)]，翹曲度定義在 [ASTM 標準 F1390 (2002)；ASTM 標準 F657 (1999)]。這些 ASTM 標準已于 2003 年 5 月撤銷，并轉移到 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、彎曲和翹曲術語通常在描述晶圓表面光潔度的質量時引用。首先定義以下術語以描述晶圓的各種表面。

● 正面 - 已制造或將制造有源半導體器件的曝光表面。

● 背面 - 與已制造或將制造有源半導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的軌跡，如圖 1.5 所示。
圖 1.5 顯示了一個晶圓，當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，它沿其質心軸旋轉。探針傳感器測量距離a和b，并校準間隙距離D。因此，當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。
在完成旋轉和掃描后，在晶圓上的采樣點中，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 TTV 的更多參考資料，請參見 [ASTM 標準 F1530 (2002); ASTM 標準 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與中面參考平面之間的偏差，該參考平面由三個等距點在直徑小于晶圓公稱直徑的圓上建立 [ASTM 標準 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，與厚度變化無關。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 標準 F1390 (2002)；ASTM 標準 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，扭曲度可推導出如下公式

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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。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。在標準 [ASTM 標準 F657 (1999); SEMI MF657 (2014)] 中，晶圓由參考環上的三個半球點支撐，該參考環建立了參考平面。重力引起的偏轉也會影響彎曲度和翹曲度值。[ASTM 標準 F1390 (2002); SEMI MF1390 (2018)] 中的標準通過定義自動掃描的翹曲度來批準此類問題。在標準中，中位表面經過數學校正，以適應重力效應和儀器的機械特征。參數 z 定義為晶圓中位表面與中跨中點（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。重力和其他補償應用于中間表面的 z 位置。然后通過最小二乘擬合掃描模式所有點的中間表面 z 位置數據構建參考平面。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 呈現圓頂形（或凸形）晶圓；中心處的負 RPD 呈現碗形（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，可能是由于內部殘余應力或晶圓兩個暴露表面上的應力不均引起的，也可能是由于重力引起的變形和旋轉晶圓進行測量時慣性力的動態而加劇的。近年來，已經開發了不同的設備和技術，例如使用光學方法的非動態全表面計量法[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據分析手段的設備和裝置進行的。例如，執行此類自動化測量的設備將使用電容式傳感和數據收集手段對晶圓表面上的許多點進行采樣，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撲結構長距離變化的技術，尤其是在微加工中發生在步進機整個圖像場上的那些變化。后者是指在局部和短距離內增加晶圓平整度的技術。目前，晶圓制造中使用了幾種平面化技術，包括但不限于：氧化；化學蝕刻；通過離子注入損傷控制錐度；沉積低熔點玻璃膜；犧牲晶圓鍵合；對沉積膜進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氧樹脂；使用旋涂玻璃 (SOG) 材料；犧牲蝕刻；以及化學機械拋光 (CMP)。

用于半導體器件制造的起始原始晶圓在規格內是平坦的或平面的。然而，隨著晶圓在器件制造中經歷各種步驟，通過連續的沉積和去除工藝，具有不同形狀和深度的材料層會沉積到晶圓表面上。這些重復的沉積和去除步驟導致晶圓失去其平坦度或平面性。隨著用于 IC 制造的層數和互連技術的不斷發展，晶圓表面的平坦化進一步加劇。

晶圓表面平整度的降低會在器件制造過程中帶來問題。當晶圓表面平整度降低時，保持細線連續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特征圖案的成像變得越來越具有挑戰性。

晶圓平整度和測量標準在 [ASTM 標準 F1530 (2002)；ASTM 標準 F533 (2002)] 和 SEMI 文件 [SEMI 3D12 (2015)；SEMI MF533 (2010)；SEMI MF1530 (2018)] 中進行了描述。以下介紹將遵循 SEMI [SEMI MF1530 (2018)] 中的標準來確定晶圓平整度。還要注意的是，晶圓平整度的測量現在是使用自動化流程和設備進行的，如第 1.4.3 節所述。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，以表達晶片表面上許多采樣點的厚度測量數據集 t(x, y)，平面坐標為 x 和 y

其中 x = y = 0 是晶圓中心平面坐標系的原點。坐標系的定義如圖 1.8 所示。公式 (1.11) 中參數的定義與第 1.4.1 節中給出的相同。
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 3/三點參考平面，以范圍內的平整度測量或 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，以范圍內的平整度測量或 TIR 為測量范圍。

納米形貌或納米拓撲結構

納米形貌或納米拓撲結構是指晶圓表面在指定距離內的高度變化，必須對其進行控制以滿足微電子制造工藝步驟的要求。自 2003 年以來，與納米形貌有關的參數已納入國際半導體技術路線圖 (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和在固定質量區域 (FQA) 內的非線性偏差”。本 SEMI 指南介紹了納米形貌報告流程。[SEMI M78 (2018)] 中規定了用于大批量生產 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（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、材料去除機理以及材料特性的影響）的影響。

此類工藝和機床的性質會導致晶圓表面不均勻，從而產生具有地形特征的粗糙度、波紋度和翹曲度。地形特征通常根據其空間波長進行分類，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注的實際表面納米地形。納米地形的定義可以更細致地描繪晶圓的表面，在某些特殊情況下不會產生歧義。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撲或幾何形狀，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，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、設計和制造等許多領域關注的話題。粗糙度量化了表面與其理想形狀的偏差，通常描述與標稱或理想表面之間的微小、細微的偏差。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偏差（波紋）。它以表面上重復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。

算術平均粗糙度 Ra
圖 1.10 顯示了表面輪廓，其中繪制了從點 A 到點 B 的一段表面，線性尺寸為 x，以及與標稱表面的相應變化 z，如圖所示。表面上 xi 處的點 P 具有 zi 的變化。如果將變化 Z(x) 表示為線性尺寸的函數，則常規粗糙度 Ra（表示為算術平均值）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，因為如果沒有 | ? | 運算，該值為負數。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 的連續值的平均值，每個值都是在總長度 L 內的評估區域 l 上計算得出的，如圖 1.11 所示。當評估長度 L 內有五 (5) 個采樣區域 l 時，參數 Rz 與 Rz(DIN) 相同。平均粗糙度高度 Rz 定義如下

十點粗糙度高度或不規則性十點高度，Rz(ISO)
ISO 對 Rz 的另一個定義是十點粗糙度高度或不規則性十點高度，表示為 Rz(ISO)。Rz(ISO) 的定義最好地示于圖 1.12。評估長度 L 內的五個最大峰和谷分別按大小降序標識為 P1 · · · P5 和 V1 · · · V5。h1 · · · h5 的高度是對應點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)、光學輪廓儀 (OPR) 和機械觸針 (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 (SSIS)。
2. 選擇測量模式，包括中心點 (1)、五點 (5)、九點 (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)；有關更多詳細信息和插圖，請參閱 [SEMI M40 (2014)]。
3. 選擇圖案方向：包括 A 型 (A) 和 B 型 (B)；有關帶插圖的更多詳細信息，請參閱 [SEMI
M40 (2014)]。
4. 選擇局部測量條件：包括點 (P)、線 (L) 或區域 (A)。
5. 選擇要確定的參數：包括算術平均粗糙度、
Ra (A)、均方根粗糙度、Rq (Q)、十點粗糙度、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) 或一個標準偏差、一個西格瑪 (D)。
7. 指定要收集數據的帶寬和掃描長度限制。
8. 最后，記錄與這些選擇相關的縮寫，如上所述，用逗號分隔相鄰的縮寫，并使用句點表示十進制數。這將創建一個七字段縮寫，遵循此過程的第 1 至 7 步。

審核編輯：黃飛

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