硅片翹曲度測試自動非接觸掃描法討論稿

1、硅片翹曲度測試 自動非接觸掃描法Test method for measuring warp on silicon wafers by automated non-contact scanning（工作組討論稿）GB/T XXXXX-201X中華人民共和國國家標準ICS 77.040H 17 201X - XX - XX發(fā)布 XXXX - XX - XX實施前 言本標準按照GB/T 1.1-2009給出的規(guī)則起草。本標準由全國半導體設(shè)備和材料標準化技術(shù)委員會材料分會（SAC/TC203/SC2）提出并歸口。本標準起草單位：有研半導體材料股份有限公司、上海合晶硅材料有限公司。本標準主要起草人：孫

2、燕、盧立延、徐新華。硅片翹曲度測試 自動非接觸掃描法1 范圍本方法適用于在半導體襯底或器件過程中，直徑不小于50mm，厚度不小于100um的切割、研磨、腐蝕、拋光、刻蝕、外延或其它表面狀態(tài)的硅片的翹曲度測試，也可監(jiān)控因熱效應(yīng)和機械效應(yīng)引起的晶片翹曲。本方法為非破壞性、無接觸的自動掃描測試方法，適用于潔凈、干燥硅片的翹曲度測試，不受硅片的厚度、表面加工狀態(tài)的影響，且與重力引起的變形無關(guān)。2 規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T 14264 半導體材料

3、術(shù)語3 術(shù)語和定義 GB/T 14264 界定的術(shù)語及定義適用于本文件。4 方法概述將被測硅片放置在平坦、潔凈的小吸盤上，吸盤帶動硅片沿規(guī)定的圖形在兩個相對的探頭之間運動，兩個探頭同時對硅片的上下表面進行掃描，獲得一組上下表面分別到最近的探頭間的距離數(shù)據(jù)。對應(yīng)掃描的每一點，得到一對X和Y坐標都相同的距離數(shù)值。成對的位移數(shù)值用于構(gòu)造一個中位面。得到一對位移數(shù)據(jù)，構(gòu)成硅片中位面的數(shù)據(jù)組(tX,Y)。在中位面上的重力效應(yīng)的校正是通過從一個典型的硅片測量值（2）或從理論值減去一個重力校正值得到的，也可以是通過翻轉(zhuǎn)晶片掃描進行校正。從合適的中位面構(gòu)造一個最小二乘法參考平面。參考平面偏離（RPD）是在每對

4、測量點上計算得到的。Warp是在最大的正數(shù)（RPD）和最小的負數(shù)（RPD）間的代數(shù)差。注：雖然硅片的翹曲是由于硅片的上下表面相同的重力造成的，它不可能通過對其中一個面的測量得到，中位面包含了向上、向下或兩者都有的區(qū)域，在某些情況下，中位面是平的，事實上，翹曲度為零或正數(shù)值。5 干擾因素5.1 在測試掃描期間，任何探頭間或探頭沿探頭軸的相對運動都會產(chǎn)生橫向位置等效測試數(shù)據(jù)誤差。5.2 樣品相對于探針測量軸的振動也會引入誤差。為了使該影響被降低到最小，系統(tǒng)提供了特征分析及校正算法。設(shè)備內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)也可以用來糾正非重復和重復系統(tǒng)機械。未能提供這樣的修改可能會導致錯誤。5.3 設(shè)備具有一定的厚度測試

5、（結(jié)合翹曲度）范圍，無需調(diào)整即可滿足要求。如果校準或測試試樣超出測試范圍，可能產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。操作者可通過設(shè)備的超量程信號得知這一情況。5.4 數(shù)據(jù)點的數(shù)量及其間距不同可能影響測試結(jié)果。5.5 被測晶片的直徑、厚度、表面狀態(tài)、晶向，可能引起使用的重力補償結(jié)果的差異。對于不同直徑和厚度引起的重力補償錯誤的預計與信息1相關(guān)。如果被測樣品的晶體取向不同。使用重力補償，引入的測量值與實際值偏差達15%。5.6 實行重力補償方法的不同會有不同的測試結(jié)果。不同層次的實行方法的完整性也會得到不同的結(jié)果。5.7 系統(tǒng)硅片夾持裝置的差異可以引入測量差異。本測試方法允許使用不同的硅片夾持裝置（見7.1.4.1）相

6、同的樣品在不同的硅片夾持裝置中會得到不同的幾何形狀的結(jié)果。5.8 選擇基準面不同，得到的翹曲度的值可能不同。SEMI MF657 是使用背表面3點作為基準平面測量翹曲。而背表面基準平面的翹曲結(jié)果中包含了厚度差異，測試方法中使用中位面做基準平面消除了這一影響。測試方法中使用最小二乘法參照平面擬合參照平面降低了三點平面計算參考點位置的選擇變異。使用（本試驗法）特殊的校準或補償技術(shù)，最大限度地減少重力造成的晶片畸變的影響5.9重力可以改變硅片形狀，本標準包含了幾個消除重力影響的方法，包括方法之一，典型的硅片翻轉(zhuǎn)的方法。注：它涉及由ADE公司提供的專利。5.9 采用硅片翻轉(zhuǎn)的方法消除重力影響時，該硅片

7、本身的翹曲度過大將對測試結(jié)果帶來影響。6 儀器設(shè)備6.1 硅片夾持裝置：例如吸盤或硅片邊緣夾持裝置，該裝置的類型和尺寸可由測試雙方協(xié)商確定。6.2 多軸傳輸系統(tǒng)，提供了硅片夾持裝置或探頭在垂直于測試軸的幾個方向的可控移動方式。該移動應(yīng)允許在合格質(zhì)量區(qū)域內(nèi)以指定的掃描方式收集數(shù)據(jù)，且可設(shè)定采樣數(shù)據(jù)點的間距。6.3 探頭部件，帶有一對非接觸位移傳感探頭，探頭支持裝置和指示單元（見圖1）。a) 探頭應(yīng)能獨立探測晶片的兩個表面到距之最近探頭的距離a和b。b) 探頭將被分別安裝在硅片兩面，并使兩探頭相對。c) 兩探頭同軸，且其共同軸為測試軸。d) 校準和測試時探頭距離D應(yīng)保持不變。e) 位移分辨率應(yīng)小于

8、或等于100nm。f) 探頭傳感器尺寸為4mm×4mm，或由測試雙方確定。6.4 采用有代表性的晶片翻轉(zhuǎn)方法或樣片翻轉(zhuǎn)重力補償?shù)姆椒?，測量必須在同一位置進行；因此測量設(shè)備應(yīng)在每個方向提供精確的定位。6.5系統(tǒng)控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理器及合適的軟件。測試設(shè)備應(yīng)具有程序輸入選擇清單的功能；可以自動按照操作者設(shè)定的條件進行測量、數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)操作者的設(shè)置數(shù)值對硅片分類。必要的計算應(yīng)可在設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部自動完成，并可直接顯示測量結(jié)果。6.6 數(shù)據(jù)報告分辨率應(yīng)小于等于100 nm。6.7 硅片傳輸系統(tǒng)，包括硅片的自動裝載和分類功能。圖 1 硅片、探頭、設(shè)備示意圖7 測量步驟7.1 參數(shù)設(shè)置：根據(jù)需

9、要選擇測試硅片的翹曲度測量，也包括選擇直徑、硅片厚度、數(shù)據(jù)顯示和輸出方式。7.1.2 選擇其中一種重力修正方法：7.1.2.1,翻轉(zhuǎn)參考片方法（見注3）；7.1.2.2翻轉(zhuǎn)樣品的方法；7.1.2.3理論模型的方法。7.1.4對自動測試設(shè)備，可進行基準面的選擇：構(gòu)成基準面的點應(yīng)位于合格質(zhì)量區(qū)內(nèi)。（1）最小二乘法擬合的基準平面（L）（2）背表面3點（3p）7.1.5 通過規(guī)定邊緣去除EE尺寸選擇合格質(zhì)量區(qū)域(FQA)。7.2 校準及校準用參考片參考片-參考片自身標有翹曲度參數(shù)的數(shù)據(jù)，該參數(shù)值是使用測試設(shè)備通過大量重復測試獲得的平均值，或者是基于設(shè)備重復性研究的統(tǒng)計值；用以 確定是否該設(shè)備制造商的操

10、作說明中的可重復性性能。如果測量設(shè)備是用來測量其他參數(shù)，如除翹曲外還測量平整度和厚度變化，參考樣片的warp值可以被列入由SEMI MF1530指定的參考片的系列數(shù)據(jù)中，但如果僅僅測量warp值，就沒有必要。參考片-用于確定由測量設(shè)備測得的warp值與參考片值間的一致程度在參考片的warp值和測量warp值得偏差的可接受水平是由當事人雙方約定的。參考片的warp值應(yīng)小于等于20µm。（見9）。7.2.1.2有代表性硅片-如果使用有代表性的硅片翻轉(zhuǎn)方法進行重力修正，要求這有代表性的硅片應(yīng)與被測片具有完全相同的標稱直徑、標稱厚度、基準結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向，這些是被測定的，它的warp不需要知道

11、。校準-使用由設(shè)備制造商推薦的校準方法對設(shè)備進行校準，并使之規(guī)范化。7.3 測量73.1將測試樣片正面朝上放入測試設(shè)備，確定和記錄每個測量位置兩探頭間的距離及每個探頭到最近的硅片表面的距離a b。利用（1）使用樣片翻轉(zhuǎn)方法得到修正由于重力帶來的硅片變形的影響?；蛘撸?）使用有代表性的典型硅片，通過將典型硅片翻轉(zhuǎn)方法獲得重力修正（見注3）將硅片背表面朝上放入測量設(shè)備，重復7.4 測試結(jié)果計算 通常由設(shè)備內(nèi)部自動完成下面的計算。以下提供的離線計算是為顯示完整的程序。7.4.2 沿掃描路徑間距測量兩個探頭間和每個探頭到最近的硅片表面的一對距離數(shù)據(jù)。 注6從圖1.探頭A與距之最近的硅片表面的距離值定義

12、為a，探頭B與距之最近的硅片表面的距離值定義為b7.4.3 設(shè)定Z軸原點在兩個探頭A和B的中點。7.4.4找出每一點上Z軸的中位面距離Zm.式中：D ：探針 A an和 B間的距離；a ：探針 A與最近的硅片表面（硅片上表面）的距離；b：探針BA與最近的硅片表面（硅片下表面）的距離；t ： 硅片厚度。7.4.5硅片正面朝上時在正方向的測量值稱為中位點Znor硅片背面朝上時在正方向的測量值稱為中位點Znor7.4.7對使用典型硅片或樣片翻轉(zhuǎn)方法，確定對中位面重力修正如下：注7有代表性硅片的形狀效果記憶抵消了重力的影響7.4.8確定中位面的重力補償如下：7.4.8.1有代表性的硅片翻轉(zhuǎn)方法-從每個

13、測量點的Znor值減去重力Zgravity。注8：有代表性硅片翻轉(zhuǎn)方法不僅僅與一階重力影響有關(guān)，也和如硅片外圍影響，設(shè)備的特性等有關(guān)，這些可能影響測量值。7.4.8.2 樣片翻轉(zhuǎn)方法-從每個測量點的Znor值減去重力Zgravity。注意這相當于每點正常和翻轉(zhuǎn)之間的測量值取差值。7.4.8.3 理論模型方法-應(yīng)用從理論模型學到的重力修正的研發(fā)，雖然嚴格的模型并不知道，近似的修正已經(jīng)被計算出來（見附錄1）7.4.9 用掃描模式的所有點構(gòu)建一個參考平面的最小二乘擬合的重力補償?shù)闹形幻鏀?shù)據(jù)。參考平面的形式：7.4.10從補償值z-value減去基準面的Zref。在掃描路徑中所有點的zcom基準面偏差RPDRPD = zcom zref (10)7.4.11用最大值（最正）與最小值（最負）RPD，計算硅片Warp。warp = RPDmax RPDmin (11)7.4.12記錄計算的warp值。7.4.13對仲裁或其他測量，片子被測量次數(shù)大于一次時，計算該樣品所有測量范圍的最大值、最小值、標準偏差、平均值。7.4.13.1記錄樣品標準偏