白光干涉测厚技术在半导体制造中的应用

白光干涉测厚技术在半导体制造中的应用

背景与需求

在半导体制造工艺中，光刻胶厚度的均匀性直接影响光刻图形精度及后续蚀刻/沉积工艺的质量。某半导体企业需对硅片表面光刻胶（厚度范围20μm±1μm）进行快速、非接触式在线检测，要求测量精度优于±0.1μm，且需适应产线高速节拍（每秒10点以上）。传统接触式测厚仪存在划伤风险，而光谱椭偏仪则对操作环境要求苛刻。基于此，采用HT-T系列白光干涉测厚传感器构建解决方案。

技术原理与设备选型

白光干涉测厚原理

传感器通过发射宽谱白光至硅片表面，采集光刻胶上表面与硅基底的反射光干涉信号（图1）。利用傅里叶变换解析干涉光谱，结合光刻胶折射率（n=1.5）与相位差关系，直接计算薄膜厚度，公式为：

关键设备配置

• 探头型号：HT-T10W（弥散光斑型）
• 光斑直径：4mm（适应光刻胶表面微小起伏）
• 安装距离：5-10mm（避免硅片运动干扰）
• 精度：±20nm线性精度，1nm重复精度
• 控制器：HT-TC-100W
• 采样速度：10kHz（满足产线10点/秒需求）
• 接口：RS485接口（与PLC集成）
• 输出：模拟量输出（4-20mA对应0-25μm）

系统集成与实测验证

集成方案设计

• 机械布局：探头倾斜10°安装于硅片传输轨道上方，利用编码器触发同步测量（图2）。
• 校准流程：
  1. 使用标准厚度片（20μm）进行零位校准
  2. 通过HT-T10W内置温度补偿算法消除环境漂移
  3. 设置Modbus协议阈值报警（19.8-20.2μm）

实测数据

（数据采集频率10kHz，每组1000点连续测量）

技术优势与问题解决

核心优势

• 抗干扰能力：光谱分析法有效抑制硅片表面金属层反射干扰（对比激光三角法误差降低90%）。
• 效率提升：10kHz采样速度使单硅片全检时间从5分钟缩短至40秒。
• 适应性：±2mm工作距离容差兼容不同型号硅片载具。

典型问题与对策

• 边缘测量失真
• 现象：硅片边缘厚度值跳变
• 对策：启用探头内置边缘滤波算法，抑制倾斜反射噪声
• 多层膜干扰
• 现象：底层氧化硅导致厚度误判
• 对策：设置n=1.5-3.4折射率匹配范围，自动排除非目标层信号

经济效益分析

结论

HT-T10W白光干涉测厚系统成功实现20μm光刻胶厚度的高精度在线检测，其纳米级重复性、宽工作距离及高速响应特性，显著提升了半导体前道工艺的质控水平。未来可扩展应用于CMP抛光膜、晶圆键合层等场景，为半导体制造提供全流程厚度监控解决方案。

（注：文中图示及详细协议配置参数可参考HT-T系列技术手册第4.2-5.1章节。）