橢偏儀在半導體CMP工藝量測的應用

更新時間：2026-06-03 點擊次數：72

橢偏儀在半導體CMP工藝量測的應用

一、半導體CMP工藝背景

芯片制造過程大致可以分為頂層設計、晶圓制造、封裝測試三大步驟，晶圓制造過程尤為復雜。晶圓制造主要包括7大流程，分別是擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、化學機械拋光（Chemical-Mechanical Planarization，簡稱CMP）、金屬化。不同特性芯片，工藝制程和技術節點要求也不同，這些工藝制程并不是按某單一順序執行，而是選擇性地重復進行。例如，每一片晶圓在生產過程中可能都會經歷幾道甚至幾十道的CMP工序。

集成電路元件普遍采用多層立體布線，若未經平坦化處理，晶片表面起伏明顯，如圖1所示。同層金屬薄膜由于厚度不均勻導致電阻值不同，引起電子遷移造成電路短路。晶圓表面起伏不平還會使光刻時無法準確對焦，導致線寬控制失效，嚴重限制布線層數，降低集成電路的使用性能。因此在CMP工序后，必須進行晶圓的測量和評估，以此來檢查產品的合格率及不斷優化工藝參數。

圖1 CMP工藝平坦化效果

二、半導體CMP的量測意義

CMP工藝最重要的要求之一是確定何時停止拋光工藝，即終點檢測（EPD）。它是用來確定研磨過程何時完成的，即何時達到預期的平坦度和厚度。過度拋光晶片將導致偏離目標膜厚度，從而降低器件性能或產量。另一方面，拋光不足的晶圓會導致返工并增加IC制造成本。因此，EPD對CMP工藝起著至關重要的作用。但EPD難度較大，成本較高，目前行業內大多采用離線厚度檢測設備來調整CMP工藝，而離線厚度檢測設備中，橢偏儀和膜厚儀占重要地位。

橢偏儀和膜厚儀在CMP工藝中，通過分析光與材料表面的相互作用，能夠非接觸、實時地測量多種關鍵參數，為工藝控制和優化提供重要依據。以下是其在CMP中的主要測量對象及應用場景：

1.介質層薄膜厚度（氧化物如SiO2）：用于潛溝槽隔離和層間介質層的平坦化控制；

2.低介電常數材料（Low-k）：檢測低機械強度介質的拋光均勻性，避免碎裂或過拋；

3.氮化硅（Si3N4）：作為硬掩模或蝕刻停止層，需精確控制其殘留厚度；

4.光學常數（n&k）：折射率（n）和消光系數（k），反應材料的電子結構、密度和化學狀態；

5.工藝均勻性映射：結合晶圓掃描，生成全晶圓的膜厚分布熱力圖，識別邊緣與中心不均勻性（如邊緣過拋），通過歷史數據對比，優化拋光壓力、轉速等參數，提升工藝穩定性。

三、半導體行業CMP工藝的測量解決方案

1. 實物展示

方案一

橢圓偏振光譜法是一種物理測量方法，即使用橢偏儀（SE，如圖2）來獲取薄膜的厚度和光學常數。具有無損傷樣件、靈敏度高和量測速度快等優點，可精確地表征介質膜（如SiOx、SiNx等）、非晶硅（a-Si）、多晶硅（poly-Si）等單層或多層薄膜的膜厚及材料的光學特性（如折射率、組分、各向異性和均勻性），可通過測量CMP工藝的前值與后值來監控減薄量工藝，是一種可以滿足以上量測需求的解決方案。

圖2 橢偏儀（SE）示意圖

型號	ME-Mapping
光斑大小	大光斑：2-4mm 微光斑：200μm/100μm/50μm
測量光譜	16個全穆勒元
波段	380-1000nm（支持擴展至210-2500nm）
單次測量時間	1-8s
入射角	65°
找焦方式	自動找焦
Mapping行程	XY: 200200mm XY: 300300mm
支持樣件尺寸	2寸-8寸（可擴展至12寸）
產品優勢	ü 樣品自定義Mapping掃描 ü 超高穩定性 ü 快速測量 ü 易操作、易維護

方案二

反射膜厚儀利用反射干涉的原理進行無損測量，操作簡單，配置兼容多尺寸產品的多軸樣品臺和對位傳感器，可對樣片進行對位和測量（EOF200，如圖3）。測量穩定性高達0.02nm，測量時間只需一到二秒，可廣泛應用于光阻、半導體材料、高分子材料等薄膜層的厚度測量，是一種滿足CMP量測需求的方案。

圖3 反射膜厚儀EOF200示意圖

型號	EOF200
光斑大小	3um（50倍物鏡） 7.5um（20倍物鏡） 15um（10倍物鏡）
測量光譜	反射率R
波段	245-1000nm
單次測量時間	1-2s
入射角	0°
找焦方式	自動光學對準
Mapping行程	不小于 200*200mm
支持樣件尺寸	2寸-8寸（可擴展至12寸）
產品優勢	ü 高精度定心定向 ü 配備圖像識別功能，支持圖形片測量 ü 一鍵完成整片自動測量 ü 支持SECS/GEM通訊