半導(dǎo)體晶圓越做越薄，厚度控制愈發(fā)關(guān)鍵。對 IC、LED、太陽能電池和 MEMS 等器件而言，晶圓厚度直接影響后續(xù)堆疊加工及器件一致性與質(zhì)量穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)測厚方法難以同時(shí)兼顧精度與表面保護(hù)，尤其在切割、蝕刻與拋光環(huán)節(jié)中反復(fù)裝卸更會(huì)增加損傷風(fēng)險(xiǎn)。光子灣激光共聚焦顯微鏡的非接觸檢測方案，正是為解決這一問題而提出的。

晶圓厚度非接觸測量重要性

現(xiàn)有方法各有局限：譜域干涉法不確定度較高，波長調(diào)諧干涉法受耦合誤差影響，邁克爾遜干涉法重復(fù)性僅約 2 μm，接觸式電感法極易損傷表面，雙面干涉儀則需頻繁拆裝。因此，真正適合晶圓場景的方案須同時(shí)滿足高精度、無損傷、可重復(fù)三點(diǎn)，激光共焦測量恰好滿足這些要求。

激光共焦實(shí)現(xiàn)晶圓厚度測量

共焦峰值定位

方法的核心不是直接量出厚度，而是分別定位晶圓上下表面的共焦響應(yīng)峰值。共焦系統(tǒng)隨軸向離焦產(chǎn)生強(qiáng)度變化，形成鐘形響應(yīng)曲線；當(dāng)測量光束聚焦在表面時(shí)信號(hào)達(dá)到峰值，據(jù)此實(shí)現(xiàn)層析定焦。

把“光學(xué)厚度”換成“物理厚度”

光線穿過晶圓內(nèi)部受折射率影響，下表面的光學(xué)位置并非物理坐標(biāo)。通過光線追跡模型，將上下表面光學(xué)厚度轉(zhuǎn)換為真實(shí)物理厚度，并計(jì)入折射率和半孔徑角等參數(shù)的影響，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)負(fù)Q算出晶圓真實(shí)厚度。

測量系統(tǒng)與工作路徑

系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)束系統(tǒng)、PBS、1/4 波片、物鏡、針孔、探測電路和音圈納米位移臺(tái)組成。激光經(jīng)擴(kuò)束后通過物鏡聚焦于晶圓表面，返回光經(jīng) PBS 分離并通過針孔濾除雜散光，由探測電路采集。音圈納米位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)物鏡進(jìn)行軸向精密掃描，配合 514 倍細(xì)分光柵尺實(shí)現(xiàn) 1 nm 位移識(shí)別，完成上下表面定焦。

關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與材料適配

數(shù)值孔徑（NA）、會(huì)聚鏡焦距和針孔半徑是影響性能的關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了分辨力與工作距離的平衡。針對硅（Si）等材料選用 1064 nm 波長和 NA=0.75 物鏡，工作距 12 mm；針對碳化硅（SiC）等選用 633 nm 波長和 NA=0.55 物鏡，工作距8.7 mm，確保對多種半導(dǎo)體材料的良好適應(yīng)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

分辨力優(yōu)于 5 nm

通過峰值檢測算法與高信噪比設(shè)計(jì)（SNR=300），系統(tǒng)軸向光學(xué)分辨力優(yōu)于 5 nm，為納米級(jí)厚度控制提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

量程達(dá) 5.7 mm

音圈納米位移臺(tái)配合精密光柵反饋，軸向掃描范圍達(dá) 5.7 mm，滿足不同厚度晶圓測量需求，較大工作距離也降低了碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

重復(fù)性優(yōu)于 100 nm

對 Si、GaAs、GaN、Al?O?、SiC 和 HR-SiC 六種晶圓的測試表明，厚度重復(fù)性均優(yōu)于100 nm，其中 Si 晶圓為 71 nm，SiC 為 90 nm，系統(tǒng)穩(wěn)定性經(jīng)嚴(yán)格環(huán)境補(bǔ)償和誤差修正得到保障。

單次測量小于 400 ms

優(yōu)化后的掃描與計(jì)算流程使單次測量時(shí)間小于 400 ms，充分滿足產(chǎn)線在線檢測的效率

要求。

與傳統(tǒng)方案相比的優(yōu)勢和場景

非接觸特性消除了機(jī)械損傷風(fēng)險(xiǎn)，有效保護(hù)晶圓表面完整性，特別適合已減薄的敏感工件；相比干涉法，激光共焦受環(huán)境干擾更小、重復(fù)性更高，且能直接在托盤吸附狀態(tài)下完成測量，減少裝卸引入的誤差。

應(yīng)用場景

激光共焦晶圓厚度測量技術(shù)已成功應(yīng)用于 Si、GaAs、GaN、SiC 等多種材料晶圓的厚度檢測，為不同世代半導(dǎo)體工藝提供統(tǒng)一解決方案。研發(fā)階段支持精確工藝驗(yàn)證和材料特性分析，產(chǎn)線上則可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和在線測量，幫助工程師實(shí)時(shí)優(yōu)化拋光、減薄等關(guān)鍵步驟。

激光共焦方法將峰值定位、軸向掃描和光線追跡串成完整鏈路，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 5 nm 分辨力、5.7 mm 量程、100 nm 級(jí)重復(fù)性和小于 400 ms 的快速測量，其價(jià)值已不止于科研意義，更貼近實(shí)際工藝與在線檢測需求。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，符合ISO25178標(biāo)準(zhǔn)測量，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

l 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

l 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

l 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

l 提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為精密測量提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)多領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)的重要光學(xué)測量工具。