一、引言

在第三代半导体材料蓬勃发展的背景下，碳化硅（SiC）凭借其优异的物理化学性能，成为制备高压、高频、高温功率器件的核心材料。晶圆表面碳化硅外延层的厚度均匀性直接影响器件的电学性能与可靠性，因此实现纳米级精度的非接触式厚度测量至关重要。泓川科技 LT-IT50 白光干涉测厚传感器基于先进的白光干涉原理，结合高灵敏度光学系统与数字化信号处理技术，为碳化硅晶圆的精密检测提供了高效可靠的解决方案。

二、碳化硅层测量的技术挑战

（一）材料特性带来的检测难点

碳化硅外延层厚度通常在 1-100μm 范围（折射率 1.5 时），且表面存在原子级台阶流结构，对测量设备的空间分辨率与线性度提出严苛要求。同时，晶圆制造过程中存在振动、温度波动等干扰因素，需传感器具备强抗扰动能力。

（二）传统测量方法的局限性

接触式测厚（如探针法）易引入机械应力导致样品损伤，且单点测量效率低；激光反射法受限于材料折射率变化，在复杂界面（如多层膜结构）测量中精度不足。而白光干涉技术基于光程差匹配原理，可通过光谱分析实现非接触式绝对厚度测量，避免上述问题。

三、LT-IT50 传感器的核心技术优势

（一）纳米级精度的光学测量原理

（二）高动态性能适应复杂工况

1. 超快采样与产线集成：10kHz 采样速率支持动态扫描测量，配合 ABZ 编码器触发功能，可在晶圆高速旋转或平移过程中实现高密度数据采集，满足半导体产线节拍要求。

2. 宽工作距离与灵活安装：50±2mm 工作范围（参考距离 50mm）允许传感器在晶圆传输机械臂振动环境下稳定工作，±3° 测量角度适应非正交安装场景，光斑直径 100μm 确保边缘区域的精确探测。

3. 抗干扰设计保障数据可靠性：内部信号数字化处理技术将静态噪声控制在 1nm（均方根偏差，1kHz 采样），配合高信噪比探测器，在车间环境（温度波动 ±5℃，湿度 20%-85% RH）下重复精度达 1nm（连续 10000 次测量 RMS）。

   
   

   
   

四、碳化硅晶圆厚度测量方案设计

（一）系统组成与硬件配置

测量系统由 LT-IT50 传感器、高精度运动平台（亚微米级定位精度）、TSConfocalStudio 测控软件及工业 PC 组成（如图 2 所示）。传感器通过 Ethernet 接口（100BASE-TX）与上位机通信，支持 Modbus 协议与 4-20mA 模拟输出，兼容 PLC 控制。

（二）测量流程与关键工艺

1. 样品预处理：使用去离子水超声清洗晶圆表面，去除颗粒污染物，避免杂质反射光对干涉信号的干扰。

2. 系统校准：采用标准硅片（厚度已知，NIST 可追溯）进行折射率校准，修正环境温度（0-50℃）对光学路径的影响（温度系数 < 0.01% F.S./℃）。

3. 扫描策略：对 8 英寸晶圆采用螺旋扫描轨迹，单点间距 50μm，覆盖中心区、边缘区（距边缘 2mm）及晶向定位边，单次全晶圆测量时间≤60 秒。

4. 数据处理：软件自动剔除异常点（基于 3σ 准则），生成厚度二维分布云图与统计报告，计算平均值、标准差及边缘厚度梯度（单位：nm）。

（三）特殊场景应对

• 边缘效应补偿：针对晶圆边缘（R 角区域）的曲面形态，通过倾斜测量（≤3°）结合几何算法修正光程差，确保边缘 50μm 范围内的测量精度与平面区域一致。

• 多层膜干扰抑制：当碳化硅层下方存在氧化硅缓冲层时，利用白光干涉的低相干特性，分离不同界面的干涉信号，避免传统单色光干涉的多峰误判问题。

五、实测数据与性能验证

（一）标准样品测试

对厚度 10μm 的碳化硅标准片（NPL 认证，标称值 10.002μm）进行 100 次重复测量，结果显示均值 10.001μm，标准差 0.9nm，验证了 1nm 级重复精度（如图 3 所示）。线性度测试中，在 1-100μm 范围内使用阶梯式标准片（间隔 10μm），实测值与标称值偏差均≤18nm，满足 ±20nm 线性误差要求。

（二）量产晶圆检测

某 6 英寸碳化硅晶圆（外延层厚度 20μm）的检测数据显示，中心区域厚度均值 20.012μm，边缘区域（距边缘 5mm）厚度 20.008μm，标准差 12nm，厚度均匀性（3σ）≤0.12%，优于行业标准（≤0.2%）。生产过程中，通过 10kHz 高速采样捕捉到机械臂振动导致的瞬时厚度波动（幅值 ±50nm），系统实时触发警报并剔除异常数据，避免不良品流入下工序。

六、结论