[新启航]《超薄碳化硅衬底 TTV 测量：技术挑战与解决方案》

超薄碳化硅衬底（<100μm）TTV 厚度测量的技术挑战与解决方案

引言

碳化硅（SiC）作为宽禁带半导体材料，在功率器件、射频器件等领域展现出卓越性能。随着技术发展，对 SiC 衬底的尺寸、质量要求不断提高，超薄碳化硅衬底（<100μm）由于其在降低器件寄生电容、提高电子迁移率等方面的优势，成为研究热点。总厚度偏差（Total Thickness Variation，TTV）是衡量碳化硅衬底质量的关键指标之一，精准测量超薄碳化硅衬底的 TTV 对于保障器件性能与可靠性至关重要。然而，超薄碳化硅衬底的特性给 TTV 厚度测量带来诸多技术挑战。

技术挑战

材料特性影响

碳化硅材料具有高硬度、高化学稳定性和各向异性等特点。高硬度使得测量探头难以与之良好接触，容易造成接触力不均，影响测量准确性。各向异性导致衬底在不同晶向的物理性质存在差异，如热膨胀系数不同，在测量过程中因环境温度变化，衬底不同部位的热胀冷缩程度不一，进一步加大 TTV 测量误差。同时，碳化硅的高化学稳定性使得常规腐蚀等预处理手段难以实施，无法通过改善表面状态来辅助测量。

超薄结构带来的难题

当衬底厚度小于 100μm 时，其机械强度显著降低，容易发生变形。在测量过程中，即使微小的外力，如测量探头的接触力、气流扰动等，都可能使衬底产生额外的弯曲或翘曲，导致测量的 TTV 值偏离真实情况。此外，超薄衬底对环境因素更为敏感，车间内的温度、湿度波动会引起衬底尺寸的细微变化，增加 TTV 测量的不确定性。而且，由于衬底过薄，传统测量方法中信号在衬底内部的传播和反射情况变得复杂，信号易受到干扰，难以准确获取衬底上下表面的信息来计算 TTV 。

测量设备与精度矛盾

目前常用的厚度测量设备，如接触式测厚仪和非接触式的光学干涉仪等，在测量超薄碳化硅衬底 TTV 时面临精度瓶颈。接触式测厚仪的探头在接触超薄衬底时，过大的接触力会损伤衬底，而减小接触力又可能导致接触不良，信号不稳定，无法满足高精度 TTV 测量要求。非接触式光学干涉仪虽避免了接触损伤，但对于超薄碳化硅衬底，其反射光信号微弱，且易受到衬底表面粗糙度、内部缺陷等因素干扰，导致干涉条纹模糊，难以精确解析，从而影响 TTV 测量精度。此外，设备的分辨率和测量范围之间存在矛盾，高分辨率设备往往测量范围有限，难以覆盖整个衬底表面进行全面的 TTV 测量。

解决方案

优化测量探头设计

研发针对超薄碳化硅衬底的专用测量探头，采用低弹性模量、高耐磨性的材料，如特殊合金或高分子复合材料，以降低接触力对衬底的影响，同时保证探头的使用寿命。优化探头的形状和表面结构，使其与衬底接触更均匀，可设计为具有微纳结构的平面探头，增加接触面积的同时减小单位面积压力。在探头内部集成温度补偿装置，实时监测探头温度并进行补偿，减少因温度变化引起的探头尺寸和性能漂移，提高测量稳定性。例如，利用光纤温度传感器实时感知探头温度，通过智能算法调整测量参数，补偿温度对测量结果的影响。

环境控制与补偿技术

构建高精度恒温恒湿的测量环境，将温度波动控制在 ±0.1℃以内，湿度控制在 ±2% RH，减少环境因素对超薄碳化硅衬底尺寸的影响。在测量设备中引入实时环境监测系统，同步采集测量过程中的温度、湿度、气压等数据，建立环境因素与 TTV 测量误差的数学模型。基于该模型，通过软件算法对测量结果进行实时补偿。例如，利用机器学习算法对大量环境数据和测量数据进行训练，建立准确的补偿模型，当环境参数发生变化时，自动对 TTV 测量值进行修正。

新型测量技术应用

采用光学相干层析成像（OCT）技术，该技术利用光的干涉原理，能够对碳化硅衬底内部结构进行高分辨率成像，精确获取衬底上下表面信息，从而准确计算 TTV 。OCT 技术的非接触特性避免了对超薄衬底的损伤，且对低反射率的碳化硅材料有较好的适应性。结合可调谐扫频激光技术，可进一步提高测量速度和精度，一次性测量所有平面度及厚度参数，适用于不同类型的晶圆材料，包括碳化硅。此外，基于原子力显微镜（AFM）的测量技术也可用于超薄碳化硅衬底 TTV 测量。AFM 通过检测探针与衬底表面原子间的相互作用力来获取表面形貌信息，具有极高的分辨率，能够精确测量衬底表面的微观起伏，进而计算 TTV 。通过在 AFM 测量中采用轻敲模式等优化操作方式，可在不损伤衬底的前提下实现高精度 TTV 测量。

如果你对其中某部分内容，如某种测量技术的原理、应用细节等感兴趣，或者希望我进一步探讨相关技术在实际生产中的成本效益等问题，都可以随时告诉我。

高通量晶圆测厚系统运用第三代扫频OCT技术，精准攻克晶圆/晶片厚度TTV重复精度不稳定难题，重复精度达3nm以下。针对行业厚度测量结果不一致的痛点，经不同时段测量验证，保障再现精度可靠。