氮化鎵襯底的環(huán)吸方案相比其他吸附方案，對(duì)于測(cè)量氮化鎵襯底 BOW/WARP 的影響

在半導(dǎo)體領(lǐng)域的璀璨星河中，氮化鎵（GaN）襯底正憑借其優(yōu)異的性能，如高電子遷移率、寬禁帶等特性，在光電器件、功率器件等諸多應(yīng)用場(chǎng)景中嶄露頭角，成為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。而對(duì)于氮化鎵襯底而言，其 BOW（彎曲度）和 WARP（翹曲度）的精確測(cè)量是保障后續(xù)芯片制造工藝精準(zhǔn)實(shí)施的重要前提，不同的吸附方案在這一測(cè)量環(huán)節(jié)中扮演著截然不同的角色，其中環(huán)吸方案更是以獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與其他方案形成鮮明對(duì)比，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

一、常見吸附方案解析

傳統(tǒng)用于氮化鎵襯底的吸附方案主要有大面積平板吸附和多點(diǎn)接觸吸附。大面積平板吸附借助布滿吸盤表面的微小氣孔，通過抽真空使襯底整個(gè)底面與吸盤緊密貼合，構(gòu)建起強(qiáng)大的吸附力。這一方式在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，能夠有效抵御外界輕微震動(dòng)、氣流擾動(dòng)等干擾因素，為測(cè)量儀器提供穩(wěn)定的操作平臺(tái)。然而，當(dāng)聚焦于氮化鎵襯底的 BOW/WARP 測(cè)量時(shí)，弊端逐漸顯現(xiàn)。氮化鎵襯底在生長過程中，由于高溫、高壓以及不同材料層間熱膨脹系數(shù)的差異，內(nèi)部積聚了復(fù)雜的應(yīng)力。大面積平板吸附施加的均勻壓力，如同給襯底套上了一層 “緊箍咒”，掩蓋了襯底真實(shí)的形變狀態(tài)，使得測(cè)量探頭難以捕捉到細(xì)微的 BOW/WARP 變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏離襯底實(shí)際情況，為后續(xù)工藝優(yōu)化埋下隱患。

多點(diǎn)接觸吸附則是在襯底邊緣選取若干點(diǎn)位，利用機(jī)械夾具或真空吸嘴施加吸力固定。此方案的設(shè)計(jì)初衷是盡量減少對(duì)襯底中心區(qū)域應(yīng)力釋放的影響，讓襯底能夠自然呈現(xiàn)其原本的彎曲或翹曲形態(tài)。但在實(shí)際操作中，機(jī)械夾具與襯底接觸點(diǎn)的局部壓力較大，容易在襯底邊緣造成微小損傷，影響襯底質(zhì)量。而且，在測(cè)量過程中，若受到外界輕微震動(dòng)干擾，多點(diǎn)接觸的穩(wěn)定性欠佳，容易引發(fā)襯底晃動(dòng)，致使測(cè)量準(zhǔn)確性與重復(fù)性大打折扣，給工程師精準(zhǔn)判斷襯底 BOW/WARP 狀況帶來極大困難。

二、環(huán)吸方案原理與特性

環(huán)吸方案針對(duì)氮化鎵襯底的特性進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在襯底邊緣靠近圓周的特定寬度環(huán)形區(qū)域布置真空吸附結(jié)構(gòu)。從原理上講，環(huán)形吸附區(qū)域產(chǎn)生的吸力足以抗衡襯底自重以及測(cè)量過程中的輕微擾動(dòng)，穩(wěn)穩(wěn)固定襯底位置。相較于大面積平板吸附，它巧妙避開了襯底中心大面積區(qū)域，使得襯底內(nèi)部因應(yīng)力積累而產(chǎn)生的 BOW/WARP 能夠不受過多約束地展現(xiàn)出來。例如，在氮化鎵外延生長后，由于外延層與襯底晶格常數(shù)存在差異，界面處產(chǎn)生應(yīng)力，引發(fā)襯底中心區(qū)域向某一方向彎曲，環(huán)吸方案下測(cè)量設(shè)備能精準(zhǔn)探測(cè)到這種彎曲程度，真實(shí)反映襯底的 BOW 狀況，為后續(xù)工藝調(diào)整提供可靠依據(jù)。

同時(shí)，對(duì)比多點(diǎn)接觸吸附，環(huán)吸方案避免了機(jī)械接觸帶來的邊緣損傷風(fēng)險(xiǎn)，且環(huán)形吸附的連續(xù)結(jié)構(gòu)提供了更穩(wěn)定可靠的固定效果，即使在存在一定環(huán)境震動(dòng)或氣流擾動(dòng)的測(cè)量環(huán)境中，氮化鎵襯底依然能保持既定姿態(tài)，確保多次測(cè)量結(jié)果的高度一致性，極大提升了 BOW/WARP 測(cè)量的重復(fù)性精度。

三、對(duì)測(cè)量 BOW 的具體影響

1、精度提升

在 BOW 測(cè)量精度方面，環(huán)吸方案優(yōu)勢(shì)顯著。如前所述，大面積平板吸附易造成測(cè)量值偏低，無法準(zhǔn)確反映真實(shí)彎曲度。環(huán)吸方案下，測(cè)量探頭能夠更接近襯底的實(shí)際彎曲表面，精準(zhǔn)捕捉從幾微米到幾十微米的彎曲變化。以某款用于藍(lán)光 LED 制造的氮化鎵襯底為例，經(jīng)模擬實(shí)際工況的熱循環(huán)測(cè)試后，襯底中心產(chǎn)生約 25 微米的凸起彎曲，采用環(huán)吸方案測(cè)量的 BOW 值與理論計(jì)算值偏差控制在 4% 以內(nèi)，而大面積平板吸附測(cè)量偏差高達(dá) 20% 以上，充分證明環(huán)吸對(duì) BOW 測(cè)量精度的卓越提升能力，為高精度芯片制造工藝提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。

2、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性保障

在批量測(cè)量氮化鎵襯底 BOW 時(shí)，環(huán)吸方案憑借穩(wěn)定的環(huán)形吸附力，確保每一片襯底在測(cè)量平臺(tái)上的放置姿態(tài)和受力狀態(tài)近乎一致。無論測(cè)量環(huán)境溫度、濕度如何微小波動(dòng)，或是設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的輕微震動(dòng)，環(huán)吸都能有效緩沖外界干擾，使襯底維持穩(wěn)定測(cè)量條件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在連續(xù)測(cè)量同一批次 50 片氮化鎵襯底 BOW 過程中，環(huán)吸方案下測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差僅為 2.5 微米左右，相較于多點(diǎn)接觸吸附動(dòng)輒超過 6 微米的標(biāo)準(zhǔn)差，環(huán)吸極大保障了 BOW 測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，方便工藝工程師快速篩選出 BOW 異常襯底，提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量管控水平。

四、對(duì)測(cè)量 WARP 的突出影響

3、真實(shí)形變還原

當(dāng)聚焦于 WARP 測(cè)量，即氮化鎵襯底整體平面的扭曲狀況時(shí)，環(huán)吸方案展現(xiàn)出強(qiáng)大的還原能力。由于僅在邊緣環(huán)形區(qū)域作用，襯底各個(gè)部分依據(jù)自身應(yīng)力分布自由翹曲。例如，在化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝后，因研磨不均勻，襯底不同區(qū)域應(yīng)力失衡引發(fā) WARP，環(huán)吸讓這種三維扭曲狀態(tài)完整暴露，測(cè)量數(shù)據(jù)全面反映襯底真實(shí)質(zhì)量。相比大面積平板吸附造成的 “假平整” 假象，環(huán)吸為工藝改進(jìn)提供了無可替代的可靠依據(jù)，助力優(yōu)化后續(xù)的薄膜沉積、光刻等工序，確保芯片性能一致性。

4、工藝優(yōu)化導(dǎo)向性增強(qiáng)

在半導(dǎo)體制造全流程視角下，準(zhǔn)確的 WARP 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于工藝優(yōu)化至關(guān)月。環(huán)吸方案所獲取的高精度、真實(shí)反映襯底 WARP 的數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)指導(dǎo)從襯底制備初期的熱工藝參數(shù)調(diào)整，到芯片制造后期封裝工藝的適配性改進(jìn)。通過對(duì)大量采用環(huán)吸方案測(cè)量 WARP 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以快速定位工藝瓶頸，如發(fā)現(xiàn)某一熱退火環(huán)節(jié)溫度梯度不合理導(dǎo)致襯底 WARP 增大，進(jìn)而針對(duì)性優(yōu)化工藝，降低不良品率，推動(dòng)氮化鎵基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向更高工藝成熟度邁進(jìn)。

五、面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

盡管氮化鎵襯底的環(huán)吸方案優(yōu)勢(shì)盡顯，但在實(shí)際應(yīng)用與推廣中仍面臨挑戰(zhàn)。一方面，環(huán)形吸附區(qū)域的設(shè)計(jì)與制造精度要求極高，吸附力的均勻性稍有偏差，就可能導(dǎo)致襯底邊緣局部受力不均，產(chǎn)生微小變形，影響測(cè)量精度。這需要借助先進(jìn)的微納加工技術(shù)優(yōu)化吸附環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)合高精度壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)控，確保吸力均勻穩(wěn)定。另一方面，隨著氮化鎵襯底向大尺寸化發(fā)展，維持環(huán)形吸附的穩(wěn)定性愈發(fā)困難。研發(fā)適配大尺寸襯底的寬環(huán)、分段環(huán)等創(chuàng)新型環(huán)吸結(jié)構(gòu)，配合智能算法動(dòng)態(tài)分配吸附力，保障不同尺寸規(guī)格下襯底 BOW/WARP 測(cè)量的精準(zhǔn)性，成為當(dāng)下亟待攻克的技術(shù)難題。

綜上所述，氮化鎵襯底的環(huán)吸方案在測(cè)量 BOW/WARP 方面相較于其他吸附方案展現(xiàn)出高精度、高穩(wěn)定性、真實(shí)還原形變等諸多優(yōu)勢(shì)，雖面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著科研人員持續(xù)攻堅(jiān)克難，不斷優(yōu)化創(chuàng)新，有望成為氮化鎵襯底測(cè)量吸附的主流方案，為蓬勃發(fā)展的氮化鎵半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)注入強(qiáng)勁動(dòng)力，助力高端芯片制造邁向新征程。

六、高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)

高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)以光學(xué)相干層析成像原理，可解決晶圓/晶片厚度TTV（Total Thickness Variation，總厚度偏差）、BOW（彎曲度）、WARP（翹曲度），TIR（Total Indicated Reading 總指示讀數(shù)，STIR（Site Total Indicated Reading 局部總指示讀數(shù)），LTV（Local Thickness Variation 局部厚度偏差）等這類技術(shù)指標(biāo)。

高通量晶圓測(cè)厚系統(tǒng)，全新采用的第三代可調(diào)諧掃頻激光技術(shù)，相比傳統(tǒng)上下雙探頭對(duì)射掃描方式；可一次性測(cè)量所有平面度及厚度參數(shù)。

1，靈活適用更復(fù)雜的材料，從輕摻到重?fù)?P 型硅 (P++)，碳化硅，藍(lán)寶石，玻璃，鈮酸鋰等晶圓材料。

重?fù)叫凸瑁◤?qiáng)吸收晶圓的前后表面探測(cè)）

粗糙的晶圓表面，（點(diǎn)掃描的第三代掃頻激光，相比靠光譜探測(cè)方案，不易受到光譜中相鄰單位的串?dāng)_噪聲影響，因而對(duì)測(cè)量粗糙表面晶圓）

低反射的碳化硅(SiC)和鈮酸鋰(LiNbO3)；（通過對(duì)偏振效應(yīng)的補(bǔ)償，加強(qiáng)對(duì)低反射晶圓表面測(cè)量的信噪比）

絕緣體上硅（SOI)和MEMS，可同時(shí)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)，厚度可從μm級(jí)到數(shù)百μm級(jí)不等。

可用于測(cè)量各類薄膜厚度，厚度最薄可低至4 μm ，精度可達(dá)1nm。

2，可調(diào)諧掃頻激光的“溫漂”處理能力，體現(xiàn)在極端工作環(huán)境中抗干擾能力強(qiáng)，充分提高重復(fù)性測(cè)量能力。

采用第三代高速掃頻可調(diào)諧激光器，一改過去傳統(tǒng)SLD寬頻低相干光源的干涉模式，解決了由于相干長度短，而重度依賴“主動(dòng)式減震平臺(tái)”的情況。卓越的抗干擾，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)也可兼容匹配EFEM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線自動(dòng)化集成測(cè)量。

3，靈活的運(yùn)動(dòng)控制方式，可兼容2英寸到12英寸方片和圓片測(cè)量。