白光干涉仪在晶圆深腐蚀沟槽的 3D 轮廓测量

摘要：本文研究白光干涉仪在晶圆深腐蚀沟槽 3D 轮廓测量中的应用，分析其工作原理及适配深腐蚀沟槽特征的技术优势，通过实际案例验证测量精度，为晶圆深腐蚀工艺的质量控制与器件性能优化提供技术支持。

关键词：白光干涉仪；晶圆；深腐蚀沟槽；3D 轮廓测量

一、引言

晶圆深腐蚀沟槽是功率器件、MEMS 传感器等器件的核心结构，承担着电场隔离、机械支撑等关键功能，其 3D 轮廓参数（如沟槽深度、侧壁倾斜角、底部粗糙度）直接影响器件的性能与可靠性。深腐蚀沟槽通常具有深度大（10-100μm）、深宽比高（5:1 至 30:1）的特点，且腐蚀过程易因溶液浓度不均导致局部形貌偏差。传统测量方法难以兼顾深度检测与侧壁细节捕捉，而白光干涉仪凭借非接触、高分辨率及三维全域测量能力，成为晶圆深腐蚀沟槽 3D 轮廓测量的理想工具。

二、测量原理与方法

白光干涉仪基于低相干干涉技术实现三维形貌重构。测量时，宽带白光经分光后形成参考光与测量光，测量光投射至晶圆深腐蚀沟槽表面，沟槽底部、侧壁及台面的反射光与参考光在探测器处产生干涉条纹。通过高精度纵向扫描系统（扫描步长 0.1nm）调节光程差，结合深沟槽信号增强算法，可有效提取沟槽底部的微弱反射信号，精确计算沟槽深度（深度 = 台面高度 - 底部高度）；对于侧壁轮廓，采用多角度照明与相位拼接技术，消除侧壁遮蔽导致的信号缺失，实现侧壁倾斜角（测量误差＜0.5°）、表面粗糙度（Ra 分辨率 0.1nm）等参数的量化，完整重建沟槽的 3D 轮廓。

三、技术优势

3.1 深沟槽结构适配性

针对晶圆深腐蚀沟槽的高深宽比特征，白光干涉仪通过优化光学系统（采用长焦深物镜与红外光源），减少光线在沟槽内的衰减与散射，探测深度可达 150μm。即使在宽度 2μm、深度 50μm 的沟槽中，仍能保持底部轮廓测量精度 ±5nm，侧壁倾斜角分辨率 0.1°，有效解决传统光学测量的 “深槽盲区” 问题。

3.2 腐蚀缺陷识别能力

深腐蚀易产生侧壁坑洼、底部凸起等缺陷，白光干涉仪通过高灵敏度相位解算（相位精度 0.001π），可识别深度仅 2nm 的侧壁凹陷与直径＞1μm 的底部凸起，较金相显微镜的缺陷检测能力提升 20 倍以上，满足高精度深腐蚀工艺对缺陷密度的要求（通常＜0.5 个 /mm²）。

3.3 非接触无损测量

采用光学遥感式测量方式，避免与晶圆深腐蚀沟槽的直接接触，可防止腐蚀后的脆弱表面出现机械损伤（如侧壁坍塌、底部剥落），尤其适用于硅、蓝宝石等脆性材料晶圆的测量，确保测量数据反映真实的腐蚀质量。

四、应用实例

某半导体企业对硅晶圆的深腐蚀沟槽（设计深度 30μm、宽度 5μm，深宽比 6:1）进行检测，采用白光干涉仪配置 20× 物镜与深沟槽测量模式。结果显示：实际沟槽深度 29.9±0.2μm，侧壁倾斜角 89.2°，局部区域因腐蚀液对流不均出现深度 5nm 的侧壁坑洼。基于测量数据调整腐蚀液浓度与搅拌速率后，沟槽深度一致性提升至 99.7%，侧壁平整度改善 75%，器件的击穿电压稳定性提高 18%

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审核编辑 黄宇